автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов локальной приваркой разрезной ремонтной втулки

На правах рукописи

Федоршцев Алексей Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ЛОКАЛЬНОЙ ПРИВАРКОЙ РАЗРЕЗНОЙ РЕМОНТНОЙ

ВТУЛКИ

Специальность 05 20 03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - Пушкин 2007

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

Картошкин Александр Петрович

кандидат технических наук Головкин Павел Георгиевич

Ведущая организация ФГНУ Северо-Западный Научно

исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (СЗНИИМЭСХ)

Защита диссертации состоится 22 мая 2007 г В 13 часов 30 мин на заседании диссертационного совета Д 220 060 06 при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу 196601, г Санкт-Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе, д2 ауд2 719

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» Автореферат разослан апреля 2007г

саат^с. зрЪ£4.Ц,£рЬ,2м

Учёный секретарь диссертационного совета

-—В Я Сковородин 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы; Подъем сельского хозяйства - одно из основных направлений экономического и социального развития Российской Федерации Рост технической вооруженности сельского хозяйства вызывает необходимость повышения эффективности использования машин и орудий, в том числе улучшения качества их ремонта.

Одним из основных путей повышения качества ремонта тракторов и автомобилей 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 эксплуатации Коленчатый вал является наиболее дорогой и ответственной деталью двигателя, поэтому его качественное восстановление имеет важное значение для снижения затрат при капитальном ремонте автотракторных двигателей и повышения их послеремонтного ресурса

Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Санкт-Петербургского государственного Аграрного университета по проблеме 9 «Создание и освоение прогрессивных технологий технического сервиса машин и оборудования»

Дель исследования: разработка технологии восстановления шеек автотракторных коленчатых валов путем локальной приварки закаленных разрезных ремонтных втулок в условиях мелкосерийного производства

Объекты исследования: коленчатые валы автомобильных и тракторных двигателей с аварийным (не подлежащим шлифованию в очередной ремонтный размер) износом отдельных шеек или выбракованные валы после эксплуатации с последним ремонтным размером шеек

Научную новизну представляет:

— расчётно-теоретический метод определения минимальной толщины ремонтной втулки, привариваемой на восстанавливаемую поверхность шейки коленчатого вала,

— методика определения натяга и технологических напряжений в приваренной ремонтной втулке,

— технологические факторы, определяющие технологические напряжения в приваренной ремонтной втулке, и условия её надежной работы

— физико-механические параметры сварных швов на ремонтной втулке, полученные ручной плазменной сваркой в среде аргона

— математическая модель зависимости технологических напряжений в приваренной ремонтной втулке от конструктивно - технологических факторов.

Практическая значимость:

— предложен технологический процесс восстановления шеек коленчатых, валов автотракторных двигателей локальной приваркой закаленной разрезной втулки для условий мелкосерийного ремонтного производства, который обеспечивает минимально необходимые припуски на обработку резанием, высокое качество восстановленной поверхности шеек (выполнение ТУ по твердости, шероховатости, отклонениям формы и размера), позволяет свести к минимуму термические напряжения, вносимые сваркой в восстанавливаемый вал

На защиту выносятся следующие основные положения и основные результаты исследования:

— технологический процесс восстановления шеек коленчатых валов локальной приваркой разрезной ремонтной втулки,

— результаты расчета минимально необходимой толщины разрезной ремонтной втулки,

— результаты определения натяга и технологических напряжений в приваренной ремонтной втулке,

— физико-механические параметры сварных швов, полученных ручной плазменной сваркой в среде аргона,

— прогрев двигателя внутреннего сгорания должен сопровождаться одинаковым нагревом приваренной ремонтной втулки и коленчатого вала;

— результаты эксплуатационных испытаний коленчатых валов автотракторных двигателей, восстановленных по предлагаемой технологии с диаметром шеек до 70 80 мм

Диссертационная работа выполнена на кафедре технологии конструкционных материалов ФГОУ ВПО «Санкт-петербургского государственного аграрного университета»

Реализация результатов работы:

— разработанный технологический процесс восстановления шеек коленчатых валов автотракторных двигателей с применением локальной приварки закаленной разрезной ремонтной втулки прошел опытную проверку и внедрен в научно-производственной лаборатории кафедры ТКМ ФГОУ ВПО СПбГАУ По этой технологии восстановлены более сотни коленчатых валов

Публикации:

— по результатам исследования опубликованы 4 статьи и получен патент на способ восстановления шеек коленчатых валов

Структура и объём работы:

— диссертация состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 61 наименования и приложений

Объём работы составляет 107 страниц машинописного текста, включая 27 рисунков и 21 таблицы

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

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» на основе материала литературных источников и производственного опыта ремонтных предприятий рассмотрены вопросы, связанные с состоянием технологии восстановления одной из самых ответственных деталей двигателя - коленчатого вала Выполнен анализ существующих методов и способов восстановления шеек коленчатых валов, маршрутов восстановления и их отдельных технологических операций, связанных с нанесением металлопокрытий различными методами на изношенную поверхность шеек Установлено, что для дальнейшего повышения качества восстановления шеек коленчатых валов необходимо конструктивно-технологическими средствами обеспечить минимально возможное тепловое воздействие на коленчатый вал при нанесении металлопокрытия, что обеспечит минимальные остаточные напряжения, вносимые в восстанавливаемый вал при использовании методов сварки

При реализации известных методов восстановления не решены вопросы обоснованного определения толщины металлических покрытий, что вызывает на восстановленной поверхности шейки переменную твердость, низкую точность формы шейки, высокое тепловое воздействие сварочной дуги на шейку вала и, как следствие, снижение износостойкости и усталостной прочности восстановленного вала

Научной основой работ по повышению качества восстановления деталей двигателей являются труды Е Я Воловика, А А Зуева, Н И Иващенко, В И Казарцева, В М Кряжкова, П М Кривенко, М А Масино, И А Мишина, С С Некрасова, АВПоляченко, В Я Сковородина, В И Черноиванова и др

Исследованию технологических процессов восстановления коленчатых валов посвящены работы М П Гранкина, В А Деева, Н.И.Доценко и др.

Однако результаты этих исследований недостаточно затрагивают вопросы, связанные с уменьшением тепловых воздействий на восстанавливаемый вал, с обоснованием толщины наносимого металлопокрытия, с повышением качества восстановленной поверхности шейки вала и соответствие его техническим требованиям по твёрдости, отклонениям формы и размеров, а также со снижением технологических напряжений, вносимых в вал сварочно-наплавочными процессами

На основании обзора литературных источников и проведенного анализа исследований по восстановлению шеек коленчатых валов

5

автотракторных двигателей были поставлены следующие основные задачи

— разработать эффективный способ восстановления шеек коленчатых валов для условий мелкосерийного производства,

— разработать расчетно-теоретический метод определения минимальной толщины стальной ленты для изготовления разрезной ремонтной втулки,

— разработать расчетно-экспериментальный метод определения натяга в сопряжении шейка — ремонтная втулка и технологических напряжений в ремонтной втулке,

— исследовать физико-механические свойства сварного шва и стенок ремонтной втулки,

— разработать технологический процесс для реализации предложенного способа восстановления шеек коленчатых валов,

— провести подконтрольную эксплуатацию восстановленных коленчатых валов,

— рассчитать технико-экономическую эффективность восстановления коленчатых валов по разработанной технологии

Во втором разделе «Теоретические предпосылки к разработке технологического процесса восстановления шеек коленчатого вала» приведены структурная схема предлагаемого технологического процесса восстановления шеек коленчатых валов

Анализ структурной схемы маршрута восстановления шеек коленчатого вала позволил установить как операционные показатели качества, так и всего восстановленного вала

Каждый операционный показатель качества восстанавливаемого коленчатого вала характеризуется определенными технологическими параметрами, которые можно представить в виде аналитической функции

ПК^ХьХг, Хт) (1)

Где ПК, - показатель качества на 1-ой операции Хь Х2, Хт — технические параметры для каждого показателя качества

ш - количество параметров, оценивающих соответствующий показатель качества

Выражение (1) следует рассматривать как систему уравнений относительно параметров при известных значениях показателей качества ПК, установленных техническими требованиями завода-изготовителя

При разработке технологического процесса восстановления шеек коленчатого вала важное значение имеет определение минимально необходимых как межоперационных припусков и допусков на всех стадиях технологического маршрута, так и общий припуск и допуск на размер наносимого металлопокрытия Установленная величина общего припуска обосновывает минимально необходимую толщину стальной ленты, используемую для изготовления разрезной ремонтной втулки

6

На рисунке 1 приведена схема расположения полей припусков и допусков на обработку резанием восстанавливаемых шеек коленчатого вала в номинальный диаметр (11 В схеме принята система отсчета припусков и допусков от номинального значения диаметра с^ —* 0 - О Для восстановления шейки ее шлифовали в расчетный диаметр й2, снимая ремонтный припуск Ремонтный припуск содержит суммарный слой металла шейки, предназначенный конструктором на ремонтные размеры

гр=гЪрр+А (2)

где Zг - суммарный припуск на ремонтные размеры шейки

^р р

Их количество может доходить до 4 или 5 ремонтных размеров, и располагаться они могут одно от другого через 0,25 мм или 0,5 мм Кроме того, ремонтный припуск должен учитывать эксплуатационный износ Дизн, припуск на предварительное шлифование шейки вала в

расчетный диаметр с12, а также остаточную толщину ремонтной втулки 7

^ост

После сварочной операции, на которой к предварительно обработанным в расчетный диаметр шейкам были приварены разрезные ремонтные втулки, выполняли шлифовальную и полировальную технологические операции, обеспечивая номинальный (ремонтный) размер шейки с установленным допуском Тс^ = Тё5 В этом случае технологический припуск равен

¿г = тйъ+г2тт + таА + 2ЪгШ1 + тй5 О)

где Тс1з - допуск на диаметр шейки, образованной приваренной ремонтной втулкой, Х2та, Zзmm - минимальные припуски на шлифование и полирование приваренной ремонтной втулки, ТсЦ - допуск на размер восстанавливаемой шейки после шлифования, Тс13 - допуск на размер восстанавливаемой шейки после полирования

При восстановлении шейки в номинальный размер

Т(15 = (4)

Из схемы на рисунке 1 видно, что ремонтно-технологический припуск Ъ?т равен

— Ч" Хул - Тй^

Предложенная схема полей припусков и допусков на обработку резанием позволяет вывести расчетную формулу определения минимальной толщины стальной ленты, используемой для изготовления разрезных ремонтных втулок, привариваемых к восстанавливаемым шейкам в номинальный размер Она будет равна

деЩш = 0,5(2, +гт -7Ц)= 0,5грт (6)

ж

о

га,

Ж.

Рисунок 1 - Схема шлей припусков и допусков на обработку резанием восстанавливаемых шеек коленчатого вала

с1ь ¿2, с13 - соответственно номинальный, расчетный и нарощенный диаметры шейки, Т(1Ь Тс1г, Тё3, ТсЦ, Тс15 - соответственно допуски на номинальный, расчётный, нарощенный диаметры и на диаметры шеек после шлифовальной и полировальной операций, Zlmm, Т^сш, Z3mш -соответственно минимальные припуски на шлифование в ремонтный размер шейки и на шлифование, полирование приваренной ремонтной втулки, Аюи- износ шейки, суммарный припуск на ремонтные

размеры, Ъжг - припуск на остаточную толщину ремонтной втулки, 8ВТ шш - толщина ремонтной втулки, Тл - допуск на толщину ремонтной втулки

В процессе сварки стыкового шва на разрезной ремонтной втулке металлы шейки вала, кромок втулки и присадочный материал расплавляются и застывают При остывании сварного стыкового шва объем металла уменьшается, создавая усилия растяжения в стенках втулки, под действием которых стенки сокращаются по длине окружности, одновременно создавая в сопряжении натяг В результате остывания сварного шва длина внутренней окружности втулки сократится до V^ , а ее диаметр уменьшится до Тогда натяг в сопряжении будет равен

N = ^-1^, (7)

где <1в - расчетный диаметр шейки вала

Если учесть, что до приварки разрезной ремонтной втулки натяг в сопряжении был равен нулю, то можно утверждать, что натяг в

сопряжении численно равен уменьшению внутреннего диаметра втулки £>,„,

1* = ВШ-1УШ (8)

и соответственно

А _ (4м _ ^ ^

7Г К

где АI - величина сокращения длинны окружности ремонтной втулки после остывания сварного стыкового шва

Ремонтную втулку, изготовленную из тонкой стальной ленты можно принять за симметричную оболочку и применить теорию расчёта тонкостенных оболочек

Для оболочки, имеющей форму тела вращения, осевое напряжение может быть найдено из условий равновесия части оболочки, отсеченной нормальным круговым сечением, а окружное напряжение - из уравнения Лапласа

+ = (Ю)

Д К2 8Л

где - давление на внутреннюю поверхность ремонтной втулки, д , - толщина стенки ремонтной втулки, Я; и Я2- радиусы кривизны,

ох и Оу - нормальные растягивающие напряжения соответственно в круговом и в осевом сечениях

Для рассматриваемого случая

<7Х = —^— , - ' (П>

где Л

£>1

25л 5Л

2

Анализ формул 11 показывает, что нормальные растягивающие напряжения в осевом сечении в два раза превосходят растягивающие напряжения в круговом сечении

На внутреннюю поверхность приваренной ремонтной втулки в результате созданного натяга N будет действовать давление Рвт

= N 1(Г3

етУЕх Ег} где С/ и С2 — коэффициенты, равные

где Е! и Е2, ¡Д[ и |12- соответственно модули упругости и коэффициенты Пуассона материалов вала и втулки

Одним из факторов, обеспечивающих надежную работу сопряжения шейка - ремонтная втулка является сохранение в нем постоянного натяга Однако при запуске холодного двигателя и в период его прогрева коленчатый вал, обладая большой массой, нагревается значительно медленнее, чем ремонтная втулка Ее ускоренный нагрев приведет к нарушению посадки в сопряжении, которая из натяга перейдёт в посадку с зазором

Для расчета допустимой разности температур ремонтной втулки и шейки вала, при которой сохранится заданный натяг в сопряжении предложена следующая формула

где N - натяг в сопряжении ёр - расчетный диаметр шейки вала а - коэффициент линейного расширения При этом

где (:вт - текущая температура ремонтной втулки, ^ - текущая температура шейки вала

Третий раздел посвящен описанию методики исследований, применяемых оборудования, приборов и специальной оснастки. Методикой предусматривалось проведение экспериментальных исследований на образцах, имитирующих шейки коленчатых валов и на натурных валах с учетом всех технологических операций, связанных с восстановлением шеек

Оценке технического состояния подвергались коленчатые валы с аварийным износом отдельных шеек, либо валы с предельным износом шеек Геометрические параметры шеек валов (размер, овальность, конусообразность, биение коренных шеек) измеряли универсальными измерительными средствами

Допустимая погрешность измерительного средства согласно ГОСТ 8 051-81 принимали равной ДИЗмдоп < 0,35 Тй, а выбор измерительных средств производился по методике, изложенной в стандарте СЭВ 303-86.

Для выполнения термической обработки коленчатых валов использовалась печь, выложенная из огнеупорного кирпича По внутренним стенкам печи в нишах были установлены спирали из нихрома Для измерения температуры в печи были использованы термоэлектрические пирометры В качестве гальванометра был

(15)

использован милливольтметр МНБ-48, класс точности 2,5 Температура в печи доводилась до 600°С

Методика экспериментальных исследований по приварке разрезной ремонтной втулки содержала два этапа На первом этапе использовались образцы круглого проката из стали 45 диаметром 80 мм Разрезные ремонтные втулки изготавливали из стальных лент 65Г толщиной 1,5, 1,8 и 2,0 мм Заготовки лент вырезали из листов нормализованных и горячекатаных (ГОСТ1577-81) На гибочном приспособлении ленту сгибали в разрезную втулку, а затем на ней сверлили отверстия под масляный канал и под электрозаклёпки Термическую обработку разрезных ремонтных втулок выполняли в муфельных печах Перед установкой на восстанавливаемую шейку разрезные ремонтные втулки тщательно очищали от нагара

Для приварки разрезной ремонтной втулки использовалась плазменная установка УПС-301 Для шлифования образцов и шеек у восстанавливаемых коленчатых валов применяли станок модели 3A423

Для металлографических исследований использовался микроскоп МИМ-8, а анализ микроструктур выполняли согласно ГОСТ8233-85 Измерение твердости производили на твердомере ТК-2 в соответствии с требованиями ГОСТ 9013-59 по методу Рокйелла

Микротвердость отдельных фаз структурных составляющих сварного шва определяли на приборе . ПМТ-3 в соответствии с требованием ГОСТ 9450-76

Температуру шеек валов и ремонтных втулок измеряем при помощи прибора Raytek ST60 Pro Plus

Для измерения технологических напряжений в ремонтной втулке использовался прибор ТРИМ (тензометр рентгеновский с малогабаритным излучателем)

В экспериментальных исследованиях применяли многофакторное математическое планирование Результаты экспериментов обрабатывались с использованием методов математической статистики Повторность измерений определялась по ГОСТ 17510-82

Производственная проверка восстановленных коленчатых валов автотракторных двигателей выполнялась в соответствии с принятой программой исследований. Оценка результатов производственной проверки проводилась путем анализа микрометража шеек восстановленных коленчатых валов при поступлении двигателей на повторный ремонт

В четвёртом разделе приведены результаты экспериментальных исследований операционной технологии восстановления шеек коленчатых валов

Для оценки технического состояния заготовок коленчатых валов они были подвергнуты микрометражу и статистическому анализу При этом большая их часть по техническим условиям должна быть

выбракована Объём выборки составил 52 коленчатых вала автотракторных дизельных двигателей Результаты анализа показали, что только 4% валов с усталостными трещинами не могут быть восстановлены без риска их поломки в процессе дальнейшей эксплуатации после восстановления Все остальные валы были восстановлены по разработанной технологии

Представляет большой интерес оценка остаточных напряжений, накопленных в коленчатом вале за время эксплуатации В настоящей работе они оценивались косвенным методом, при этом было принято допущение, что снижение накопленных остаточных напряжений вызовет пластическую деформацию вала в форме изгиба

Испытуемые валы после правки (биение не более 0 03мм) устанавливали на призмы в печь, нагревали до температуры 350°С, а затем до 550°С, охлаждали вместе с печью, а затем замеряли их прогиб На рисунке 3 представлены результаты испытаний

12 3 4

Рисунок 3 - Диаграмма пластической деформации коленчатых валов после термической обработки

1 - нагрев до 550°С валов последнего ремонтного размера и с аварийными шейками,

2 - то же, но нагрев до 350°С,

3 - нагрев до 350°С валов после 1 и 2го ремонтных размеров,

4 — нагрев до 350°С валов, восстановленных по разработанной технологии

Можно предположить, что нагрев восстанавливаемого вала до 350° С позволит на 30 40% снизить остаточные напряжения, а значит и повысить его усталостную прочность. Восстановление коленчатых валов по предлагаемой технологии практически не вносит в него остаточных напряжений

Приведённые результаты свидетельствуют о том, что предлагаемый способ восстановления шеек коленчатых валов за счёт быстрого локального нагрева плазменной дугой зоны стыкового шва разрезной ремонтной втулки практически не вносит в восстанавливаемый вал термических напряжений Максимальный прогиб коленчатого вала не превышал после сварочной операции 0,05 мм

Напряжения в стенках втулки определяются натягом в сопряжении шейка - ремонтная втулка А натяг формируется в результате усадки сварного стыкового шва в разрезе ремонтной втулки при ее фиксации на шейке вала Были рассмотрены пять вариантов фиксации ремонтной втулки (рисунок 4)

технологических напряжений в ремонтной втулке А - А - сечение для определения технологических напряжений

Пластическая деформация стенок ремонтной втулки после её разреза позволила определить натяг в сопряжении шейка - ремонтная втулка и напряжение растяжения в стенках втулки Результаты расчетов сведены в таблице 1

Таблица 1 - Результаты экспериментальных исследований по определению упругой деформации стенок ремонтной втулки при __различных схемах фиксации__

схема фиксации ремонтной втулки а, мм в, мм Л1, мм N. мкм

1 1,7 0,02 1,82.0,02 0,12 38,2

2 1,7-0,02 1,84.0,02 0,14 44,5

3 1,7 0,02 1,83.о,оз 0,13 82,8

4 1,7 0,02 1,80.о,оз 0,10 121,3

5 1,7 0.02 1,81-0.04 0,11 280

В таблице 2 приведены расчетные значения растягивающих напряжений ох, ау

Таблица 2 - Напряжения растяжения в приваренной ремонтной втулке при различных способах фиксации на шейке вала

Способ фиксации ремонтной втулки р 1 вт, МПа МПа МПа Коэффициент запаса прочности, п

1 35 93 3 46.7 15 5

2 4 15 1107 55 8 13 1

3 7 74 206 103 70

4 И 3 302 151 4.8

5 26 2 720 360 20

Величина коэффициента запаса п, обеспечивающая надежность работы конструкции, должна отражать факторы, связанные с особенностями конструкции и технологии её изготовления, условиями ее эксплуатации, а также учитывать достоверность определения нагрузки и напряжений, однородность материала, наличие сварочных напряжений и зон термического влияния сварочных швов и т д Величина п не должна быть меньше 3,0 6,0

В таблице 2 приведены значения п, которые свидетельствуют о том, что пятый способ фиксации втулки имеет малый коэффициент запаса прочности и не может быть рекомендовано к практическому использованию

На надежность работы восстановленного коленчатого вала будет оказывать существенное влияние состояние посадки ремонтной втулки на шейке вала

После запуска двигателя и его прогрева температура масла и коленчатого вала стабилизируются Однако массы вала и тонкостенной втулки несоизмеримы, поэтому вал нагревается медленно, а зафиксированная на шейке вала тонкостенная втулка - быстро, поскольку теплопередача от стенок втулки в тело вала затруднена и происходит в основном через стыковой шов. Перепад температур достигает 60 80°С. При быстром нагревании ремонтной втулки её стенки расширяются, изменяя характер сопряжения вал - ремонтная втулка В табл 3 приведены предельные значения разности температур ДЦ шейки и ремонтной втулки, при которых будет сохранен натяг в сопряжении, полученный при фиксации ремонтной втулки

При превышении значения ДЦ посадка с натягом трансформируется в посадку с зазором

Таблица 3 - Условия сохранения заданного натяга в сопряжении шейка - ремонтная втулка при различных способах фиксации_

Способ фиксации ремонтной втулки Натяг в сопряжении N, мкм Предельная разность температур Ли°с

1 38,2 40,5

2 44,5 47

3 82,8 88

4 121,3 100

5 280 100

Для подтверждения этого вывода были выполнены исследования изменения размеров шейки вала и приваренной втулки в зависимости от времени нахождения в среде, нагретой до 100°С В качестве примера приведено изменение диаметров шейки вала (1) и диаметра приваренной втулки (2) в зависимости от времени нахождения в среде, нагретой до 100°С (способ фиксации №1) Уже через 5-20 минут увеличение диаметра втулки по отношению к увеличению диаметра шейки вала составило 0,02 0,035 мм, а разность температур достигала 50 65°С и только через 100 мин. температура ремонтной втулки и вала практически сравнялись Эти факты свидетельствуют о том, что в начальный период работы двигателя после запуска в сопряжении шейка - ремонтная втулка возникает зазор в результате удлинения стенок втулки

В пятом разделе приведены результаты экспериментальных исследований качества восстановленной поверхности шеек коленчатых валов, которое оценивалось технологическими напряжениями и натягом ремонтной втулки, физико-механическими свойствами сварного шва и металлографическими исследованиями

При приварке ремонтной втулки стыковым швом плазменной сваркой в среде аргона необходимо обеспечить натяг в сопряжении шейка вала - ремонтная втулка Предварительные исследования показали, что на натяг в сопряжении, который может быть оценен через замеры технологических напряжений растяжений ор, наибольшее влияние оказывает ширина стыка в разрезной ремонтной втулке и величина сварочного тока

Построение математической модели зависимости технологических напряжений от ширины стыка и величины тока решалось с помощью планирования многофакторного эксперимента Получено уравнение регрессии

у=13 25+8 75x1+5 5х2+6 875х! х2 (16)

Тогда математическая модель в натуральных значениях факторов будет иметь вид

ор=143,5-24,2В-5,75 I В, [МПа] (17)

где ор - технологические напряжения растяжения,

В — ширина стыка в разрезной ремонтной втулке, I - величина тока

Металлографические исследования шлифов содержали изучение микроструктуры сварного шва и зоны термического влияния в ремонтной втулке Микроструктура зоны сварного шва состоит из мартенсита В микроструктуре не обнаружены трещины и другие дефекты сварного шва Отмечается хорошее сцепление приваренного металла с основным металлом вала В зоне термического влияния наблюдается как тростит, так и сорбит

Качество восстановленной поверхности шейки вала в значительной степени можно оценить по твёрдости приваренной втулки в опасных участках по сварному шву и в зоне термического влияния Исследование выявило на границах сварного шва всплеск твердости металла, которая доходила до НЯС 62...58 в небольшой по ширине зоне (0,5 1,0мм) В этой зоне следует ожидать и самые высокие сварочные напряжения, которые формируют опасную зону, подверженную образованию трещин На рисунке 6 приведены эпюры распределения твердости в сечении сварного стыкового шва до и после отпуска при температуре 250°С

Отпуск позволил снизить пиковые значения твёрдости в опасных сечениях на НЯС 10 12, что безусловно благоприятно должно сказаться на надёжной работе сварного соединения ремонтной втулки с шейкой вала Высокая пластичность и низкая твёрдость сварного стыкового шва при ширине 4 - 5 мм не должна сказаться на износостойкости восстановленного коленчатого вала

Рисунок 6 - Эпюры распределения твердости в сечении сварного стыкового шва до отпуска (а) и после отпуска (б) при температуре 250°С (материал ремонтной втулки сталь 65Г) 1 - шейка вала, 2 - стыковой шов, 3 - ремонтная втулка, 4 - зона термического влияния

Разработанная технология широко используется в НИЛ кафедра ТКМ СПГАУ при восстановлении коленчатых валов автотракторных двигателей По этой технологии восстановлены более сотни коленчатых

б)

валов За последние 5 лет не было ни одного отказа двигателя из-за

восстановленного коленчатого вала

Годовой экономический эффект при восстановлении 150

коленчатых валов составит 178500 руб

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Анализ существующих технологий восстановления шеек коленчатых валов автотракторных двигателей показал, что эти технологии имеют ряд существенных недостатков нестабильная твёрдость восстановленной поверхности шейки, значительные деформации восстанавливаемого вала, высокие остаточные напряжения в валу, значительное снижение усталостной прочности вала и др Эти недостатки можно в значительной степени устранить, используя на восстанавливаемой шейке локальную приварку разрезной ремонтной втулки из термически обработанной стальной ленты

2 Разработан расчётно-теоретический метод определения минимально необходимой толщины ремонтной втулки, для изготовления которой следует использовать стальную ленту толщиной 1,5 1,8мм

3 Разработан расчетно-экспериментальный метод определения натяга в сопряжении шейка - ремонтная втулка Установлено, что для различных схем приварки разрезной ремонтной втулки натяг составляет от 0,038мм до 0,12мм

4 Разработан расчетно-экспериментальный метод определения технологических напряжений в приваренной ремонтной втулке Напряжения растяжения в зависимости от схем приварки ремонтной втулки находятся в пределах 93,3 720 МПа при запасе прочности соответственно в пределах 15,5 2,0

5 Для обеспечения постоянного натяга в сопряжении шейка вала -ремонтная втулка и необходимого запаса прочности стенок ремонтной втулки следует разрезную ремонтную втулку приваривать продольным стыковым швом и окончательно фиксировать электрозаклепками через 45° поворота шейки вала в средней части

6 При приварке ремонтных втулок в коленчатый вал вносится минимальное количество теплоты О термическом влиянии на коленчатый вал сварочной операции свидетельствует тот факт, что даже при восстановлении всех шеек его деформация не превышает 0,05мм, а при восстановлении отдельных шеек - находится в допустимых значениях 0,01 0,03мм

7 Получена математическая модель зависимости технологических

напряжений в ремонтной втулке от основных технологических факторов при ее приварке к шейке вала

8 Применение стальной ленты для изготовления разрезной ремонтной втулки позволяет точно выполнять технические требования по твёрдости восстанавливаемой шейки вала путём ее соответствующей термообработки На границе стыкового сварного шва и зоны термического влияния наблюдается в узких пределах зона

17

повышенной твёрдости (НЯС до 58 ..62) Применение отпуска при 250°С снижает твердость в этой зоне на 10.. 12 единиц

9 Для надежной работы восстановленной шейки необходимо обеспечить постоянство натяга в сопряжении шейка вала -ремонтная втулка, для чего необходимо не превышать установленный перепад температур шейки и ремонтной втулки в период прогрева двигателя

10 Металлографические исследования показали, что в микроструктуре сварного шва нет микротрещин и других дефектов, наблюдается хорошее оплавление ремонтной втулки с основным металлом шейки вала и между её кромками в зоне стыка. Твердость приваренной ремонтной втулки находилась в пределах НЯС 54 .56, в зоне стыкового сварного шва в пределах НЫС 20 30, а в зоне термического влияния в пределах НИС 30 50

11 Эксплуатация двигателей автомобилей и тракторов с восстановленными шейками коленчатых валов по разработанной технологии показала, что ресурс этих коленчатых валов не отличается от новых, а при ремонте они подвергаются шлифованию и полированию в последующие ремонтные размеры

Технологический процесс внедрен в научно-исследовательской лаборатории при кафедре ТКМ ФГОУ ВПО СПГАУ, по которому восстановлено более сотни коленчатых валов

Основные результаты и положения диссертации опубликованы в следующих работах.

Статьи в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ

1 Зуев А А., Арсентьев А В, Федорищев А А Технология восстановления шеек коленчатых валов // Двигателестроение. -СПб - 2006. - № 3 -С 40-42

Статьи.

2 Федоршцев А А Методика определения основных параметров стальной свёртной ленты Сб науч тр СПГАУ 2002 Вып 3, стр 59

3 Зуев А А., Федорищев А А Совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов автотракторных двигателей сб науч тр. СПГАУ 2004,стр 160

4 А Арсентьев, А Федорищев Методика определения напряжений в сопряжении «Разрезная втулка - шейка вала» сб науч тр СПГАУ 2005,стр 8 10

5 Патент РФ №2235009 Способ восстановления коленчатого вала и коленчатый вал /Зуев А А, Цыплаков В Г, Федорищев А А// Опубликовано 27 08 2004 Б И №24

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Технические требования к коленчатым валам.

1.2 Технологические методы восстановления шеек коленчатых валов.

1.3 Механические свойства сварного соединения.

1.4 Типичные дефекты сварных швов.

1.5 Особенности аргонно-дуговой сварки.

Одной из главных задач экономического и 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 дальнейшего подъёма жизненного уровня народа.

Дальнейший подъём сельского хозяйства - одно из основных направлений экономического и социального развития страны.

Рост технической вооружённости сельского хозяйства вызывает необходимость повышения эффективности использования машин и орудий и в том числе улучшения качества их ремонта и восстановления изношенных деталей.

Повышение качества ремонта автомобилей, тракторов и их агрегатов позволяет сократить расход запасных частей при их эксплуатации. Одним из основных путей повышения качества ремонта тракторов и автомобилей является совершенствование технологий восстановления их базовых деталей.

В развивающейся науке о ремонте машин всё большее значение приобретают задачи повышения их надёжности и долговечности, решение которых позволит повысить качество отремонтированной техники, увеличить производительность труда и более полно и эффективно использовать её ресурс, что обеспечит значительную экономию материальных и трудовых ресурсов в народном хозяйстве.

Известно, что ресурс двигателя в значительной мере определяется состоянием шеек коленчатого вала, износ которых приводит к потере давления масла и выходу двигателя из эксплуатации. Коленчатый вал является наиболее дорогой и ответственной деталью двигателя, поэтому его качественное восстановление имеет огромное значение для снижения затрат при капитальном ремонте автотранспортных и тракторных двигателей.

Наиболее известными способами восстановления изношенных поверхностей валов являются напыление, наплавка и наварка различных металлов. Эти способы имеют ряд существенных недостатков, основные из которых следующие: сложность и дороговизна специального технологического оборудования; низкая износостойкость восстановленной шейки или сопрягаемого с ней вкладыша; высокие технологические напряжения, вносимые в коленчатый вал; сильный нагрев вала и его деформация. Совершенствование технологий восстановления шеек коленчатых валов и поиск новых способов нанесения металлопокрытий на их изношенные поверхности является актуальной задачей ремонтного производства.

Целью работы:

Является разработка технологии восстановления шеек автотракторных коленчатых валов путём локальной приварки закалённых разрезных ремонтных втулок в условиях мелкосерийного производства.

Объектом исследования:

Являлись коленчатые валы, которые невозможно восстановить шлифованием в очередной ремонтный размер.

Предмет исследования:

Технологические операции, связанные с приваркой закаленной ремонтной разрезной втулки к восстанавливаемой шейке вала.

Научная новизна работы.

1. Расчётно-теоретический метод определения минимальной толщины ремонтной втулки, привариваемой на восстанавливаемую поверхность шейки коленчатого вала;

2. Методика определения натяга и напряжений в приваренной ремонтной втулке;

3. Технологические факторы, определяющие технологические напряжения в приваренной ремонтной втулке и условия ее надёжной работы при знакопеременной нагрузке. Практическая значимость:

Предложен технологический процесс восстановления шеек коленчатых валов локальной приваркой закалённой ремонтной разрезной втулки для условий мелкосерийного ремонтного производства.

Этот процесс позволяет обеспечить применение минимально необходимой толщины стальной ленты, минимально необходимые припуски на обработку шеек вала шлифованием, высокое качество восстановленной поверхности шеек (выполнение требований чертежа по твёрдости, шероховатости, отклонениям формы и размерам), восстановить не только аварийные шейки в необходимый размер, но и восстановить шатунные и коренные шейки коленчатого вала в номинальный размер при их предельном износе, сохранить усталостную прочность восстановленного вала на прежнем уровне.

Разработана специальная технологическая оснастка, позволяющая реализовать разработанный технологический процесс.

Реализация результатов работы:

Разработанный технологический процесс восстановления шеек коленчатых валов автотракторных двигателей с применением локальной приварки закалённой разрезной ремонтной втулки прошёл опытную проверку и внедрён в научно-производственной лаборатории кафедры ТКМ СПГАУ. По этой технологии восстановлены более сотни коленчатых валов.

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПГАУ в 2000- 2005 годах.

Публикации:

По результатам исследования опубликованы 4 статьи и получен патент на способ восстановления шеек коленчатых валов.

Структура и объём работы:

Диссертация состоит из введения, 5 основных разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 65 наименований и приложений. Объём работы составляет 107 страниц машинописного текста, включая 27 рисунков и 21 таблицы.

Основные результаты и положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Зуев А.А., Арсентьев А.В., Федорищев А.А. Технология восстановления шеек коленчатых валов // Двигателестроение. - СПб. - 2006. - № 3. - С. 40-42.

Статьи:

2. Федорищев А.А. Методика определения основных параметров стальной свёртной ленты: Сб. науч. тр. СПГАУ 2002. Вып.З, стр. 59.

3. Зуев А.А., Федорищев А.А. Совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов автотракторных двигателей: сб. науч. тр. СПГАУ 2004,стр.160.

4. А. Арсентьев, А. Федорищев. Методика определения напряжений в сопряжении «Разрезная втулка - шейка вала» сб. науч. тр. СПГАУ 2005,стр.8. .10.

5. Патент РФ №2235009. Способ восстановления коленчатого вала и коленчатый вал. /Зуев А.А., Цыплаков В.Г., Федорищев А.А.// Опубликовано 27.08.2004. Б.И. №24.

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. Изд. 2. перераб. и доп. М: Наука, 1976.-280с.

2. Артамонов М.Д., Морин М.М., Скворцов Г.А. Основы теории и конструирования автотракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1978. -133с.

3. Артемьев Д.Н. Качество ремонта и надёжность машин в сельском хозяйстве. М.: Колос, 1981. - 239с.

4. А. Арсентьев, А. Федорищев. Методика определения напряжений в сопряжении «Разрезная втулка шейка вала» сб. науч. тр. СПГАУ 2005,стр.8. 10.

5. Балакшин B.C. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1969. - 559с.

6. Белов А.Д., Зуев А.А., Вальдман Т.Ю. Микротвёрдость гнёзд коренных опор блоков цилиндров, восстановленных контактной приваркой стальной ленты / Совершенствование ремонта с.-х. техники: сб. научных трудов JL: 1983. - С. 34 - 38.

7. Большое J1.H.,Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. -М.: Наука,1965.-474с.

8. Бородский В.З. Введение в факторное планирование эксперимента. -М.: Наука, 1976.-220с.

9. Быховский Р.Г. Плазменная обработка металлов на Ленинградских предприятиях // Сварочное производство. 1983. - №10. - С. 36.

10. Ю.Волков. П.В. Наплавка порошковой проволокой деталей автомобиля // Автоматическая сварка, 1971.- №8.

11. П.Горохов В.А.,Руденко П.А. Ремонт и восстановление коленчатых валов// М.: Колос 1978. 160с.

12. Воловик E.JI. Справочник по восстановлению деталей. М.: Колос, 1981.-351с.13: Диденко A.M., Строков А.П., Водолажский В.И. Дизели СМД: Справочник. Агропромиздат, 1990. - 272с.

13. Доманьков В.М. Пути повышения качества ремонта и долговечности автотракторных двигателей. Минск: Изд. Академия с.-х. наук БССР, 1960.-43с.

14. Егоров М.Е., Дементьев В.И., Дмитриев B.JI. Технология машиностроения: Учебник для вузов. Изд.2-е, доп. М.: Высшая школа, 1976. -534с.

15. Елизаветин М.А. Повышение надёжности машин. Изд.2-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1973. - 430с.

16. Ермолов JI.C., Кряжков В.М., Черкун В.Е. Основы надёжности сельскохозяйственной техники. М.: Колос, 1974. - 223с.18.3уев А.А., Гуревич Д.Ф. Технология сельскохозяйственного машиностроения. М.: Колос, 1980. 256с.

17. Казаков Ю.В. «Сварка и резка металлов» Учебное пособие: М. Издательский центр «Академия», 2000 400с.20.3уев А.А., Арсентьев А.В., Федорищев А.А. Технология восстановления шеек коленчатых валов // Двигателестроение. СПб. - 2006. - № 3. - С. 40-42.

18. Зуев А.А., Федорищев А.А. Совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов автотракторных двигателей / Проблемы аграрной науки на современном этапе: Сб. науч. трудов СПбГАУ. -СПб., 2004. 240 с.

19. Зуев А.А. Технология машиностроения. 2-е изд., испр. и доп. СПб.: Лань, 2003.-496с.

20. Казарцев В.И. Ремонт машин (тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин), М. -Д.: Гос. изд-во с.-х. литературы, 1961 - 583с.

21. Карелин П.А. Допускаемые износы деталей и их размерная связь // Техника в сельском хозяйстве. 1983. - №7. - С.52 - 53.

22. Зуев А.А., Федорищев А.А. Совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов автотракторных двигателей: сб. науч. тр. СПГАУ 2004,стр.160.

23. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: Учебное пособие. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1980.-400с.

24. Кривенко П. М., Федосов И. М., Аверьянов В.Н. Ремонт дизелей сельскохозяйственного назначения. М. : Агропромиздат, 1990.-271 с.

25. Крагельский И.В., Алисин В.В. Трение, изнашивание и смазка: Справочник в 2-х кн. -М: Машиностроение, 1978, кн.1, С.84 97.

26. Кряжков В.М. Научные основы восстановления работоспособности сопряжений деталей сельскохозяйственных тракторов применением металлопокрытий и упрочняющей технологии: Автореф. дис. докт. техн. наук. JL, 1973. 50с.

27. Кряжков В.М. Надёжность и качество сельскохозяйственной техники. -М.: Агропромиздат, 1989. 335с.

28. Лахтин Ю.М. Исследование и техническая обработка металлов. 3-е изд. М.: Металлургия, 1984. - 360с.

29. Левитский Г.С. Износоустойчивые гальванические покрытия / Повышение износостойкости и срока службы машин. М.: АН СССР, 1953.

30. Лившиц Л.Г., Поляченко А.В. Восстановление автотракторных двигателей. М.: Колос, 1966. - 479с.

31. Федорищев А.А. Методика определения основных параметров стальной свёртной ленты: Сб. науч. тр. СПГАУ 2002. Вып.З, стр. 59.

32. Матанин А.А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. Киев: Техника, 1971. - 144с.

33. Металлография железа. М.: Металлургия, 1972. - т.1. Основы металлографии. 1972. - 246с.

34. Методика расчётной оценки износостойкости поверхностей трения деталей машин. ВНИИНМАШ. М., 1979.

35. Мишин И.А. Износостойкость деталей автотракторных двигателей. -JL: Машгиз., 1960.-139с.

36. Мишин И.А. Долговечность двигателя. JL: Машиностроение, 1976. -288с.

37. Патент РФ №2235009. Способ восстановления коленчатого вала и коленчатый вал. /Зуев А.А., Цыплаков В.Г., Федорищев АЛЛ Опубликовано 27.08.2004. Б.И. №24.

38. Проников А.С. Надёжность машин. М.: Машиностроение, 1978. 591с.

39. Ремонт автомобилей / Под ред. JI.B. Дехтеринского. М.: Транспорт, 1992.-295с.

40. Ремонт машин / Под ред. Тельнова Н.Ф. М.: Агропромиздат, 1992. -560с.

41. Селиванов А.И., Артемьев Ю.Н. Теоретические основы ремонта и надёжности сельскохозяйственной техники. М.: Колос, 1978. - 248с.

42. Сковородин В.Я. Долговечность сопряжений деталей отремонтированной сельскохозяйственной техники. Дис. докт. техн. наук. JI., 1985, - 567с.

43. Сковородин В.Я., Кавин В.П. Исследование соосности гнёзд коренных подшипников блоков двигателей СМД-14 при капитальном ремонте: -Записки ЛСХИ, Л.: ЛСХИ, т.316,1976. С.15 19.

44. Соколовский А.П. Научные основы технологии машиностроения. М. - Л.: Машгиз, 1955. - 575с.

45. Солонин И.С. Математическая статистика в технологии машиностроения. -М.: Машиностроение, 1972. 197с.

46. Справочная книга по технологии ремонта машин в сельском хозяйстве / Под ред. А.И.Селиванова. М.: Колос, 1975. 600с.

47. Справочник по триботехнике. / Под общей ред. М.Хебды, А.В. Чики-надзе. В 3 т. Теоретические основы. М.: Машиностроение, 1989. - Т 1.-С. 268-282.

48. Справочник технолога-машиностроителя в 2 т. / Под ред. канд. техн. наук А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1972. -Т 1. 694с.

49. Сулима A.M., Шилов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. -231с.

50. Табор Д. Вопросы трения металлов // ПММ. 1953, №3.

51. Теоретические основы сварки / Под ред. В.В.Фролова, М.: Высшая школа, 1970. - 592с.

52. Тихонов Б., Тихонов Е. Восстановление напылением. А.Т.К. 1982, №2. С.20-21.

53. Ульман И.Е., Тонн Г.А. и др. Ремонт машин. М.: Колос, 1976. - 448с.

54. Хасуй А., Моричаки О. Наплавка и напыление (пер. с яп.) Машиностроение, 1985.-238с.

55. Чепа П.А., Андрияшин В.А. Эксплуатационные свойства упрочнённых деталей / Под ред. О.В. Берестнева. М.: Наука и техника, 1988. - 192с.

56. Черновол М.И., Поединок С.Е., Степанов Н.Е. Повышение качества восстановления деталей машин. К.: Техника, 1983. - 168с.

57. Черноиванов В.И. Совершенствование технологии и повышение качества восстановления деталей сельскохозяйственной техники: Дис. докт. техн. наук. -М., 1983. -461с.

58. Шадричев В.А. Основы технологии автостроения и ремонт автомобилей. JI.: Машиностроение, 1976. - 560с.

59. Шкалис В.В. Моделирование технологических процессов. М.: Машиностроение, 1973. - 136с.

60. Шехтер С.Я., Резницкий A.M. Наплавка металлов. М.: Машиностроение, 1982. С.34.

61. Якушев А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения: Учебник. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1979.-343с.

62. Ящерицын П.И., Рыжов З.В., Аверченко В.И. Технологическая наследственность в машиностроении. Минск: Наука и техника, 1977. -258с.