автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов путем использования полуавтоматической дуговой приварки ремонтной разрезной втулки

На правах рукописи

АРСЕНТЬЕВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОЙ ДУГОВОЙ ПРИВАРКИ РЕМОНТНОЙ РАЗРЕЗНОЙ 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 2006

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор

Зуев Анатолий Алексеевич

доктор технических наук профессор

Тишкин Леонид Владимирович

кандидат технических наук доцент

Ермаков Сергей Александрович

Ведущая организация:

ФГНУ Северо-Западный Научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (СЗ НИИМЭСХ)

Защита состоится « 01 » декабря 2006 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, г. С-Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе, д.2, СПбГАУ, ауд.2.719.

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

Автореферат разослан « » Р/с/п*?^9 2006 г.

Ученый секретарь дйагертационного совета (

Сковородин В.Я.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы; Проблема снижения затрат в ремонтном производстве сводится главным образом к повторному использованию ремонтно-пригодных деталей. Успешное ее решение должно основываться на тщательно разработанных технологических процессах восстановления в первую очередь базовых деталей, к которым с полным основанием относятся коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания.

Задача восстановления коленчатых валов является исключительно сложной и до настоящего времени окончательно не решена. В связи с этим применяется множество вариантов технологических процессов восстановления коленчатых валов, основанных на использовании напыления, наплавки, электроконтактной приварки стальной ленты, гальванических покрытий и др.

Нами предложен новый способ восстановления шеек коленчатых валов, в котором используется для компенсации износа разрезная ремонтная втулка, соответствующим образом фиксируемая на восстанавливаемой шейке.

В работе исследуются различные варианты фиксации ремонтной втулки на шейке вала и определяющие качество восстановленной поверхности шейки. В связи с этим теоретические обоснования и экспериментальные исследования по обеспечению надежной приварки ремонтной втулки к шейке вала при минимальном термическом влиянии на шейки восстанавливаемого коленчатого вала являются весьма актуальными.

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».

Цель_исследования: совершенствование технологии

восстановления шеек коленчатых валов путем применения полуавтоматической дуговой приварки ремонтной втулки.

Объект исследований:

- технологический процесс восстановления шеек коленчатых валов автотракторных двигателей;

- технологические операции, связанные с приваркой ремонтной втулки к восстанавливаемой шейке вала.

Научная новизна:

предложен способ фиксации ремонтной втулки на восстанавливаемой шейке коленчатого вала, для которого обоснованы конструктивные и технологические параметры;

- установлена необходимая минимальная площадь сварных швов, фиксирующих ремонтную втулку на шейке вала;

- предложена методика расчета напряжений в приваренной ремонтной втулке;

- предложена методика расчета тепловых потоков в приваренной ремонтной втулке;

- установлены физико-механические параметры сварных швов, фиксирующих ремонтную втулку на восстанавливаемой шейке вала;

- определены технологические напряжения, действующие в приваренной ремонтной втулке.

Практическая значимость:

- разработан технологический маршрут и его технологические операции, обеспечивающие фиксацию ремонтной втулки на восстанавливаемой шейке вала;

- предложены технологические методы приварки ремонтной втулки и последовательность их применения;

- разработана компоновка рабочих органов установки для фиксации ремонтной втулки на восстанавливаемой шейке коленчатого вала.

Реализация результатов исследований:

- результаты исследований по совершенствованию технологии восстановления шеек коленчатых валов приняты для использования в научно-производственной лаборатории СПГАУ и создания специализированного участка по восстановлению автотракторных коленчатых валов в технопарке «Царское Село».

Апробация:

Материалы по результатам исследований были предоставлены на ежегодных научных конференциях Санкт-Петербургского аграрного университета в 2004...2006 годах.

На защиту выносятся:

способ фиксации ремонтной разрезной втулки на восстанавливаемой шейке коленчатого вала и технологические методы для его реализации;

- методика расчета минимально необходимой остаточной толщины стенок ремонтной втулки, приваренной к шейке вала;

- методика расчета технологических напряжений в приваренной ремонтной втулке;

- методика расчета тепловых потоков в приваренной ремонтной втулке;

- физико-механические характеристики приваренной ремонтной втулки.

Основные положения, выносимые на защиту;

- после холодного запуска двигателя в процессе его нагрева температура коленчатого вала и ремонтной втулки должны быть одинаковыми;

- при расчете толщины ремонтной втулки необходимо учитывать остаточную толщину приваренной ремонтной втулки.

Публикации:

По теме диссертации опубликованы 4 статьи. На рассмотрении ФИПС находится заявка на изобретение — способ восстановления коленчатого вала.

Объем и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения 4-х разделов общих выводов, списка литературы и приложений, а также включает 113 страниц, 19 таблиц и 39 рисунков.

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 производственного опыта ремонтных предприятий и результатов исследований в НИЛ кафедры ТКМ СПГАУ рассмотрены вопросы, связанные с совершенствованием технологии восстановления одной из самых сложных деталей двигателя — коленчатого вала.

Исследованием вопросов, связанных с повышением качества восстановления базовых деталей двигателей посвятили свои работы Е.Я. Воловик, A.A. Зуев, В.И. Казарцев, В.М. Кряжков, П.М. Кривенко, М.А. Масино, И.А. Мишин, С.С. Некрасов, A.B. Поляченко, В.Я. Сковородин, В.И. Черноиванов и многие другие.

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

Результаты этих исследований не затрагивают вопросы, связанные с уменьшением теплового воздействия на восстанавливаемый вал, с

обоснованием толщины наносимого металлопокрытия, с повышением качества восстановленной поверхности шеек и соответствия ее техническим требованиям завода изготовителя.

Установлено, что для дальнейшего совершенствования технологии восстановления шеек коленчатых валов необходимо при минимально возможном тепловом воздействии на ремонтную втулку и вал обеспечить равный нагрев ремонтной втулки и коленчатого вала при прогреве запущенного двигателя до нормального теплового режима.

При приварке ремонтной втулки к шейке вала следует до минимума сократить ручную сварку.

На основании обзора литературных источников и проведенного анализа исследований по восстановлению шеек коленчатых валов автотракторных двигателей были сформулированы следующие основные задачи.

1. Усовершенствовать метод восстановления шеек коленчатых валов приваркой разрезной ремонтной втулки.

2. Разработать модель зависимости теплового состояния приваренной ремонтной втулки и восстанавливаемой шейки в период прогрева двигателя после его холодного запуска.

3. Разработать расчетно-теоретический метод определения минимальной остаточной толщины ремонтной втулки.

4. Разработать метод оценки технологических напряжений в приваренной ремонтной втулке.

5. Исследовать технологические напряжения в ремонтной втулке после ее приварки к шейке вала.

6. Исследовать физико-механические свойства сварных швов и приваренной ремонтной втулки.

7. Разработать технологический процесс для реализации предложенного метода восстановления шеек коленчатых валов.

Во втором разделе «Теоретические предпосылки к разработке технологического процесса восстановления шеек коленчатого вала» приведена структурная схема предлагаемого технологического процесса восстановления шеек коленчатых валов и упрощенная методика расчета минимальной остаточной толщины стенок ремонтной втулки.

После всего периода эксплуатации вала с использованием номинального и ремонтных размеров на шейке вала должна сохраниться ремонтная втулка с толщиной стенки 5Л ост-

Приварка ремонтной втулки обеспечивает натяг в сопряжении шейка вала — ремонтная втулка. Схема действия сил на стенки ремонтной втулки при этом приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Схема действия сил на стенки ремонтной втулки: 1 — шейка вала; 2 — стыковой шов; 3 — ремонтная втулка;

Рет — давление шейки вала на ремонтную втулку под влиянием натяга; 5ПОст — минимальная остаточная толщина стенки ремонтной втулки; 5Л — толщина стенки приваренной ремонтной втулки; с1р— расчетный диаметр восстанавливаемой шейки; ё3 — нарощенный диаметр восстанавливаемой шейки.

Давление Рвт вызывает в стенках ремонтной втулки растягивающие напряжения. Зная допускаемое напряжение для материала ремонтной втулки, можно рассчитать минимально допустимую остаточную толщину стенки ремонтной втулки. Известно, что в тонкостенных полых цилиндрах

где Рвт — давление шейки вала на внутреннюю поверхность ремонтной втулки, МПа;

N — натяг в сопряжении шейка-ремонтная втулка, мм; ёр — расчетный диаметр восстанавливаемой шейки, мм;

(1)

Е, и Е2 - модули упругости материала ремонтной втулки и шейки вала, МПа;

С1 и Сг - коэффициенты. Из формулы (1) следует

Р«п=-Т~~~-\ • (2)

Е ,

Если рассматривать ремонтную втулку как тонкую симметричную оболочку, то используя уравнение Лапласа будем иметь

—\аУ = -> (3)

¿5,осш °лост

где Я — радиус ремонтной втулки, мм;

ох и оу - соответственно окружные и осевые технологические напряжения, МПа.

Как видно из формул (3) осевые напряжения в два раза превосходят окружные. Тогда минимально необходимая остаточная толщина ремонтной втулки будет равна

Л - Р«п'К'к (Л\

л. ост ~ * ' '

тР

где к - коэффициент запаса прочности материала.

Выполненные в диссертации расчеты по формуле (4) с учетом сварных швов, фиксирующих ремонтную втулку на шейке вала, показали, что минимальная остаточная толщина составляет 5ЛОСТ=0,24 мм.

Выполненный расчет технологических напряжений по предлагаемой схеме фиксации ремонтной втулки на шейке вала с использованием формул (3) показал, что результирующее технологическое напряжение в стенках ремонтной втулки находится в пределах ор~350 МПа.

Для надежной работы приваренной ремонтной втулки на шейке вала необходимо обеспечить такую теплопередачу от втулки в шейку, которая бы поддерживала одинаковую температуру вала и втулки. Особенно в режиме, когда осуществлен холодный запуск двигателя, и он нагревается до оптимального теплового режима. Высокую скорость теплопередачи дают сварные швы, фиксирующие ремонтную втулку на шейке вала.

Рассмотрим вариант, когда ремонтная втулка приварена к шейке вала о90 мм стыковым и двумя кольцевыми швами. Нагрев вала и ремонтной втулки осуществляется от горячего масла в картере двигателя в процессе его прогрева после холодного запуска. Алгоритм программы теплового расчета разработан с использованием метода конечных элементов. Основная идея метода конечных

элементов состоит в том, что любую непрерывную величину (температуру) можно аппроксимировать дискретной моделью, построенной на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей, называемых элементами. Последние имеют общие условия точки и в совокупности аппроксимируют форму области.

Непрерывная величина на каждом элементе аппроксимируется полиномом, выраженным через угловые значения искомой величины.

Температурное поле в двумерном пространстве при квазистационарном процессе теплообмена для осесимметричных тел вращения в дифференциальной форме будет

ИНН)-6-' (5)

с граничными условиями

где ЛгиЛг— коэффициенты теплопроводности вала и ремонтной втулки в направлениях гиг размерностей, Вт/(м2°С); I — искомая температура, °С; г,г — цилиндрические координаты, м; <3 — источник или сток теплоты, Вт.

Минимизация уравнения (5) осуществляется функцией на основе метода конечных элементов. В качестве конечного элемента дискретизации тела принят треугольник с тремя узлами в вершинах. Изменение температуры в пределах произвольно выбранного е-го элемента аппроксимируется базовой функцией, в качестве которой принят линейный полином. Характер теплообмена рассматривался в условиях стационарного и осесимметричного теплового нагружения. В качестве расчетной области принята половина осевого сечения тела шейки вала. Схема разбивки (дискретизации) тела на конечное число треугольных элементов представлена на рисунке 2.

В таблице 1 приведены расчетные температуры в узлах элементов при условии, что масло нагрето до 1=100°С, а восстановленный вал нагревается 5 минут. Из данных таблицы 1 видно, что даже в условиях, крайне неблагоприятных, температуры во всех узлах практически одинаковы (на поверхности шейки вала и ремонтной втулки).

Рисунок 2 — Схема дискретизации восстанавливаемой шейки вала на конечное число элементов

Таблица 1 — Расчетная температура в узлах элементов

№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 33,0 33,0 33,0 33,0 34,0 33,4 33,5 33,5 33,7 34,0

10 33,9 33,9 34,0 34,0 34,0 34,0 34,2 34,2 34,2 34,2

20 34,1 34,0 34,4 34,4 34,4 34,4 34,2 34,0 34,7 34,7

30 34,7 34,7 34,6 34,0 34,9 35,0 35,0 35,1 35,3 36,0

40 35,1 35,1 35,2 35,4 35,7 36,4 37,0 35,3 35,3 35,4

50 35,5 35,7 35,9 37,0 35,5 35,5 35,5 35,6 35,7 35,8

60 37,0 35,7 35,7 35,7 35,6 35,7 35,7 36,9 36,0 35,9

70 35,8 35,7 35,5 35,9 37,0 36,1 36,1 35,9 35,7 35,3

80 34,0 36,4 36,4 36,2 35,9 35,6 36,0 36,9 36,8 36,6

90 36,2 35,4 34,0 37,4 37,4 37,2 36,8 36,0 34,0 38,0

100 38,0 38,0 38,0 38,0 34,0

Третий раздел «Методика экспериментальных исследований, применяемое оборудование и приборы» посвящен описанию методики исследований, применяемых оборудований, приборов и технологической оснастки. Общей методикой предусматривалось проведение экспериментальных исследований по следующим вопросам.

1. Оценка технического состояния восстановленных шеек коленчатых валов приваркой разрезной ремонтной втулки стыковым швом.

2. Использование полуавтоматической дуговой сварки в среде СОг для

приварки разрезной ремонтной втулки к шейке вала.

3. Оптимизация режимов полуавтоматической приварки разрезной ремонтной втулки.

4. Исследование теплопередачи в сопряжении шейка вала — ремонтная втулка.

5. Исследование физико-механических свойств восстановленной поверхности шейки вала.

Экспериментальные исследования проводили на образцах, имитирующих шейку коленчатого вала. Использовался круглый прокат диаметром 90 мм из стали 45 (ГОСТ 8509-86) без термообработки. Образцы подвергались шлифованию. Затем при помощи плазменной установки приваривались разрезные ремонтные втулки стыковым швом. Сварка проводилась с применением присадочного материала в среде аргона. Затем на экспериментальной установке кольцевыми швами окончательно приваривалась к шейке ремонтная втулка.

Разрезную ремонтную втулку изготавливали из стальных полос. Материалом для них служила лента 65Г (ГОСТ 2283-79) и ЗОХГСА

(ГОСТ 2283-79). Ширина полос выбиралась из расчета, чтобы ее края не доходили до галтелей 2...3 мм с каждой стороны. На гибочном приспособлении полосы сгибали для получения разрезной ремонтной втулки. Термическую обработку разрезных ремонтных втулок выполняли в муфельных печах до получения заданной твердости.

Для приварки разрезной ремонтной втулки стыковым швом использовалась плазменная установка УПС-301. В качестве плазмообразующего газа применяли аргон (ГОСТ 10157-73). Рабочее напряжение 18...40 В, пределы регулирования рабочего тока 20...315 А.

Приварка ремонтной втулки кольцевыми швами производилась на экспериментальной установке для полуавтоматической дуговой сварки и наплавки. В качестве защитного газа использовался углекислый газ

со2.

Для шлифования образцов применяли шлифовальный станок 3A423. Шлифование проводили абразивными кругами 24А40СМ2К5. Для предотвращения прижогов применяли обильное охлаждение раствором кальцинированной соды (3...4%) или эмульсией (10 г эмульсона на 1 л воды).

Для определения температуры поверхности ремонтной втулки, приваренной к шейке вала, при ее нагреве применяли прибор «Raytek STóOProPlus ». Принцип действия прибора основан на улавливании излучаемой, отраженной и переданной энергии, которая фиксируется непосредственно на индикаторе. Полученную информацию переводят в значение температуры, которая отображается на дисплее. Погрешность измерения температуры поверхности тела 1...3°с.

Для измерения технологических напряжений в приваренной ремонтной втулке использовался тензометр рентгеновский с излучателем малогабаритным (ТРИМ). Применение рентгеновских лучей для исследования напряженного состояния в металлах, основано на явлении дифракции рентгеновских лучей при прохождении их через кристаллическую решетку исследуемого тела.

Эксперимент по определению технологических напряжений сводился к построению прямолинейной зависимости

¿W =f (sin2 у/), (6)

где ещч> — деформация элементарного объема в направлении координат уму,

(р — азимутальный угол ($9=const), рад;

у/ — угол деформации элементарного объема, рад.

Тангенс угла наклона этой прямолинейной зависимости характеризовал напряжения в исследуемом объеме.

Измерение твердости производили на твердомере ТК-2 по методу Роквелла. Микротвердость отдельных фаз структурных составляющих сварочного шва определяли на приборе ПМТ- 3 (ГОСТ9450-76).

Для металлографического исследования использовали стандартную методику макроскопического анализа. Образцы разрезали в сечении сварочных швов и изготовляли микрошлифы. Для макроструктурного анализа шлифы протравливались в растворе азотной кислоты, затем промывались водой и протирались ватой.

Для металлографических исследований использовали микроскоп МИМ-8. В экспериментальных исследованиях применяли многофакторное математическое планирование. Результаты экспериментов отрабатывались с использованием методов математической статистики. Повторность измерений определялась по ГОСТ 17510-82.

В четвертом разделе «Экспериментальные исследования операционной технологии восстановления шеек коленчатых валов» приведены результаты исследований полуавтоматической дуговой приварки ремонтной втулки к шейке вала, физико-механических параметров восстанавливаемой шейки и металлографические исследования сварных швов.

При приварке ремонтной втулки кольцевыми швами сварочная дуга должна проплавить основной металл шейки вала на глубину, обеспечивающую надежную фиксацию втулки. Предварительные испытания показали, что для этого условия глубина проплавления должна находится в пределах 1,0...1,5 мм, а ее величина в значительной мере определяется величиной тока I и скоростью приварки S. Напряжение равнялось 40 В.

Построение математической модели зависимости глубины проплавления от тока и скорости приварки решалось с помощью планирования многофакторного эксперимента.

Исходные данные матрицы планирования были обработаны с использованием программы StatCraphics Plus. Для проверки значимости коэффициентов была построена диаграмма Парето.

Анализ эффектов влияния факторов показал, что величина тока на глубину проплавления оказывает меньшее влияние, чем скорость приварки.

Полученное уравнение регрессии имеет следующий вид у = 0,93 + 0,25jc, - 0,6jc2 + 0,05.x,2 + 0,3х22 - 0,075*и, (7)

где Xi — скорость приварки, мм/с;

Х2 - ток, А;

у — глубина проплавления, мм.

Используя уравнение регрессии, было построено сечение поверхности отклика (рисунок 3). С увеличением скорости приварки необходимо увеличивать величину тока.

■ 2-2.5 О 1.5-2 □ 1-1.5

■ 0.5-1 В 0-0.5

Глубина проплавления, мм

Ток, А

Рисунок 3 — Сечения поверхности отклика

Качество восстанавливаемой поверхности шейки вала в значительной степени можно оценить по твердости приваренной ремонтной втулки на опасных участках по сварному шву и в зоне термического влияния.

На рисунке 4 представлена эпюра распределения твердости в зоне кольцевого шва ремонтной втулки из стали 65 Г. В качестве присадочного материла, использовалась проволока Св - 08Г2С.

Шейка вала

Рисунок 4 — Эпюра распределения твердости в зоне кольцевого шва ремонтной втулки из стали 65Г

Из рисунка 4 видно, что в зоне термического влияния, которая составляет 4...6 мм наблюдается узкая зона с твердостью втулки до НЯС60...62 . Исследования показали, что всплеск высокой твердости на границе сварного шва и материала втулки может быть устранен термической обработкой при нагреве зоны сварного шва до 250°С или применением для изготовления ремонтной втулки материала с меньшим содержанием углерода, (стали 50, 45, 40, ЗОХГСА и др). Так при использовании для ремонтной втулки материала ЗОХГСА в зоне термического влияния была получена максимальная твердость НЯС

Рисунок 5 — Эпюра распределения твердости в зоне кольцевого шва ремонтной втулки, из стали ЗОХГСА

Опыт эксплуатации восстановленных коленчатых валов с приваркой ремонтной втулки показал, что надежность их работы в значительной мере зависит от постоянства натяга в сопряжении шейка — ремонтная втулка.

Постоянство в указанном сопряжении натяга определяется обеспечением равенства температуры нагрева вала и ремонтной втулки, особенно нарушение этого равенства может быть после холодного запуска двигателя и его нагрева до нормального теплового режима. Для сохранения равенства температур вала и ремонтной втулки необходимо добиться одинаковой скорости их нагрева, а это можно достичь, увеличивая относительную площадь сварных швов, фиксирующих на шейке вала ремонтную втулку.

Из рисунка 6 видно, что при относительной площади сварных швов на ремонтной втулке 30...35% скорости нагрева вала и ремонтной втулки становятся одинаковыми.

©

• \т

Относительная площадь сварных швов,

Рисунок 6 — Диаграмма зависимости скорости нагрева вала и ремонтной втулки от относительной площади сварных швов на ремонтной втулке

Металлографические исследования шлифов в приваренной ремонтной втулке содержали изучение макроструктуры сварных швов, зон проплавления и зон термического влияния.

Анализ шлифов показал, что в диаметральном сечении кольцевых швов на оптимальных режимах приварки глубина проплавления составляет 1,5мм.

При этом зона термического влияния на валу не обнаружена, что свидетельствует о том, что выбранная скорость приварки и величина тока обеспечивает быстрое охлаждение сварного шва. Таким образом, приварка ремонтной втулки кольцевыми швами оказывает минимальное термическое влияние на восстанавливаемый вал. Зона термического влияния на ремонтную втулку из стали ЗОХГСА от стыкового шва и электрозаклепок составила 2,0...2,5 мм, а от кольцевых швов — 1,5...2,0 мм.

В макроструктурах трещины не обнаружены, как и другие дефекты, которые снижали бы качество восстановленной поверхности. Отмечается качественное сплавление приваренного металла втулки с основным металлом вала.

С использованием тензометра ТРИМ были измерены напряжения в различных зонах приваренной ремонтной втулки. Установлено, что в приваренной ремонтной втулке технологические напряжения растяжения находятся в пределах ар = 200...550 МПа. Эти напряжения

достаточно близки к расчетным, и позволяют иметь достаточный запас прочности материала ремонтной втулки.

Разработанная технология принята к внедрению и на ее основе в технопарке «Царское село» будет создан производственный участок по восстановлению изношенных коленчатых валов автотракторных двигателей. Ожидаемый годовой экономический эффект от восстановления 150 валов составит 498000 руб.

Основные выводы

1. Анализ технологии восстановления шеек коленчатых валов с применением ремонтной втулки показал, что теплопередача от ремонтной втулки в тело вала зависит от относительной площади сварных швов, которыми втулка фиксировалась на шейке вала.

2. Для обеспечения стабильного натяга в сопряжении шейка -ремонтная втулка в процессе работы двигателя внутреннего сгорания необходимо и достаточно обеспечить 25...30% площади сварных швов относительно всей поверхности ремонтной втулки.

3. Разработан расчетно-теоретический метод определения остаточной толщины стенок ремонтной втулки, установленной на восстанавливаемую шейку вала. Ее величина не должна быть меньше 0,25 мм.

4. Разработан расчетно-теоретический метод определения напряжений в приваренной ремонтной втулке. При принятой схеме приварки технологические напряжения составили 352МПа.

5. Разработан расчетно-теоретический метод определения температурных полей в приваренной ремонтной втулке и шейке вала на основе использования метода конечных элементов. Предлагаемая схема приварки ремонтной втулки обеспечило постоянство скорости нагрева деталей сопряжения

6. Металлографические исследования показали, что в микроструктуре приваренного участка ремонтной втулки отсутствуют трещины и другие дефекты, которые влияли бы на износостойкость восстановленной поверхности. Зоны термического влияния вдоль сварных швов минимальны (2...2,5 мм) или полностью отсутствуют.

7. Качество сварного шва было повышено путем применения стальной ленты марки 30ХГСА, которая исключила всплески высокой твердости в зоне термического влияния и обеспечила твердость в пределах HRC 45.. .49.

8. Экспериментальные исследования показали, что в приваренной ремонтной втулке напряжения составили 355...550МПа, что обеспечивает запас прочности в пределах к=3...4.

9. Установлена математическая модель связи технологического режима нанесения кольцевого сварного шва (скорости приварки и величины тока) и глубины проплавления основного металла вала.

Основное содержание диссертации опубликованы в следующих работах:

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

2. Арсентьев A.B. Измерение напряжений в восстанавливаемых коленчатых валах при помощи метода рентгеновской тензометрии. Рос. акад. с.х. наук, СПбГАУ. - СПб.,2006. - 18 с. - Деп. в ЦИИТЭИ Агропром 20.04.06, № 25 ВС - 2006.

3. Арсентьев A.B., Федорищев A.A. Методика определения напряжений в сопряжении «разрезная втулка—шейка вала» // Сборник научных трудов СПбГАУ «Прогрессивные технологии в аграрной науке». — СПб. — 2005. — С. 8-10.

4. Арсентьев A.B. Оценка физико-механических свойств поверхности восстановленной шейки вала // Сборник научных трудов СПбГАУ «Надежность и ремонт транспортных и технологических машин в сельском хозяйстве». - СПб. — 2006. — Выпуск 6. - С. 15-17.

5. Заявка на изобретение № 2005134458 / 02 (038533) 07.11.2005 г. «Способ восстановления вала». / Зуев A.A., Ожегов Н.М., Цыплаков В.Г., Иванов A.B., Арсентьев A.B.

Подписано > печать 23.10.2006 Бумага офсетмая. Формат 60X90 1/16 Печать трафаратная. Усл. пач. л. 1,0 Тираж 100 ака. Заках 610

Отпечатано с оригинал-макета заказчика в копировально-множительном центре "АРГУС. Санкт-Петербург—Пушкин, ул. Пушкинская, д. 28/21, тел.: (812) 451-89-88 Per. №233909 от 07.02.2001

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Технологические требования к коленчатым валам.

1.2 Технологические способы восстановления шеек коленчатых валов наплавкой.

1.3 Технологические способы восстановления шеек коленчатых валов напылением.

1.4 Технологические способы восстановления шеек коленчатых валов методами наварки различных металлов.

Около половины всех затрат при капитальном ремонте техники приходится на материалы и запасные части, поэтому вторичное потребление восстановленных деталей является крупным источником снижения материалоемкости. Проблема снижения материалопотребления в ремонтном производстве сводится главным образом к полному использованию ремонтопригодных деталей. Успешное ее решение должно основываться на данных об экономически оправданных объемах изношенных деталей, которые могут повторно использоваться в процессе производственной деятельности ремонтных предприятий.

Выдвигающиеся требования полного обеспечения народного хозяйства новыми запасными частями часто не учитывают потенциальные возможности покрытия потребности в запчастях за счет восстановления и вторичного использования изношенных деталей. К сожалению, к изношенным деталям долгое время относились как к металлолому, хотя одним из важных резервов, направленных на удовлетворение потребности в запчастях, является массовое восстановление их на индустриальной основе [9].

Задача восстановления коленчатых валов является сравнительно сложной и до настоящего времени окончательно не решена. В связи с этим применяется множество вариантов технологических процессов восстановления коленчатых валов.

Наиболее известными способами восстановления изношенных поверхностей шеек валов являются напыление, наплавка и наварка различных металлов.

В связи с этим, проведенное на кафедре ТКМ СПГАУ в 2003.2006 годах исследование, направленное на совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов автотракторных двигателей внутреннего сгорания, актуально и при внедрении полученных результатов может иметь важное значение для ремонта машин.

Цель работы; совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов путем применения полуавтоматической дуговой приварки разрезной ремонтной втулки.

Задачи исследования:

- на основании анализа ранее проведенных исследований предложить новый способ приварки ремонтной втулки к восстанавливаемой шейке вала;

- разработать технологический маршрут приварки ремонтной втулки к восстанавливаемой шейке вала;

- разработать расчетно-теоретический метод определения минимальной остаточной толщины стенок ремонтной втулки;

- разработать расчетно-теоретический метод определения температурных полей в ремонтной втулке и шейке вала;

- разработать расчетно-теоретический метод определения технологических напряжений в приваренной ремонтной втулке;

- провести экспериментальные исследования по определению качества сварных швов и напряжений, действующих в приваренной ремонтной втулке.

Объект исследований:

- технологический процесс восстановления шеек коленчатых валов автотракторных двигателей;

- технологические операции, связанные с приваркой ремонтной втулки к восстанавливаемой шейке вала.

Научная новизна:

- предложен способ фиксации ремонтной втулки на восстанавливаемой шейке коленчатого вала, для которого обоснованы конструктивные и технологические параметры;

- установлена минимально необходимая площадь сварных швов, фиксирующих ремонтную втулку на шейке вала;

- предложена методика расчета минимально необходимой остаточной толщины стенок ремонтной втулки, приваренной к шейке вала;

- предложена методика расчета напряжений в приваренной ремонтной втулке;

- предложена методика расчета тепловых потоков в приваренной ремонтной втулке и шейке вала;

- установлены физико-механические параметры сварных швов, и зон термического влияния, фиксирующих ремонтную втулку на восстанавливаемой шейке вала;

- определены технологические напряжения, действующие в приваренной ремонтной втулке.

Практическая значимость:

- разработан технологический маршрут и его технологические операции, обеспечивающие фиксацию ремонтной втулки на восстанавливаемой шейке вала;

- предложены технологические методы приварки ремонтной втулки и последовательность их применения;

- разработана компоновка рабочих органов установки для механизированной приварки ремонтной втулки на восстанавливаемую шейку коленчатого вала.

Реализация результатов исследований:

- результаты исследований по совершенствованию технологии восстановления шеек коленчатых валов приняты для использования НИЛ кафедры СПГАУ и создания специализированного участка по восстановлению автотракторных коленчатых валов в технопарке «Царское село». Акт о внедрении и модель спроектированной установки представлены в приложении 3.

Апробация:

Материалы по результатам исследований были представлены на ежегодных научно-практических конференциях преподавателей и аспирантов СПГАУ в 2004.2006 годах.

На защиту выносятся:

- способ фиксации ремонтной втулки на восстанавливаемой шейке коленчатого вала и технологические методы для его реализации;

- методика расчета минимально-необходимой остаточной толщины стенок ремонтной втулки^ приваренной к шейке вала;

- методика расчета напряжений в приваренной ремонтной втулке;

- методика расчета тепловых потоков в приваренной ремонтной втулке и шейке вала;

- физико-механические характеристики приваренной ремонтной втулки к шейке вала.

Основные положения, выносимые на защиту:

- при расчете толщины ремонтной втулки необходимо учитывать минимально необходимую остаточную толщину приваренной втулки;

- на неустановившихся тепловых режимах работы двигателя температуры коленчатого вала и ремонтной втулки должны быть одинаковыми.

Публикации:

По теме диссертации опубликованы 4 работы.

На рассмотрении ФИПС находится заявка на изобретение — на способ восстановления коленчатого вала.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, общих выводов, списка литературы и приложений.

Общие выводы

1. Анализ технологии восстановления шеек коленчатых валов с применением ремонтной втулки показал, что теплопередача от ремонтной втулки в тело вала зависит от относительной площади сварных швов, которыми втулка фиксировалась на шейке вала.

2. Для обеспечения стабильного натяга в сопряжении шейка - ремонтная втулка в процессе работы двигателя внутреннего сгорания необходимо и достаточно обеспечить 25.30% площади сварных швов относительно всей поверхности ремонтной втулки.

3. Разработан расчетно-теоретический метод определения остаточной толщины стенок ремонтной втулки, установленной на восстанавливаемую шейку вала. Ее величина не должна быть меньше 0,25 мм.

4. Разработан расчетно-теоретический метод определения напряжений в приваренной ремонтной втулке. При принятой схеме приварки технологические напряжения составили 352МПа.

5. Разработан расчетно-теоретический метод определения температурных полей в приваренной ремонтной втулке и шейке вала на основе использования метода конечных элементов. Предлагаемая схема приварки ремонтной втулки обеспечило постоянство скорости нагрева деталей сопряжеия

6. Металлографические исследования показали, что в микроструктуре приваренного участка ремонтной втулки отсутствуют трещины и другие дефекты, которые влияли бы на износостойкость восстановленной поверхности. Зоны термического влияния вдоль сварных швов минимальны (2. .2,5 мм) или полностью отсутствуют.

7. Качество сварного шва было повышено путем применения стальной ленты марки ЗОХГСА, которая исключила всплески высокой твердости в зоне термического влияния и обеспечила твердость в пределах HRC 45. .49.

8. Экспериментальные исследования показали, что в приваренной ремонтной втулке напряжения составили 355.550МПа, что обеспечивает запас прочности в пределах к=3. .4.

9. Установлена математическая модель связи технологического режима нанесения кольцевого сварного шва (скорости приварки и величины тока ) и глубины проплавления основного металла вала.

100

1. Доценко ИМ. Восстановление автомобильных деталей сваркой и наплавкой. М,: Транспорт, 1972. - 352с.

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

3. Ожегов Н.М. Эффективность технологии скоростной плазменно-порошковой наплавки // Материалы практической конференции «Технолог по сварочному производству промышленных предприятий объектов энергетики и строительства». СПб.: Пушкин, 2002. - с. 8384.

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

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

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

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

8. Иванов А.В. Повышение эффективности восстановления деталей ходовых систем гусеничных тракторов дуговой наплавкой. Автореф. Дис. на соискание ученой степени к.т.н. СПб Пушкин. - 1998.

9. Черноиванов В.И., Андреев В Л Новые технологические процессы и оборудование для восстановления деталей сельскохозяйственной техники.-М.:Высш. шк., 1983.- 96с.

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

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

12. Недригайлов А.В. Лазерная технология при восстановлении и упрочнении деталей. Московская обл.: АгроНИИТЭИИТО, 1989. -5с.

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

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

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

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

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

18. Тайц НЛО» Технология нагрева стали. М.: Металлургиздат, 1962. -86с.

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

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

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

22. Справочник машиностроителя / под ред. Серенсена С.В. -М. МАШГИЗ, 1955.-486с.

23. Власов В.З. Общая теория оболочек. М.: Гостехиздат, 1949. - 246с.

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

25. Канторович З.Б. Основы расчета химических машин и аппаратов. -М.: Машгиз, 1946. -386с.

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

27. Тимошенко С.П. Пластинки и оболочки. М.: Гостехиздат, 1948. -420с.

28. Лурье А.И. Статистика тонкостенных оболочек. М.: Гостехиздат,1947. -262с.

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

30. Николаенко А.В., Шкрабак B.C., Беляев В.В., Максимов А.Т.

31. Расчет теплового состояния осесиметричных деталей ДВС методом конечных элементов. Санкт-Петербург, 2003. - 66с.

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

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

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

35. Рыкалин ELH. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951.-3 84с.

36. Рыкалин Н.Н. Тепловые процессы при сварке, их теория и инженерные расчеты. JL, 1958. - 264с.

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

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

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

40. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. -М.: Машиностроение, 1974. 164с.

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

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

43. Болыиев JLH., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. -М.: Наука, 1965.-474с

44. Валге A.M. Обработка экспериментальных данных и моделирование динамических систем при проведении исследований по механизациисельскохозяйственного производства- СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2002-176с.

45. Мельников С.В., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. JL: Изд-во Колос, 1972. - 200с.

46. Якушев А.И., Воронцов JI.H., Федотов Н.М. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М.: Машиностроение, 1986.-352с.

47. Палей М.А., Романов А.Б., Брагинский В.А. Допуски и посадки / Справочник В 2 ч. Ч 1. СПб.: Политехника, 2001. -576с.

48. Геллер Ю.А., Рахштадт АЛЛ Материаловедение. М.: Металлургия, 1975.-468с.

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

50. Schmidt J., Pellkoffer D., Weit E. Altenative methods for pos|weld treatment of austenitic pipe welds to increase the operational safety of BWR plants // Nuclear Engineering and Design 1997, 174, 301-311.1.Оценка эффектов влияния.1. Analysis Summary

51. File name: D:\STATGRAF\ars.sfx Estimated effects for Var 1average = 0,933333 +/- 0,0569275 A:FactorA =0,5 +/- 0,062361

52. В:FactorB = -1,2 +/- 0,062361 AA = 0,1 +/- 0,1080121. AB = -0,15 +/- 0,07637631. BB = 0,6 +/- 0,108012

53. Standard errors are based on total error with 3 d.f.1. The StatAdvisor

54. Дисперсионный анализ влияния факторов.

55. Analysis of Variance for Varl

56. Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value

57. A:Factor A 0,375 1 0,375 64, -29 0,0041

58. В:Factor В 2,16 1 2,16 370, -29 0,0003

59. AA 0,005 1 0,005 0, 86 0,4228

60. AB 0,0225 1 0,0225 3, 86 0,1443

61. BB 0,18 1 0,18 30, .86 0,0115

62. Total error 0,0175 3 0,005833331. Total (corr.) 2,76 8

63. R-squared = 99,3659 percent

64. R-squared (adjusted for d.f.) = 98,3092 percent Standard Error of Est. = 0,0763763 Mean absolute error = 0,0388889 Durbin-Watson statistic =2,01. The StatAdvisor

65. Коэффициенты уравнения регрессии.

66. Regression coeffs. for Varlconstant = 0,9333331. A:FactorA = 0,251. B:FactorB = -0,61. AA = 0,051. AB = -0,0751. BB =0,31. The StatAdvisor

67. This pane displays the regression equation which has been fitted to the data. The equation of the fitted model is

68. Standardized Pareto Chart for Var 11. AB AA0 4 8 12 16 201. Standardized effect5. Эффекты влияния факторов.

69. Main Effects Plot for Var 12Д1,81—1 1 1,5a1,20,90,6-1,0 1,0 Factor A-1,0 1,0 Factor В6. Поверхность отклика.2,4 2| 1,61>2 > 0,8 0,4 0

70. Estimated. Response Surface1. J'° "°>2 0,2 o,6 Factor A2 °'6 1 V0'2"' Factor В

71. Сечения поверхности отклика.

72. Contours of Estimated Response Surface3