автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии приварки разрезной ремонтной втулки на восстанавливаемые шейки коленчатых валов тепловых двигателей

На правах рукописи

л*-

Рожков Александр Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИВАРКИ РАЗРЕЗНОЙ РЕМОНТНОЙ ВТУЛКИ НА ВОССТАНАВЛИВАЕМЫЕ ШЕЙКИ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат 4843142

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - Пушкин 2011

2 7

и

4843142

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор

Зуев Анатолий Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сковородин Василий Яковлевич

Кандидат технических наук

Головкин Павел Георгиевич

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет

Защита диссертации состоится 28 января 2011г. вчасов...?...мин. на заседании диссертационного совета Д220,060,05 при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу:

196601, г. Санкт-Петербург-Пушкин, Петербургское шоссе, д.2. ауд. 2.529.

Email: uchsek@spbgau.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан 26 декабря 2010г.

Учёный секретарь

диссертационного совета д. т. н., профессор

Т.Ю.Салова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для снижения затрат при эксплуатации тепловых двигателей необходимо организовывать повторное использование изношенных деталей, и в первую очередь — базовых. К таким деталям следует отнести изношенный коленчатый вал, который часто составляет почти половину стоимости двигателя.

Задача восстановления коленчатых валов является исключительно сложной и до настоящего времени окончательно не решена. Предлагается большой выбор способов нанесения металлических покрытий: наплавкой, напылением, электроконтактной приваркой стальной ленты, гальванических покрытий и т.п., однако, все перечисленные способы отвергаются эксплуатационниками, поскольку все они отличаются низкой надёжностью, большими энергозатратами и снижением усталостной прочности вала.

В работе предложен способ восстановления шеек коленчатых валов, в котором для компенсации износов шеек применена механизированная приварка разрезной ремонтной втулки (РВ), надёжно фиксирующая её на восстанавливаемой шейке.

Для реализации этого способа выполнены исследования, обеспечивающие минимальные удельные энергозатраты, высокое качество сварных швов, необходимую твёрдость и износостойкость восстановленной поверхности шейки коленчатого вала.

Цель исследования: совершенствование технологии приварки разрезной ремонтной втулки (технологии ПРВ) на восстанавливаемые шейки коленчатых валов тепловых двигателей.

Объект исследования: коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания 6ЧН 18x22 с приваренными ремонтными втулками (РВ) на восстанавливаемые рамовые и шатунные шейки.

Предмет исследования: технологический процесс приварки РВ на восстанавливаемые шейки коленчатого вала.

Научную новизну представляет: - упрощённый метод определения толщины РВ;

- методика расчёта натяга в сопряжении шейка - ремонтная втулка;-методика расчёта скорости охлаждения стыкового и кольцевых сварных швов;

- методика прогнозирования структурных зон в сварных швах, фиксирующих ремонтную втулку на шейке вала и в зонах термического влияния;

- термические циклы при формировании стыкового шва различными сварочными проволоками;

- математическая модель процесса приварки ремонтной втулки;

- физико-механические параметры сварных швов и зон термического влияния.

Практическая значимость: - технологический процесс приварки ремонтной втулки с использованием сварочного полуавтомата с плавящимся электродом в среде защитного газа;

- технологическая оснастка для приварки РВ на токарном станке;

- сравнительный анализ различных способов восстановления коленчатых валов по энергозатратам.

На защиту выносятся следующие основные положения и основные результаты исследования: - при локальной приварке ремонтной втулки глубина проплавления сварного шва в тело шейки, должна быть минимальна при обеспечении необходимой прочности сцепления ремонтной втулки с шейкой вала;

- технологический процесс механизированной приварки РВ к восстанавливаемым шейкам коленчатого вала;

- упрощенный метод определения толщины РВ;

- методика расчета натяга в восстанавливаемом сопряжении шейка-ремонтная втулка;

- результаты прогнозирования макро- и микроструктур в сварных швах и в зонах термического влияния

- физико-механические параметры приваренной РВ на восстанавливаемые шейки коленчатого вала механизированной сваркой в среде С02.

Диссертационная работа выполнена на кафедре технологии конструкционных материалов ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургского государственного аграрного университета». Реализация результатов работы:

- результаты исследований по совершенствованию технологии приварки разрезной ремонтной втулки приняты для использования НИЛ кафедры ТКМ СПбГАУ на специализированном участке по восстановлению шеек коленчатых валов тепловых двигателей;

- результаты исследований переданы для внедрения фирме ООО "Гефест", которая на разработанную технологию ПРВ получила свидетельство Российского речного регистра, разрешающее её внедрение при восстановлении коленчатых валов судовых двигателей.

Публикации. По результатам исследования опубликованы 3 статьи. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из наименования и приложений. Объём работы составляет 9/ J страниц машинописного текста, включая 46 рисунка и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении обоснована актуальность темы и изложены цель, научная новизна, практическая значимость работы, основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса и задачи исследования" на основе материала литературных источников, опыта ремонтных предприятий и результатов исследований НИЛ кафедры ТКМ СПбГАУ рассмотрены вопросы, связанные с совершенствованием технологии нанесения металлического покрытия при восстановлении шеек одной из самых сложных деталей двигателя - коленчатого вала.

Исследованием вопросов связанных с повышением качества восстановления коленчатых валов двигателей посвятили свои работы Е.Я.Воловик; А.А.Зуев; В.М.Кряжков; П.М.Кривенко; М.А.Масино; И.А.Мишин; А.В.Поляченко; В.Я.Сковородин; В.И.Черноиванов; В.П.Лялякин; П.Г.Головкин; В.А.Деев и

др.

Все эти исследования были посвящены широко известным в настоящее время таким способам нанесения металлопокрытий как: наплавка, напыление, электроконтактная приварка стальной ленты. Но все эти способы отличаются низкой стабильностью физико-механических свойств металлических покрытий характеризуются большим тепловложением в восстанавливаемые коленчатые валы, что приводит к высоким внутренним напряжениям и снижению усталостной прочности.

На кафедре ТКМ СПбГАУ разрабатывается принципиально новая технология нанесения металлопокрытия на восстановленную шейку коленчатого вала с применением локальной приварки разрезной ремонтной втулки (технология ПРВ). Этой технологии посвящены работы A.B. Арсентьева и A.A. Федорищева, однако, в их работах приварка ремонтной втулки осуществлялась вручную с использованием плазменной сварки. На основании обзора литературных источников и проведённого анализа, были сформулированы следующие основные задачи:

- разработать упрощённый метод определения толщины разрезной ремонтной втулки;

- рассчитать натяг в восстанавливаемом сопряжении шейка - ремонтная втулка;

- рассчитать скорости охлаждения сварных швов;

- выполнить прогноз образования макро- и микроструктур в сварных швах и в зонах термического влияния (ЗТВ);

- рассчитать термические циклы при формировании стыкового сварного шва;

- выполнить планирование многофакторного эксперимента при исследовании процесса приварки ремонтной втулки к телу шейки коленчатого вала;

- исследовать физико - механические свойства сварных швов и ЗТВ;

- исследовать макро- и микро - структуру сварных швов и зон термического влияния;

- разработать технологический процесс приварки РВ к восстанавливаемой шейке коленчатого вала.

Во второй главе, "Теоретические предпосылки к разработке технологического процесса приварки РВ на шейку коленчатого вала", на рис.1, приведена структурная схема предлагаемого технологического процесса изготовления РВ и её приварки к телу восстанавливаемой шейки.

XI XJ _ХЭ Х4 ХЗ

Рис. 1 Структурная схема предлагаемого технологического процесса изготовления РВ и её прпварки к телу восстанавливаемой шейки.

Хо ~ коленчатый вал, поступивший на

восстановление; 1;2;3;4;5;6;7

соответственно технологические

операции с РВ: резка, гибка, сверлильная, токарная, закалка, отпуск, зачистка, контрольная;

005; 010; 015 ... 040 - соответственно технологические операции с коленчатым валом: слесарная (правка), токарная (точение шейки в расчетный размер), шлифовальная (шлифование в расчетный размер), слесарная (установка РВ). сварочная 1 (сварка стыкового шва), сварочная 2 (сварка кольцевых швов), контрольная. Zi; Z2,Zi ... 7л - комплексные показатели, характеризующие условия выполнения соответствующих операций при изготовлении РВ.

Хь Хг ... Х7 - комплексные показатели, характеризующие количественные характеристики параметров качества на соответствующих операциях при изготовлении РВ.

Для реализации предложенной структурной схемы был модифицирован универсальный токарный станок Шкода с расстоянием между центрами 5,0 м, и все технологические операции 015. ..040 выполнялись на этом станке. Структурная схема позволила выделить базовые технологические операции, которые в основном определяли качество приварки РВ к восстанавливаемым шейкам коленчатого вала и которые требовали проведения исследований по оптимизации их выполнения.

Для определения минимально необходимой толщины РВ была построена схема полей припусков при обработке восстанавливаемой шейки коленчатого вала (рис.2).

0u

2з Ъ Zs Zs Z;

„Li ¡ h h Ii

tf-

m

ГЪ Hh ПЪ Г^ь

rig^j015 |iiK0 Ш

b I ЬI I

..,.(././ i / i /т

Zoos ¡ Zoicij Zoi51 Zoxi Zoa,' Zosoj ZcJ5 I Z040

Рис. 2 Схема полей припусков и допусков на обработку резанием восстанавливаемых шеек коленчатых валов.

¿х; - соответственно номинальный, расчётный и восстановленный диаметр

шейки;

Тдь Та2 ; Тёз; Тс^; Тс^ - соответственно допуски на диаметры шейки вала в процессе восстановления (поминальный, после точения; расчетный; нарощенный, после точения, после шлифования и полирования);

/.Тр р - суммарный припуск на ремонтные размеры; /,5.т-остаточная толщина РВ; Ъ|,л; 2зтт ; - соответственно минимальные припуски на точение и

шлифование шейки в расчётный размер, а также на точение, шлифование и полирование в восстанавливаемый (номинальный) размер.

Как видно из схемы, минимальная толщина РВ будет равна: 25втш;п= ТЙ1 + р+гост.+гШй++ т<хг + тdз + т^+23тт + Td5 + г^п (1) Расчеты, выполненные по формуле 1, показали, что минимальная толщина РВ должна быть в пределах 25вт тП =1.8.. .2.0мм. Нагрев и охлаждение РВ при приварке вызывают а ней разнообразные изменения структуры, изменение состава, распределение кристаллов и отпуск. Эти изменения протекают в соответствии с термическим циклом, который проходит различные объемы материала РВ. При сварке плавлением наибольшие изменения претерпевают объемы металла, граничащие со швом (околошовная зона). Она нагревается до температур, близких к температуре плавления и охлаждается с наибольшей скоростью. Такие технологические факторы, как погонная энергия сварки и температура подогрева, увеличивают длительность пребывания металла при температурах выше Ас) и способствуют снижению пластичности и ударной вязкости стали.

7

Тепловые расчеты сварных швов по известным методикам позволили определить максимальные температуры в ЗТВ и построить кривые термических циклов при сварке стыкового шва (рис.3). Каждая точка в ЗТВ в зависимости от расстояния до оси шва достигает различной максимальной температуры, нагревается и охлаждается с различными скоростями. Каждая точка ЗТВ имеет при сварке свой термический цикл, поэтому в ЗТВ наблюдаются четко выраженные участки с различной структурой и свойствами (Рис. 4).

Рис.3 Кривые термических циклов при сварке стыкового шва сварочной проволокой диаметрами соответственно: 1 - 0,8мм; 2 - 1,2мм; 3 - 1,6мм.

Рис. 4 Схема характерных структур (РВ из стали ЗОХГСА, сварочная проволока НП-ЗОХГСА): 1 - мартенсит; 2 - зона сплавления; 3 - видманштедтовая структура; 4 -мелкозернистый мартенсит; 5 - сорбит + перлит; б - игольчатый троостит.

С увеличением сечения сварного шва увеличивалась длительность нагрева и уменьшалась скорость охлаждения. Образовавшиеся структурные зоны характеризуются соответствующей твердостью и проявляются на приваренной РВ после чистового точения. Ширину зоны термического влияния (зона вторичной закалки и зона отпуска) стремились получить минимальной за счет внесения в сварные швы минимально необходимого количества тепловой энергии - погонной энергии. При использовании сварочного полуавтомата и электродной проволоки диаметром 0.8мм при 1=90А и V=21B зона термического влияния не превышала 2,5. ..3,0мм.

Скорость охлаждения сварного шва оказывает решающее влияние на формирование структуры металла в сварном шве и в примыкоющей зоне термического влияния на приваренной РВ.

Скорость охлаждения сварного шва, используемого, для локальной приварки РВ определяем по формуле:

2Д .Л(Тт — Т0)2 CD =-

Яп , (2)

где X - коэффициент теплопроводности, кал/см, принимаем Х=0,09;

Тт - температура наименьшей устойчивости аустенита сварочной ванны; Т0 - начальная температура перед сваркой, принимаем Tm-T0=500 °С; q„ - погонная энергия сварки, кал/см.

Для применяемых в настоящих исследованиях сварочной проволоки диаметрами 0,8; 1.2; 1.6 мм при соответствующих режимах сварки и погонной энергии, скорость охлаждения сварного шва составила 202 ->-261,7 °С/с.

При таких скоростях охлаждения в сварном шве образуется структура мартенсита, а в околошовной зоне, на поверхности РВ, вдоль шва, появляется участок вторичной закалки с высокой твердостью.

Для надежной работы сопряжения шейка-ремонтная втулка необходимо обеспечить натяг, который бы сохранялся за весь период эксплуатации восстановленного коленчатого вала.

Натяг в сопряжении создавали предварительно поджатием РВ к шейке вала и

использовали усадку сварного шва при остывании.

Для расчета усадки сварного шва была предложена зависимость:

s = (3)

где S - усадка сварного шва; а - коэффициент линейного расширения; q/VCB - погонная энергия сварки; Ср - удельная объемная теплоемкость; кв- коэффициент, учитывающий предварительный натяг РВ на шейке вала; 5ВТ-толщина РВ.

Для расчёта натяга в сопряжении шейка - ремонтная втулка предложена формула:

N=^r (4)

Расчет по формуле (4) показал, что в сопряжении шейка- ремонтная втулка, при исследуемых условиях приварки, ожидается натяг в пределах N=0,04...0,06мм.

Третья глава "Методика экспериментальных исследований, применяемое оборудование и приборы" посвящена описанию методики исследований, применяемому оборудованию, приборам и технологической оснастки.

Общей методикой предусматривалось проведение экспериментальных исследований, как на образцах, так и на реальном коленчатом вале 6 ЧН 18x22.

В процессе экспериментальных исследований решались следующие основные задачи:

- выбор материала РВ; - выбор материала и размеров сварочной проволоки и защитной среды в условиях полуавтоматической сварки на токарном станке;

- совершенствование технологии фиксации разрезной ремонтной втулки путём выбора способов и рациональных режимов её приварки к телу шейки;

- исследование физико - механических свойств восстановленной поверхности шейки коленчатого вала; - исследование макро- и микроструктур сварных швов и зон термического влияния.

Экспериментальные исследования проводили на образцах, имитирующих шейки коленчатого вала. Образцы изготавливали диаметром 120 мм из стали 45 ГОСТ 8509-86 без термической обработки. Шейки образцов после токарной обработки подвергали шлифованию.

Разрезные ремонтные втулки изготавливали из листового материала, соответствующего размера по длине и ширине. Материалом служили сталь 65Г; 60С2 и 30ХГСА (ГОСТ 2283-79) соответственно толщиной 1,8 и 2,0 мм.

После резки на гильотине, полосы сгибали на гибочном приспособлении для получения разрезной ремонтной втулки. После сверления отверстий под масляные каналы и точения фасок на кромках, разрезные ремонтные втулки подвергали термообработке в нагревательных печах, а охлаждали в ваннах с маслом или водой или на воздухе. Кроме того, применили изотермическую закалку РВ в расплаве солей №N03; КМ03 (50% и 50%) при температуре 250 °с- и охлаждении на воздухе. Для этих целей использовали шкаф сушильный СНОЛ -3,5/5 —И1. Для нагрева под закалку использовали печь муфельную МИМП - 10УЭ, а для отпуска электропечь камерную ГОСТ - 1,2-36.

Для приварки РВ к телу шейки использовали полуавтомат с водяным охлаждением Ькгоуаг МЮ 550/4С.

В качестве защитного газа применяли аргон (ГОСТ 10157-79) и углекислый газ (ГОСТ 8050-85). Электродная проволока диаметрами 0,8; 1,2 и 1,6 мм была изготовлена из следующих материалов: Св - 08Г2С; Нп -ЗОХГСА; МЮ 316 и МЮ 309.

ю

Приварка разрезной ремонтной втулки к восстанавливаемой шейке коленчатого вала 6 ЧН 18x22 выполнялась на модернизированном универсальном токарном станке Шкода, оснащённым центросместителями и аппаратурой для сварки (рис.5).

Рис. 5 Модернизированный универсальный токарный станок «Шкода».

Для получения необходимой скорости сварки кольцевых швов, станок был оснащён инвертером ¡э 5. На рис.6 показана шейка коленчатого вала с приваренной РВ. Твёрдость приваренной РВ замеряли после чистовой токарной обработки твердомером ТЭМП - 2, а образцов и шлифов - на твердомере ТК - 2 по ГОСТ 9013 - 59 по методу Роквелла. Микротвёрдость измеряли на приборе ПМТ - 3 в соответствии с требованием ГОСТ 9450 - 76 после обработки шлифованием и полированием на шлифовально-полировальной машине. Для металлографического анализа использовали

____стандартную методику

макроструктурного анализа.

Рис.6 Шейка коленчатого вала с приваренной РВ.

Образец разрезали в сечении стыкового шва и изготавливали макрошлиф. Для уменьшения термического воздействия, образцы разрезались на

__бруски, на фрезерном

станке с подачей охлаждающей эмульсии.

После этого образцы подвергались ступенчатому шлифованию на станке типа ЗГ71, затем полированию алмазными пастами АПН-3, АПН-1, с зернистостью порошка до 1мкм по ГОСТ 25593-83. При переходе с одной алмазной пасты на другую шлифы поворачивали в горизонтальной плоскости на 90°. Для удаления абразивных частиц со шлифа, последний промывался проточной водой и спиртом. Для макроструктурного анализа шлифы протравливались в растворе азотной кислоты, затем промывались водой и протирались ватой. Данная методика позволила получить равномерно

протравленную поверхность шлифа.

В четвёртой главе "Экспериментальные исследования операционной технологии приварки РВ" приведены результаты, полученные по усадке стыкового сварного шва, по которым был определен действительный натяг в сопряжении "шейка - ремонтная втулка, который составил 0,038 -*• 0,045 мм при использовании сварочной проволоки Св — 08Г2С диаметром 0,8 мм при I„. = 90А; Vce, = 21В в среде ТО2.

При применении технологии ПРВ необходимо обеспечить надёжную фиксацию РВ на шейке вала. С этой целью сварочная дуга должна проплавить как кромки РВ, так и основной металл шейки. Априори можно принять, что при сварке необходимо обеспечить проплавление основного металла в пределах 0,5... 1,0 мм, при этом получить минимальные тепловложения в шейку вала. Предварительные испытания на образцах показали, что глубина проплавления основного металла шейки в основном зависит от величины тока' /„. и скорости сварки Vce. при напряжении U= 20+21В.

Построение математической модели зависимости глубины проплавления Н от величины тока и скорости сварки, решалось с помощью планирования двухфакторного эксперимента по известным методикам. Полученное уравнение регрессии имеет следующий вид: ур = 0,733 + 0;20зхг + 0,03зх2 + 0,0зх? -0,0зх| - 0,025Хаэ."2

После замены нормированных отклонений х; и х2 параметрами 1се. и Vce. получим следующую зависимость:

Н = -0/744- 0,02007/св. + 0,000э/с2в.+ ОДП6КСЕ.-0,0012!'С|.-0,0005/СЕУСБ..

(6)

Проверку гипотезы об адекватности модели проводим по F- критерию Фишера.

В пятой главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств ремонтной втулки, приваренной к восстанавливаемой шейке коленчатого вала. Анализ результатов твёрдости РВ после различных способов и режимов термообработки показал, что для восстановления коленчатых валов автотракторных двигателей необходимо использовать стали 65Г и 60С2А, а крупногабаритных - 30ХГСА. Дальнейшие исследования технологии ПРВ показали, что РВ из стали 65Г в зоне термического влияния стыкового шва склонны к образованию горячих и холодных трещин. Эта же склонность была обнаружена у РВ из стали 60С2А при отпуске в воде.

При приварке РВ стыковым и двумя кольцевыми швами в зоне электрической дуги возникает высокая температура, обеспечивающая оплавление кромок РВ и основного металла шейки вала. Одновременно нагреваются до высоких температур и зоны, прилегающие к сварным швам, в

которых происходят структурные превращения, формируя зону термического влияния (ЗТВ). На рис. 7 приведён стыковой сварной шов после чистовой токарной обработки, на котором наглядно видны зоны вторичной закалки (2) и отпуска (3) вдоль сварного шва (1). ЗТВ отрицательно влияют на качество восстановленной шейки. Зона вторичной закалки РВ создаёт очаг местных концентраций напряжений и при твёрдости 60...65 НКС резко снижает стойкость резцов, что особенно характерно для сталей 65Г. При использовании РВ из сталей 60С2А и ЗОХГСА твёрдость в зоне вторичной закалки несколько меньше и составляет соответственно 58...61 НЯС и 50...56Ш.С.

Рис. 7 Зоны термического влияния в стыковом сварном шве:

1 -стыковой сварной шов; 2-зона вторичной закалки; 3 - зона отпуска.

Зона отпуска, образованная её нагревом до температур высокого отпуска, отличается от твёрдости основного металла РВ в сторону уменьшения, но не выходит за допустимые границы. Она составляет для стали 60С2А 34...39 НЛС и 47. ..55 НИС соответственно для электродной проволоки Св - 08Г2С и Нп - ЗОХГСА. А для РВ из стали ЗОХГСА 28...36 ШС и 35...45 НЯС соответственно для электродной проволоки Св - 08Г2С и Нп - ЗОХГСА.

Величина ЗТВ невелика и составляет в зависимости от режимов сварки 1,5...4,0 мм. Однако, следует изыскивать технологические способы, которые сводили к минимуму эти зоны или нейтрализовали их образование. На рис.8 приведены схемы полей распределения твёрдости в зонах стыковых швов при приварке РВ из стали ЗОХГСА электродной проволокой Св -08Г2С (а) и Нп - ЗОХГСА (б).

ш ш

Рис. 8 Схемы полей распределения твёрдости в зонах стыкового сварного шва при приварке ремонтной втулки ЗОХГСА проволокой Св-08Г2С (а) и Нп-ЗОХГСА (б): 1 - ремонтная втулка; 2 -восстанавливаемая шейка; 3 - стыковой сварной шов; 4 - поверхность сварного шва; 5 - зоны вторичной закалки; 6 -зоны отпуска; 7 - поверхность РВ.

При применении технологии ПРВ необходимо обеспечить надежную фиксацию РВ на шейке вала. С этой целью сварочная дуга должна проплавлять как кромки РВ, так и основной металл шейки. Априори можно принять, что при сварке необходимо обеспечить проплавление основного металла в пределах 0,5... 1,0мм, при этом получить минимальные

тепловложения в шейку вала. Предварительные испытания на образцах показали, что глубина проплавления основного металла шейки в основном зависит от величины тока 1„ и скорости

сварки Усв при напряжении и=20^-21В.

Металлографические исследования шлифов, полученных из образцов с приваренной РВ, включали изучение макроструктур сварных швов, зон проплавления и зон термического влияния. Анализ шлифов показал, что на исследуемых режимах сварки глубина проплавления основного металла составляла 0,7... 1,0 мм при использовании электродной проволоки диаметром 0,8 и 1,6 мм. В макроструктурах трещины, поры, различные дефекты и включения не обнаружены. Во всех макрошлифах наблюдается качественное сплавление кромок РВ, участка поверхности основного металла и сварного шва.

Анализ микрошлифов показал, что основной металл РВ после изотермической закалки имеет структуру игольчатого мартенсита, сварной шов, образованный электродной проволокой Св-08Г2С - структуру перлита+сорбита, а проволокой Нп-ЗОХГСА - структуру мартенсита+троостита (рис.9, 10 и 11).

Рис. 9 Характерные зоны сварного соединения ленты 30ХГСА проволокой Св. 08 ГС2: I - шов, 2- зона термического влияния, 3-основной металл, 4- околошовный участок зоны термического влияния, 5- зона сплавления. 6- ремонтная втулка.

Рис. 10 Зоны термического влияния: зона проплавления проволокой НП-ЗОХГСА 1,2мм режим 1СВ=124А, Упр=4,0 м/мин, 1 - зона вторичной закалки, 2 - зона отпуска

Рис. 11 Основные структуры зоны сплавления материала шейки вала и материала РВ, использовалась сварная проволока Св. 08Г2С 1,2мм, режим 1св = 123А, Упр=4,0 м/мин,

В зоне вторичной закалки, во всех случаях, формируется структура мартенсита, в которой встречаются карбидные включения (рис.10). В зоне отпуска формируются смешанные структуры - тростит, сорбит и перлит.

Для оценки эффективности предлагаемой технологии ПРВ были рассчитаны затраты энергии на выполнение операции нанесения

15

Перлитные образования

Мегртемсит с карбидными включениями

! 3 4 5 6 Способы восстановления

металлических покрытий для наиболее известных способов восстановления валов. Эти затраты были определены по количеству теплоты, вносимой в коленчатый вал на единицу площади восстанавливаемой шейки - удельные затраты энергии. Результаты расчётов представлены на рис. 12.

Рис.12 Удельная энергия, затрачиваемая на восстановление условной шейки коленчатого вала при различных способах:

1 - наплавка под слоем флюса АН-348А проволокой Нп-ЗОХГСА, закалка ТВЧ;

2 - наплавка под слоем флюса АН-348А проволокой Нп.-80,

-— графит, феррохром;

3 - вибродуговая наплавка в струе воды, проволока ЭГ1-439; 4-

контактная приварка стальной ленты; 5 - плазменное напыление; 6- сверхзвуковая злектродутовая металлизация (газотермическое напыление); 7 - технология ПРВ с применением полуавтоматической сварки в среде защитного газа.

По удельным энергозатратам на восстановление условной шейки коленчатого вала технология ПРВ имеет бесспорное преимущество в сравнении и известными способами. Так, по технологии ПРВ удельные энергозатраты составляют 4,6 кДж/см^, по сверхзвуковой электродуговой металлизации - 19,44, кДж/см2 а электроконтактной приварке стальной ленты - 152,5 кДж/см2.

Разработанная технология ПРВ принята к внедрению на производственном участке НИЛ кафедры ТКМ СПбГАУ, а также передана для внедрения в ООО "Гефест", которое на эту технологию получило свидетельство Речного регистра РФ, позволяющее её использование при восстановлении коленчатых валов двигателей речных судов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложенный метод расчёта крупногабаритных коленчатых валов показал, что при восстановлении шейки необходимо и достаточно использовать РВ толщиной 1,8...2.0 мм.

2. Предложенная методика расчета скорости охлаждения сварных швов при приварке РВ на массивное тело шейки коленчатого вала показала, что она, при принятых режимах сварки, находится в пределах 200...260 °с"/с, что способствует образованию мелкозернистых закалочных структур.

3. Установлено, что на участке прохождения сварного шва и вдоль него будут образовываться три основные зоны: сварной шов, зона вторичной закалки и зона отпуска материала РВ. Микроанализ шлифов показал, что в зоне вторичной закалки, образовывалась структура мартенсита с карбидными включениями. Ширина этой зоны составляет 0,2...0,8 мм, а в зоне отпуска выявлены структуры перлита и сорбита. Структура сварного шва зависит от применяемой электродной проволоки. При использовании проволоки Св-08Г2С образовалась структура перлита и сорбита, а при использовании проволоки Нп-ЗОХГСА - структура мартенсита. Материал ЗОХГСА ремонтной втулки при изотермической закалке имел структуру игольчатого троостита. ШиринаЗТВ составляла 1,5 ... 4,0мм.

4. Получена математическая модель связи технологического режима приварки РВ и глубины проплавления основного металла шейки вала. Так при /„=75 А и Кс„=15 глубина проплавления составит 0,525 мм (фактически - 0,5 мм).

5. Разработан метод расчёта натяга в сопряжении шейка - ремонтная втулка с учётом предварительного натяга и усадки сварного шва в процессе его остывания. Расчёты показали и экспериментальные исследования подтвердили, что в рассматриваемом сопряжении натяг составил 0,04...0,05 мм.

6. Физико-механические параметры сварного шва и ЗТВ заметно отличаются от параметров приваренной РВ.

Зона вторичной закалки РВ из стали 65Г имела твёрдость 60...65 НЯС, которая сказывалась на низкой стойкости резцов. РВ из материала 60С2А и ЗОХГСА в этой зоне имели твёрдость соответственно: 58...61 НЯС и 50..56 НЯС. Зона отпуска, образованная её нагревом до температур высокого отпуска, имела твёрдость для РВ из стали 60С2А - 34...39 НЯС и 47...55 НК.С соответственно для электродной проволоки Св-08Г2С и Нп-ЗОХГСА. А для РВ из стали ЗОХГСА - 28...36 ШС и 35...45 НЯС соответственно для проволоки Св-08Г2С и Нп-ЗОХГСА.

7. Оценка эффективности технологии ПРВ была выполнена по критерию затрат электроэнергии на единицу восстановленной поверхности шейки коленчатого вала. По предлагаемой технологии удельные энергозатраты составляют 5,5 КДж/'см2 при сверхзвуковой - электродуговой метали-зации - 19,44 КДж/см2, при электроконтактной приварке стальной ленты -152,5 КДж/см2, что составляет соответственно в 4,2 и 3,3 раза меньше.

8. Создан специализированный модельный комплекс на базе токарного станка Шкода, который позволил при восстановлении шеек крупногабаритных коленчатых валов выполнять предварительную обработку восстанавливаемой шейки, приваривать локально РВ к шейке вала и обрабатывать её окончательно в заданный размер.

Результаты исследований по совершенствованию технологии приварки

ремонтной втулки приняты для использования НИЛ кафедры ТКМ СПбГАУ

на специализированном участке по восстановлению шеек коленчатых валов тепловых двигателей, результаты исследований переданы для внедрения фирме ООО "Гефест", фирма ООО "Гефест" на разработанную технологию ПРВ получила свидетельство Российского речного регистра, разрешающее её внедрение при восстановлении коленчатых валов судовых двигателей.

Статьи в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ.

1. Рожков, A.C. Восстановление шеек коленчатых валов по технологии ПРВ / A.A. Зуев, H.A. Бурдо, A.C. Рожков, И.В. Цыплакова. // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета: ежеквартальный научный журнал / [Гл. ред. М.В.Москалев], 2010, №19. -С.302-308.

2. Рожков, A.C. Расчёт натяга в сопряжении шейка коленчатого вала -ремонтная втулка / А.С.Рожков // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета: ежеквартальный научный журнал / [Гл. ред. М.В.Москалев], 2010, №20. -С.340-342.

Статьи в других изданиях.

3. Рожков, A.C. Технология приварки ремонтной втулки при восстановлении шеек коленчатых валов / А. Зуев, H.A. Бурдо, A.C. Рожков, И.В. Цыплакова //Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня. Материалы 12-й международной научно-практической конференции 13-16 апреля // [Общ. ред. H.A. Соснин, П.А. Тополянский] 2010г - Ч. 1, С 94-97.

Подписано в печать 01.12.2010 Формат 60x90 1/16 Печать трафаретная. 1,0 усл. печ. л. Тираж 100 экз.

_Заказ №10/11/25_

Отпечатано с оригинал-макета заказчика в НП «Институт техники и технологий» Санкт-Петербург - Пушкин, Академический пр., д.31, ауд. 715

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Конструктивные особенности коленчатых валов

1.2. Причины выхода из строя коленчатых валов тепловых двигателей.

1.3. Особенности восстановления шеек коленчатых валов наплавкой, напылением и наваркой

1.4. Примеры успешного восстановления коленчатых валов

Одной из главных задач экономического социального развития России является повышение темпов и эффективности развития экономики на базе ускорения научно-технического прогресса, технического перевооружения производства, интенсивного использования созданного производственного потенциала и достижение на этой основе дополнительного подъёма жизненного уровня народа.

Рост технической вооружённости народного хозяйства вызывает необходимость повышения эффективности использования транспортных средств, в том числе улучшения качества их ремонта и восстановления изношенных деталей.

Повышение качества ремонта тепловых двигателей и их агрегатов позволит сократить расход запасных частей при их эксплуатации. Одним из основных путей повышения качества ремонта тепловых двигателей является совершенствование технологий восстановления их базовых деталей.

Известно, что ресурс двигателя в значительной мере определяется состоянием шеек коленчатого вала, износ которых приводит к потере давления масла и выходу двигателя из строя. Коленчатый вал является^ наиболее дорогой и ответственной деталью двигателя, поэтому его качественное восстановление имеет решающее значение для снижения затрат при ремонте тепловых двигателей. [6]

Наиболее известными способами восстановления изношенных поверхностей шеек валов является напыление, наплавка и приварка различных металлов. Эти способы имеют ряд существенных недостатков:

- высокие технологические напряжения, вносимые в коленчатый вал;

- деформация коленчатого вала;

- снижение усталостной прочности;

- низкая износостойкость восстановленной шейки или сопрягаемого с ней вкладыша;

- низкая обрабатываемость восстанавливаемой поверхности;

- наличие пор, трещин, неравномерной твёрдости на восстановленной поверхности.

Совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов и поиск новых способов нанесения металлопокрытий на их изношенные поверхности является актуальной задачей при эксплуатации тепловых двигателей.

Цель работы.

Совершенствование технологии приварки разрезной ремонтной втулки на восстанавливаемые шейки коленчатых валов тепловых двигателей. Объект исследования.

Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания 6 ЧН 18/22, подлежащий восстановлению. Предмет исследования.

Технологический процесс приварки разрезной ремонтной втулки на восстанавливаемую шейку коленчатого вала. Научная новизна работы.

1. Упрощённый метод определения толщины разрезной ремонтной втулки.

2. Методика расчёта натяга в сопряжении шейка - ремонтная втулка.

3. Методика расчёта скорости охлаждения стыкового и кольцевых швов.

4. Методика прогнозирования структурных зон в сварных швах, фиксирующих ремонтную втулку на шейке вала и в зонах термического влияния.

5. Термические циклы при формировании стыкового шва различными сварочными проволоками.

6. Математическая модель процесса приварки разрезной ремонтной втулки.

7. Физико - механические параметры сварных швов и зон термического влияния.

Практическая значимость.

1. Технологический процесс приварки разрезной ремонтной втулки с использованием сварочного полуавтомата с плавящимся электродом в среде защитного газа.

2. Технологическая оснастка для приварки РВ на токарном станке.

3. Сравнительный анализ различных способов восстановления коленчатых валов по энергозатратам.

Основные положения, выносимые на защиту:

- при локальной приварке разрезной ремонтной втулки глубина проплавления сварного шва в тело шейки, должна быть минимальна при обеспечении необходимой прочности сцепления ремонтной втулки с шейкой вала.

- созданный в процессе восстановления натяг в сопряжении шейка — ремонтная втулка должен быть обеспечен на весь срок эксплуатации коленчатого вала.

Реализация результатов исследований

1. Результаты исследований по совершенствованию технологии приварки разрезной ремонтной втулки приняты для использования НИЛ кафедры ТКМ СПбГАУ на специализированном участке по восстановлению шеек коленчатых валов тепловых двигателей.

2. Результаты исследований переданы для внедрения фирме ООО "Гефест".

3. Фирма ООО "Гефест" на разработанную технологию ПРВ получила свидетельство Российского речного регистра, разрешающее её внедрение при восстановлении коленчатых валов судовых двигателей.

Апробация работы.

Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно — практических конференциях преподавателей и аспирантов СПбГАУ в 2008.2010 годах, а также на 12й Международной конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования , инструмента от нано- до макроуровня». Публикации:

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 3 печатных работах.

Автор выражает глубокую признательность научному сотруднику НИЛ кафедры ТКМ СПбГАУ Лиленко М.К. и аспиранту Бурдо H.A., принимавших участие при выполнении некоторых разделов исследований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложенный метод расчёта крупногабаритных коленчатых валов показал, что при восстановлении шейки необходимо и достаточно использовать РВ толщиной 1,8.2.0 мм.

2. Предложенная методика расчета скорости охлаждения сварных швов при приварке РВ на массивное тело шейки коленчатого вала показала, что она, при принятых режимах сварки, находится в пределах 200.260 °с~/с, что способствует образованию мелкозернистых закалочных структур.

3. Установлено, что на участке прохождения сварного шва и вдоль него будут образовываться три основные зоны: сварной шов, зона вторичной закалки и зона отпуска материала РВ. Микроанализ шлифов показал, что в зоне вторичной закалки, образовывалась структура мартенсита с карбидными включениями. Ширина этой зоны составляет 0,2.0,8 мм, а в зоне отпуска выявлены структуры перлита и сорбита. Структура сварного шва зависит от применяемой электродной проволоки. При использовании проволоки Св-08Г2С образовалась структура перлита и сорбита, а при использовании проволоки Нп-30ХГСА - структура мартенсита. Материал 30ХГСА ремонтной втулки при изотермической закалке имел структуру игольчатого троостита. Ширина ЗТВ составляла 1,5 . 4,0мм.

4. Получена математическая модель связи технологического режима приварки РВ и глубины проплавления основного металла шейки вала. Так при 1св= 75 А и Усв=15 глубина проплавления составит 0,525 мм (фактически - 0,5 мм).

5. Разработан метод расчёта натяга в сопряжении шейка — ремонтная втулка с учётом предварительного натяга и усадки сварного шва в процессе его остывания. Расчёты показали и экспериментальные исследования подтвердили, что в рассматриваемом сопряжении натяг составил 0,04.0,05 мм.

6. Физико-механические параметры сварного шва и ЗТВ заметно отличаются от параметров приваренной РВ.

Зона вторичной закалки РВ из стали 65Г имела твёрдость 60.65 НЯС, которая сказывалась на низкой стойкости резцов. РВ из материала 60С2А и 30ХГСА в этой зоне имели твёрдость соответственно: 58.61 НЕ.С и 50.56 1ЖС. Зона отпуска, образованная её нагревом до температур высокого отпуска, имела твёрдость для РВ из стали 60С2А - 34.39 Ш.С и 47.55 Ш.С соответственно для электродной проволоки Св-08Г2С и Нп-ЗОХГСА. А для РВ из стали ЗОХГСА — 28.36 НЫС и 35.45 НЕ1С соответственно для проволоки Св-08Г2С и Нп-ЗОХГСА.

7. Оценка эффективности технологии ПРВ была выполнена по критерию затрат электроэнергии на единицу восстановленной поверхности шейки коленчатого вала. По предлагаемой технологии удельные энергозатраты составляют 5,5

9 л

КДж/см при сверхзвуковой - электродуговой метали-зации - 19,44 КДж/см , при электроконтактной приварке стальной ленты — 152,5 КДж/см2, что составляет соответственно в 4,2 и 3,3 раза меньше.

8. Создан специализированный модельный комплекс на базе токарного станка Шкода, который позволил при восстановлении шеек крупногабаритных коленчатых валов выполнять предварительную обработку восстанавливаемой шейки, приваривать локально РВ к шейке вала и обрабатывать её окончательно в заданный размер.

Результаты исследований по совершенствованию технологии приварки ремонтной втулки приняты для использования НИЛ кафедры ТКМ СПбГАУ на специализированном участке по восстановлению шеек коленчатых валов тепловых двигателей, результаты исследований переданы для внедрения фирме ООО "Гефест", фирма ООО "Гефест" на разработанную технологию ПРВ получила свидетельство Российского речного регистра, разрешающее её внедрение при восстановлении коленчатых валов судовых двигателей.

1. Зуев A.A., Арсентьев A.B., Федорищев А.А Технология восстановления шеек коленчатых валов, Двигателестроение, 2006 г, №3.

2. Минжуур Тумээгиин Разработка технологии восстановления шеек распределительных валов автотракторных двигателей с использованием свертного стального кольца и плазменной дуги. Дисс. на соискание ученой степени к.т.н. — СПб Пушкин. — 1995

3. А. с. 524636 (СССР) МКИ В23К 9/04 Способ элктродуговой наплавки / В.М. Кряжков, Н.М. Ожегов, В.И. Малышев. Заявл. 07.06.74, № 2029854; опубл. Б.И. № 30, 1976 (СССР).

4. Ожегов Н.М. Эффективность технологии скоростной плазменно— порошковой наплавки // Материалы практической конференции «Технолог по сварочному производству промышленных предприятий объектов энергетики и строительства». СПб.: Пушкин, 2002. - с.83-84.

5. А. с. 965657 (СССР) МКИ В23К 9/04 Способ электродуговой наплавки / В.М. Кряжков, Н.М. Ожегов, В.А. Беляев, В.В. Муравьев. Заявл. 13.05.81, № 3287840, опубл. Б.И. № 38, 1982. (СССР).

6. Власов Б.В., Чудаков А.И. Обеспечение народного хозяйства запасными частями. -М.: Экономика, 1982. 88с.

7. Сидоров А.И. Восстановление деталей сельскохозяйственной техники плазменной наплавкой. Автореф. Дис. на соискание ученой степени к.т.н. -Москва. 1989.

8. Доценко Н.И. Восстановление автомобильных деталей сваркой и наплавкой. -М.: Транспорт, 1972. 352с.

9. Кряжков В. М. Надежность и качество сельскохозяйственной техники. -М.: Агропромиздат, 1989. — 335с.

10. Научно—технические разработки для восстановления и упрочнения деталей машин. М.: ВНИИТУВИД Ремдеталь. - 2002. - 40с.

11. Мощенский Ю.А. Технологические основы повышения надежности автотракторных валов при восстановлении их наплавкой и термической обработкой. Автореф. Дис. на соискание ученой степени д.т.н. — СПб Пушкин. -1990.

12. Недригайлов A.B. Лазерная технология при восстановлении и упрочнении деталей. — Московская обл.: АгроНИИТЭИИТО, 1989. — 5с.

13. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. — М.: Наука, 1976. —526с.

14. Степин П.А. Сопротивление материалов. М.: Высш. шк., 1988, -482с.

15. Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения. — М.: Машиностроение, 1968.— 264с.

16. Оскерблом Н.О. Сварочные деформации и напряжения. М.: Машгиз, 1948.-438с.

17. Расчеты на прочность при сварке / Под. ред. Пономарева. М.: Машгиз, 1956.-380с.

18. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. М.: Металлургиздат, 1962. - 86с.

19. Трочун И.П. Внутренние усилия и деформации при сварке. М.: Машгиз, 1964.-286с.

20. Шиганов Н.В. Влияние активных сил на деформации и напряжения. -М.: Машгиз, 1949. -202с.

21. Николаев Г.А. Справочные материалы для сварщиков. М.:МАШГИЗ, 1951.-408с.

22. Справочник машиностроителя / под ред. Серенсена C.B. — М.:МАШГИЗ, 1955. 486с.

23. Пономарев С.Д. Основы современных методов на прочность в машиностроении. М.: Машгиз, 1950. - 402с.

24. Тимошенко С.П. Устойчивость упругих систем. — М.: Гостехиздат, 1946.- 526с.

25. Патент РФ № 2235009 В23Р 6/00; F16C3/06 Способ восстановления коленчатого вала и коленчатый вал. / Зуев A.A., Циплаков В.Г., Федорищев A.A. Заявлено 04.10.2001., Опубликовано 27.08.2004 - Бюл. №24.

26. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача / Учебник для вузов. -М.: Энергоиздат, 1981. -416с.

27. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена.- М.: Энергия, 1969. 392с.

28. Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989.— 640с.

29. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. — М.: Машгиз, 1951.-3 84с.

30. Рыкалин H.H. Тепловые процессы при сварке, их теория и инженерные расчеты. Л., 1958. -264с.

31. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М.: Колос, 1973. — 324с.

32. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -М.: Наука, 1976. -246с.

33. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. — Л.: Наука, 1976.-364с.

34. Мясников Ю. Г., Комяк Н. И. Методы рентгеноструктурного анализа и аппаратура: Справочник по рентгенотехнике. — М.: Машиностроение, 1980.-312с.

35. Васильев Д. М. Дифракционные методы исследования структур. М.: Изд-во СПбГТУ, 1998. -186с.

36. Болынев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. -М.: Наука, 1965.-474с

37. Валге A.M. Обработка экспериментальных данных и моделирование динамических систем при проведении исследований по механизации сельскохозяйственного производства —СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2002—176с.

38. Мельников C.B., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Изд-во Колос, 1972. - 200с.

39. Якушев А.И., Воронцов Л.Н., Федотов Н.М. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. — М.: Машиностроение, 1986. — 352с.

40. Палей М.А., Романов A.B., Брагинский В.А. Допуски и посадки / Справочник В 2 ч. Ч 1. СПб.: Политехника, 2001. -576с.43. Савчук В.П.

41. Обработка результатов измерений. Физическая лаборатория. Ч Учеб. пособие для студентов вузов. — Одесса: ОНПУ, 2002. — 54 с. ил.

42. Ананченко В.Н., Гофман Л.А. Теория измерений: Учеб. пособие. — Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2002. 214 с.

43. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1975.-468с.

44. Schmidt J., Pellkoffer D., Weit E. Altenative methods for postweld treatment of austenitic pipe welds to increase the operational safety of BWR plants // Nuclear Engineering and Design 1997, 174, 301-311.