автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Совершенствование технологии восстановления чугунных коленчатых валов электроконтактной приваркой стальной ленты через промежуточный слой

ІІа правах рукописи

ФОМИН Андрей Иванович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЧУГУННЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ПРИВАРКОЙ СТАЛЬНОЙ ЛЕНТЫ ЧЕРЕЗ ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ СЛОЙ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 мдр жг

Саранск 2012

005012192

Работа выполнена на кафедре технического сервиса машин ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

Научный руководитель: ........Петр Васильевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Мачнев Валентин Андреевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» профессор кафедры основ конструирования машин и механизмов

Сульдин Сергей Петрович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВГ10 «МГУ им. Н. П. Огарева» зав. кафедрой металлообрабатывающих

N станков и комплексов

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ульяновская государственная

сельскохозяйственная академия»

Защита состоится 22 марта 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 при ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по адресу: 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. М. Бахтина ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» и на сайтах www.mrsu.ru и vak2.ed.gov.ru.

Автореферат разослан февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В. А. Комаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Известно, что ресурс двигателя в значительной мере определяется состоянием шеек коленчатого вала (КВ), износ которых приводит к выходу двигателя из строя. В настоящее время разработаны разнообразные способы восстановления шеек чугунных КВ, при этом ни один из них по надежности не отвечает требованиям нормативно-технической документации. Это связанно и с тем, что остаточный предел выносливости восстановленных КВ должен быть не ниже 0,85 от уровня новых, тогда как у изношенных чугунных КВ он составляет 0,77-0,89. Следовательно, при восстановлении КВ необходимо применять технологии, обеспечивающие не только сохранение, но и повышение ресурса.

Одним из перспективных способов восстановления КВ является электроконтактная приварка ленты (ЭКПЛ), однако он не получил достаточно широкого производственного применения для восстановления чугунных КВ по ряду объективных и субъективных причин, в том числе из-за несовершенства технологии.

В условиях небольших ремонтных предприятий и производственных участков для ремонта и восстановления деталей разной номенклатуры разработка эффективной технологии восстановления чугунных КВ остается актуальной задачей.

Цель исследования. Совершенствование технологического процесса восстановления чугунного КВ ЭКПЛ с применением в качестве промежуточного слоя порошковых материалов.

Объект исследования. Технологический процесс восстановления чугунных КВ 24-1005011-20 двигателя ЗМЗ (ОАО «Заволжский моторный завод»).

Методика исследований. В качестве основных методик применялись системные исследования (системный подход и системный анализ), логика научных исследований и математическое моделирование. В результате разработаны частные методики лабораторных исследований с использованием методов математической статистики, статистического и регрессионного анализа и современных вычислительных средств.

На защиту выносятся:

- математическая модель процесса ЭКПЛ, позволяющая установить зависимость предела выносливости восстановленных чугунных КВ от параметров режима приварки;

- особенности формирования структур и фаз на поверхности чугунных КВ при восстановлении ЭКПЛ;

- методика оценки характеристик опасного сечения щек КВ на основе усталостных изломов;

- результаты ускоренных стендовых испытаний на усталость изношенных и восстановленных чугунных КВ;

- результаты исследования триботехнических свойств пар трения, полученных нанесением на поверхность образцов покрытий методом ЭКПЛ;

- результаты оценки прочности сцепления покрытий, образованных ЭКПЛ;

- усовершенствованный технологический процесс восстановления чугунных КВ методом ЭКПЛ с промежуточным слоем.

Научная новизна работы:

- получена математическая модель, адекватно описывающая зависимость предела выносливости от параметров режима ЭКПЛ;

- определены структура, фазы и физико-механические свойства наносимого слоя, полученного ЭКПЛ на поверхности шеек чугунных КВ;

- определены пределы выносливости изношенных и восстановленных методом ЭКПЛ чугунных КВ основе ускоренных стендовых испытаний на усталость;

- установлены триботехнические свойства пар трения, полученных нанесением на поверхность образцов покрытий методом ЭКПЛ.

Практическую значимость представляют:

- компьютеризированный комплекс управления ускоренными стендовыми испытаниями на усталость КВ (патенты № 101830, № 110188);

- компьютеризированная методика расчета предела выносливости КВ;

- модернизированная конструкция сварочной головки установки 011-1-02Н «Ремдеталь»;

- усовершенствованный технологический процесс восстановления чугунных КВ способом ЭКПЛ через промежуточный слой.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в учебно-научно-производственном центре ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева», МИП ООО «Агросервис», АРП «Спецремонт» (г. Саранск).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на Огаревских чтениях МГУ им. Н. П. Огарева (г. Саранск, 2009 - 2011 гг.); на научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов МГУ им. Н. П. Огарева (г. Саранск, 2009 - 2011 гг.); на Международной научно-технической конференции «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин» (г. Москва, ГНУ ГОСНИТИ, 2011 г.), на расширенном заседании кафедры технического сервиса машин МГУ им. Н. П. Огарева.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получены 2 патента на полезную модель: «Устройство для контроля и оценки деформации коленчатого вала», «Устройство для автоматического отключения питания резонансного стенда».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, включает 60 рисунков и 18 таблиц, список литературы содержит 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность работы, показана перспективность совершенствования технологического процесса ЭКПЛ через промежуточный слой при восстановлении чугунных КВ, дана общая характеристика выполненной работы.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» проведен анализ литературы по рассматриваемой проблеме и определены задачи исследования.

В процессе эксплуатации под действием периодических нагрузок от сил давления газов, сил инерции и их моментов, силы трения изменяются физико-механические свойства и геометрические параметры КВ, что вызывает потерю его работоспособности. Неравномерность нагрузок ведет к неравномерному износу шеек, следовательно, при восстановлении работоспособности КВ на первом этапе необходимо устранить дефекты микро- и макрогеометрии коренных и шатунных шеек. По мере увеличения срока службы КВ резко возрастает доля отказов или нарушений работоспособности, связанных с усталостными дефектами, появление которых обусловлено накоплением повреждений. Поэтому на втором этапе необходимо не только восстанавливать геометрию шеек, но и повышать предел выносливости изношенных КВ.

Исследованию различных способов восстановления изношенных КВ методами наращивания металлопокрытий посвящены работы: В. И. Черноивано-ва, Ф. X. Бурумкулова, В. М. Аскинази, Д. Г. Вадивасова, Н. И. Доценко, Н. Н. Дорожкина, В. И. Казарцева, В. М. Кряжкова, И. Е. Ульмана, И. И. Фрулина и др. Современному ремонтному производству известно большое число способов восстановления чугунных КВ, но вследствие низких технико-экономических показателей или технологических особенностей многие из них не получили широкого распространения.

Перспективными являются электроконтактные способы приварки материалов, получившие развитие благодаря исследователям А. В. Поляченко, Ю. В. Клименко, Р. А. Латыпова, М. Н. Фархшатова, М. 3. Нафикова, П. И. Бурака и других ученых. Эти способы имеют ряд преимуществ: незначительный нагрев детали; применение различных присадочных материалов; закалка металлопокрытия в процессе приварки; отсутствие необходимости в защитной среде; высокая производительность процесса.

Из анализа следует, что одним из эффективных способов восстановления чугунных КВ является ЭКПЛ. Для активации диффузионных процессов при реализации способа рационально применение промежуточного слоя из различных порошкообразных материалов.

При восстановлении шеек КВ ЭКПЛ применяются сварочные ролики увеличенного диаметра (в зависимости от высоты щеки КВ), что вызывает повышенный их износ вследствие перекоса относительно плоскости восстанавливаемой поверхности и приводит к нестабильности процесса приварки ленты.

С учетом цели исследования, а также особенностей изучаемого вопроса были сформулированы следующие задачи:

1. Теоретически обосновать использование промежуточного слоя для повышения прочности соединения материалов в твердой фазе без плавления.

2. Модернизировать установку 011-1-02Н «Ремдеталь» для восстановления КВ.

3. Модернизировать стенд для усталостных испытаний и провести усталостные испытания чугунных КВ типа ЗМЗ-24 с различным техническим состоянием.

4. Определить параметры субструктуры, напряженного состояния и физико-механические свойства восстановленной поверхности чугунных КВ.

5. Определить триботехнические свойства пар трения и прочность сцепления привариваемой ленты с поверхностью шеек чугунных КВ, восстановленных методом ЭКПЛ.

6. Усовершенствовать технологический процесс восстановления чугунных КВ способом ЭКПЛ через промежуточный слой из порошково-композиционного материала и определить экономическую эффективность его внедрения.

Во второй главе «Теоретические предпосылки к восстановлению шеек чугунных коленчатых валов электроконтактной приваркой ленты через промежуточный слой» обосновано использование промежуточного слоя для повышения прочности соединения материалов в твердой фазе без плавления; разработана математическая модель зависимости предела выносливости о., восстановленных чугунных КВ от параметров режима приварки; произведен теоретический расчет элементов конструкции модернизированной установки 011-1-02Н «Ремдеталь» для восстановления КВ.

ЭКПЛ происходит не за счет расплавления поверхности детали и ленты, а в результате их пластической деформации при прохождении импульса тока I (кА) мощностью (3 (кДж/с) под давлением сжатия Р (кН). Одновременно проводится закалка проточной водой, обеспечивающая скорость охлаждения со (°С/с). Совокупность этих параметров определяет температуру Т в зоне прохождения импульсного тока, скорость пластической деформации £ и её величину е. Если между основой и лентой ввести компактный порошковый материал с меньшей температурой плавления, то соединение материалов произойдёт при меньших тепловложениях, что благоприятно повлияет на усталостную прочность восстановленных чугунных КВ. Кроме этого, порошок препятствует образованию интерметаллидов при приварке разнородных материалов и снижает уровень остаточных напряжений. Промежуточный слой активизирует диффузионные процессы, в результате чего можно получить сварные соединения при более низкой температуре сварки, меньшем давлении и времени выдержки с высокой прочностью сцепления.

В связи с этим требуется провести исследования свойств приваренных металлических покрытий через промежуточный слой из порошкового материала, установить влияние параметров режима ЭКПЛ на формирование покрытия из данных материалов, определить качество соединения и физико-механические свойства покрытия.

Для установления математической зависимости между факторами процесса ЭКПЛ и пределом выносливости восстановленных чугунных КВ проведен экстремальный эксперимент по плану 23. За варьируемые факторы, влияющие на параметр оптимизации исходя из условия обязательной возможности их регулирования, независимости и однозначности были выбраны: мощность ис-

точника теплоты (}, усилие сжатия сварочных роликов Р, скорость охлаждения со. В качестве параметра оптимизации принят предел выносливости а„1 восстановленных чугунных КВ.

На основе анализа работ А. В. Поляченко, Р. А. Латыпова, М. Н. Фархшатова, Р. Н. Сайфуллина, П. И. Бурака и однофакторных экспериментов установлено, что основной уровень и интервалы варьирования факторов имеют значения, приведенные в табл. 1.

Таблица 1 - Исследуемые факторы в действительных и кодированных значениях

Фактор Кодовое обозначение Интервал варьирования Уровни варьирования натуральные Уровни варьирования кодовые

верхний основной нижний верхний основной И

О, кДж/с X, 0,028 0,15 0,122 0,094 +1 0 -1

Р, кН X, 0,5 1,8 1,3 0,8 +1 0 -1

ш, "С/с X, 450 1350 900 450 +1 0 -1

Результаты многофакторного эксперимента позволили получить математическую модель процесса ЭКПЛ, позволяющую установить зависимость предела выносливости а.] (МПа) восстановленных чугунных КВ от параметров режима приварки:

37,9625

<У-\ „0,5328 0,1031 0,04 ' V1)

б -Р -со

где (} - мощность источника теплоты, кДж/с; Р - усилие сжатия сварочных роликов, кН; ш -скорость охлаждения, 'С/с.

При реализации процесса ЭКПЛ на серийной установке 011-1-02Н «Рем-деталь» наблюдается ряд негативных факторов: подрезание ленты кромками сварочных роликов; деформация рабочей поверхности сварочных роликов; разбрызгивание металла. Для нахождения способа, устраняющего перечисленные недостатки, провели силовой анализ клещей серийной установки. Вследствие одностороннего действия силы Р„2 возникает момент М„2, лежащий в пределах 117,98 - 353,93 Н-м, который отклоняет сварочные ролики; угол отклонения р лежит в пределах 30' - Г 30', что приводит к возникновению негативных факторов процесса приварки (рис. 1а). С целью устранения момента М„2 необходимо увеличить жесткость серийных клещей снабдив установку дополнительными клещами, что позволит обеспечить рабочей линии касания сварочных роликов с деталью равнозначные силы Р'п2 сходящиеся в полезную силу Рпз, не образуя негативный момент Мн2 (рис. 16).

Модернизация клещей установки позволила исключить перекос сварочных роликов относительно плоскости восстанавливаемой детали, что дало возможность равномерно по всей рабочей ширине передавать усилие прижатия к поверхности детали, а также увеличить время эксплуатации сварочных роликов. Это повышает прочность сцепления покрытия с основой, стабилизирует величину деформации ленты и уменьшает зону термического влияния (ЗТВ).

а б

Рисунок 1. Силовой анализ клещей установки 011-1 -02Н «Ремдсталь»:

а - уклон сварочных роликов серийной установки; б - силы, действующие на ось сварочных роликов модернизированных клещей;

1 - верхний сварочный ролик; 2 - деталь; 3 - нижний сварочный ролик

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» приведена программа исследования, описаны используемые методики и применяемое оборудование.

Эксперименты по отработке технологических процессов восстановления ЭКПЛ через промежуточный слой чугунных KB проводились на модернизированной установке 011-1-02Н «Ремдеталь». Действующее значение сварочного тока измерялось с помощью измерителя АСУ-IM. Продолжительность импульсов тока и пауз определялась по регулятору цикла сварки ПСЛ-200, а давление сварочных роликов - по манометру установки.

Все эксперименты проводились непосредственно на шейках чугунных KB ЗМЗ-24 ВЧ50-2 (ГОСТ 7293-85). В качестве присадочного материала использована стальная лента 50ХФА (ГОСТ 2283-79), порошок марки ПГ-СР2 ГОСТ (21448-75) и графитовая смазка УСсА (ГОСТ 3333-80).

Металлографические исследования образованных покрытий проводились на микрошлифах, изготовленных согласно ГОСТ 2789-73 с использованием материалографического комплекса «Tegra Force». Микротвердость поверхности металлографических шлифов определяли при помощи микротвердомера «Du-rascan 20». Микроструктура соединения исследовалась на анализаторе фрагментов микроструктуры твердых тел «SIAMS 700».

В качестве инструмента дополнительных исследований использовался растровый электронный микроскоп «Quanta 200 i 3D» со встроенной системой энергодисперсионного микроанализа (EDS).

Рентгеноструктурный анализ проводился с помощью дифрактометра «ДРОН-6» с фокусировкой по Брегу - Брентано в Си Ка дублетном излучении с пошаговым сканированием. Обработка рентгеновских спектров проводилась с помощью программного обеспечения PDWin 4.0.

Усталостные испытания проводились на модернизированном резонансном стенде (патенты РФ № 101830, № 110188) по методике РД 70.0009.008-85. Для автоматической обработки данных ускоренных стендовых испытаний на усталость KB на базе программного комплекса N1 Lab VIEW 11.0 разработана компьютеризированная методика расчета предела их выносливости.

Основные этапы расчета и главная лицевая панель программного комплекса представлены на рис. 2.

1. Чтение файла изображения сечения •я tun юамм Вюдныеджнкые ИчилмшмкКВ ! НмрпмР.Н !|.*0 ¡

í ....... : [ ъ О* '

2. Фильтрация изображения ПАЗ Coioí CGiook'JO. Ï.1AQ taaclSirçi« Cdoc Piai«, ¡KAQ Aj!î 8ТшМ, m 0чуУ9#«5у ВАС Siesta, Щ ¡M hrç Sitóra, hfgCwíiM toíjJUi kiç Fi Htff Ьэ9 Uiíl.fV ----- - ^^ ! чняо щлм» мгртжетя. N IíÍSsi i

i .......... í ' !в'4'5 . 1

3. Калибровка изображения ¡rrag toan« Viser hfs, da; Sit Sffljie СаМэт. kwç Stí C*iC:4tw fois Info Peiyя ьтат

t nnrimrri—mim-----mntf« •"> i

4. Анализ полученного бинарного изображения ШЫЛАЙ!« ---■) " — . : Awmwt *« *ч»т» вдюфмчч J Дим ( •гтан мрп««>>м . j

5. Отображение результатов расчетов Л|»««мпмотМ| '73.5ЭИ ¡IÍS7S Г . ; . :. . . j f ': • Стоп • j

Рисунок 2. Программным комплекс «FSDD»

В результате расчета могут быть получены следующие основные характеристики: изгибающий момент, площадь сечения излома щеки KB, момент сопротивления опасного сечения, напряжение в опасном сечении, предел выносливости. Программа выполнена в виде исполняемого файла FSDD.EXE, обеспечивающего ее автономную работу вне среды N1 Lab VIEW.

Сравнительные триботехнические испытания образцов проводились согласно РД 10.003-2009 на машине СМТ-1, усовершенствованной в ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева». Износ образцов измерялся взвешиванием на аналитических весах MSU 225S-100-DU Cubis. Шероховатость поверхности определяли профилографом-профилометром Form Talysurf 1120.

Прочность сцепления исследовалась методом среза по ГОСТ 8905-73. Испытания осуществлялись на прецизионной универсальной электромеханической машине серии «Autograph AG-X» с программным обеспечением TRAPEZIUM X-«Single».

Эксплуатационные испытания 14 KB 24-1005011-20, восстановленных по усовершенствованной технологии, проводились на предприятиях Республики Мордовия (ООО «Спецтехника», ООО «Агросоюз-Красное Сельцо»).

Обработка экспериментальных данных осуществлялась на ПК с помощью пакета прикладных программ.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» рассматриваются результаты проведенных экспериментов и дается их оценка.

Рисунок 3. Микроструктура стали 50ХФА после ЭКПЛ

Исходными материалами при проведении металлографических исследований служили образцы, вырезанные из шеек чугунных КВ с нанесенным слоем металлопокрытия из стали 50ХФА и стали 50ХФА с ПГ-СР2. Травление шлифов показало, что получаемое покрытие из стали 50ХФА имеет мелкодисперсную структуру. В микроструктуре нет трещин и других дефектов слоя, которые бы снижали износостойкость. Структура покрытия - мелкозернистый мартенсит (рис. 3).

При восстановлении образцов сталью 50ХФА в зоне соединения образуется микросмесь феррита и цементита шириной 17 мкм. Данная структура обладает высокой вязкостью, но избыточный пластинчатый цементит в границах зерен может приводить к образованию микротрещин и соответственно к отслаиванию привариваемой ленты (рис. 4).

ш>.

„■„-,__________

Ш.

Микроструктура х 1000 Микротрещина х 12000

Рисунок 4. Микроструктура зоны соединения 50ХФА - ВЧ50-2

Анализ зоны соединения покрытия 50ХФА через промежуточный слой ПГ-СР2 с основой, показал, что дефекты типа пор, трещин и несплошностей в зоне соединения отсутствуют (рис. 5).

ЩЩ50ХФАІ

тшЩШ

ЩщЩЗона^ соединения - "

№ & ¡¡й1

вй і

х200

х500

XI000

Рисунок 5. Микроструктура зоны соединения 50ХФА - ВЧ50-2 через ПГ-СР2

При этом сама зона соединения имеет очень незначительный по ширине промежуточный слой, что можно объяснить ограниченной возможностью протекания диффузионных процессов в зоне контактирования соединяемых материалов ввиду кратковременности образования соединения при ЭКП. Это подтверждается данными микрорентгеноспектрального анализа зоны соединения (рис. 6). Структура зоны соединения одинакова по всей толщине слоя, состоит из твердого раствора на основе никеля, эвтектики и кристаллов карбидов хрома. Зона взаимодействия этих элементов не превышает 6 мкм.

Рисунок 6. Изменение элементного состава по глубине покрытия

При ЭКПЛ чугун ВЧ50-2 как в зоне термомеханического влияния, так и в исходном состоянии имеет перлитно-ферритную структуру с включениями шаровидного графита (рис. 7). Практическое отсутствие роста зерен в ЗТВ свидетельствует о малой длительности перегрева металла при применении промежуточного слоя.

Расстояние от поверхности, мкм

Рисунок 8. Распределение микротвердости образца 50ХФА - ВЧ50-2

х400 х100

Рисунок 7. Микроструктура чугуна ВЧ50-2 после ЭКПЛ 50ХФА с ПГ-СР2

МиКрОТВерДОСТЬ ПОКрЫТИЯ ИЗ СТа- >900

ли 50ХФА составляет 530-600 HV и на í™

всем протяжении ВДОЛЬ ЗОНЫ соедине- 8-500 1 " <100 ния практически не изменяется, что свидетельствует о достаточно высокой ста- ,0J бильности ее структуры. Следовательно, после ЭКПЛ величина микротвердости поверхности увеличивается в 2,4...2,5 раза по сравнению с материалом основы (207-249 HV), что существенно влияет на повышение износостойкости восстановленной пары трения.

Глубина ЗТВ для образцов, восстановленных лентой 50ХФА, составляет 780 мкм, микротвердость зоны варьируется от 268 до 810 HV (рис. 8). Для образцов, восстановленных лентой 50ХФА с ПГ-СР2, составляет 550 мкм, микротвердость зоны варьирует от 263 до 733 HV (рис. 9). Снижение глубины ЗТВ в 1,5 раза непосредственно отразится на макронапряженном состоянии восстановленного КВ.

Расстояние от поверхности, ми

Рисунок 9. Распределение микротвердости образца 50ХФА - ВЧ50-2 с ПГ-СР2

Причины изменения механических характеристик приваренного слоя выявлялись с применением методов рентгеноструюурного анализа.

Для определения фазового состава были сняты рентгенограммы покрытий в интервале двойного угла от 15 до 100° (рис. 10-13). Флуктуация линии фона обусловлена разупорядоченностыо кристаллической структуры. Фазовый состав исследуемых покрытий соответствует фазе чистого a-Fe, что подтверждается сравнением результатов наших экспериментов с данными таблиц ASTM.

Дифрактограмма ленты 50ХФА (см. рис. 11) содержит гало, что свидетельствует о наличии в образце аморфной фазы. Также обращает на себя внимание перераспределение интенсивностей рентгеновских максимумов, что говорит о наличии ярко выраженной текстуры в образце. Как видно из рис. 12 и 13, в результате приварки ленты 50ХФА к основе текстура и аморфная составляющая пропадают, что обусловлено термодиффузионными процессами в ходе восстановления детали.

I, имл/с

700

<00 300 ZOO

Рефлекс 110 Рефлекс 200

Рисунок 10. Общая рентгенограмма шейки КВ до нанесения покрытия ЭКПЛ

ю jo so т „».ipw

Рисунок 11. Общая рентгенограмма ленты 50ХФА до ЭКП

РефпексНО Рефлекс 200

- ! V-

Рефлекс 211 Рефлекс 220

Рефлекс 110 Рефлекс 200

10 30 50 70 да2®-'!»"

Рисунок 12. Общая рентгенограмма покрытия 50ХФА+ВЧ50-2

10 30 50 70 S0 20, град

Рисунок 13. Общая рентгенограмма покрытия 50ХФА+ПГ-СР2+В450-2

Степенью разупорядочения структуры поверхности определяются не только высота и форма линии фона, но и полуширина рентгеновских рефлексов. Как видно из табл. 2, в процессе ЭКПЛ степень разупорядочения структуры увеличивается после нанесения покрытия.

Таблица 2 - Полуширина рефлексов 110 и 211

Образец Полуширина рефлекса 110, град Полуширина рефлекса 220, град

Основа В 450-2 0,391 0,811

ВЧ50-2 + 50ХФА+ПГ-СР2 0,612 1,296

ВЧ50-2 + 50ХФА 0,618 1,284

Уширение рефлексов связано с дефектами кристаллической структуры и возникновением микронапряжений в структуре материала либо с дисперсностью блоков. Параметры субструктуры рассчитывались по линиям 110 и 220 фазы a-Fe. Нанесение покрытия приводит к значительному дроблению зерна и I увеличению напряженности в микрообъемах (табл. 3).

Таблица 3 - Микронапряженнос состояние образцов из чугунных КВ

Образен Р2/Р> sec0v,„ sec0n„ lg® 220 D (HK.L), м Ad/d

Основа В 450-2 2,43 1,42 2,85 1,3-10"' 0,000934

ВЧ50-2 + 50ХФА+ПГ-СР2 2,12 4,08-10" 0,001182

ВЧ50-2 + 50ХФА 2,08 3,95-10'8 0,001118

Увеличение дисперсности материала покрытия и возникновение дополнительных микродеформаций решетки объясняется термическими условиями протекания процесса восстановления изношенной шейки КВ. Образование соединения между покрытием и основой осуществляется в твердой фазе в результате нагрева присадочного материала и поверхности детали с последующим охлаждением проточной водой, следовательно, происходит локальное закаливание металлопокрытия и основы, что и определяет уменьшение среднего размера зерна привариваемого материала.

Величина макронапряжений определена по методу БІп-у. Полученные зависимости межплоскостного расстояния от БІіТу свидетельствуют о растягивающем характере макронапряжений исследуемых образцов. Макронапряжения растяжения в образцах из ВЧ50-2 уменьшаются после нанесения покрытий способом ЭКПЛ 50ХФА в 1,2 раза и 50ХФА с ПГ-СР2 - в 2 раза (табл. 4). Измельчение зерна и уменьшение растягивающих напряжений должны приводить к увеличению твердости и износостойкости покрытия.

Таблица 4 - Характеристика макронапряженного состояния образцов

Образец Макронапряжение, МПа

Основа ВЧ50-2 20,9

ВЧ50-2 + 50ХФА+ПГ-СР2 10,1

ВЧ50-2 + 50ХФА 17,3

Исследование изломов показывает, что стендовые испытания на усталость достаточно точно моделируют типичные эксплуатационные разрушения КВ. Для описания семейства кривых усталости принята математическая модель

М ,п а ,„ М. <х„

íffl

UJ _

(2)

где М_щ - предельный момент выносливости при вероятности разрушения <3, при симметричном цикле нагружения (г = -1) и числе циклов нагружения N<3 —«о, Н-м; Ма - амплитуда изгибающего момента, Н-м; £Т_,„ - предел выносливости при вероятности разрушения 0, при симметричном цикле нагружения (г = -1) и числе циклов нагружения N5 —>со, МПа; <7., - напряжение в опасном сечении вала, МПа; Ад,Ва - параметры как функции 0, определяемые из экспериментальных данных.

На основе экспериментальных данных произведен расчет значений предела выносливости для бывших в эксплуатации и восстановленных ЭКПЛ через промежуточный слой с конструктивно-технологической подготовкой (КТП) поверхности шеек чугунных КВ двигателей ЗМЗ-24 (рис. 14).

Схема обработки шейки Обработанная шейка Восстановленная шейка

Рисунок 14. Шейка КВ, восстановленная ЭКПЛ с КТП

Результаты стендовых испытаний на усталость представлены в табл. 5.

Таблица 5 - Результаты стендовых испытаний на усталость

№ Характеристика образца КВ м„ Н-м W", см3 МПа N■10", цикл. (ö-Ü)Q=0,5, МПа (O-|)Q-0,5, МПа

1.3 Изношенный 650 4,47 82,6 0,095 59,5 87,1

1.4 То же 650 3,55 102,6 0,376 97,9

2.3 650 4,50 75,6 0,414 88,3

2.4 650 3,89 101,1 0,326 96,4

3.3 650 4,52 77,6 0,472 90,7

3.4 650 4,74 85,1 0,546 89,6

1.1 Восстановленный 650 3,98 96,3 0,224 85,4 94,1

1.2 То же 650 3,86 91,3 0,243 89,9

2.1 650 3,64 106,3 0,167 86,3

2.2 650 4,17 89,8 0,830 111,3

3.1 390 3,75 61,5 2,500 89,0

3.2 650 3,77 78,6 0,366 102,5

По результатам выполненных исследований установлено:

- предел выносливости изношенных чугунных КВ ЗМЗ-24, не подвергавшихся ранее восстановлению металлопокрытиями, составил 87,1 МПа;

- предел выносливости чугунных КВ ЗМЗ-24, восстановленных после износа шеек ЭКПЛ с ПГ-СР2 и упрочненных КТП, составил 94,1 МПа, что в 1,08 раза выше остаточного предела выносливости КВ до восстановления. Предел выносливости новых чугунных КВ типа ЗМЗ-24 составляет 102 МПа (A.B. Денисов, 1991 г.). Предел выносливости КВ типа ЗМЗ-24 (УМЗ-451, ЗМЗ-402.10, ГАЗ-21 и т.п.), восстановленных ЭКПЛ с ПГ-СР2 и упрочненных КТП, обеспечивается на уровне 0,92 от нового КВ, что соответствует установленным нормам надежности (не менее 0,85) при ремонте двигателя.

Триботехническим испытаниям на СМТ-1 были подвергнуты 2 серии образцов-роликов, вырезанных из шеек КВ со стандартными вкладышами. Первая

серия образцов была вырезана из шейки КВ и представляла собой чистый ВЧ50-2; вторая серия вырезана из шейки КВ после ЭКПЛ с ПГ-СР2.

Исследование шероховатости рабочих поверхностей образцов-роликов показало, что в процессе приработки шероховатость (Ra) снижается от 0,250,32 до 0,11-0,16, а при испытаниях на износостойкость изменяется незначительно.

По результатам обработки данных экспериментов на прирабатываемость для исследуемых серий определены нагрузочные характеристики: максимальная нагрузка Рм.„., характеризующая предзадирное состояние, минимальный коэффициент трения fmin и соответствующая ему оптимальная нагрузка РШ1 (рис. 15). Лабораторные триботехнические испытания пар трения показали, что минимальный коэффициент трения эталонной пары составляет 0,003, а образцов, восстановленных ЭКПЛ сталью 50ХФА с ПГ-СР2, - 0,005.

Результаты исследований на прирабатываемость и задиростойкость показали, что максимальная несущая способность у образцов, востановленных ЭКПЛ, - 50 МПа, а минимальная - у образцов, не проходивших дополнительную обработку, - 39 МПа.

Суммарная интенсивность изнашивания для каждой исследуемой пары трения определена длительными износными испытаниями при оптимальной нагрузке для каждой пары трения. Результаты длительных стационарных испытаний показали, что интенсивность изнашивания пар трения, восстановленных методом ЭКПЛ составляет 1,69-10"" что в 1,14 раза ниже, чем у базовых -1,92-10"".

Сравнительная оценка интенсивности изнашивания по фактору износа свидетельствуют, что у обработанных методом ЭКПЛ пар трения этот показатель в 1,89 раза ниже, чем у новых (рис. 16). Анализ результатов триботехниче-ских испытаний дал основания сделать вывод, что при восстановлении шеек КВ методом ЭКПЛ создается поверхность, обладающая высокой несущей способностью и повышающая износостойкость исходного соединения.

1 Серии образцов г

Рисунок 15. Сравнение максимальной Рм.н., и оптимальной нагрузок Рои, пары трения:

1 - ВЧ50-2 - А020-1; 2 - В Ч 50-2 + 50ХФА с ПГ-СР2 - А020-1

1.4Е-12

I 1'2Е"12 I 1Е"12

S 8Е-13 t

I 6Е-13

i 4Е-13

* 2Е-13

1 Серии образцов 2

Рисунок 16. Сравнение интенсивности изнашивания по фактору износа: 1 -ВЧ50-2-А020-1; 2 - ВЧ50-2 + 50ХФА с ПГ-СР2 - А020-1

Анализ результатов определения прочности сцепления с основой показал, что величина напряжения сдвига для металлопокрытия из ленты 50ХФА составляет 345,6 МПа, из ленты 50ХФА с ПГ-СР2 - 430, для материала основы

ВЧ50-2 - 500 МПа. Величины напряжения сдвига для металлопокрытия из ленты 50ХФА с ПГ-СР2 и материала основы близки по значению, поэтому в качестве присадочного материала при восстановлении чугунных КВ целесообразно использовать ленту 50ХФА + ПГ-СР2.

В пятой главе «Разработка усовершенствованного технологического процесса восстановления чугунных КВ ЗМЗ-24 и оценка его экономической эффективности» приводятся рекомендации по усовершенствованию технологии восстановления и упрочнения КВ при ЭКПЛ, а также оценка их экономической эффективности.

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований был усовершенствован технологический процесс восстановления КВ 241005011-20, который включает следующие операции: входной контроль, мойка, дефектация и правка, токарная обработка, КТП, подготовка присадочного материала, ЭКПЛ, сверление масляных отверстий, шлифование шеек, балансировка, контроль КВ и консервация. Рациональными параметрами режима ЭКП при получении соединения ленты из стали 50ХФА (толщина 0,35 мм) с шейкой КВ (чугун ВЧ50-2) через промежуточный слой ПГ-СР2 (фракционный состав 2063 мкм) и графитовой смазкой УСсА являются: обороты шпинделя - 6 об/мин; подача суппорта (клещей) - 3 мм/об; ширина рабочей части сварочных роликов

- 4 мм; сила тока - 1,5 кА; длительность импульса - 0,04 с; длительность паузы

- 0,08 с; усилие сжатия сварочных роликов - 1,5 кН; расход охлаждающей жидкости -1,5 л/мин.

Усовершенствованный технологический процесс внедрен в производство на МИП ООО «Агросервис» и АРП «Спецремонт» (г. Саранск).

Эксплуатационные испытания КВ 24-1005011-20 с восстановленными шейками в период с 2010 по 2012 г. показали их высокую надежность. Отказов двигателей, связанных с восстановленными КВ, не наблюдалось. Средний пробег автомобилей за время испытаний составил 76 410,8 км. Эксплуатационные испытания восстановленных КВ продолжаются.

Годовая экономия от внедрения усовершенствованной технологии восстановления КВ составляет 794 854 руб. на программу ремонта 200 КВ в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована целесообразность применения промежуточного слоя при восстановлении чугунных КВ. Промежуточный слой активирует диффузионные процессы, в результате чего получены соединения с высокой прочностью сцепления при более низкой температуре сварки, меньшем давлении и времени выдержки.

2. Модернизирована установка 011-1-02Н «Ремдеталь» для восстановления КВ диаметром 20...200 мм, что обеспечило увеличение жесткости конструкций сварочных клещей за счет равного распределения усилия по оси сварочных роликов.

3. Модернизация универсального стенда резонансного типа для проведения ускоренных стендовых испытаний на усталость КВ обеспечила контроль

результатов экспериментов с погрешностью измерений не более 2 %, что подтверждено полученными патентами на полезную модель (№ 101830, № 110188) и реализованным программным комплексом для автоматической обработки данных ускоренных стендовых испытаний на усталость КВ.

По результатам ускоренных усталостных испытаний установлено, что предел выносливости чугунных KB ЗМЗ-24, восстановленных после износа шеек ЭКПЛ через промежуточный слой ПГ-СР2 и упрочненных КТП, составил 94,1 МПа, что в 1,08 раза выше остаточного предела выносливости КВ до восстановления (87,1 МПа). Предел выносливости КВ типа ЗМЗ-24, восстановленных ЭКПЛ через промежуточный слой ПГ-СР2 и упрочненных КТП, обеспечивается на уровне 0,92 от нового, что соответствует установленным нормам надежности (не менее 0,85) при ремонте двигателя.

4. Металлографические исследования натурных образцов из чугунного КВ ЗМЗ-24 показали, что после ЭКПЛ микротвердость поверхности увеличивается в 2,4...2,5 раза по сравнению с микротвердостыо материала основы. Применение промежуточного порошкового слоя уменьшает глубину ЗТВ в 1,5 раза.

Макронапряжения растяжения в образцах из чугуна ВЧ50-2 уменьшаются после нанесения способом ЭКПЛ покрытий из стали 50ХФА в 1,2 раза и из стали 50ХФА через ПГ-СР2 - в 2 раза. Измельчение зерна и уменьшение растягивающих напряжений приводит к увеличению твердости и износостойкости покрытия.

5. Результаты длительных стационарных испытаний на износостойкость показали, что суммарная интенсивность изнашивания пар трения, восстановленных методом ЭКПЛ, в 1,14 ниже интенсивности изнашивания эталонных пар трения. Сравнительная оценка интенсивности изнашивания по фактору износа показывает, что у обработанных методом ЭКПЛ пар трения этот показатель в 1,89 раза ниже, чем у эталонных.

Величина напряжения сдвига для металлопокрытия из ленты 50ХФА составляет 345,6 МПа, из ленты 50ХФА с ПГ-СР2 - 430, для материала основы ВЧ50-2 - 500 МПа. Величины напряжения сдвига для металлопокрытия из ленты 50ХФА с ПГ-СР2 и материала основы близки по значению, поэтому в качестве присадочного материала при восстановлении чугунных КВ целесообразно использовать ленту 50ХФА с ПГ-СР2 фракционного состава 20...63 мкм.

6. На основании проведенных исследований усовершенствован технологический процесс восстановления чугунных КВ ЗМЗ-24 ЭКПЛ внедрен в производство. Экономическая эффективность от внедрения усовершенствованной технологии восстановления чугунных КВ в производство составляет 794 854 руб. на программу ремонта 200 КВ в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ

1. Применение карбонитрации для повышения предела выносливости чугун-пых коленчатых валов / Е. А. Школкин, А. И. Фомин, С. Г. Цих [и др.] // Тр. ГОСНИТИ.-2011.-Т. 107, ч. 2.-С. 80-84.

2. Фомин А. И. Восстановление деталей с большим износом / M. H. Горохова, В. В. Карпинский, А. И. Фомин // Тр. ГОСНИТИ. - 2011. - Т. 108, ч. 2. -С. 223 - 229.

3. Фомин А. И. Износ сварочных роликов при электроконтактной приваре / М. Н. Горохова, Д. Д. Чурилов, А. И. Фомин // Тр. ГОСНИТИ. - 2012. - Т. 109, ч. 2. - С. 155-158.

4. Фомин А. И. Оценка напряженно-деформированного состояния чугунного коленчатого вала восстановленного электроконтактной приваркой стальной ленты 50ХФА через промежуточный слой ПГ-СР2 / А. И. Фомин, П. В. Сенин, В. А. Денисов // Тр. ГОСНИТИ. - 2012. - Т. 109, ч. 2. - С. 198 - 202.

5. Фомин А. И. Прочность чугунных коленчатых валов восстановленных электроконтактной приваркой стальной ленты / А. И. Фомин, П. В. Сенин, В. А. Денисов // Тр. ГОСНИТИ.-2012.-Т. 109, ч. 2. - С. 218-221.

Статьи в других изданиях, включая труды международных и всероссийских научно-технических конференций.

6. Фомин А. И. Совершенствование технологии восстановления коленчатых валов методом электроконтактной приварки ленты через промежуточный слой / А. И. Фомин, С. С. Голубев // XXXVIII Огаревские чтения : материалы науч. конф : в 3 ч. Ч. 3 : Технические науки. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2010. - С. 113 - 117.

7. Фомин А. И. Восстановление чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ/ П. В. Сенин, А. И. Фомин, В. А. Денисов // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы : межвуз. сб. науч. тр. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2010.-С. 156- 159.

8. Обеспечение работоспособности сварочных роликов при электроконтактной приварке ленты/ П. В. Сенин, А. И. Фомин, Р. Р. Бахтеев, В. А. Денисов // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы : межвуз. сб. науч. тр. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2010. - С. 159-162.

9. Фомин А. И. Исследование триботехнических свойств образцов, изготовленных из чугуна ВЧ50-2 и обработанных электроконтактной приваркой ленты / А. И. Фомин // Энергоэффективность технологий и средств механизации АПК : межвуз. сб. науч. тр. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2011. — С. 282 - 287.

Авторские свидетельства на полезные модели

10. Пат. 101830 Российская Федерация, МПК G 01 M 15/02. Устройство для контроля и оценки деформации коленчатого вала / П. В. Сенин, А. И. Фомин, Е. А. Школкин ; Патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева». - 2010136897/28, заявл. 02.09.2010 ; опубл. 27.01.2011, Бюл. № 3, ч. 4. - 1 с. : ил.

11. Пат. 110188 Российская Федерация, МПК G 01 M 15/00. Устройство для автоматического отключения питания резонансного стенда / П. В. Сенин, А. И. Фомин, Е. А. Школкин, M. Н. Горохова ; Патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева». - 2011121533/28, заявл. 27.05.2011 ; опубл. 10.11.2011. Бюл. № 31, ч. 4. - 1 с. : ил.

Подписано в печать 17.02.12. Объем 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 226. Типография Издатсльстпа Мордовского университета 430005, г. Саранск, ул. Советская, 24

61 12-5/1875

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н. П. ОГАРЕВА

ФОМИН АНДРЕЙ ИВАНОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЧУГУННЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ПРИВАРКОЙ СТАЛЬНОЙ ЛЕНТЫ ЧЕРЕЗ ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ СЛОЙ

Специальность 05.20.03 - технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор

СЕНИН ПЕТР ВАСИЛЬЕВИЧ

Саранск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.. ..9

1.1 Основные дефекты чугунных коленчатых валов и способы их устранения.....................................................................................9

1.2 Усталостная прочность восстановленных чугунных коленчатых валов........................................................................................................................16

1.3 Физические основы и реализация процесса электроконтактной приварки......................................................................................19

1.4 Установки для восстановления деталей электроконтактной приваркой....................................................................................21

1.5 Цели и задачи исследования....................................................24

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ВОССТАНОВЛЕНИЮ ШЕЕК ЧУГУННЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ПРИВАРКОЙ ЛЕНТЫ ЧЕРЕЗ ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ СЛОЙ....................27

2.1 Использование промежуточного слоя для повышения качества восстановления чугунных коленчатых валов электроконтактной приваркой стальной ленты...............................................................27

2.2 Влияние основных технологических факторов процесса электроконтактной приварки стальной ленты на предел выносливости восстановленных чугунных коленчатых валов....................................33

2.3 Модернизация элементов конструкции экспериментальной установки 011-1-02Н «Ремдеталь».....................................................44

Глава 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................53

3.1 Программа экспериментальных исследований..............................53

3.2 Оборудование для получения покрытий электроконтактной

приваркой стальной ленты............................................................54

3.3 Методики исследования структуры и фазового состава, формирующихся при электроконтактной приварке стальной ленты............56

3.3.1 Методика металлографических исследований покрытий, образованных электроконтактной приваркой стальной ленты....................56

3.3.2 Рентгенофазовый анализ...................................................60

3.3.3 Рентгеноструктурный анализ.............................................62

3.4 Методика проведения исследований с помощью растровой электронной микроскопии...............................................................68

3.5 Методика ускоренных стендовых испытаний коленчатых валов на усталость....................................................................................70

3.5.1 Расчетно-экспериментальная методика оценки предела выносливости восстановленных коленчатых валов.................................70

3.5.2 Методика автоматической обработки данных ускоренных стендовых испытаний на усталость коленчатых валов.............................76

3.6 Методика триботехнических исследований новых и восстановленных пар трения.............................................................80

3.7 Методика определения прочности сцепления нанесенных слоев с основой.......................................................................................87

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.....91

4.1 Результаты металлографических исследований покрытий, образованных электроконтактной приваркой стальной ленты.....................91

4.2 Элементный состав покрытий, полученных электроконтактной приваркой стальной ленты через промежуточный слой................................96

4.3 Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ покрытий, образованных электроконтактной приваркой стальной ленты...................103

4.3.1 Рентгенофазовый анализ..................................................104

4.3.2 Рентгеноструктурный анализ............................................107

4.4 Результаты ускоренных стендовых испытаний чугунных

коленчатых валов ЗМЗ-24 на сопротивление усталости.........................109

4.5 Результаты триботехнических испытаний новых и восстановленных пар трения...........................................................114

4.6 Результаты испытаний на прочность сцепления нанесенных

слоев с основой.............................................................................120

Глава 5. РАЗРАБОТКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЧУГУННЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ЗМЗ-24 И ОЦЕНКА ЕГО ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ.....................................................................124

5.1 Разработка технологического процесса восстановления чугунных коленчатых валов..........................................................................124

5.2 Расчет экономической эффективности внедрения усовершенствованного технологического процесса в производство...........132

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................................................139

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................141

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Профилограммы образцов для триботехнических испытаний Приложение 2. Технологический процесс восстановления Приложение 3. Патенты РФ на полезные модели и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ

Приложение 4. Акты внедрения и эксплуатационных испытаний

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что ресурс двигателя в значительной мере определяется состоянием шеек коленчатого вала (КВ), износ которых приводит к выходу двигателя из строя. В настоящее время разработаны разнообразные способы восстановления шеек чугунных КВ, при этом ни один из них по надежности не отвечает требованиям нормативно-технической документации. Это связанно и с тем, что остаточный предел выносливости восстановленных КВ должен быть не ниже 0,85 от уровня новых, тогда как у изношенных чугунных КВ он составляет 0,77-0,89. Следовательно, при восстановлении КВ необходимо применять технологии, обеспечивающие не только сохранение, но и повышение ресурса.

Одним из перспективных способов восстановления КВ является электроконтактная приварка ленты (ЭКПЛ), однако он не получил достаточно широкого производственного применения для восстановления чугунных КВ по ряду объективных и субъективных причин, в том числе из-за несовершенства технологии.

В условиях небольших ремонтных предприятий и производственных участков для ремонта и восстановления деталей разной номенклатуры разработка эффективной технологии восстановления чугунных КВ остается актуальной задачей.

Цель исследования. Совершенствование технологического процесса восстановления чугунного КВ ЭКПЛ с применением в качестве промежуточного слоя порошковых материалов.

Объект исследования. Технологический процесс восстановления чугунных КВ 24-1005011-20 двигателя ЗМЗ (ОАО «Заволжский моторный завод»).

На защиту выносятся:

- математическая модель процесса ЭКПЛ, позволяющая установить зависимость предела выносливости восстановленных чугунных КВ от параметров режима приварки;

- особенности формирования структур и фаз на поверхности чугунных КВ при восстановлении ЭКПЛ;

- методика оценки характеристик опасного сечения щек КВ на основе усталостных изломов;

- результаты ускоренных стендовых испытаний на усталость изношенных и восстановленных чугунных КВ;

- результаты исследования триботехнических свойств пар трения, полученных нанесением на поверхность образцов покрытий методом ЭКПЛ;

- результаты оценки прочности сцепления покрытий, образованных ЭКПЛ;

- усовершенствованный технологический процесс восстановления чугунных КВ методом ЭКПЛ с промежуточным слоем.

Научная новизна работы:

- получена математическая модель, адекватно описывающая зависимость предела выносливости от параметров режима ЭКПЛ;

- определены структура, фазы и физико-механические свойства наносимого слоя, полученного ЭКПЛ на поверхности шеек чугунных КВ;

- определены пределы выносливости изношенных и восстановленных методом ЭКПЛ чугунных КВ на основе ускоренных стендовых испытаний на усталость;

- установлены триботехнические свойства пар трения, полученных нанесением на поверхность образцов покрытий методом ЭКПЛ.

Практическую значимость представляют:

- компьютеризированный комплекс управления ускоренными стендовыми испытаниями на усталость КВ (патенты № 101830, № 110188);

- компьютеризированная методика расчета предела выносливости КВ

(свидетельство РФ № 2012611885);

- модернизированная конструкция сварочной головки установки 011-1-02Н «Рем деталь»;

- усовершенствованный технологический процесс восстановления чугунных КВ способом ЭКПЛ через промежуточный слой.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в учебно-научно-производственном центре ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева», МИЛ ООО «Агросервис», АРП «Спецремонт» (г. Саранск).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на Огаревских чтениях МГУ им. Н. П. Огарева (г. Саранск, 2009 -2011 гг.); на научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов МГУ им. Н. П. Огарева (г. Саранск, 2009-2011 гг.); на Международной научно-технической конференции «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин» (г. Москва, ГНУ ГОСНИТИ, 2011 г.), на расширенном заседании кафедры технического сервиса машин МГУ им. Н. П. Огарева.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получены 2 патента на полезную модель: «Устройство для контроля и оценки деформации коленчатого вала», «Устройство для автоматического отключения питания резонансного стенда», а также свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Программа автоматической обработки данных ускоренных стендовых испытаний на усталость коленчатых валов «Б 8ВО»».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, включает 70 рисунков и 17 таблиц, список литературы содержит 110 наименований.

Автор выражает особую благодарность за оказанную помощь при выполнении диссертационной работы кандидату технических наук, ведущему научному сотруднику ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии Вячеславу Александровичу Денисову.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках госзадания Проект 7.5566.2011 «Исследование структуры и свойств, новых нанокомпозитных материалов, полученных с использованием источников концентрированной энергии»

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Основные дефекты чугунных коленчатых валов и способы их устранения

Коленчатый вал является одной из наиболее ответственных и сложных

"Г» V-»

деталей двигателя. В процессе эксплуатации под действием периодических нагрузок [1, 2, 3] от сил давления газов, сил инерции и их моментов, силы трения изменяются физико-механические свойства и геометрические параметры КВ, что вызывает потерю его работоспособности. Неравномерность нагрузок ведет к неравномерному износу шеек, следовательно, при восстановлении работоспособности КВ на первом этапе необходимо устранить дефекты микро- и макрогеометрии коренных и шатунных шеек. По мере увеличения срока службы КВ резко возрастает доля отказов или нарушений работоспособности, связанных с усталостными дефектами, появление которых обусловлено накоплением повреждений. Поэтому на втором этапе необходимо не только восстанавливать геометрию шеек, но и повышать предел выносливости изношенных КВ.

Основными дефектами КВ являются:

- износ шеек выше допустимого значения - 42-52 %, задиры и схватывания (аварийный износ) шеек - 9 % [4 - 7] (рис. 1.1, а);

- трещины на поверхностях шатунных и коренных шеек, галтелей, кромок масляных каналов - 3-16 % [8, 9, 10] (рис. 1.1,6);

- излом валов - 2-8 %, как правило, разрушения имеют усталостный характер [11-16] (рис. 1.1, в);

- изгиб валов выше допустимого значения - 8-35 %, проявляется в результате изменения зазоров между валом и коренными вкладышами вследствие неравномерного износа.

в

Рисунок 1.1 - Дефекты КВ:

а — естественный износ; б — трещины; в — излом

Анализ состояния капитально отремонтированных двигателей показывает [17], что они комплектуются новыми коленчатыми валами в среднем на 10 %, на 75 % - шлифованными под ремонтные размеры и на 15 % - восстановленными.

Исследованию различных способов восстановления изношенных КВ методами наращивания металлопокрытий посвящены работы В. И. Черноиванова, Ф. X. Бурумкулова, В. М. Аскинази, Д. Г. Вадивасова, Н. И. Доценко, Н. Н. Дорожкина, В. И. Казарцева, В. М. Кряжкова, И. Е. Ульмана, И. И. Фрулина и др. Современному ремонтному производству известно большое число способов восстановления чугунных КВ, но вследствие низких технико-экономических показателей или технологических особенностей многие из них не получили широкого распространения. Классификация наиболее известных способов представлена на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 - Классификация способов восстановления шеек чугунных КВ

Способ восстановления КВ перешлифовкой под ремонтный размер [18, 19] отличается простотой и низкой стоимостью. Недостатки способа: увеличение удельной нагрузки на шейки вследствие уменьшения их диаметра и соответственно увеличение интенсивности износа и разрушения КВ; выбор необходимого ремонтного размера лимитируется наличием требуемых вкладышей. При отсутствии необходимых вкладышей, что в практике встречается нередко, шейки перешлифовываются под вкладыши, диаметр которых меньше необходимого размера на два и более ремонтных интервала, вследствие чего значительно сокращается общий ресурс. В результате механической обработки существенно перераспределяются остаточные напряжения. Вместо остаточных напряжений сжатия могут образовываться напряжения растяжения, которые способствуют возникновению усталостных трещин. С галтелей сошлифовываются наиболее прочные поверхностные слои металла и снимаются специально создаваемые в них благоприятные остаточные напряжения сжатия, снижающие усталостную прочность коленчатого вала в опасных его сечениях.

Одним из известных способов восстановления КВ металлопокрытиями является гальванический (хромирование, железнение) [20, 21]. Достоинства способа хромирования: высокая твердость покрытия (50 НЫС); низкий коэффициент трения; высокая антикоррозионная стойкость и износостойкость (в 2 раза выше, чем у стали 45). Недостатки: низкая производительность (величина максимального покрытия на сторону не более 0,2-0,25 мм), так как с увеличением покрытия значительно снижается твердость и возрастает неравномерность отложения хрома; высокая стоимость процесса.

Достоинства способа железнения: простой и дешевый электролит, его высокая рассеивающая способность; низкая стоимость технологического процесса. Недостатки: в значительной степени снижается усталостная прочность металла; КПД ванны не превышает 10-12 %; низкая скорость

осаждения - 280-350 мкм/ч; небольшая прочность сцепления с основой -60-80 МПа; возникновение остаточных растягивающих напряжений -100-300 МПа; высокая стоимость процесса; необходимость использования очистных сооружений.

При высокоскоростном напылении [22] происходит нагрев порошковых частиц и их нанесение со скоростью 2 000 м/с на поверхность детали. Способ позволяет получать покрытия толщиной от 50 мкм до нескольких миллиметров и обеспечивает их плотное прилегание, небольшую пористость и высокую твердость. Недостатком является значительная стоимость оборудования, что затрудняет его применение в ремонтном производстве.

При восстановлении плазменным напылением [23] осуществляются незначительные тепловложения, что существенно не снижает предел выносливости КВ. Способ обеспечивает уровень предела выносливости относительно нового КВ, равный 0,82, а в случае применения упрочняющих технологий значительно его превышающий. Недостатком способа является снижение предела выносливости при подготовке поверхности шеек под восстановление из-за нарушения микро- и макрогеометрии галтельных переходов (уменьшение радиуса, снижение чистоты поверхности).

Газоплазменное напыление - процесс распыления нагретого до жидкотекучего или вязкотекучего состояния диспергированного материала скоростной газовой струей [24]. При соблюдении технологии твердость покрытий составляет 20-65 НЯС. Как тонкослойные покрытия (десятые доли миллиметра), так и покрытия толщиной 2-3 мм наносятся быстро и точно. Недостатки: отслоение и вздутие покрытия из-за недостаточной адгезии к основному металлу, трещины, пористость и неоднородность структуры.

Детонационно-газовый способ [25] напыления является одним из видов газотермического нанесения покрытий, использующих энергию горючих газов в смеси с кислородом и сжатым воздухом. При этом достигается высокая адгезия покрытия (80-250 МПа); низкая пористость (0,5-1 %);

отсутствие деформации детали. Недостатки: низ�