автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Восстановление коленчатых валов автотракторных дизельных наплавкой с регулируемым термическим воздействием

од

На правах рукописи

Филатов Геннадий Евлантьевич

ВОССТАНОВЛЕНИЕ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НАПЛАВКОЙ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ТЕРМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИИ*

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург - 1996

Работа выполнена в Оренбургском государственном университете.

Научный руководитель - действительный член Академии

транспорта РФ, кзндидат технических наук, профессор Бондаренко Виктор Анатольевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Богодухов Станислав Иванович; доктор технических наук, профессор Авдеев Михаил Васильевич.

Ведущая организация- товарищество с ограниченной

ответственностью "Оренбургский авторемонтный завод".

Защита состоится В июля 1996 г. в часов на заседании

диссертационного совета К 064.64.01 в Оренбургском государственном университете по-адресу: 460352 г. Оренбург, пр. Победы, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского государственного университета.

С"

Автореферат разослан & июня 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

.Р. Владов

ОБ!Щ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

I

I

I

Актуальность. Коленчатые валы занимают особое место среди деталей, восстановление которых экономически целесообразно по следующим причинам: являясь одной из важнейших деталей кривошип-но-шатунной группы и воспринимая большие динамические нагрузки, он во многом определяет эксплуатационные характеристики и долговечность двигателя в целом; самая сложная и дорогая деталь двигателя после блока цилиндров. Изучение технического состояния коленчатых валов, поступающих на ремонтные предприятия показывает, что наиболее характерные дефекты - износ коренных и шатунных шеек, трещины усталостного характера. Восстановление коленчатого вала является сложной проблемой, поскольку к качеству его рабочих поверхностей и геометрическим характеристикам предъявляются довольно жесткие требования, а известные способы восстановления могут вызывать деформации и изменение первоначальных геометрических характеристик, что в свою очередь, снижает усталостную прочность. Поэтому совершенствование процесса наплавки, при котором возможно снижение остаточных деформаций и уменьшение склонности к образовании трещин, является актуальной задачей.

На основании изложенного определилась цель данной работы:

Снижение остаточных деформаций и повышение стойкостных характеристик при наплавке шеек коленчатых валов автотракторных двигателей .и увеличение за счет этого усталостной прочности.

Предметом исследования является технология восстановления коленчатых валов дизельных двигателей.

В качестве объекта исследования выбраны коленчатые валы двигателя КамАЗ-740 Камского автомобильного завода.

Научная новизна.

Определены условия, при которых обеспечивается необходимая структура металла в наплавленном сдое в переходной зоне и зоне термического влияния. Необходимые условия достигаются регулированием термического воздействия наплавки за счет подачи охлаждающей среды на наплавляемую шейку и две соседние с ней шейки. Полученные структуры металла повышают предел выносливости и уменьшают деформации, возникающие при наплавке.

Для достижения этих условий получено уравнение, показывающее связь режимов наплавки и охлаждения (коэффициента температуроот-

^ _ f.

дачи) с мгновенной скоростью охлаждения, при снижении которой ниже определенного значения возможно разупрочнение основного металла, а превышение ее допустимой'величины/приводит к появлению дефектов в виде трещин и повышенных деформации.

Подучено уравнение, позволяющее определить коэффициенты тем-пёратуроогдачи при условиях, когда температура в сечении наплавки не превышает температуры начала мартенситных превращений, а общая ■ температура изделия соответствует заданной 'оптимальной.

Новизну подтверждают четыре авторских Свидетельства на изобретение: способ защиты зоны сварки; спосоСРйаплавки цилиндрических деталей; устройство для охлаждения при сварке изделий с поверхностями вращения; способ электродуговой'наплавки цилиндрических деталей и устройство для его осуществления; патент на устройство для управления процессом наплавки.' :

Практическая ценность.

С использованием предложенного способа охлаждения и конструкции охлаждающих устройств разработана технология восстановления коленчатого вала двигателя КамАЗ-740, позволяющая снизить деформации.вала в 8...10 раз.

Реализация результатов исследования.

Результаты исследований и конструкторско-технологические разработки приняты к использованию в 'Товариществе с ограниченной ответственностью "Оренбургский авторемонтный завод", Товариществе с ограниченной ответственность^ "Еуэулукский произЕсздственно-технический комбинат "по централизованному обслуживанию и ремонту автомобилей "КамАЗ", Акционерном обществе закрытого типа "Филатов и К".

Апробация.

Материалы диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях и межкафедральных семинарах Оренбургского государственного аграрного университета в 1985...1994 гг., на научной конференции во'ВСХКЗО в 1985 г., на-научно-технической конференции Челябинского государственного агройнженерного университета в 1089, 1993 й в 1994 гг., на международном семинаре по теоретическим и практическим вопросам наплавки в Институте электросварки им. Е.О. Патона в 1992 г.

Публикации. '-"'"

Основные' положения диссертационной работы отражены в 21 на-шом труде. Материалы исследований вопши в научно-технические ?четы по темам хоздоговорных работ Оренбургского государственно-" > аграрного университета.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти .гделов, выводов", библиографии и приложений. Работа изложена на 8 страницах, имеет 37 рисунков, 11 таблиц, 13 приложений и биб-огрзфио 186 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Анализ состояния и выбор перспективного направления восс-говления коленчатых белое дизельных двигателей.

2. Обоснование необходимости регулирования термического еоз-"гетвия при наплавке коленчатых валов для снижения сварочных де-эмаций и повышения предела выносливости.

3. Теоретические и экспериментальные исследования, . направ-щые на получение математической модели для определения расхода [аждающей среды и связи расхода с режимом нашгавки.

4. Результаты лабораторных и производственных исследований енчатых валов, восстановленных по разработанной технологии.

5. Методики проведения экспериментальных исследований.

Содержание работы

В первой главе рассматривается современное состояние и перс-гивы развития технологии восстановления шеек коленчатых валов этракторных двигателей; анализ используемых защитных газовых 5 для наплавки деталей: предпосылки снижения деформаций, повы-га износостойкости и усталостной прочности коленчатых валов зтракторных двигателей в процессе упрочнения шеек.

Основными причинами, по которым происходит снижение уставной прочности, являются сварочные деформации и трещины в нап-[енном металле и переходной зоне (Дорошенко А.Г. .Савельев В._А., ан И.Е..Авдеев М.В..Тарасов П.И.), а одним из возможных прие-уменьшения этих дефектов может быть управляемый теплоотвод во я нашгавки,

Наплавка в среде залдатных газов имеет более широкие возмож-и для использования регулируемого тепдоогвода, поскольку ока-

- б -

зывает меньшее тепловое воздействие на наплавляемую деталь и при этом имеется возможность использования охлаждающей жидкости даже в кайланйяеыом сечении.

Использование активной паровой смеси, содержащей водяной пар с добавкой хлорида аммония, может обеспечить близкую с другими способами наплавки износостойкость наплавленного металла, шея при этом минимальные затраты на получение самой защитной среды, а по сравнению с чистым водяным паром эта среда значительно повышает стабильность процесса наплавки.

Большое влияние на износостойкость и усталостную прочность оказывает операции термического упрочнения наплавленного металлз. Технологические особенности лазерного упрочнения и имеющиеся практические результаты дают примеры значительного повышения усталостной прочности за счет различного расположения участков металла, обработанных лазерным излучением.

Цель достигалась решением ряда теоретических и практических задач:

1. Дать теоретическое обоснование оптимальных условий охлаждения изделия. Предложить схему принудительно охлаждения и получить теоретические зависимости массового расхода охлаждающей жидкости от заданного режима наплавки.

2. Подтвердить экспериментом теоретические зависимости, получить модель регрессионного анализа, связывающую деформации коленчатого вала в процессе наплавки и трещины на наплавляемой поверхности с режимом наплавки и массовым расходом охлаждающей жидкости.

3. Провести лабораторные исследования износостойкости и усталостной прочности восстановленных деталей. Испытать в условиях рядовО^'Эксплуагации.

4.1 Разработать рациональный технологический процесс восстановления коленчатого вала двигателя автомобиля "КамАЗ-740" и провести технико-экономическую оценку данного процесса.

Во' второй главе изложены теоретические предпосылки наплавки с управлением термическим воздействием.

При наплавке изделий возникает два вида напряжений: временные термические напряжения в результате температурного перепада; структурные напряжения вследствие увеличения удельного объема при мартенситном превращении. Остаточные напряжения, которые обуслов-

ны этими причинами имеют противоположный знак.

При принудительном охлаждении изделия на его поверхности ачале возникают растягивающие температурные напряжения, а когда мпература снижается до начала мартенснтных превращений, которые провождаются увеличением объема, растягивающие напряжения в по-рхностном слое исчезают.

Для снижения уровня растягивающих напряжений необходимо строе охлаждение в процессе образования мартенситной. корочки на верхности и последующее медленное охлаждение. Такой режим охни ения может быть обеспечен применением комплекса следующих мер: трименение в качестве защиты активной парогазофлюсующей среды; тазначения определенного режима наплавка;

применения теплоотводов для создания определенного градиента шератур на изделии.

Активная парогазофлюсующая защитная среда выполняет следую> функции:

.- осуществляет предварительный и последующи! подогрев об-:ти наплавки, снижая сжимающие усилия;

- защищает зону наплавки от атмосферного воздуха;

- повышает градиент потенциала и перераспределяет энергию, ;еляющуюся на электродах, в пользу анода.

В соответствии с изложенным была принята рабочая гипотеза о ;, что, если найти оптимальную скорость охлаждения наплавляемой ки коленчатого вала в области температур распада аустенита, но добиться такого содержания мартенсита в наплавленном метали в зоне термического влияния, при котором с одной стороны тигается минимальный уровень остаточных напряжений и предуп-цается образование холодных трещин, а с другой стороны обеспе-зется минимально возможное разупрочнение основного металла в г термического влияния.

Для анализа зависимости скорости охлаждения от режимов нап-<и и охлаждения было рассмотрено уравнение темперзтурного поля эшного круглого цилиндра (рис. 2.1) с наружным радиусом К в теме координат г, х, который нагревается источником мощности движущимся с линейной скоростью V по винтовой линии и скоростью ■ составляющей линейной скорости наплавки по оси X. Взяв про-здную изменения температуры Т по времени t получили скорость видения

Рис. 2.1. Схема расположения источника теплоты

при нагреве сплошного круглого цилиндра;

^ - эффективная мощность источника дуги ; - составляющая линейной скорости неплавки по оси X ; М(Х,1)- текущие координаты точки М ; Я. - наружный радиус цилиндра ;

$ - мэг ЯЭПЛ32КИ.

- g -

где q3 - эффективная мощность источника дуги, Вт;

Vx - составляющая линейной скорости наплавки по оси X, м/с; R - наружный радиус цилиндра, м; Ср - объемная теплоемкость, Дж/м3-К; а = Л/Ср - коэффициент температуропроводности, м2/с; Л - коэффициент теплопроводности, Вт/м-К; X - расстояние от плоского мгновенного источника тепла, м; Ь = й•Р/Ср•F - коэффициент температуроотдачи, 1/с; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2-К; F - площадь сечения цилиндра, м2; Р - периметр поперечного- сечения цилиндра, м. Величину коэффициента температуроотдачи_(Ь),.необходимую для подстановки в уравнение, найдем после логарифмирования и преобразования исходного уравнения температурного поля сплошного круглого цилиндра, принимая следующие условия:

1) приращение температуры в сечении наплавки (Х=0) не должно превышать температуры начала мартенситных превращений, тогда

"L * < ^TTjmrJ- * <г* -r4:i -

где Тм - температура начала мартенситных превращений; Топ - оптимальная температурз изделия при наплавке.

2) оптимальная общая температура изделия при наплавке должна быть в пределах 373...473 К, тогда

4 - f ( ¿Лс^ы )-' * (Т" - T»J] ( v

где Тн - начальная температура изделия.

Для выполнения поставленных условий предложена схема (рис.2.2) принудительного охлаждения изделия в два этапа. В этой схеме устройства 2 охлаждают изделие с двух сторон за пределами направляемого сечения по всему периметру поперечного сечения, а устройство 3 охлаждает только нижнюю часть наплавляемого сечения до линии 1-1.

Для обоснования конструктивных параметров охлаждающего устройства были рассмотрены зависимости между безразмерными комплексами - числами Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля. После проведения логарифмирования и преобразований, предложенной Нусоельтом зависимости между числами подобия, определили среднюю скорость потока жидкости в охлаждающем устройстве

а>п = 10 х,

Рис. 2.2. Схема расположения устройств принудительного охлаждения изделия :

Г - наплавляемое изделие ;

2 - устройство для охлаждения по всему периметру по-

перечного сечения изделия ;

3 - устройство для охлаждения в нижней части наплавляе-

мого сечения ;

- эффективная мощность источника дуги в наплавляемом сечении.^

%

где х = [1£(а-с10/Л)-1Е С-П11г(с1о/л/)-П2-1г Рг-пз1?(Ь/с^р)3:П1,

а - коэффициент теплоотдачи; .... ,.,г1......

do - эквивалентный размер канзла; \ - коэффициент теплопроводности; Ь - длина канала; Кг - число Прандтля;

V - кинематическая вязкость охлаждающей жидкости; С - константа, а щ, пг, пз - показатели степени в зависимости Нуссельта, определяемые из опыта.

Численное решение уравнений со значениями С, П1, П2 и пз, предложенными различными исследователями, и опытные данные по струйному охлаждению изделий позволили определить среднюю скорость потока и .массовый расход охлаждающей жидкости при наплавке на заданных режимах.

Авторские разработки позволили произвести предварительные исследования и выявить режимы наплавки шеек коленчатых валов двигателей "КамАЗ-740" и "ЗМЗ-5Э", позволяющие снизить укорочение вала и изгиб оси вала сравнительно с существующими технологиями.

Применение принудительного охлаждения при наплавке коленчатого вала позволяет снизить его укорочение и изгиб, однако при этом возможно образование мартенсита закалки, что является, причиной появления дефектов в виде трещин.

Образование мартенсита закалки в наплавленном металле'.и зоне термического влияния наплавки возрастает с увеличением мгновенной скорости охлаждения, а при уменьшении скорости охлаждения ниже определенного значения еозможно разупрочнение основного металла. Установлены оптимальные интервалы мгновенной скорости охлаждения для сталей, из которых изготавливают коленчатые валы дизельных двигателей.

Получено уравнение, показывающее зависимость мгновенной скорости охлаждения от режимов наплавки и охлаждения, где режим охлаждения характеризуется коэффициентами температуроотдачи и теплоотдачи.

Получены уравнения, позволяющие определять коэффициенты температуроотдачи при условиях, когда приращение температуры в сечении наплавки не превышает температуры начала мартенситных превращений, а оптимальная общая температура изделия находится в^пределах 373...473 К. Предложена схема принудительного охлаждения изделия, с помощью которой можно реализовать поставленные условия.

Определены коэффициенты температуроотдачи и теплоотдачи, при которых обеспечивается оптимальная мгновенная скорость охлаждения. для заданных режимов наплавки коленчатого вала двигателя автомобиля "КамАЗ".

При экспериментальном исследовании ■ получено подтверждение сделанных выводов, определить степень точности установленных теоретических зависимостей, также дать модель регрессионного анализа, связывающую непосредственно такие качественные показатели наплавки как укорочение, изгиб коленчатого вала, трещины на наплавленной поверхности с режимом наплавки и массовым расходом охлаждающей жидкости.

В третьей главе проведена проверка теоретических предпосылок и аналитических'-зависимостей по расчету режимов нзллавки с управляемым термическим воздействием, предложена схема проведения исследований.

Исследования на первом этапе включают анализ существующих технологий восстановления коленчатых валов и изучение состояния ремонтного фонда, на основе которых осуществляется разработка требований к технологии восстановления.

На базе разработанных требований и полученных во второй главе аналитических зависимостей осуществляется планирование эксперимента, которое включает определение числа и уровней факторов, назначение откликов, выбор оборудования для наплавки и приборов для контроля численных значений факторов и откликов.. Заканчивается эта часть исследований выбором модели регрессионного анализа и планом многофакторного эксперимента.

В дальнейшем схема предусматривает оценку служебных свойств деталей, которые восстановлены на оптимальных режимах наплавки с управлением термическим воздействием, найденных с помощью планирования эксперимента. Эта оценка вшпочает лзбораторные исследования химического состава, структуры, твердости наплавленного металла, износостойкости и сопротивления усталости образцов, а также производственную проверку в условиях рядовой эксплуатации.

Последний этап, который включает подробную разработку технологического процесса восстановления коленчатого вала дизельного двигателя "КамАЗ-740" и технико-экономическую оценку использования разработанной технологии на производстве.

Основными переменными величинами в аналитических зависимое-

тях, которые определяют температурное поле в наплавляемом изделии, являются:

qa - эффективная мощность источника дуги, в;

ух - составляющая линейной скорости наплавки;

Ь - коэффициент температуроотдачи.

Для удобства наблюдения, измерения и изменения факторов эффективную мощность источника дуги представим через ток наплавки и рабочее напряжение. Согласно аналитической зависимости и предложенных схем охлаждения величину коэффициента температуроотдачи будут определять массовый расход охлаждающей среды и температура этой среды. Поскольку на наплавляемой и соседних с ней шейках необходимо создать различную интенсивность охлаждения, примем в качестве факторов, определяющих эти условия следующие:

- расход жидкости на наплавляемой шейке;

- температура жидкости на наплавляемой шейке;

- расход воздуха на наплавляемой шейке;

- расход жидкости на шейках, соседних с наплавляемой;

- температура жидкости на шейках, соседних с наплавляемой.

Одновременная подача воды и воздуха на наплавляемую шейку

осуществляется с целью расширения возможностей охлаждения. С этой же целью эти два фактора предложено изменять на четырех уровнях, в то время как остальные факторы на двух.

В таблице представлены уровни варьирования факторов. Уровни тока наплавки, рабочего напряжения, скорости наплавки и температуры охлаждающей жидкости приняты по нашим предварительным экспериментам, а расход жидкости по средним расчетным и опытным данным, приведенным во втором разделе.

В модели регрессионного анализа наиболее значимые следующие парные взаимодействия факторов: Расход смеси на соседние шейки -скорость наплавки; температура смеси нз наплавляемой шейке - ток наплавки.

Предложенному количеству факторов и парным взаимодействиям отвечает план 2211ББ00, который имеет следующую характеристику:

2б х 42 // 10 (1-2, 1-3, 2-4), где 2е - шесть факторов на двух уровнях;

42 - два фактора на четырех уровнях;

(1-2, 1-3, 2-4) - три парных взаимодействия.

Таблица 1.

Уровни в арь ированияфакторов

Уровни

Факторы .

I -3 I

_1_и

! 1 -1 1+1 [ +3

Расход охлаждающей жидкости на шейки,соседние с наплавляемой, кг/с

0,08 (4,8)

0,12 (7,2)

Температура охлаждающей, жидкости на наплавляемой шейке, °С

20

30

Скорость наплавки, - 2,5 3,3

м/с х 10~3 (об/мин) (0,6 (0,78

Ток наплавки, А

об/мин) об/мин) 140 160

Расход воздуха на наплав- 0,04 0,03 0,12 0,16 ляемой шейке, м3/мин

Расход охлаждающей жидкости на наплавляемой шейке, кг/с (л/мин)

0,04 0,08 (2,4) (4,8)

0,12 0,16 . (7,2) (9,6)

Температура охлаждающей жидкости на шейках, соседних с наплавляемой,°С

20

30

8. Рабочее напряжение, В

26

30

С помощью этого плана можно получить модель регрессионного знзлиза

У1 = Ьо + Ь}Х1 + Ь2Х2 + ЬзХз + ЬфХ4 + Ь5Х5 + ЬббХз2 + + Ьб55Х53 + ЬбХб + ЬббХб2 + ЬбббХб3 + Ь?Х? + + ЬоХэ + Ь12Х1Ха +Ь1зХ1Хз + Ь24ХгХ4,

3

6

где XI - расход охлаждающей жидкости на шейки, соседние с наплавляемой; Х'2 - температура охлаждающей жидкости на наплааляемой.. шейке; Хз - скорость наплавки; Х4 - ток наплавки; Х5 - (четырех, уровневый фактор) расход воздуха на наплавляемой шейке; Ха - (четырех уровневый фактор) расход охлаждающей жидкости на наплавляемой шейке; Х7 - температура охлаждающей жидкости на шейках соседних с наплавляемой; Хз - рабочее напряжение; у^ - отклик.

В качестве откликов были приняты: У1 - изменение длины вала; У2 - биение вала; уз - образование трещин )общая длина трещин на всех шейках). Кроме этого в каждом опыте оценивали сопротивляемость стали образованию холодных трещин по количеству мартенсита и твердости металла в зонах наплавки и термического влияния.

Эксперименты по наплавке коленчатого вала двигателя "КамАЗ- 740" проводили на модернизированной наплавочной установке с использованием устройства для охлаждения при сварке изделий с поверхностями вращения. В качестве наплавочного материала использовали электродную проволоку (Нп-70) диаметром 1,4 мм. Микроструктуру наплавленных и переходных слоев исследовали на металлографическом микроскопе ШМ-8м с увеличением ХЗГО и Х500.

Твердость образцов измеряли по методу Рогаелла на приборе ТК-2м, а для измерения микротвердости использовали микротвердомер ПМТ-3.

Сравнительные лабораторные испытания на износостойкость проводили на машине трения типа СМЦ-2 в среде смазки с добавлением 27. электрокорунда зернистостью 20...40 мкм. Время испытзний 10 часов при удельной нагрузке 5 МПа.

Наличие трещин и их длину определяли магнитопорошковым методом с помощью магнитного дефектоскопа Щ-50П, в качестве дисперсионной среды использовали смесь трансформаторного масла с керосином осветительным и магнитным порошком. Фиксировались трещины видимые через лупу с 4-х кратным увеличением.

Усталостные испытания отсеков коленчатых валов проводили на. универсальной испытательной машине УМ-4м методом ускоренных испытаний (метод Локати).

Эксплуатационные испытания восстановленных коленчатых валов проводили на автомобилях КамАЗ по плану наблюдений. Наблюдение осуществлялось за 14 автомобилями, из которых на двух были установлены новые валы, на шести частично восстановленные," на остальных шести влах были наплавлены все шейки. Для определения износа

двигатели разбирались через 70. ..85- тысяч-км.,., пробега. Удельный износ определяли на 10 тысяч км. пробега.,.,.

В четвертой главе конструктивные и технологические параметры управле1Йя термическим воздействием наплавки проверены при экспериментальном исследовании.

Показаны полученные после статистической обработки модели регрессионного анализа с коэффициентами, значимость которых подтверждена доверительным интервалом:

У1 = 530,12-75,12Х1+8Б,87X2-45,12X3-77,62X6+48,5X7-36,5х63; "-У2 - 420,12-75,87X1+60,37X2-40,12X3+64,12X5-57,12x6+ +40,37X7- 46.12Х63; УЗ =ч189,31+48,68X1+16,94X3+44,56x6+27,44Х53+18,56Х62-1?,0ВХ6Э; где наименования у; и Xj даны в пояснении к модели.

Было принято решение не проводить нового эксперимента с изменением интервалов варьирования, факторов по следующим причинам: 1) определены интервалы значений массового расхода и температуры охлаждающей жидкости, которые обеспечивают допустимые пределы изменения длины, биения вала и общей длины трещин на всех наплавленных шейках;' 2) подтверждена гипотеза адекватности по F - критерию Фишера для тех частей моделей, которые заданы полиномом первого порядка. На основе этих решений из 22, наплавленных в ходе экспериментов коленчатых* валов, для дальнейших исследований на износостойкость и усталостную прочность отобрано 9 валов. Дополнительно для этих исследований было наплавлено 12 валов на следующих режимах: массовый расход охлаждающей ..жидкости 4,8 л/мин на каждую наплавляемую и соседние с - ней -шейки при температуре 20...25°С; ток наплавки 150 А; скорость наплавки 2,9х10"3 м/с; рабочее напряжение 28 В. На этих режимах были получены следующие пределы изменения параметров оптимизации: уменьшение длины вала 377...472 мкм; биение вала 296...391 мкм; общая длина трещин 101.:л 206 мм.

Испытания на износ показали, что образцы из стали 42 ХМЭД-Ш, наплавленные на предложенных выше режимах электродной проволокой Нп-70 и термически обработанные лазером, имеют более высокую износостойкость, "чем образцы из этой же стали азотированные и тер-мообработанные по заводской технологии. Эти показатели, -а также более высокай"начальная скорость износа,у восстановленных образцов, объясняются особенностью технологии лазерной термообработки поверхности, которая ведется по винтовой линии и дает на поверх-

ности участки с различной твердостью, в результате чего создаются лучшие условия смазки трущихся поверхностей.

В результате усталостных испытаний установлено, что образцы коленчатых валов двигателей КамАЗ-740, восстановленные по предлагаемой технологии имеют предел выносливости при изгибе 6-1 = 117 МПа, по сравнению с б-i = 130 МПа для новых коленчатых валов, т.е. 90£ от уровня новых.

Проверка восстановленных коленчатых валов в условиях рядовой эксплуатации дает основание считать, что применение предлагаемого способа наплавки обеспечивает близкую к новым долговечность восстановленных коленчатых валов. Это подтверждается полигоном распределения скоростей изнашивания новых и восстановленных коленча-гых валов двигателей КамАЗ-740 и средней скоростью изнашивания на LQ ООО км. пробега в таблице 2.

Таблица 2

-!-----

|Средняя скорость изнашивания (МКМ) на 10 ООО км.пробега

Вейка вала|-1-

I Восстановленные | Новые

_I_1_

коренная 0,89 0,91

1атунная 0,79 0,74

Во время наблюдении случаев поломок валов не было. Некоторое ■величение скорости изнашивания восстановленных шатунных шеек по ¡равнению с новыми и лабораторными испытаниями на износостойкость ¡вязано по нашему мнению с тем, что полностью устранить остаточ-ые деформации не удалось.

Предложенная технология восстановления шеек коленчатых ва-:ов двигателей КамАЗ, изготавливаемых ив ст. 42хША-Ш позволяет вбежать применения такой операции, как правка вала, так как ос-аточная деформация (изгиб оси по средней коренной шейке) не пре-ышает 0,35'мм, что в 8...10 раз меньше, чем при использовании иловой технологии восстановления валов других двигателей. Усадка ала не превышает 0,7 мм, что на 3...4 мм меньше усадки, возникавшей при технологии существующей. Кроме того, после наплавки сох-аняется равновесная структура тела вала, полученная в результате ермоулучшения по заводской технологии изготовления вала.

Пятая глава содержит разработку технологического процесса и технике-экономическую оценку восстановления коленчатых валов двигателей КамАЗ-740.

Основанием для разработки техйологического процесса восстановления коленчатых валов послужили положительные результаты проведенных исследований.

Расчет экономической эффективности ведется по методике для ремонтныхпредприятий. Сложность точной оценки экономической эффективности в данный момент определяется значительными темпами инфляции.

Так как к настоящему времени нет апробированной и применяемой в ремонтных предприятиях доступной технологии восстановления коленчатых валов двигателей КамАЗ-740, за базу сравнения принимается стоимость нового вала, поставляемого на предприятия по оптовой цене (1985 г).

Общий расчетный годовой экономический эффект от внедрения новой технологии восстановления коленчатых валов двигателей КамАЗ-740 при программе 1000 шт будет равен 129590 рублей (1985г.).

Общие выгоды

1. Известные способы восстановления шеек коленчатых валов автотракторных дизелей могут обеспечить износостойкость наплавленного металла близкую или даже выше, чем у новых деталей. Однако нет достаточно приемлемой технологии, которая могла бы обеспечить усталостную прочность восстановленных коленчатых валов на уровне новых.

2. Основными причинами, по которым происходит снижение усталостной прочности, являются сварочные деформации и трещины в наплавленном металле и переходной зоне, а одним из возможных приемов уменьшения этих дефектов может быть управляемый теплоотвод ео время наплавки. При этом в качестве критериев оценки сопротивляемости различны?: сталей образованию холодных трещин могут быть: оптимальный интервал скорости охлаждения, допустимое количество мартенситов и твердость в наплавленном металле и переходной зоне.

3. Образование мартенсита в наплавленном металле и зоне термического влияния наплавки возрастает с увеличением мгновенной скорости охлаждения, а при уменьшении скорости охлаждения ниже определенного значения возможно разупрочнение основного металла. Установлены оптимальные интервалы мгновенной скорости охлаждения

сталей, иг которых наготавливают коленчатые валы дизельных двигателей.

Режимы наплавки и охлаждения коленчатого вала двигателя автомобиля КамАЗ

Шейка вала Погонная энергия наплавки, КДж/м Коэффициент температуроотдачи, С-1 Мгновенная скорость охлаждения, и, К/с Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К)

Ь1 1- Ьг аг

Шатунная 39119 1 0,037|0,052 4,3 3707 • 5221 -

66461 0,03310,044 1 3,8 3306 4418'

Коренная 39119 1 0,035|0,049 4,15 4157 3820

66461 0,031|0,042 1 3,6 3718 5048 .

4. Приведенные теоретические исследования позволили найти зависимость мгновенной скорости охлаждения от режимов наплавки и охлаждения, где режим охлаждения характеризуется коэффициентом температуроотдачи и теплоотдачи.

Получены уравнения, позволяющие определять коэффициенты температуроотдачи при условиях, когда приращение температуры в сечении наплавки не превышает температуры начала мартенситных превращений, а оптимальная общая температура изделия находится в пределах 373.. .473 К. Предложена схема принудительного охлаждения изделия, с помощью которой можно реализовать поставленные условия.

Определены коэффициенты температуроотдачи и теплоотдачи, при которых обеспечивается оптимальная мгновенная скорость охлаждения для заданных режимов наплавки коленчатого вала двигателя автомобиля КамАЗ.

5, Предложена конструкция охлаждающего устройства и получено уравнение для определения средней скорости потока охлаждающей жидкости в этом устройстве в зависимости от коэффициента теплоотдачи. Определены средняя скорость потока-и массовый-расход охлаждающей жидкости при наплавке на заданных режимах.

Б. Получена модель регрессионного анализа, определяющая ха-

рактер деформации и образование трещин в наплавленном слое шеек коленчатого вала двигателя автомобиля КамАЗ в диапазонах регулирования следующих основных факторов: ток наплавка 140. ..160 А; рабочее напряжение 26...30 В;скорость наплавки 2,5...3,3 х 10-3ы/с массовом расходе охлаждаощей жидкости 2,4...9,6 л/мин при начальной температуре 20...30°С.

7. Теоретические предпосылки к выбору принудительного охлаждения и проведенные лабораторные исследования позволили определить такой расход охлаждающей жидкости-и режим наплавки, при котором обеспечивается необходимая структура металла в наплавленном слое и эонах переходной и термического влияния.

8. Экспериментальные исследования подтвердили, что предложенные режимы наплавки с регулируемым охлаждением и последующая лазерная термическая обработка поверхности шеек обеспечивают: более высокую стойкость на изнашивание абразивно-масляной прослойки по сравнению с образцами изготовленными по заводской технологии; относительную выносливость в пределах 891 по сравнению с новыми образцами; износ в среднем меньше на 8%, чем у валов восстановленных перешлифовкой при эксплуатационных испытаниях.

9. Разработан технологический процесс восстановления наплавкой в активной паровой смеси коленчатого вала двигателя автомобиля КамАЗ-740, особенностью которого является принудительное охлаждение вала во Еремя наплавки и лазерная термическая обработка шеек после наплавки. Использование этих оперзций обеспечивает получение заданных геометрических параметров коленчатого вала без операции правки вала.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. В.А.Демченко, Г.Е.Филатов. Наплавка деталей е парообразной смеси. "Техника е сельском хозяйстве" N 12, 1984. - 2 с.

2. Г.Е.Филатов, М.В.Федоринов, В.А. Демченко. Особенности восстановления шеек коленчатых валов двигателей КамАЗ в газофлю-сующей среде. - В кн: Влияние технического обслуживания и ремонта сельскохозяйственной техники, на ее долговечность. Груды ВСХК 30. - М: 1985.- Б с.

3. Г.Е.Филатов, В.Е.Рогов, М.В.Федоринов, В.А.Демченко. Способ наплавки цилиндрических деталей. A.c. N 1248746 (СССР). Опубл. в б.и., 198 j, N 29. - 2 с.

я

I

п.

4

4. А.й.Ееселков, М.В.Федоринов, В.А.Демченко, Г.Е. Филатов. Устройство для охлаждения при сварке изделий с поверхностями вращения. A.C. N 1253483 (СССР). Опубл.в б.и., 198В, N 38. - 4 с.

5. Р.Т.Абдрашитов, В.П.Агатов, В.А.Демченко, В.А.Никитенко, Г.Е. Филатов. Способ защиты зоны сварки. A.c. N 1269938 (СССР). Опубл.В б.м., 1986, N 42. - 2 с.

6. В.А.Демченко, Г.Е.Филатов, С.А.Вовченко, В.Г.Букин. Способ лазерной обработки. Положит.решение от'29.11,93 г. N 5058084. -4 с.

7. Г.Е. Филатов, В.Е. Рогов, М.В.Федоринов, В.А.Демченко. Способ наплавки цилиндрических деталей. Информационный листок N 161-96 ОЦНТЙ, 1996 г.- 4 с.

8. Г.Е. Филатов, А.И.Веселков, М.В. Федоринов, В.А.Демченко. Устройство для охлаждения при сварке изделий с поверхностями врщения. Информационный листок N 183-96 ОДНТИ, 1996 г. - 4 с.

9. Г.Е.Филатов, Р.Т.Абдрашитов, В.П.Акимов, В.А.Демченко, В.А.Никитенко. Способ защиты зоны сварки. Информационный листок N 165-96 ОЦНТЙ, 1996 г. - 4 с.