автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологии изготовления коленчатых валов форсированных дизелей на основе применения дифференцированного гидродробеструйного упрочнения и композиционных материалов

ци-*

На правах рукописи

Марьина Надежда Леонидовна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО ГИДРОДРОБЕСТРУЙНОГО УПРОЧНЕНИЯ И КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2009

003486455

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Косырев Сергей Петрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Королев Андрей Альбертович

- кандидат технических наук Комиссаренко Евгений Алексеевич

Ведущая организация: ООО «ПКР ДИЗЕЛЬСЕРВИС»,

г. Балаково, Саратовской области

Защита состоится 25 ноября 2009 г. в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан « гз » октября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

А.А. Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется необходимостью совершенствования теории и практики технологии поверхностного пластического деформирования применением дифференцированного гидродробеструйного упрочнения (ГДУ) и термопластичного полимера в конструкции демпфера коленчатого вала. Дифференцированное гидродробеструйное упрочнение как один из методов поверхностного пластического деформирования (ППД) позволяет на высоконагруженных деталях из углеродистой и конструкционной стали упрочнить поверхностный слой, активно управлять деформационным упрочнением различных участков поверхности конструкции, что дает возможность существенно повысить равномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность при усталостном нагружении. Применение термопластичного полимера в демпферах крутильных колебаний как разновидность технологии поверхностного пластического деформирования повышает коэффициент запаса усталостной прочности, что указывает на увеличение эксплуатационной надежности и работоспособности коленчатого вала. При этом снижается вес, уменьшаются инерционные нагрузки на элементы конструкции, которая упрощается.

В работах отечественных и зарубежных исследователей отмечается, что напряжения, оставшиеся в поверхностных слоях после ППД, помимо других факторов, тесно связаны с начальными технологическими остаточными напряжениями, возникающими в очаге деформации и в прилегающих к нему областях. Среди работ, относящихся к вопросу изучения начальных технологических остаточных напряжений при ППД применительно к условиям ГДУ, выделяются исследования И.В. Кудрявцева, А.Н. Овсеенко, В.В. Петросова, Д.Д. Папшева, С.П. Косырева и др. Однако для условий ГДУ пренебрежение взаимосвязью между дифференцированным упрочнением и начальными технологическими остаточными напряжениями (ИТОН) приводит к значительным погрешностям. Для оценки начальных технологических остаточных напряжений после технологической обработки ППД, определяющих качество упрочнения и запасы усталостной прочности детали, приходится решать задачи напряженности конструкции при технологии ППД. Вопрос дифференцированного подхода к устранению ИТОН был рассмотрен в работах Кудашевой И.О., Горшкова Е.А., Комиссаренко Е.А., Сорокиной Л.А. и др. под руководством Косырева С.П. Данная работа отличается схемой учета напряженного состояния коленчатого вала от действующих на него переменных нагрузок различного происхождения.

Актуальность работы подтверждается тем, что она является частью исследований, входящих в комплексные научно-технические программы ОАО «Волжский дизель им. Маминых»: 0.13.07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», а также других целевых комплексных научно-технических программ по развитию транспортного двигателесгроения.

Цель исследования: совершенствование технологии изготовления коленчатых валов форсированных дизелей на основе применения дифференцированного гидродробеструйного упрочнения и композиционного материала в демпфере коленчатого вала.

1. Разработать расчетные методы оценки основных технологических критериев для поверхностного пластического деформирования образцов-свидетелей. Определить напряженное состояние коленчатого вала в эксплуатационных условиях, используя метод конечных элементов, теорию упругости и сопротивление материалов.

2. Разработать методику и провести экспериментальную проверку напряженного состояния элементов коленчатого вала.

3. Разработать технологию дифференцированного гидродробеструйного упрочнения элементов коленчатого вала, позволяющую управлять поверхностным пластическим деформированием различных участков поверхности конструкции.

4. Провести теоретическую и экспериментальную проверку эффективности предлагаемой технологии ППД элементов коленчатого вала.

5. Разработать технологию изготовления демпфера коленчатого вала из композиционного материала с оценкой эффективности его эксплуатационной характеристики.

6. Выполнить технико-экономическую оценку эффективности результатов исследований.

Методы и средства исследований:

1. Технологические методы исследования проведены с использованием малоотходного дифференцированного ГДУ с разработкой планирования при этом многофакторного эксперимента.

2. Теоретические исследования зависимости начальных технологических остаточных напряжения от технологических режимов обработки и оценка напряженного состояния конструкции проведены с использованием расчетно-аналитических методов теории упругости, строительной механики стержневых систем, сопротивления материалов и метода конечных элементов.

3. Экспериментальные методы исследований базировались: на электротензометрии, торсиографировании напряжений от крутильных колебаний, поляризацион-но-оптическом методе, методе травления и использовании прибора «БЬеззсап 500» при исследовании начальных технологических остаточных напряжений после дифференцированной гидродробеструйной обработки коленчатого вала и образцов-свидетелей.

Научная новизна:

1. Разработана технология поверхностного пластического деформирования (ППД), заключающаяся в дифференциации параметров гидродробеструйного упрочнения в зависимости от рабочего напряженного состояния элементов коленчатого вала для преобразования рабочих напряжений растяжения в технологические напряжения сжатия, которые приводят к улучшению эксплуатационной надежности элементов коленчатого вала.

2. Построена математическая модель режимов дифференцированного гидродробеструйного упрочнения элементов коленчатых валов, включающая обоснование выбора диаметра шариков, давление жидкости и время обработки, которые позволяют активно управлять деформационным упрочнением различных участков поверхностей деталей, что дает возможность существенно повысить равно-

мерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность при усталостном нагружении.

3. Обоснована технология изготовления демпферов крутильных колебаний коленчатого вала в условиях ППД путем применения композитных материалов в виде термопластичных полимеров с разработкой методики торсиографирования коленчатых валов в условиях эксплуатации.

Практическая ценность и реализация результатов работы: достигнут переход к эффективному управлению начальными технологическими остаточными напряжениями при ГДУ, определена область наиболее рациональных режимов ППД. Разработана технология упрочняющей обработки наружных поверхностей щек и противовесов коленчатых валов форсированных дизелей, для которых достигалось активное снижение неравномерности результирующих напряжений по сечениям элементов коленчатого вала. Предлагаемая технология позволяет снизить материалоемкость изготовления коленчатого вала, снизить трудоемкость изготовления коленчатого вала. Конструкционно-технологические решения, применение композитного полимера в конструкции демпфера крутильных колебаний, изменяют условия демпфирования колебаний путем снижения инерционных нагрузок на коренные и шатунные подшипники скольжения. Результаты исследования внедрены в ОАО «Волжский дизель имени Маминых» (г. Балаково) при изготовлении коленчатых валов форсированных дизелей с высоким технологическим уровнем и эксплуатационной надежностью.

Апробация работы: основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на XI - XII Международных научно-практических конференциях «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2007-2008 г.г.); на 20-21-22 Межгосударственных научно-технических семинарах «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ» (СГАУ, Саратов, 2007-2009 г.г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Совершенствование техники, технологий и управления в машиностроении» (Саратов, СГТУ-2009 г.); на IX- XI Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Саратов, 2007-2009 г.г.); на ежегодных научно-технических конференциях кафедры «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ (2006 - 2009 г.г.).

Публикации: по материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе в издательствах, рекомендуемых ВАК - 3 публикации, имеется патент РФ на изобретение №2304244.

На защиту выносятся:

-малоотходная технология ППД образцов-свидетелей деталей деформированием технологической ГДО;

- результаты теоретических исследований по определению формирования начальных технологических остаточных напряжений элементов коленчатого вала на основе базового метода конечных элементов.

- результаты экспериментальных исследований по изучению влияния технологических остаточных напряжений от технологического ППД ГДО на общее

суммарное напряженное состояние щек и противовесов коленчатых валов форсированных дизелей;

-результаты эксплуатационных исследований торсиографирования коленчатого вала, изготовленного по разработанной технологии с учетом установленного распределения начальных технологических остаточных напряжений, при применении демпфера коленчатого вала из термопластичного полимера.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи и научная новизна, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе говорится, что изучению процессов технологического ППД посвящены работы И.В. Кудрявцева, М.А. Балтер, А.Н. Овсеенко, Б.А. Кравченко, В.М. Смелянского, А.Г. Суслова, ЯМ. Бараца, Ж.А. Мрочека, С.С. Макаревича, J1.M. Кожуро и др. Их исследованиями доказано, что повышение эксплуатационных свойств деталей достигается упрочнением поверхностного слоя и образования в нем благоприятных начальных технологических остаточных напряжений. Затем проводится обзор работ по совершенствованию технологии изготовления коленчатых валов в области процессов упрочняющей обработки методами технологического ППД и его особенности.

Имеется ряд публикаций Сорокиной JI.A., Комиссаренко Е.А., Рафикова P.M., Кудашевой И.О., раскрывающих механизмы дифференциального гидродробеструйного нагружения образцов - свидетелей при технологическом ППД. Анализ этих работ показывает, что при технологическом ППД поверхностного слоя детали имеется количественная и качественная взаимосвязь между нагруженным состоянием конструкции и начальными технологическими остаточными напряжениями.

Технологические процессы механической обработки, гидродробеструйного упрочнения наряду с микрогеометрией детали, глубиной и степенью упрочнения поверхностного слоя формируют неоднородное силовое поле начальных технологических остаточных напряжений, вызывающих при изготовлении деталей коробление, усталостные трещины. Имеющиеся немногочисленные теоретические разработки базируются на определении начальных остаточних напряжений в режиме «насыщения», т.е. на таком этапе процесса, дальнейшее проведение которого практически не изменяет нагруженно-деформированного состояния поверхностного слоя. Доказано, что при гидродробеструйном упрочнении поверхностного слоя начальные технологические остаточные напряжения дифференцированно зависят от рабочих и монтажных напряжений в конструкции. Показаны пути совершенствования технологии гидродробеструйиого упрочнения, связанные с оптимизацией технологических режимов и изучения основных влияющих факторов и параметров различной природы. Определены в качестве первоначальных задачи определения технологических параметров и анализа напряженно-деформированного состояния в очаге деформации коленчатого вала форсированного дизеля.

Вторая глава посвящена определению теоретических технологических характеристик при оценке критериев поверхностного пластического деформирования элементов коленчатых валов. Для повышения эксплуатационной надежности и качества изготовления коленчатых валов в комплекс исследований и кон-структорско-технологических мероприятий входит оценка начальных технологических остаточных напряжений (ИТОН) в поверхностном слое, применение различных методов упрочнения и повышения качества, поскольку в процессе эксплуатации коленчатого вала происходит релаксация ИТОН. Это приводит к короблению валов и отрицательно сказывается на эксплуатационной надежности как собственно вала, так и сопрягаемых с ним деталей.

Технологические расчеты зависимости диаметра шариков на начальные технологические остаточные напряжения представлены на рис.1. Как видно из графика, при глубине наклепа И=0,2мм сг^01 изменяется с -300 МПа при диаметре шариков 2-3 мм до -200МПа при диаметре шариков 1,6 мм. При этом первоначальный уровень ИТОН в поверхностном слое образца-свидетеля для обработки составляет -500 МПа. Эти расчеты показывают, что когда ах'"=-500 МПа обработка шариками 0=3мм может вызвать в поверхностном слое элементов коленчатого вала перенаклеп, что отрицательно сказывается на запасе усталостной прочности конструкции. Оптимальным 0 для шариков, которыми осуществляется дифференцированный гидронаклеп поверхности элементов коленчатого вала, является 0=2 мм.

Рис. 1. Влияние диаметра шариков

на начальные технологические остаточные напряжения Сд" после ППД образцов-свидетелей Рж=0,4МПа, 1=2 мин, 1 - 0=1,6 мм, 2 - 0=2 мм, 3 - 0=3 мм

Технологические расчеты зависимости ИТОН сжатия от давления жидкости при обработке шариками 0=2 мм показали: при глубине наклепа поверхностного слоя в 0,2 мм уровень начальных технологических остаточных напряжений составляет сухх'" = -300 МПа при давлении жидкости в Рж=0,4 МПа (режим 2). При режиме 1 - Рж=0,8 МПа создает ст„"/=-500 МПа, а режим 3 соответственно при давлении жидкости Рж=0,6 МПа создает ИТОН а^' я;-400 МПа, что явно является избыточным и опять приведет к перенаклепу элементов коленчатого вала. Следовательно, самым оптимальным режимом влияния давления жидкости является 2 режим обработки (рис.2).

Технологические расчеты зависимостей влияния времени упрочнения поверхностей на начальные технологические остаточные напряжения представлены на рис.3. Результаты расчетов показывают: из четырех выбранных временных режимов обработки оптимальным является второй, где /=2 мин, при глубине наклепа в 0,2 мм ИТОН соответствуют аХ1"'= -300 МПа. Другие временные режимы упрочнения (г=/ мин, 1=3 мин, 1=6 мин) дают изменение ИТОН от -500

МПа до -400 МПа, что ведет к перенакепу поверхностного слоя и снижению за-

Рис.2. Влияние давления жидкости

на начальные технологические остаточные напряжения ст„°' после

ППД образцов-свидетелей 0=2 мм, 1=2 мин, I - Рж=0,8 МПа, 2 - Рж=0,4 МПа, 3 - Р„"0,6 МПа

Рис.3. Влияние времени упрочнения

на начальные технологические остаточные напряжения ст,/' после

ППД образцов-свидетелей 0=2мм, Рж=0,4МПа, 1 -1=1 мин, 2 -1=2 мин, 3 -1-3 мин, 4 -1=6 мин

В результате мы определили направление исследования влияния режимов обработки на распределение и величину технологических напряжений с превращением существующих напряжений растяжения в напряжения сжатия и получения рациональной картины их распределений.

При технологическом ППД коленчатых валов в условиях знакопеременного циклического нагружения поверхностного слоя начальные технологические остаточные напряжения определяются зависимостью

При развитии расчётных методик по определению а^"' щеки, противовеса и шатунной шейки коленчатого вала в настоящее время распространено применение метода конечных элементов (МКЭ). Методики расчета напряженного состояния коленчатых валов не учитывают уровень остаточных напряжений в элементах коленчатого вала. Как показали исследования, проведенные на остальных образцах-свидетелях, этот уровень достаточно высок. Воздействие динамического нагружения противовеса увеличивает его напряженное состояние приблизительно на 25%.

Теоретические предпосылки для расчёта элементов коленчатого вала в рамках трехмерной тетраэдальной модели реализованы в расчёте коленчатого вала на примере щеки (рис. 4) и противовеса (рис.5) коленчатого вала форсированного дизеля 6ЧН21/21 с применением комплексных программ Desaignspase, Unigrafics NX5, Autodesk Inventor.

Результаты расчётов напряжений в щеке коленчатого вала МКЭ от действия суммарного крутящего и изгибающего момента представлены эпюрами на рис.4 и 5. Согласно этим эпюрам, можно заключить, что напряжения в щеке и противовесе коленчатого вала распределяются неравномерно.

паса усталостной прочности.

»Па 1 1 ■!

й* й, 0.1 Эр** /С i üi Vi - / Т\ / " - 1 ргжш • - греяик г> • 3 PtXVK

Расчётные МКЭ нормальные напряжения в элементах коленчатого вала,

Характерные расчётные точки 1 2 3 4 5 6 К

Щека, а, МПа 288 -139 159 309 459 608 1,31-10,07

Противовесу, МПа -113,0 -76,8 -40,4 32,2 68,4 104,7 0,71-4,34

Рис. 4. Разбивка МКЭ противовеса коленчатого вала дизеля 6ЧН21/21

Рис. 5. Эпюры расчётных МКЭ

нормальных напряжений в щеке кол. лала

,) \\ : 7/1 , ..... „щ —

Г \ >

1 ! МЩ "ш=

X , ■ 1

_[ |' .. —- я- "а

У 1 V— V \ М. ш

—-:

2 J

В представленной постановке МКЭ, как пример, оценим напряженное состояние шатунной шейки коленчатого вала форсированного дизеля 6ЧН 21/21 с учетомо/" начальных технологических остаточных напряжений ст,/'. В поверхностном слое шату нной шейки коленчатого вала в зависимости от рабочих на-пряжений(т1/а5, полученных расчетом по МКЭ, уровень начальных технологических остаточных напряжений сжатия получают дифференцированным упрочнением, например, ультразвуковой обработкой.

Рис.б. Распределение характерных зон и эпюры рабочиxaj"6, начальных технологических ос-

01 - _ рез

таточных напряжении сжатия О^ и результирующих напряжении о„ по ним в наружной

поверхности шатунной шейки

Рассмотрев схему формирования НТОН на примере образца-свидетеля, мы получаем, что упрочнение наружной поверхности щеки и противовеса коленчатого вала гидродробенаклепом ликвидирует начальные растягивающие остаточные напряжения, заменяя их начальными остаточными напряжениями сжатия с максимальной величиной на поверхности -50...-300 МПа при глубине наклепа 0,2 ...0,3 мм (патент РФ №2133282).

В третьей главе приводятся результаты исследования, направленные на совершенствования технологических методов и средств для обоснования параметров ГДО.

В основе технологического метода определения НТОН принят метод Да-виденкова H.H., который основан на предположении, что удаление части образ-

ца с остаточными напряжениями эквивалентно приложению к оставшемуся образцу на вновь появившихся поверхностях напряжений, равных по величине и обратных по знаку остаточным. Эти напряжения вызывают деформацию образца. По возникшим деформациям вычисляются величина и знак ИТОН. Технологический метод определения ИТОН в поверхностном слое детали уточнен на основе обобщения опыта НИАТ, НПЦ ЦНИИТМАШ, ОАО «Волжский дизель им. Маминых» и других организаций.

Определение ОН основано на рекомендации деформации образцов при их электрохимическом травлении. Скорость травления зависит от плотности тока, состава и степени загрязнения электролита и принимается в пределах 1-1,5мкм/мин. Плотность тока выбирают с учетом скорости травления и ограничивают допустимой температурой нагрева электролита, превышение которой сопровождается значительными температурными деформациями установки. В качестве химического травителя применялся 20% водный раствор азотной кислоты с добавкой 40 капель технического глицерина на 100 см' раствора.

Экспериментальная часть работы по определению величины и характера распределения НТОН производилась с использованием прибора «ПИОН-ОМ» оптико-механическим методом, отсчетно-измерительной системой микроскопа.

в наклепанном слое возникают сжимающие остаточные напряжения значительной величины, в средней части - незначительные растягивающие и на противоположной стороне образца - опять сжимающие, но уже небольшие.

Проведенные исследования показывают, что состояние поверхностного слоя высоконагруженных деталей сложной формы по параметру остаточных напряжений не является рациональным, правильно регламентированным в научно-технической литературе и технологически не обеспеченным, что не способствует наиболее полному использованию эксплуатационных свойств материалов заготовок. Представляют интерес результаты исследований по влиянию гидродробеструйного упрочнения на остаточные напряжения и предел выносливости сталей.

Из графиков по рис.8 видно, что стрела прогиба и глубины упрочненного слоя показывают увеличение интенсивности упрочнения от I к III режиму. По графикам (рис.9) подсчитываются средние значения изменений прогиба, необходимые для расчета начальных технологических остаточных напряжений по

Экспериментальная часть работы по определению величины и характера распределения ОН производилась на установке ГДЭУ-5 шариками тремя режимами обработки. Наклеп по всем трем режимам дает принципиально одну и ту же картину распределения ОН:

Рис.7.Схема прибора «ПИОН-ОМ» для контроля остаточных напряжений в призматических образцах

формуле H.H. Давиденкова. Сделаны заключения о влиянии на величину и характер распределения начальных технологических остаточных напряжений твердости стали, толщины образца-пластины и параметров гидродробеструйного упрочнения. Сделан вывод о влиянии на усталостную прочность не только величины, но и глубины проникновения начальных технологических остаточных сжимающих напряжений.

Är*5T / ,

<\ / / / /

гл НмЯ

0.2 V in и

\ мвшвдщвиг»

\

S--

Таллию уЗаюнво сяя т

Рис.8 Изменение прогиба пластин Рис.9 Влияние твердости пластины

при последовательном удалении на начальные технологические

слоев металла остаточные напряжения

Перспективным путем исследования напряженно-деформируемого состояния конструкций двигателя является моделирование на плоских и объемных фотоупругих моделях. По сравнению с другими методами поляризационно-оптический метод (ПОМ) позволяет отказаться от исследования натурных конструкций, требующих громоздкого и дорогостоящего оборудования для нагру-жения, фиксирует картину напряжений по всему полю коленчатого вала непрерывно, что является основным его преимуществом. В качестве прибора для исследования напряженно-деформированного состояния коленчатых валов ПОМ принят полярископ с диффузором.

Отличиями и преимуществами полярископа с диффузором по сравнению с существующими линзовыми установками, имеющими точечный источник и параллельные пучки света, являются:

-неограниченность размеров рабочего поля, позволяющая использовать крупномасштабные модели;

- применение моделей с неполированной поверхностью;

- простота конструкции и легкость в работе.

Уменьшенные модели коленчатого вала на ОАО «Волжский дизель им. Маминых» были изготовлены из оптически-активного материала на основе эпоксидной смолы ЭД-5 горячего отвердения. Технология изготовления материала включает разработку и получение форм, смешивание компонентов, заливку смеси в формы, полимеризацию, разборку форм и отжиг заготовки.

Высокая оптическая чувствительность применяемого материала обеспечивает простоту и точность измерения. Дня определения оптического коэффициента напряжений изготавливали плоский тарировочный образец в виде диска, который испытывали на сжатие диаметрально приложенными силами (рис.10). Реализованные и исследованные по предложенной методике галтели коленчатого вала оптимального профиля для двигателя 6ЧН 21/21 обеспечивают снижение теоретического коэффициента концентраций напряжений с 2,4 до 1,7, т.е. на 30%, что подтверждено исследованиями на плоских моделях коленчатых валов.

Это позволяет существенно оптимизировать и снизить величину максимальных напряжений при минимальных конструкционных изменениях и повысить ресурс и эксплуатационную надежность коленчатых валов форсированных дизелей.

Рис.10. Плоский тарировочный Рис''1 ' ЭпюРа Распределения квазистатических об ей напряжении в порядках полос на наружном контуре

модели коленчатого вала

В четвертой главе приведены экспериментальные исследования механической напряженности и усталостной прочности в элементах коленчатых валов (в щеках, противовесах) как в лабораторных условиях, так и в условиях эксплуатации на развернутых работающих дизелях проведены при помощи проволочных тензодатчиков сопротивления. Статическое тензометрирование щеки и противовеса растягивающими и сжимающими эксплуатационными нагрузками проводилось на безмоторном стенде - универсальной испытательной машине - гидропульсаторе ЦДМ-20ПУ. Замеры динамических напряжений на щеке и противовесе коленчатого вала в условиях работающего дизеля 6ЧН 21/21 производились на 100% нагрузке (Рс=882,5 кВт) при п=25 с"1 с записью показаний всех тензодатчиков на осциллограммы.

Напряжения на наружной поверхности элементов коленчатого вала от действия

рабочих нагрузок

Характерные расчета, точки 1 2 3 4 5 6

Тензодатчики 1 2 3 4 5 6

Щека ^ шсп .дин . 345 -165 190 365 595 720

а •, МПа 320 -155 175 344 510 675

а расчш МПа 288 -139 159 309 459 608

Противовес ^ эксп.дин. -134,5 -91,0 -48,0 38,5 81,0 124,5

® зксп .стагп . МПа -125,5 -85,0 -45,0 35,7 76,0 116,0

& расчет МПа -113 -76,8 -40,4 32,2 68,4 104,7

Из анализа эпюр, осциллограмм можно сделать вывод, что на поверхностях противовеса и щеки возникает высокая неравномерность распределения напряжений, являющаяся одной из существенных причин снижения эксплуатационной надежности и долговечности коленчатого вала. Полученный результат подтвердил эффективность разработанной технологии обработки коленчатого

вала, учитывающий изменение распределения напряжений полученных при теоретических исследованиях.

Рис.12. Распределение характерных зон и эпюры рабо-

чих сг„

раб

начальных технологических остаточных

О!

напряжении сжатия ахх и результирующих напряжении СГН по ним в наружной поверхности щеки Рис.13. Распределение характерных зон и эпюры рабо-

чих <7.

раб

начальных технологических остаточных напряжений сжатия о^ц"' и результирующих напряжений

— рез

<Т„ по ним в наружной поверхности противовеса

Рис. 14. Общая схема монтажа для торсиографирования коленчатого вала Целью торсиографирования ставится определение резонансных чисел оборотов и развитие амплитуд вынужденных колебаний в исследуемой установке. Для определения расположе-необходимо

Зарвтнвэана

Глссмш шп>1?ш<1 впп/туЭь/ ф/гы/ънл мик&м) с&ЛИю^п квшч кплрни/тге Лип ¡Ьхян 21/Я Тч Л 'О кг/с* '

гм 'Л ш 6р сЫ па га -

'ос >жл -

м |\ ч N / \

V \ к

У: А

/ А * А 9 1 п Г 7 1> Т V к ■я и

ния резонансов А род

Ш

I

Рис. 16. Графики изменения крутильных колебаний

свободного конца коленчатого вала дизеля 6ЧН 21/21, изготовленного по разработанной технологии с учетом начальных технологических остаточных напряжений

ию ЯЮ 600 700 800 900 т>л„1/1и1

Рис. 15. Определение запретных зон амплитуды колебаний от числа оборотов коленчатого вала

иметь непрерывную запись колебаний свободного конца коленчатого вала при переменных числах оборотов с помощью торсиографов сейсмического типа ТРАК-12(рис,14).

Определение запретных зон чисел оборотов, т.е. тех интервалов, в пределах которых в коленчатом вале возникали напряжения, превышающие допустимые, является заключительным этапом обработки и анализа торсиограмм (рис.15). Вопрос об исключении запретных зон решаем путем дополнительного конструирования элементов демпфирования или путем смещения запретных зон из рабочего диапазона чисел оборотов двигателя. Для этой цели разработана конструкция демпфера крутильных колебаний по патенту РФ №2304244, полученного автором работы, особенностью которого является изготовление шкива демпфера из термопластичного полимера путем его формирования в пресс-форме. Технический результат заключается в уменьшении веса изделия, снижении инерционных нагрузок на элементы коленчатого вала.

Следует отметить, что для двухузловой формы колебаний максимальные амплитуды свободного конца коленчатого вала изменяются от 0,00750 рад (при работе без демпфера) до 0,0035 рад (при работе с демпфером по патенту РФ №2304244), что указывает на повышение эксплуатационной надежности и работоспособности коленчатого вала в 2,14 раза с демпфером предложенной конструкции.

В пятой главе рассматривается вопрос применения перспективной технологии упрочнения поверхностного слоя деталей методом поверхностного пластического деформирования способом дифференцированной гидродробеструйной обработки (ГДО), позволяющей в одном процессе объединить огделочно-упрочняющую обработку и повысить сопротивление усталости, в связи с чем актуальным является исследование его эффективности для нейтрализации и компенсации разупрочняющего влияния дефектного слоя. Решение указанной задачи позволяет обосновать возможность перехода на точную заготовку в производстве коленчатых валов и резко повысить Ки м . Предлагаемая технология позволяет в условиях ОАО «Волжский дизель им. Маминых» снизить материалоёмкость процесса на 50%, довести коэффициент использования материала до Ким = 0,8 - 0,9, снизить трудоёмкость изготовления коленчатого вала на 2025%, освободить 15 фрезерных станков, задействованных в обработке контуров коленчатых валов, и рабочих, их обслуживающих. Суммарный годовой технико-экономический эффект от внедрения результатов исследований (дифференцированного гидродробеструйного упрочнения и термопластичного композиционного материала для демпфера крутильных колебаний) составляет 3248,932 тыс. руб ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан и освоен на практике малоотходный метод дифференцированного гидродробеструйного упрочнения элементов коленчатых валов, позволяющий активно управлять поверхностным пластическим деформированием различных участков поверхности конструкции, что дает возможность существенно повысить неравномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность конструкции при усталостном нагружении.

2. Результаты исследований рабочего напряженного состояния элементов коленчатых валов в условиях знакопеременного циклического нагружения с применением МКЭ позволяют более верно судить об эксплуатационной надежности

конструкции по критерию «усталостная прочность». Расчетные методики по определению начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое после поверхностного пластического деформирования на примере стержней разнородной упругости позволяют оценить уровень начальных технологических остаточных напряжений после происшедшей пластической деформации, а также выбрать режимы дифференцированного упрочнения.

3. Проведена экспериментальная оценка проверки достоверности расчета напряженного состояния элементов коленчатого вала, а также определения среднего напряжения цикла с целью назначения начальных технологических остаточных напряжений при ППД. Сопоставление расчетных напряжений с экспериментальными данными показывает, что разность значений напряжений, полученная тем и другим способами, не превышает 10%, т.е. точность расчета лежит в пределах погрешности эксперимента.

4. Введение в ремонтную технологию дифференцированной гидродробеструйной обработки позволяет нейтрализовать дефектный слой, образующийся в процессе работы дизеля, который снижает эксплуатационные характеристики коленчатых валов, а также повысить предел усталостной прочности в областях, подверженных усталостному разрушению. Анализ технического состояния элементов коленчатого вала форсированного дизеля устанавливает возможность их повторного использования. Снижение удельных затрат на ремонт составило 145,6%.

5. Результаты торсиографирования свободного конца коленчатых валов с различными типами демпферов доказывают, что эксплуатационная надежность коленчатого .вала с демпфером из композиционного материала по патенту РФ №2304244 повышается в 2,14 раза. При этом технология изготовления демпфера отличается меньшей трудоемкостью и простотой выполнения.

6. Результаты диссертационной работы внедрены в производство и народное хозяйство с годовым экономическим эффектом 3248,932 тыс. рублей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих 14 работах: в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ

1. Марьина Н.Л. Влияние комбинированного поверхностного упрочнения на начальные технологические остаточные напряжения в стали / Н.Л. Марьина, С.П. Косырев, И.О. Кудашева // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 2 (39). Вып. 2. С 19-24.

2. Марьина Н.Л. Повышение усталостной прочности коленчатых валов форсированных дизелей малоотходными технологическими методами / Н.Л. Марьина, С.П. Косырев, И.О. Кудашева // Ремонт, восстановление, модернизация. М.2009-№9.С.18-21

3. Марьина НЛ. Дифференцированное гидродробеструйное упрочнение наружных поверхностей элементов коленчатого вала форсированных дизелей / Н.Л. Марьина, С.П. Косырев, И.О. Кудашева // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 3 (41). С 116-119.

в смежных изданиях, входящих в перечень ВАК РФ

4. Марьина НЛ. Моделирование наряженного состояния коленчатого вала форсированного двигателя / Н.Л. Марьина, С.П. Косырев, И.О. Кудашева // Двигателестроение. СПб. 2008. №4 (234). С. 9-11.

в других изданиях

5. Марьина HJ1. Оптимизация конструкции шкива коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания/ НЛ. Марьина II Проблемы прочности и надежности строительных и машиностроительных конструкций, математическое моделирование и проектирование». Межвуз. сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2005. С.45-49.

6. Марьина H.JI. Эксплуатационная надежность коленчатых валов транспортных дизелей / H.J1. Марьина // Проблемы прочности и надежности строительных и машиностроительных конструкций, математическое моделирование и проектирование: межвуз. сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2007.С.21-25.

7. Марьина НЛ. Динамическое нагружение поверхностного слоя высоконагруженной детали после поверхностного пластического деформирования / Н.Л. Марьина, С.П. Косырев, И.О. Кудашева, Е.А. Горшков // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: материалы межгос. науч.-техн. семинара. Саратов: Саратовский ГАУ, 2008. Вып. 20. С. 97-103.

8. Марьина НЛ. Повышение эксплуатационной надежности коленчатых валов форсированных дизелей технологическим методом / Н.Л. Марьина, С.П. Косырев // Проблемы прочности, надежности и эффективности: Сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2007. С.54-62.

9. Марьина Н.Л. Усталостная прочность коленчатых валов форсированных дизелей / Н.Л. Марьина, С.П. Косырев // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах: научные труды 9 межвуз. рос. науч. конф. Балаково: СООО «АНВЭ», 2007. № 1. С. 76-79.

Ю.Марьина Н.Л. Поверхностное пластическое деформирование высоконагруженных деталей транспортных дизелей / НЛ. Марьина, И.О. Кудашева, С.П. Косырев// Современные технологии в машиностроении: сб. статей XI Междунар. конф. Пенза: ПДЗ, 2007. С.62-66. П.Марьина Н.Л. Динамика нагружения масляного слоя высоконагруженной детали из композиционного материала после поверхностного пластического деформирования/ Н.Л. Марьина, С.П. Косырев, И.О. Кудашева // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: материалы межгос. науч.-техн. семинара. Саратов: Саратовский ГАУ, 2008. Вып. 21. С. 88-93.

12.Марьшга Н.Л. Технологический метод определения остаточных напряжений в поверхностном слое детали / Н.Л. Марьина, С.П. Косырев, И.О. Кудашева // Современные технологии в машиностроении: сб. статей XII Междунар. конф. Пенза: ПДЗ, 2008. С. 46-49.

13.Марьина Н.Л. Особенности применения МКЭ для расчета напряженного состояния противовеса коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания / НЛ. Марьина, К.А. Субоч // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах: научные труды 11 межвуз. рос. науч. конф. Балаково: СООО «АНВЭ», 2009. № 1. С. 45-49.

14.Патент РФ №2304244 / НЛ. Марьина // Термопластичный демпфер крутильных колебаний двигателя внутреннего сгорания. 10.08.07 г. Госкомитет, Москва.

Подписано в печать 15.10.09 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 0,93 (1,0) Уч.-изд. л. 0,9

Тираж 100 экз. Заказ 466 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ 15 ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Оценка основных опубликованных материалов по 15 методам н моделям повышения эксплуатационной надежности элементов коленчатого вала

1.2 Объекты исследований

1.3 Прогнозирование живучести коленчатых валов ДВС

1.3.1 Прогнозирование жизненного цикла коленчатых валов по 27 критерию "вероятность безотказной работы"

1.3.2 Оценка жизненного цикла коленчатых валов по 30 критерию механики разрушения

1.4 Цель работы и задачи исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ 33 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ ОЦЕНКЕ КРИТЕРИЕВ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ

2.1 Расчетные методы оценки основных технологических 33 критериев поверхностного пластического деформирования образцов-свидетелей

2.2 Теоретическая оценка начальных технологических 40 , остаточных напряжений в поверхностном слое элементов коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания после технологического дифференцированного поверхностного пластического деформирования

2.3 Теоретическая оценка формирования начальных 47 технологических остаточных напряжений при ППД с применением метода конечных элементов

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЙ И 64 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА

3.1 Усталостная прочность коленчатых валов 64 форсированных дизелей

3.2 Исследование параметров дефектного слоя в материале 70 элементов коленчатого вала в условиях эксплуатации, оборудование и приборы

3.2.1 Технологический метод определения остаточных 70 напряжений в поверхностном слое детали

3.2.2 Влияние комбинированного поверхностного 77 упрочнения на начальные технологические остаточные напряжения в стали

3.3 Напряженное состояние элементов коленчатого вала в 85 условиях эксплуатации, оборудование и приборы

3.3.1 Режимы поляризации и технология изготовления 85 моделей коленчатых валов

3.3.2 Моделирование напряженного состояния и 89 теоретических коэффициентов концентрации напряжений коленчатого вала форсированного дизеля

4 НАГРУЖЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЕНЧАТЫХ 93 ВАЛОВ

4.1 Условия работы коленчатых валов

4.2 Распределение напряжений в противовесах и щеках 95 коленчатых валов

4.3 Торсиографирование крутильных колебаний коленчатых 102 валов форсированных дизелей

5 РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА

5.1 Повышение усталостной прочности коленчатых валов 110 форсированных дизелей малоотходными технологическими методами

5.2 Дифференцированная гидродробеструйная обработка 120 элементов коленчатого вал а

5.2.1 Дифференцированное гидродробеструйное упрочнение 120 наружных поверхностей щеки и противовеса коленчатого вала форсированного дизеля

5.3 Методика планирования экспериментов и обработка 128 экспериментальных данных при дифференцированной гидродробеструйной обработке элементов коленчатых валов форсированных дизелей

5.4 Технико-экономическое обоснование технологических 135 методов повышения эксплуатационной надежности противовесов и щек коленчатых валов форсированных дизелей

5.4.1 Годовой экономический эффект от внедрения 135 дифференцированного гидродробеструйного упрочнения противовесов и щек коленчатых валов форсированных дизелей

5.4.2 Годовой экономический эффект от внедрения 140 термопластичного композиционного материала в технологию демпферов крутильных колебаний коленчатых валов форсированных дизелей

ОСНОВНЫЕ ВЫВ ОДЫ

Экономически обоснованное стремление к повышению агрегатных мощностей за счет увеличение параметров термодинамического цикла и частоты вращения коленчатого вала при одновременном улучшении показателей эксплуатационной надежности вызывает необходимость наиболее полного использования всех факторов, влияющих на усталостную прочность, износостойкость и несущую способность конструкции.

В течение последних лет затраты на ремонт машин, работающих в различных областях машиностроения, возросли в 2,5 раза, а наработка на отказ у отремонтированных транспортных дизелей снизилась в 2-3 раза. Снижение эксплуатационной надежности техники, занятой в народном хозяйстве и эксплуатируемой, как правило, круглогодично, приводит к значительному снижению эффективности производства в целом. При этом 40-50% неисправностей приходится на двигатель как энергетический элемент любых машин, а из них около 32,5% отказов от общего количества отказов дизеля составляют неисправности элементов коленчатого вала. И это, г несмотря на то, что 75% времени технического обслуживания приходится на двигатель (по данным Ф.Н. Авдонькина, A.C. Денисова и др.).

Поставленная перед машиностроением задача быстрого перехода на производство дизелей нового поколения предопределяет возрастающие требования к работоспособности конструкций. Преображение дизелестроения характеризуется тенденцией постоянного форсирования дизелей по параметрам термодинамического цикла и частоте вращения коленчатого вала, что способствует росту динамической напряженности деталей, так например, за последние 15-20 лет в мировом дизелестроении наблюдается рост среднего эффективного давления четырехтактных дизелей от 1,2 - 1,5 МПа до 2-2,5 МПа и выше. Путями повышения работоспособности долговечности деталей ДВС являются: регламентация правил технической эксплуатации, совершенствование конструкций, применение средств упрочняющей технологии, улучшение методов расчета 6 прочности. Комплексное решение указанных задач создает суммарный экономический прирост, равносильный вводу в народное хозяйство страны новых дизелей, а совершенствование методов расчета прочности на стадии проектирования и модернизации позволяет получать достоверные сведения и оценки функциональных свойств деталей с обоснованным подходом к проблеме выбора конструктивных и технологических решений.

В настоящее время перед отечественным двигателестроением наряду с увеличением цилиндровой и агрегатной мощностей поставлены перспективные задачи форсирования быстроходных дизелей по частоте вращения коленчатого вала и повышения надежности его элементов. Необходимость обеспечения последней в условиях возросших динамических нагрузок приводит к увеличению размеров коленчатого вала и требует проверки надежности по критерию «усталостная прочность». При сложном режиме циклического нагружения, когда действуют одновременно статические, динамические и вибрационные нагрузки, в материале вала возбуждаются не один, а несколько механизмов повреждаемости. Переменные напряжения с разными амплитудами са и длительностью их приложения вызывают повреждаемость различного типа. Если говорить о причинах поломок коленчатых валов, то на основании статистических литературных' данных и практики разбора аварий большинство поломок классифицировано как следствие усталостных разрушений, характеризующихся наличием типичных участков последовательного развития макроскопических усталостных трещин. Однако единой точки зрения на процесс усталостного разрушения в настоящее время еще не выработано, так как усталостные разрушения являются следствием первопричин, являющихся предпосылками поломок коленчатых валов. Следствием этих причин является разрушение от развития усталостных трещин, последовательный рост которых приводит к пластической деформации металла в районах трещин, снижению усталостной прочности металла и поломок вала.

Аварийность коленчатых валов все еще велика, причем, как показывают статистические данные, около 80% поломок коленчатых валов форсированных двигателей носят характер усталостного разрушения от изгибных нагрузок. В связи с этим дальнейшая форсировка дизелей требует проведения специальных исследований, направленных в основном на повышение изгибной усталостной прочности валов.

Актуальность темы определяется необходимостью совершенствования теории и практики технологии поверхностного пластического деформирования применением дифференцированного гидродробеструйного упрочнения (ГДУ) и термопластичного полимера в конструкции демпфера коленчатого вала. Дифференцированное гидродробеструйное упрочнение как один из методов поверхностного пластического деформирования (ППД) позволяет на высоконагруженных деталях из углеродистой и конструкционной стали упрочнить поверхностный слой, активно управлять деформационным упрочнением различных участков поверхности конструкции, что дает возможность существенно повысить равномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность при усталостном нагружении. Применение термопластичного полимера в демпферах крутильных колебаний как разновидность технологии поверхностного пластического деформирования повышает коэффициент запаса усталостной прочности, что указывает на увеличение эксплуатационной надежности и работоспособности коленчатого вала. При этом снижается вес, уменьшаются инерционные нагрузки на элементы 1 конструкции, которая упрощается.

В работах отечественных и зарубежных исследователей отмечается, что напряжения, оставшиеся в поверхностных слоях после ППД, помимо других факторов, тесно связаны с начальными технологическими остаточными напряжениями, возникающими в очаге деформации и в прилегающих к нему областях. Среди работ, относящихся к вопросу изучения начальных технологических остаточных напряжений при ППД применительно к 8 условиям ГДУ, выделяются исследования И.В. Кудрявцева, А.Н. Овсеенко, В.В. Петросова, Д.Д. Папшева, С.ГТ. Косырева и др. Однако для условий ГДУ пренебрежение взаимосвязью между дифференцированным упрочнением и начальными технологическими остаточными напряжениями (НТОН) приводит к значительным погрешностям. Для оценки начальных технологических остаточных напряжений после технологической обработки ППД, определяющих качество упрочнения и запасы усталостной прочности детали, приходится решать задачи напряженности конструкции при технологии ППД. Вопрос дифференцированного подхода к устранению НТОН был рассмотрен в работах Кудашевой И.О., Горшкова Е.А., Комиссаренко Е.А., Сорокиной Л.А. и др. под руководством Косырева С.П. Данная работа отличается схемой учета напряженного состояния коленчатого вала от действующих на него переменных нагрузок различного происхождения.

Актуальность работы подтверждается тем, что она является частью исследований^ входящих в комплексные научно-технические программы ОАО «Волжский дизель им. Маминых»: 0.13.07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», а также других целевых комплексных научно-технических программ по развитию транспортного двигателестроения.

Цель исследования: совершенствование технологии изготовления коленчатых валов форсированных дизелей на основе применения дифференцированного гидродробеструйного упрочнения и композиционного материала в демпфере коленчатого вала.

1 .Разработать расчетные методы оценки основных технологических критериев для поверхностного пластического деформирования образцов-свидетелей. Определить напряженное состояние коленчатого вала в эксплуатационных условиях, используя метод конечных элементов, теорию упругости и сопротивление материалов.

2.Разработать методику и провести экспериментальную проверку напряженного состояния элементов коленчатого вала.

3.Разработать технологию дифференцированного гидродробеструйного упрочнения элементов коленчатого вала, позволяющую управлять поверхностным пластическим деформированием различных участков поверхности конструкции.

4.Провестн теоретическую и экспериментальную проверку эффективности предлагаемой технологии ППД элементов коленчатого вала.

5.Разработать технологию изготовления демпфера коленчатого вала из композиционного материала с оценкой эффективности его эксплуатационной характеристики.

6.Выполнить технико-экономическую оценку эффективности результатов исследований.

Объект исследования: элементы коленчатого вала высокофорсированных дизелей 6ЧН 21/21 (6ДМ-21А).

Методы и средства исследований:

1. Технологические методы исследования проведены с использованием малоотходного дифференцированного ГДУ с разработкой планирования при этом многофакторного эксперимента. I

2. Теоретические исследования зависимости начальных технологических остаточных напряжения от технологических режимов обработки и оценка напряженного состояния конструкции проведены с использованием расчетно-аналитических методов теории упругости, строительной механики стержневых систем, сопротивления материалов и метода конечных элементов.

3. Экспериментальные методы исследований базировались: на электротензометрии, торсиографировании напряжений от крутильных колебаний, поляризационно-оптическом методе, методе травления и использовании прибора «З^езвсап 500» при исследовании начальных технологических остаточных напряжений после дифференцированной гидродробеструйной обработки коленчатого вала и образцов-свидетелей.

Научная новизна:

1. Разработана технология поверхностного пластического деформирования (ГТГГД), заключающаяся в дифференциации параметров гидродробеструйного упрочнения в зависимости от рабочего напряженного состояния элементов коленчатого вала для преобразования рабочих напряжений растяжения в технологические напряжения сжатия, которые приводят к улучшению эксплуатационной надежности элементов коленчатого вала.

2. Построена математическая модель режимов дифференцированного гидродробеструйного упрочнения элементов коленчатых валов, включающая обоснование ' выбора диаметра шариков, давление жидкости и время обработки, которые позволяют активно управлять деформационным упрочнением различных участков поверхностей деталей, что дает возможность существенно повысить равномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность при усталостном нагружении.

3. Обоснована технология изготовления демпферов крутильных колебаний коленчатого вала в условиях 1II1Д путем применения композитных материалов в виде термопластичных полимеров с разработкой методики торсиографирования коленчатых валов в условиях эксплуатации.

Апробация работы: основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на XI - XII Международных научнопрактических конференциях «Современные технологии в машиностроении»

Пенза, 2007-2008 г.г.); на 20-21-22 Межгосударственных научнотехнических семинарах «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ» (СГАУ, Саратов, 2007-2009 г.г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Совершенствование техники, технологий и управления в машиностроении» (Саратов, СГТУ-2009 г.); на IX- XI Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Саратов, 2007-2009

11 г.г.); на ежегодных научно-технических конференциях кафедры «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ (2006 - 2009 г.г.).

Публикации: по материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе в издательствах, рекомендуемых ВАК — 3 публикации, имеется патент РФ на изобретение №2304244.

На защиту выносятся: малоотходная технология 1ШД образцов-свидетелей деталей деформированием технологической ГДО; результаты теоретических исследований по определению формирования начальных технологических остаточных напряжений элементов коленчатого вала на основе базового метода конечных элементов. результаты экспериментальных исследований по изучению влияния технологических остаточных напряжений от технологического ПГТД ГДО на общее суммарное напряженное состояние щек и противовесов коленчатых I валов форсированных дизелей;

-результаты эксплуатационных исследований торсиографирования коленчатого вала, изготовленного по разработанной технологии с учетом установленного распределения начальных технологических остаточных напряжений, при применении демпфера коленчатого вала из термопластичного полимера.

Реализация результатов работы. На основании разработанных комплексных методов были выявлены недостатки элементов коленчатого вала, ограничивающие надежность в эксплуатации, определены пути активного совершенствования элементов коленчатых валов, выявлены имеющиеся резервы и направления по снижению металлоемкости и повышения • коэффициента использования металла технологическими методами. В ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» и других организациях серийно внедрен комплекс мероприятий по повышению эксплуатационной надежности высокофорсированных дизелей малоотходными технологическими методами.

Результаты выполненных в работе исследований и разработок нашли отражение в нормативных материалах по автомобильному дизелестроению, в технологических отчетах ЗАО «Волжский дизель им. Маминых». По мере разработки они были применены при проектировании, совершенствовании и эксплуатации нескольких поколений автомобильных высокофорсированных дизелей, созданных в ЗАО «Волжский дизель им. Маминых», в каждом из которых был достигнут высокий технологический уровень и эксплуатационная надежность, включая модификации, отмеченные государственными премиями, аттестованы на высшую категорию качества и поставленные в ряд зарубежных стран (Иран, Ирак, Алжир, Куба, Йемен, Эфиопия и др.).

Структура и объем работы.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассматривается состояние проблемы на основе анализа опубликованных литературных источников, прогнозируется жизненный цикл коленчатых валов. Обосновывается актуальность проблемы, формулируются цель и задачи исследований, выбираются объект и предмет исследования.

Во второй главе «Теоретические основы напряженного состояния элементов коленчатого вала» дается теоретическая оценка напряженного состояния элементов коленчатого вала и образцов-свидетелей с использованием метода конечных элементов, сопротивления материалов, теории упругости.

В третий главе «Разработка методики и экспериментальная проверка напряженного состояния элементов коленчатого вала» проводится экспериментальная проверка напряженного состояния элементов коленчатого вала высокофорсированных автомобильных дизелей.

В четвертой главе «Разработка и обоснование технологических методов и средств повышения эксплуатационной надежности элементов коленчатого вала» разрабатывается технология дифференцированного гидродробеструйного упрочнения элементов коленчатого вала и проводится экспериментальная проверка эффективности предлагаемой технологии.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка технологических методов повышения эксплуатационной надежности элементов коленчатого вала высокофорсированных дизелей» приведен расчетный годовой экономический эффект от внедрения предлагаемых мероприятий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ основных опубликованных материалов показал, что в настоящее время проблема технологического обеспечения повышения эксплуатационных свойств коленчатых валов форсированных дизелей решается деформационным упрочнением, но имеющийся опыт нельзя привнести в практику без дополнительных исследований.

2. Результаты исследований напряженного состояния элементов коленчатых валов в условиях знакопеременного циклического нагружения с применением МКЭ позволяет более верно судить об эксплуатационной надежности конструкции по критерию «усталостная прочность». Показано, что технологические процессы механической обработки, дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наряду с микрогеометриеп, глубиной и степенью упрочнения элементов коленчатого вала формируют неоднородное силовое поле начальных остаточных технологических напряжений, вызывающих при изготовлении коленчатых валов коробление, усталостные трещины. При этом основанием возникновения начальных технологических остаточных напряжений при технологической упрочняющей обработке служит пластическая деформация, микроструктурные и фазовые превращения. С одновременным воздействием силового нагружения в материале коленчатого вала усиливается процесс ползучести и, как следствие, релаксация начальных технологических остаточных напряжений. Расчетные методики по определению начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое после поверхностного пластического деформирования на примере стержней разнородной упругости позволяет оценить уровень начальных технологических остаточных напряжений после происшедшей пластической деформации.

3. Разработан и освоен на практике малоотходный метод дифференцированного гидродробеструйного упрочнения элементов коленчатых валов, позволяющий активно управлять поверхностным

143 пластическим деформированием различных участков поверхности конструкции, что дает возможность существенно повысить неравномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность конструкции при усталостном нагружении.

Разработанная технология позволяет снизить материалоемкость процесса до 50%, довести коэффициент использования материала до Ким=0,8-н0,9, снизить трудоемкость изготовления коленчатого вала на 3-4 нормо-часа, освободить 11-12 фрезерных станков и рабочих, их обслуживающих. Изучены и показаны пути повышения эксплуатационной надежности коленчатых валов ГТГТД применением демпферов крутильных колебаний из композитного термопластичного материала.

4. Для проверки достоверности расчета напряженного состояния элементов коленчатого вала, а также определения среднего напряжения цикла с целью назначения начальных технологических остаточных напряжений при ППД проведена экспериментальная оценка. Сопоставление расчетных напряжений с экспериментальными данными показывает, что разность значений напряжений, полученная тем и другим способами, не превышает 10%, т.е. точность расчета МКЭ лежит в пределах погрешности эксперимента.

5. Проведена теоретическая оценка начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое высоконагруженных элементов коленчатых валов - щек и противовесов после ППД. Сравнительный анализ начальных технологических остаточных напряжений на примере щек и противовесов показывает удовлетворительную сходимость результатов расчета с экспериментальными данными. Анализ эпюр показывает. Что при дифференцированном ППД гидродробеструйной обработкой неравномерность распределения результирующих напряжений по отдельным сечениям щеки и противовеса снижается в 5-5.5 раза, и, соответственно, повышается равнопрочность и эксплуатационная надежность конструкции по критерию «усталостная прочность».

144

6. Анализ технического состояния элементов коленчатого вала форсированного дизеля устанавливает возможность их повторного использования. Введение в ремонтную технологию дифференцированной гидродробеструйной обработки позволяет нейтрализовать дефектный слой, образующийся в процессе работы дизеля, который снижает эксплуатационные характеристики коленчатых валов, а также повысить предел усталостной прочности в областях, подверженных усталостному разрешению. Снижение удельных затрат на ремонт составило 145,6%

7. Результаты торсиографирования свободного конца коленчатых валов с различными типами демпферов доказывают, что эксплуатационная надежность коленчатого вала с демпфером из композиционного материала по патенту РФ №2304244 повышается в 2,14 раза. При этом технология изготовления демпфера отличается меньшей трудоемкостью и простотой выполнения.

8. Результаты диссертационной работы внедрены в производство и народное хозяйство с годовым экономическим эффектом 3248,932 тыс. рублей.

1. A.c. № 179062. Многоместная инерционная установка для испытаний подшипников /А.Б. Курицын // Бюллетень изобретений, открытий и товарных знаков, № 19.1977.-е. 150;

2. A.c. № 1236216. Тонкостенный бесканавочный вкладыш /Косырев С.П., Гребнев В.М.//Бюллетень изобретений, открытий и товарных знаков, №21.1986.-c.75;

3. A.c. № 1446375. Вкладыш подшипника скольжения высокофорсированного дизеля /Косырев С.П., Ким Ф.Г.//Бюллетень изобретений, открытий и товарных знаков, № 47.1988.-с.73;

4. A.c. № 1530847. Тонкостенный вкладыш подшипника скольжения высокофорсированного дизеля /Косырев С.П., Кочерженко В.Г., Гребнев В.М.//Бюллетень изобретений, открытий и товарных знаков, № 41.1989.-c.132;

5. A.c. № 1657785. Биметаллический материал для подшипников скольжения /Косырев С.П., Ким Ф.Г., Гребнев В.М., Козлов В.Ф.//Бюллетень изобретений, открытий и товарных знаков, № 23.1991.-c.49;

6. Буше H.A., Подшипниковые сплавы для подвижного состава. М.: Транспорт, 1967. - 224 с.

7. Буше H.A., Мудренко Г.А., Двоекина В.А., Повышение долговечности изделий из сплавов цветных металлов // Труды ВНИИЖТ, 1972, вып.473 с. 74-77;

8. Буше H.A., Копытько В.В., Совместимость трущихся поверхностей. -М.: Наука, 1981.- 126 е.;

9. Буше H.A., Гуляев A.C., Двоекина В.А., Подшипники из алюминиевых сплавов. -М.: Транспорт, 1984. с.75-80;

10. Буше H.A., Трение, износ и усталость в машинах. Транспортная техника. М.: Транспорт, 1987. - 223 е.;

11. Биргер И.А., Расчет на прочность детален машин: Справочное пособие// И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, P.M. Шнейдерович. М.: Машиностроение, 1969. -459с.;

12. Ваншейдт В.А., Иваноченко H.H., Колеров В.К., Справочник «Дизели».- М.: Машиностроение, 1999. 599 е.;

13. Воронов В.Д., Подшипники сухого трения. JL: Машиностроение, 1979.-78 е.;

14. Влияние диссипативных и объемных свойств смазочных материалов на эффективность их применения / Д.Г. Громаковский // Химия и технология топлив и масел. 1985, № 11.-е. 37-39;

15. Василевский Б.И., Дискретная модель и граничные условия в расчете шатуна методом конечных элементов / Б.И. Василевский, тр. ЦНИДИ. -Л.: 1997, №259;

16. Григорьев М.А., Долецкий В.А., Обеспечение надежности двигателей.- М.6 Издательство стандартов, 1978. с.301;

17. Гурвич И.Б., Сыркин П.Э., Эксплуатационная надежность автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1984. - 141с.;

18. Деркаченко В.Г., Загружной А.П. и др., Исследование усталостной прочности подшипниковых материалов на стенде СПП — 1 конструкции ЦНИДИ. Тр. ЦНИДИ, вып. 65, 1972. с. 41-49;

19. Дьяков А.К., Подшипники скольжения жидкостного трения. М. Машгиз, 1955. - 320 е.;

20. Денисов A.C., Кулаков А.Т., Анализ причин эксплуатационных разрушений шатунных вкладышей двигателя КамАЗ 740 // Двигателестроение. 1981, №9. - с. 37-40;

21. Захаров С.М., Никитин А.П., Загорянский Ю.А., Подшипники коленчатых валов тепловозных двигателей. М.: Транспорт, 1981.179 е.;

22. Захаров С.М., Эрдман В.Ф., Гидродинамический и тепловой расчет подшипников коленчатого вала поршневого двигателя // Вестник машиностроения, 1978, №5. с. 24-28;

23. Зайцев А.К., Основы учения о трении, износе и смазке машин. М. -Л.: Машгиз, 1947. - 256 е.;

24. Зундема Г.Г., Эксплуатационные свойства смазочных масел. — М.: Гостехиздат, 1957. с. 21-27;

25. Изотов А.Д., Применение прямых вариационных методов к расчету нестационарно нагруженных цилиндрических подшипников. — Тр. ЦНИДИ, 1978, вып. 73. - с. 5-13;

26. Исследование работы подшипников скольжения на основе анализа траектории центра вала/ Экспресс информация «Детали машин». -М.: 1984, №5.-с. 6-18;

27. Карасик П.П., Прирабатываемость материалов для подшипников скольжения. М.: Наука, 1975. - с. 135;

28. Клокова Н.П., Тензодатчики для измерения при повышенных температурах. — М.: Машиностроение, 1965. — 120 е.;

29. Косырев С.П., Концентрация напряжений в кривошипной головке шатуна высокофорсированного дизеля и способы ее нейтрализации // Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1988, № 11. с. 77-81;

30. Косырев С.П. Динамическое нагружение кривошипно-шатунного механизма дизелей // Двигателестроение. 1980, № 11.-е. 21-23;

31. Косырев С.П., Сорокина JI.A., Рафиков P.M., Комиссаренко Е.А.,

32. Технологические проблемы обеспечения работоспособностинагруженных деталей высокофорсированных дизелей // Современные148проблемы технического сервиса в агропромышленном комплексе: Междунар. научно-практ. конф. М.: МГАУ, 2003. - с. 17-19;

33. Кузнецов Е.С. Управление технической эксплуатацией автомобилей. — М.: Транспорт, 1990.-272 е.;

34. Кудрявцев И.В., Основы выбора режима упрочняющего поверхностного наклепа ударным способом // Тр. ЦНИИТМАШ, 1965, кн. 108.-е. 57-62;

35. Коднир Д.С., Контактная гидродинамика смазки деталей машин. М.: Машиностроение, 1976. - с. 26-30;

36. Коровчинский М.В., Теоретические основы работы подшипников скольжения. М.: Машгиз, 1959. - 404 е.;

37. Крагельский И.В., Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968.-480 е.;

38. Костецкий Б.И., Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Техника, 1970.-385 е.;

39. Каратышкин С.Г., Динамически нагруженные подшипники судовых двигателей внутреннего сгорания. М.: Судостроение, 1968. - 182 е.;

40. Косьтрев С.П., Горшков Е.А. Моделирование напряженного состояния поршневой головки шатуна форсированного дизеля// Двпгателестроение.- 2007,- №3.- С. 14-15.

41. Косырев С.П., Марьина H.JL Повышение эксплуатационной надежности коленчатых валов высокофорсированных дизелей технологическим методом// Проблемы прочности, надежности, эффективности/ Сборник научных трудов.: Саратов: 2007 с 24-26

42. Косырев С.П., Марьина Н.Л. Усталостная прочность коленчатых валов форсированных дизелей// Сборник трудов 9 Российской научнойконференции: Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах.: Саратов: 2007 с 11-13;

43. Косырев С.П., Кудашева И.О., Марьина Н.Л. Моделирование напряженного состояния коленчатого вала форсированного двигателя// Двигателестроение.: Санкт Петербург: 2008, с 9-11;

44. Косырев С.П., Кудашева И.О., Марьина Н.Л. Технологический метод определения остаточных напряжений в поверхностном слое детали// Материалы XII Международной научно-практической конференции: Современные технологии в машиностроении.: Пенза: 2008, с 34-36;

45. Косырев С.П., Кудашева И.О., Марьина Н.Л. Повышение усталостной прочности коленчатых валов форсированных дизелей малоотходными технологическими методами//Ремонт, восстановление, модернизация: Москва: 2009, №9;

46. Косырев С.П., Кудашева И.О., Марьина Н.Л. Влияние комбинированного поверхностного упрочнения на начальные технологические остаточные напряжения в стали// Вестник саратовского государственного технического университета: Саратов: 2009, №2;

47. Косырев С.П., Кудашева И.О., Марьина Н.Л. Торсиографирование крутильных колебаний коленчатых валов двигателей и агрегатов на их базе// Материалы семинара/ Материалы межгосударственного научно-технического семинара. Выпуск 22.: -Саратов: СГАУ: 2009;

48. Курицына А.Д., Истомин И.П., Композиционные материалы и покрытия на базе фторопласта — 4 для сухого трения в подшипникахскольжения. М.: машиностроение, 1974. - с. 57- 61;151

49. Лукинский B.C. . Разработка методов обеспечения надежности большегрузных автомобилей на стадии проектирования: Диссертация доктора технических наук. Л.: ЛСХИ, 1985. - 413 е.;

50. A.W.J. Materials research and tribology. TNO, 1971, № 8. p. 445 - 445.;

51. Михайлов A.M., Сопротивление материалов. M.: Стройиздат, 1989. -с. 85;

52. Мошков А.Д., Пористые антифрикционные материалы. М.: Машиностроение, 1968. - с. 34-42;

53. Медвинский М.Д., Трехканальный усилитель типа ПТМП 3 - 55 для измерения толщины масляной пленки в подшипниках жидкостного трения. - Тр. ЦНИИТМАШ, 1958, № 9. - с. 18-21;

54. Орлин A.C., Расчет напряженно-деформированного состояния поршней / A.C. Орлин, H.A. Иващенко, A.B. Тимохин // Известия ВУЗов. Машиностроение, 1977, № 5. с. 73-78;

55. Одинцов Л.Г., Упрочнение и отливка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. М.: Машиностроение. 1987.-327 е.;

56. Овсеенко А.Н., Серебряков В.И., Гаек М.М., Технологическое обеспечение качества изделий машиностроения. — М.: УМО AM, 2004. 296 е.;

57. Овсеенко А.Н., Кпюшин А.Р., Состояние поверхностного слоя лопаточных материалов после различных видов деформированного упрочнения // Тр. ЦНИИТМАШ, 1989, кн. 105. с. 73-79;

58. Прокопьев В.Н., К расчету опорных подшипников, нагруженных силами, переменными по величине и направлению. Машиностроение, 1978, №5.-с. 105-108;

59. Партон В.З., Морозов Е.М., Механика упруго-пластического разрушения. — М.: Наука, 1974. 246 е.;

60. Петросов В.В., Упрочнение лопаток газотурбинного двигателяобработкой дробью. // Влияние технологических факторов на качество152и надежность лопаток турбин: Материалы совещания. М.: 1962. - с. 138- 154;

61. Патент РФ № 2133282. Способ стабилизации напряжений в поверхностном слое детали / Косырев С.П. и др. // Бюллетень изобретений, открытий и товарных знаков, № 20. 1999 27 с;

62. Патент РФ №2304244. Термопластичный демпфер крутильных колебаний двигателя внутреннего сгорания/ Марьина H.JI./ Росскомитет. Москва. 2007;

63. Российский Морской Регистр Судоходства. Правила классификации и постройки морских судов. Т.2,2003.

64. Рудницкий Н.М., Рассадин Ю.А„ Курицына А.Д., Изготовление и испытание подшипников с антифрикционным слоем из высокооловянистых алюминиевых сплавов // Тр. НАМИ, 1966, вып. 82. с. 50-70;

65. Ротенберг Р.В. Основы надежности системы водитель автомобиль — дорога - среда. - М.: машиностроение, 1987. 216 с.;

66. Рекомендации по применению процесса поверхностного упрочнения деталей машин. М.: Тр. ЦНИИТМАШ, 1981.-14 е.;

67. Снеговский Ф.П., Расчет и конструирование подшипников скольжения. -Киев: Техника, 1974. 123 е.;

68. Суркин В.И., Попов Т.П., Оптимизация параметров шатунного подшипника тракторного дизеля // Двигателестроение. 1984, № 3. с. 41-43;

69. Семенов А.П., Савинский Ю.Э., Маталлофторштастовые подшипники.-М.: Машиностроение, 1976. 123 е.;153

70. Смелянский В.М., Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2002. - 299 е.;

71. Тузов Л.В., Скориков Ю.Т. Чирков И.М., Расчетное определение упругих характеристик подшипников скольжения// Двигателестроение, 1987, №9.-с. 18-19;

72. Тимошенко С.П., Дж.Гере. Механика материалов. 0 М.: Мир, 1976.-С.222-223.

73. Файнгольд Н.Ш., Аксельрод М.Л., Виноградова И.К., Малогабаритный датчик для измерения давления и температуры масляного слоя подшипников скольжения. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ: 1971, № 12.-е. 12-14;

74. Рубин М.Б., Бахарева В.Е., Подшипники в судовой технике. Л.: Судостроение, 1987.-е. 16-17;

75. Хрущев М.М., Классификация условий и видов изнашивания деталей машин// Трение и износ в машинах. М.: Изд-во АН ССР, 1953, вып. 3. -с. 5-17;

76. Хрущев М.М., Бабичев М.А., Абразивное изнашивание. М.: Наука, 1970.-252 е.;

77. Чистяков В.К., Динамика поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1989. - с. 215 - 216;

78. Чернавский С.А., Подшипники скольжения. М.: Машгиз, 1963. - 238 е.;

79. Ценев В.А., голованов О.И., Тензодатчики с температурной компенсацией для высокотемпературного тезометрирования деталей двигателей// Исследование работы энергетического оборудования. -Калинин: 1973. с. 71-78;

80. Яковлев В.Ф., измерение деформаций и напряжений в деталях машин. -М.- Л.: 1963.- 144 е.;

81. Эффективные методы снижения трения // Машины и механизмы: Обзорная информация / Черметинформация, 1976. 57 е.;

82. Юргенсон A.A., Зелинская Г.И., Металлы быстроходных дизелей и их термическая обработка. М.: Машиностроение, 1967. - 120 е.;

83. Дж. Мейз. Теория и задачи механики сплошных сред. М.: Мир, 1974.- с. 248-257;

84. Metals Handbook, W, Propenties and Selection of Metals. -1961/ h. 843-851;

85. Hodes E. Outbon von tiblechen Frockenlageru ans Mettals Kunststoff ver bunndwerkstoffen, 1973, № 79;

86. Block H. Les temperatures de surface dan des conditions de graissage sous extreme pression. Congr. mon did du petrol. Paris. Ill, 1937, h. 13-23;

87. Desvaux M. P. E. Development of a high-tin aluminium plain bearing material. Reprinted from Fribology, April, 1972, p. 61-66;

88. Dinger H. Das hydridynamosche Verhalten der Pleuellager. Diss. Stuttgart. Tech. univ., 1955;

89. Grobuschek F., Ederer U. Optimited Engine Bearing Design by Evaluating Performance. Diesel and Cas Turbine Progress Worldwide, October, 1978, p. 19-20;

90. Hahn H.W. New Calculation Methods for Engine Bearings. SAE, Automative Engineering Congress, Paper 660033, 1966, p. 1-21;