Удосконалення технології термічної обробки поршневих пальців дизельних двигунів при їх відновленні

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.16.01 - Металознавство та термічна обробка металів

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ

ПОРШНЕВИХ ПАЛЬЦІВ ДИЗЕЛЬНИХ ДВИГУНІВ ПРИ ЇХ ВІДНОВЛЕННІ

КАПЕЛЮШНИЙ ФЕДІР МИХАЙЛОВИЧ

Запоріжжя - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Експлуатація та ремонт машин" Кіровоградського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Солових Євген Костянтинович, декан факультету ППС,

професор кафедри "Експлуатації та ремонту машин" Кіровоградський державний технічний університет

Офіційні опоненти:

Заслужений діяч науки і техніки України, академік АНВШ, доктор технічних наук, професор Волчок Іван Петрович,

зав. кафедрою “Технологія металів” Запорізького національного технічного університету;

Заслужений діяч науки і техніки, лауреат державної премії України, доктор технічних наук, професор Скобло Тамара Семенівна

професор кафедри „Ремонт машин”, Харківський державний технічний університет сільського господарства

Провідна установа: Державне підприємство “Завод ім. В.О. Малишева” Міністерства промислової політики України (м. Харків)

Захист відбудеться 08.06.2004 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01 у Запорізькому національному технічному університеті за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького національного технічного університету за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розісланий 05.05.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, проф. Ю.М. Внуков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Надійність і довговічність вузлів, агрегатів в цілому поряд з продуктивністю і економічністю є основними критеріями оцінки сучасної техніки.

Сучасний стан надійності техніки не відповідає пред'явленим вимогам, у результаті чого основні витрати на ремонт машин і устаткування приходяться на запасні частини, при виготовленні яких витрачається більш половини металопрокату, що йде на випуск машин.

Важливим резервом підвищення надійності, довговічності і економічної ефективності техніки є відновлення і зміцнення спрацьованих деталей.

Останнім часом в науці й практиці з'являються нові прийоми, що дозволяють інтенсифікувати деякі фізико-хімічні процеси в металах за рахунок використання їхньої природи та особливостей структурних перетворень. Поширення набули способи відновлення деталей, що поєднують термічний вплив на метал з його пластичною деформацією. Серед них на увагу заслуговує спосіб, при якому нагрівання трубчастих тіл проводять струмами високої частоти (СВЧ) і використовують проточне охолодження внутрішньої поверхні. Але він має ряд недоліків, які можна подолати використавши електроконтактне нагрівання (ЕКН) і комбіноване спрейєрне охолодження. В даній роботі запропоновано термічну обробку яка дає можливість одержувати по перерізу деталі залишкові деформації достатні для компенсації величини спрацювання. При цьому фізико-механічні та експлуатаційні властивості відновлених деталей, не тільки не поступаються новим, але й перевершують їх. Удосконалення способів термічної обробки і використання їх для відновлення спрацьованих деталей є безумовно актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з координаційним планом №17 “Нові конструкційні матеріали та високоефективні технології виробництва” міжвузівських науково-технічних програм на 1997-1999 рр. (наказ Міністерства освіти України №37 від 13.02.96 р., п.1) з пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”, а також планом науково-дослідних робіт Кіровоградського державного технічного університету за тематикою “Розробка та впровадження нових технологій в виробництво і ремонт сільськогосподарської техніки”.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення якості поршневих пальців дизельних двигунів при їх відновленні удосконаленою термічною обробкою.

Для досягнення поставленої мети в роботі визначено розв'язання наступних задач:

1.Провести аналіз характеру інтенсивності зношування поршневих пальців дизельних двигунів і методів їх відновлення;

2.Обґрунтувати вибір електроконтактного способу нагрівання та комбінованого спрейєрного охолодження в процесі термічної обробки поршневих пальців при їх відновленні;

3.Провести теоретичний аналіз термопластичних та структурних деформацій матеріалу трубчастих тіл із сталей, що цементуються;

4.Отримати аналітичні вирази для керування технологічними параметрами термічної обробки ПП при відновленні;

5.Провести експериментальні дослідження процесу відновлення поршневих пальців дизельних двигунів термічною обробкою (ТО);

6.Дослідити структуру та властивості матеріалу відновлених поршневих пальців;

7.Провести стендові та експлуатаційні випробування поршневих пальців;

8.Розробити технологічний процес та конструкцію обладнання ТО при відновленні поршневих пальців;

9.Дати практичні рекомендації по впровадженню запропонованої технології відновлення ПП у ремонтне виробництво з техніко-економічною оцінкою ефективності розроблених заходів.

Об'єкт дослідження - відновлені термічною обробкою поршневі пальці дизельних двигунів.

Предмет дослідження - процес зміни розмірів при ЕКН і комбінованому спрейєрному охолодженні трубчастих тіл зі сталей, що цементуються.

Методи дослідження. При виконанні теоретичних досліджень використовувались фізико-математичні методи моделювання процесу нагрівання, охолодження і зміни зовнішнього діаметру ПП на основі теорії електроконтактного нагрівання, законів гідравліки, теорії пластичної деформації, теорії термічної обробки та фізики твердого тіла.

Експериментальні дослідження проводились в лабораторних, стендових та виробничих умовах. Для дослідження структури та фізико-механічних характеристик матеріалу ПП використовувались сучасна вимірювальна техніка і комплекс відповідних методів і методик.

Теоретичні розрахунки і статистична обробка експериментальних даних проводились з використанням пакетів прикладних програм на ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше доведена можливість застосування ЕКН і комбінованого спрейєрного охолодження для відновлення і зміцнення трубчастих деталей зі сталей, що цементуються;

- встановлено ефект збільшення зовнішнього діаметра трубчастих тіл з цементованих марок сталі за рахунок створення умов для пластичної деформації і фазових перетворень у поверхневих шарах;

- встановлено суттєвий вплив внутрішнього спрейєрного охолодження на величину приросту зовнішнього діаметру трубчастих тіл, а зовнішнього -- на фізико - механічні властивості робочої поверхні;

- запропоновані функціональні залежності між технологічними параметрами термічної обробки і залишковою деформацією.

Наукова новизна підтверджується патентами на винахід України: № 39273А від 15.06.01р.; № 59059А від 15.08.03р.

Практичне значення одержаних результатів:

-встановлені причини недостатньої довговічності ПП дизельних двигунів;

-сконструйований і виготовлений пристрій для відновлення ПП запропонованою термічною обробкою.

-відновлені запропонованою термічною обробкою ПП не мають відхилень по формі і дефектів при наступній механічній обробці завдяки чому кількість браку знижується на 30%;

-одержано рівномірну твердість по всій робочій поверхні ПП та підвищену механічну міцність;

-вперше проведено аналіз порівняльних випробувань поршневих пальців дизельних двигунів тракторів і автомобілів;

-ресурс зміцнених ПП при відновленні термічною обробкою перевищує ресурс нових на 10...15% і на 30...35% - ресурс відновлених відомим способом;

-результати досліджень прийняті до впровадження в ремонтному виробництві Ульяновського РТП Кіровоградської області.

Особистий внесок здобувача. Автором проведено аналіз величини та характеру спрацювань поршневих пальців дизельних двигунів тракторів і автомобілів, обґрунтовано можливість відновлення термічною обробкою спрацьованих ПП за допомогою ЕКН та комплексного спрейєрного охолодження змінної інтенсивності потоку.

Проведені експериментальні дослідження структури і властивостей матеріалу відновлених ПП, а також стендові та експлуатаційні їх випробування відповідно до поставлених задач. Розроблено та виготовлено пристрій для відновлення ПП термічною обробкою. Розроблено технологічні рекомендації до впровадження запропонованої технології відновлення ПП та доведена її економічна ефективність.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень доповідалися на науково-технічних конференціях Кіровоградського державного технічного університету (м. Кіровоград, 1985 - 2003 р); на міжнародних науково-технічних конференціях: присвяченої 75-річчю академіка Ю.Н. Петрова (Молдова, м. Кишинів, 1996 р.), “Математичні моделі фізичних процесів” (Росія, м. Таганрог, 1997, 2001 р.), “Проблеми конструювання, виробництва й експлуатації сільськогосподарської техніки” (м. Кіровоград, 1997, 1999, 2001, 2003 р), присвяченої 65-річчю Державного аграрного університету Республіки Молдови (м. Кишинів, 1998 р.), “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2001, ЗНМ-2003)” (м. Хмельницький, 2001, 2003 р), “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (м. Харків, 2001, 2003 р.); на 5-му та 6-му міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків (м. Львів, 2001, 2003 р.), "Машинобудування та металообробка - 2003"(м. Кіровоград, 2003 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 19 статей, у тому числі 11 статей у наукових фахових виданнях, тези конференцій, одержано 2 патенти України на винахід.

Обсяг і структура дисертації. Робота викладена на 153 сторінках машинописного тексту, містить 36 малюнків, 24 таблиць і бібліографію з 156 найменувань. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку літератури і додатків. Робота виконана на кафедрі “Експлуатація і ремонт машин” Кіровоградського державного технічного університету.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність дисертаційної роботи, визначена мета, сформульовані задачі дослідження, наведені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, подані відомості про апробацію, публікації і структуру дисертації.

У першому розділі міститься огляд літературних джерел за темою дисертаційного дослідження. Зазначені конструктивні особливості та умови роботи поршневих пальців (ПП) дизельних двигунів. Оскільки ПП працюють у важких умовах, то до них висуваються жорсткі вимоги на міцність і геометричну форму (ГОСТ 616-79). Зовнішня поверхня ПП підлягає цементації після чого здійснюється загартування. Мікроструктура загартованого шару ПП повинна складатися з дрібноголчатого мартенситу, в якому допускаються рівномірно розподілені включення цементиту, залишкового аустеніту та трооститу. Твердість робочої поверхні ПП у відповідності з вимогами ГОСТ 616-79 повинна мати величину від НRC 56 до 63, а серцевини - від НRС 20 до 35.

З'ясовано, що зношування ПП залежить від багатьох причин, які не пов'язані між собою певною залежністю і в сукупності своїй є випадковими. Тому для обґрунтування можливості відновлення ПП до номінальних розмірів необхідно застосувати статистичні методи, виявити фактори, що мають суттєвий вплив на величину і характер зношування ПП, побудувати статистичну модель його спрацювання.

Проведено аналіз основних методів відновлення ПП. Відзначено, що в ремонтному виробництві методи термічної обробки застосовуються на різних етапах виконання технологічного процесу відновлення: відпалення, нормалізації, загартування. Відомі також випадки застосування ТО (нагрівання і охолодження) для відновлення геометричних розмірів спрацьованих деталей.

Серед сукупності способів відновлення деталей особливе місце займає гідротермічна роздача (ГТР), коли деталь нагрівають струмами високої частоти (СВЧ) і використовують проточне охолодження внутрішньої порожнини, досягають збереження її об'єму і здійснюють перерозподіл металу на спрацьовані робочі поверхні з одночасним його зміцненням.

Важливим недоліком цього способу є нестабільне отримання зовнішньої геометричної форми і потрібної структури металу. Використання ЕКН та охолодження внутрішнім і зовнішнім спрейєрами зі змінними інтенсивнями можна усунути зазначені недоліки.

Недоліком технологічного процесу відновлення ГТР є те, що нагрівання і охолодження деталі відбувається на різних установках, що приводить до збільшення тривалості процесу відновлення. Для усунення цього недоліку в даній роботі пропонується застосувати пристрій, який поєднує в собі як нагріваючу так і охолоджуючу частини.

Виявлено, що суттєві недоліки ГТР, обумовлені в основному як джерелом нагрівання, так і системою охолодження:

-нерівномірне нагрівання по товщині стінок ПП, обумовлене великим градієнтом температури і як наслідок зниження ефективності процесу термопластичного деформування;

-висока енергоємність процесу відновлення СВЧ;

-складність та висока вартість обладнання;

-необхідність високої кваліфікації обслуговуючого персоналу;

-шкідливість дій СВЧ на обслуговуючий персонал;

-складність переналагодження обладнання (для кожного типу ПП необхідний свій індуктор);

-збіднення на вуглець поверхневого цементованого шару при перегріванні пальця і, як наслідок, плямистість твердості відновленої поверхні;

-через те, що охолодженню підлягає тільки внутрішня поверхня ПП, знижується твердість зовнішньої поверхні, зростає величина зерна;

-невеликі швидкості охолодження проточною водою обумовлюють корсетоподібну геометричну форму поршневого пальця через різну швидкість відведення тепла в різних перерізах ПП та виникнення різних за величиною термопружних напружень, і як наслідок велика кількість технологічного браку.

Беручи до уваги зазначені недоліки й високий відсоток бракованих деталей, через наявність корсетоподібної форми зовнішньої циліндричної поверхні, причиною якої є нерівномірне роздавання, та отримання нестабільної структури, в даній дисертаційній роботі запропоновано шляхи вирішення цих проблем удосконаленою термічною обробкою. Для зниження енерговитрат й рівномірного нагрівання ПП по довжині пропонується замінити спосіб нагрівання струмами високої частоти на електроконтактний спосіб нагрівання, який має більший ККД - більшу ефективність нагрівання. Для підвищення якості робочої поверхні ПП пропонується охолоджувати як внутрішню, так і зовнішню поверхні.

У другому розділі подані програма і методики експериментальних досліджень. Комплекс досліджень виконувався за програмою:

на першому етапі (І) проводився вибір і розробка обладнання для роздачі ПП ТО, була визначена сукупність методик теоретичних і експериментальних досліджень зміни геометричних розмірів ПП, вимірювання основних технологічних параметрів ТО, досліджень структури та фізико-механічних властивостей робочих поверхонь ПП, механічної міцності, твердості, внутрішніх напружень, зносостійкості;

на другому етапі (II) здійснювалось теоретичне обґрунтування вибору електроконтактного способу нагрівання та комбінованого спрейєрного способу охолодження, проводився аналіз деформацій деталей в процесі ТО при відновленні трубчастих деталей зі сталей, що цементуються;

на третьому етапі (III) проводили експериментальні дослідження впливу технологічних параметрів на процес відновлення ПП, структури та фізико-механічних властивостей;

завданням четвертого етапу (IV) було вивчення впливу технологічних параметрів ТО на експлуатаційні властивості відновлюваних ПП, проведена оцінка їх працездатності в умовах стендових та експлуатаційних випробувань;

на п'ятому етапі (V) розроблялись технологічні процеси ТО при відновленні ПП, рекомендації до їх впровадження у виробництво та проводилась техніко-економічна оцінка запропонованої технології відновлення.

Відновлення ПП здійснювали на машині МТП-150 з використанням сконструйованого пристрою (патент на винахід України № 59059А від 15.08.03р.), що суміщає ЕКН і комбіноване спрейєрне охолодження.

Пристрій забезпечує такі можливості:

-відновлення зовнішнього діаметра ПП;

-усування браку в деталях, що відновлюються, по "корсетності";

-підвищення твердості робочої поверхні ПП;

-запобігання тріщиноутворенню;

-зменшення енергоємності процесу відновлення у порівнянні з процесом, що використовує нагрівання деталі струмом високої частоти.

Для дослідження основних технологічних параметрів відновлення ПП вимірювали температуру, швидкість нагрівання та охолодження. Об'єм рідини, що був використаний для спрейєрного охолодження визначали витратоміром УВК-25. Для металографічних досліджень використовували мікроскоп МИМ-8М, при збільшеннях х100...900. Рентгеноструктурний аналіз цементованого шару відновлених ПП проводили на дифрактометрі ДРОН-ЗМ у К_б- Со випромінюванні при напрузі на трубці 30 кВ і струмі 40 мА. Концентрація вуглецю контролювали рентгенівським спектральним мікроаналізом та за допомогою оже-електронних спектрів, які знімали на електронному високовакумному електрометрі Е8-300 фірми "Кгаtоз" з розподільчою здатністю приладу - 0,95 еВ для лінії Аg3d_5/2. Твердість відновлених поршневих пальців визначали за шкалою Роквелла на приладі ТК-2М (ГОСТ 619-67). Мікротвердість по глибині загартованого шару вимірювали за допомогою приладу ПМТ-3 (ГОСТ 9450-76). Вміст залишкового аустеніту у зразках відновлених ПП визначали як рентгеноструктурним аналізом, так і за допомогою пакету прикладних програм Рhotoshop 5.0. Залишкові деформації та напруження визначали методом тензометрування. Дослідження зносостійкості проводили на машині тертя СМЦ-2 за схемою "ролик - часткова вкладка" ваговим методом.

Статистичну обробку і аналіз експериментальних даних здійснювали на ПЕОМ з використанням пакету програм SТАТІSТІСА-5.5.

У третьому розділі дано теоретичне обґрунтування можливості відновлення геометричних розмірів ПП удосконаленою ТО. Показано, що від правильного розв'язання питань, пов'язаних з вибором способу нагрівання і охолодження деталей залежить їхня якість після термічної обробки, яка суттєво впливатиме на комплекс фізико-механічних та експлуатаційних властивостей робочих поверхонь.

Для оцінки температури та характеру нагрівання використали рівняння теплопровідності з граничними умовами, яке враховує специфіку ЕКН:

, (1)

(2)

де Т - температура; z - повздовжня координата; t - час нагрівання; а - коефіцієнт температуропроводності; b, b₁, с - функції струму, питомого опору та інші фактори, що не залежать від координати z та часу t; T_k - температура під контактної частини деталі; L - довжина зони, що нагрівається. За допомогою прямих і зворотних перетворень Лапласа доведено, що у випадку коли

(3)

Температуру поверхні поршневого пальця можна оцінити за виразом:

 (4)

Залежність (4) означає, що температура є однаковою при ЕКН по всій довжині ПП, тобто Т(z) = соnst, в даний момент часу. Окрім цього доведена і продуктивність ЕКН у порівнянні з іншими способами нагрівання. Це свідчить про доцільність використання ЕКН при відновленні ПП.

На основі законів термодинаміки і гідравліки показано, що спрейєрна система охолодження органічно узгоджується з ЕКН і дозволяє реалізувати при швидкому нагріванні швидке охолодження, отримати оптимальну структуру та властивості загартованого шару деталі. Запропонований комбінований спосіб охолодження внутрішнім та зовнішнім спрейєрами дає можливість реалізувати високу інтенсивність відведення тепла від різних частин пальця і рівномірного охолодження його в цілому. Рівномірність охолодження залежить від характеру розподілу отворів на поверхнях спрейєрів.

На основі закону Клапейрона - Клаузіуса, рівняння Лапласа проведена оцінка кількості отворів та їх площ в процесі рівномірної подачі рідини:

, (5)

, (6)

, (7)

де Р - тиск подачі рідини у спрейєрі; Р_і - тиск в і-тому перерізі спрейєра; r -питома теплота пароутворення; с, с_n - густина рідини і пари; Т - температура рідини; л - коефіцієнт гідравлічного тертя; - еквівалентний діаметр; F - площа поперечного перерізу спрейєра; f_і - площа і - го отвору спрейєра; ч -периметр поперечного перерізу спрейєра; w_k - швидкість рідини; n - кількість отворів; l₀ -відстань між осями двох суміжних отворів; м - коефіцієнт витрати для бічного отвору.

Доведено, що на поверхні зовнішнього спрейєра в середній його частині діаметри отворів повинні бути меншими ніж в частинах біля торців. Збільшення діаметру отворів ближче до торців необхідна для компенсації втрат тиску охолоджуючої рідини через її витікання крізь отвори в середній частині, характер рjзміщення отворів у внутрішньому спрейєрі протилежний до зовнішнього. Можна рекомендувати менші отвори діаметром 0,8...1,0 мм, а більші - 2...2,5 мм з кроком - 7...10 мм. Для охолодження внутрішньої циліндричної поверхні пальця доцільно свердлити отвори в спрейєрі під деяким кутом. Визначення величини оптимального кута потребує додаткових теоретичних та експериментальних досліджень.

Для з'ясування фізичної природи зміни геометричних розмірів ПП під час ЕКН і комбінованого спрейєрного охолодження використано спеціальну схему. поршневий палець деформація відновлення

На основі рівнянь теплопровідності і напруженого стану запропоновано фізико-математичну модель процесу зміни розмірів трубчастих тіл при запропонованій ТО, яка дала можливість оцінити повний приріст діаметру:

ДD = ДD_p + ДD_f, (8)

де ДD_p - збільшення діаметру незворотною пластичною деформацією, що виникає при умові, коли температурні напруження забезпечують необхідний рівень, що відповідає границі текучості матеріалу; ДD_f - приріст діаметра за рахунок фазових перетворень при загартуванні (високошвидкісний перехід аустеніт - мартенсит).

Визначено, що головний внесок в приріст зовнішнього діаметру трубчастих тіл зі сталей, що цементуються здійснюють залишкові пластичні деформації. Отримано вирази для величини деформації ПП з урахуванням фізико-механічних характеристик матеріалу і технологічних параметрів термічної обробки.

Проведено теоретичний аналіз залишкових деформацій й одержано залежність їх величин від тривалості процесу ТО.

У четвертому розділі приведені результати експериментальних досліджень. З використанням пакету прикладних програм SТАТІSТІСА - 5.5 побудована статистичну модель зношування поршневого пальця. Показано, що необхідною величиною зміни в лінійних розмірів ПП (по діаметру) в процесі їх відновлення повинно складати не менше 0,13мм.

Результати досліджень залежності приросту зовнішнього діаметру ПП від основних технологічних параметрів ЕКН подано в таблиці 1, а комбінованого спрейєрного охолодження в таблиці 2.

Таблиця 1. Залежність величини деформації поршневого пальця від температури і проміжку часу ЕКН (І_н=35кА)

№	tн, c	T°С	ДD, мкм
1	8	760…780	20…90
2	10	780…800	120…160
3	12	800…830	200…250
4	14	830…880	260…280
5	16	900 і вище	300…320

З таблиці 1 можна бачити, що величина деформації ПП від температури і тривалості нагрівання зі збільшенням зазначених параметрів помітно збільшується. Існує нелінійна залежність деформації ПП від величини струму.

Величина залишкової деформації і якість поверхневого шару деталі формується під впливом комбінованого спрейєрного охолодження. Залежність величини деформації ПП від тривалості внутрішнього спрейєрного охолодження подано в таблиці 2.

Таблиця 2. Залежність тривалості внутрішнього спрейєрного охолодження на величину деформації ПП (І = 35 кА, t_н = 12 с).

t, с	1	2	3	4	5
ДD, мкм	5…10	20…50	150…180	200…250	200…250

Показано, що тривалість охолодження зовнішнім спрейєром практично не впливає на твердість матеріалу ПП після 5 с. і на вміст залишкового аустеніту до 6 с.

Експериментальні дослідження дали можливість вибрати оптимальні, технологічні параметри відновлення ПП запропонованим методом: сила струму І = 30...35 кА, проміжок часу нагрівання t_н = 10...12 с, проміжок часу охолодження зовнішнім спрейєром t_{ох.з.спр.} = 6...8 с, проміжок часу охолодження внутрішнім спрейєром t_{ох.вн.спр.} = 4...6 с, інтенсивність потоку охолоджуючої рідини на внутрішній поверхні пальця З...4 л/с-см² і на зовнішній поверхні - 0,014...0,015 л/с-см². Математичне планування багатофакторного експерименту підтверджує вибір значень зазначених параметрів.

Окрім цього, експериментальні дослідження показали, що запропонований спосіб має суттєві переваги у порівнянні зі способом нагрівання СВЧ. Особливо це стосується рівномірної подачі кількості теплової енергії в кожний елемент об'єму ПП і можливості, не перегріваючи палець, отримувати необхідну структуру і твердість у відповідності з ГОСТ 616-79, а також дозволяє автоматизувати процес відновлення ПП.

Проведений аналіз гартувальних середовищ дозволив вибрати для охолодження внутрішньої поверхні 10% водяний розчин NаСІ, а 5% водяний розчин марганцевокислого калію для охолодження зовнішньої поверхні пальця.

Мікроструктура загартованого цементованого шару ПП запропонованим способом відновлення являє собою дрібноголчатий мартенсит не вище 4 балу з рівномірно розподіленими включеннями цементиту, залишкового аустеніту та трооститу.

Дослідження у характеристичному рентгенівському випромінюванні показали, що при нагріванні СВЧ вуглець вигоряє біля поверхні, а також дефондує у внутрішні шари за рахунок перегрівання металу, у той час, як при ЕКН не спостерігається вигоряння вуглецю в поверхневих шарах. Це підтверджує і оже-спектральний аналіз, проведений за глибиною цементованого шару сталі 12ХНЗА.

Глибина загартованого шару складає 1,1...1,6 мм. Величина мікротвердості при відновленні запропонованим способом більша на 6...8% від традиційного способу ГТР.

Отримані дані показали, що на поверхні виникають стискуючі залишкові напруження порядку 400 МПа, які швидко переходять в поверхневі розтягуючи напруження порядку 200 МПа. На глибині біля 4 мм залишкові напруження знову переходять в стискуючі досягаючи величини 150 МПа і на внутрішній поверхні ПП знижується майже до нуля.

Зазначимо, що величина і розподіл залишкових напружень залежать від багатьох факторів: твердості і глибини загартованого шару; режиму нагрівання й охолодження, якості матеріалу, розподілу загартованого шару на поверхні виробу.

Результати дослідження зносостійкості зразків, виготовлених з ПП, що відновлені запропонованим способом, на 20…30% вища зносостійкості нових деталей. При відсутності тенденції до монотонного зниження величини навантаження, при якому починається розтріскування зразків, зусилля зминання пальців, відновлених ГТР з індукційним нагріванням (на 0,9%) і з ЕКН з комбінованим спрейєрним охолодженням (на 2,5%) є вищою, ніж для нових деталей, а величина руйнівного зусилля перевищує допустиме значення для даної марки сталі 590 кН.

У п'ятому розділі наведено результати стендових та експлуатаційних випробувань двигунів СМД-60, СМД-62, ЯМЗ-236. Випробування двигунів проводили на стенді КИ-3824 (ГОСТ 491-55).

Порівняльні дослідження працездатності серійних та експериментальних ПП показали, що знос експериментальних ПП в 1,3 рази менший від серійних, а знос спряжень відповідно: "ПП - бобишка поршня" - в 1,3, а "ПП - втулка шатуна" - 1,7 рази у порівнянні з величиною зносу в парі з серійними ПП.

Величина зносу ПП, відновлених нагріванням СВЧ і проточним охолодженням, в 1,2...1,4 рази більша від ПП, відновлених електроконтактним нагріванням і комбінованим спрейєрним охолодженням. Після 800 год. роботи всі випробувальні деталі мали добрі поверхні тертя.

Експлуатаційні випробування проводились в господарствах Кіровоградської та Черкаської областях. Дослідження зношуваного стану ПП проводили після напрацювання двигунами міжремонтного ресурсу, що відповідає для дизелів сімейства СМД згорянню 12 тон пального.

За час випробувань трактори відпрацювали по 750 м.-год., а пробіг кожного з автомобілів за цей час склав близько 50 тис. км. Результати експлуатаційних випробувань ПП (двигуни встановлені на тракторах Т-150К) показали що найбільше спрацювання має спряження втулка верхньої головки шатуна - поршневий палець, при відновленні СВЧ - 47 мкм, а ЕКН і комбінованим спрейєрним охолодженням -- 30 мкм. Що стосується поршневих пальців дизельних двигунів ЯМЗ-236, встановлених на автомобілях МАЗ-500, то їхнє максимальне спрацювання має також місце у спряженні з втулкою верхньої головки шатуна і в середньому складає відповідно 23 і 16 мкм, тобто, величина зношування поршневих пальців двигунів встановлених на тракторах Т-150К у 1,5...2,0 рази більше від величини зношування пальців у двигунах, встановлених на автомобілях МАЗ-500.

Розроблений технологічний процес відновлений для сталі 12ХНЗА має такі операції: мийка, дефектування термічна обробка (ЕКН і комбіноване спрейєрне охолодження), заключна механічна обробка.

Запропонована технологія відновлення ПП забезпечує значну економію матеріальних ресурсів (в середньому до 2,57 грн. на один палець), енергетичних (до 0,96 грн на один палець) та трудових ресурсів і прийнята до впровадження в Ульяновському РТП Кіровоградської області.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.Вперше доведена можливість застосування ЕКН і комбінованого спрейєрного охолодження для відновлення і зміцнення трубчастих деталей зі сталей, що цементуються.

2.Запропонований спосіб термічної обробки трубчастих тіл є перспективним для поршневих пальців дизельних двигунів, забезпечує однорідну структура матеріалу, яка являє собою дрібноголчатий мартенсит з твердістю НRС 62 та незначною кількістю залишкового аустеніту (г = 18%).

3.Теоретично обґрунтовано і експериментальне підтверджено, що приріст зовнішнього діаметра ПП запропонованим способом компенсує величину спрацювання, оцінену математико - статистичним методом, рівномірний по всій довжині твірної за рахунок рівномірного нагрівання електроконтактним способом і керованої інтенсивності охолодження в центральній частині і на торцях пальця.

4.Одержано аналітичні залежності приросту зовнішнього діаметра ПП від технологічних параметрів відновлення запропонованим способом і експериментально доведено їхню достовірність.

5.Рівномірне нагрівання кожного елементарного об'єму ПП дає можливість керувати температурою нагрівання, що запобігає вигорянню вуглецю з зовнішньої поверхні, чим забезпечується однакова твердість по всій робочій поверхні і товщина цементованого шару 1,2...1,8 мм.

6.Комбіноване спрейєрне охолодження дає можливість уникнути тріщиноутворення завдяки рівномірному охолодженню кожної елементарної ділянки поверхні за рахунок змінної інтенсивності потоку охолоджуючої рідини і сприяє виникненню переважно стискуючих напружень на робочій поверхні ПП. Механічна міцність при цьому зростає порівняно з ПП, відновленими нагріванням струмами високої частоти, в 1,2...1,4 разів і знаходиться на рівні нових.

7.Стендовими та експлуатаційними випробуваннями підтверджено, що зносостійкість ПП, відновлених запропонованим способом з ЕКН у 1,3...1,4 разів вище ніж зносостійкість пальців, відновлених ГТР з індукційним нагріванням і в 1,10...1,15 разів вище ніж зносостійкість нових пальців.

8.Розроблений та виготовлений пристрій для відновлення ПП термічною обробкою. Результати досліджень прийняті до впровадження в Ульяновському РТП Кіровоградської області. Річний економічний ефект на загальну програму відновлення складає 809160 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Жорник О.І., Черновол М.І., Солових Є.К., Капелюшний Ф.М. Вдосконалення технології відновлення ПП методом гідротермічної роздачі // Проблеми конструювання виробництва та експлуатації с/г техніки: збірник наукових праць. - Кіровоград: КІСМ, 1997. - С. 205-212. Здобувачем розроблено конструкцію для удосконаленої технології відновлення поршневих пальців термічною обробкою

2. М.И. Черновол, А.И. Жорник, Ф.М. Капелюшний, С.Н. Кихтенко, Абрамович, В.А. Жорник. Остаточные деформации, возникающие в поршневых пальцах при их восстановлении методом гидротермической раздачи // Труды международной конференции „Математика в индустрии". Таганрог: ТГПИ, 1998. - с. 329-331. Здобувачем розроблено модель залишкових деформацій поршневих пальців при їх відновленні.

3. Черновол М.І, Капелюшний Ф.М, Солових Є.К. Термическая обработка при восстановлении й ремонте деталей. // Збірник наук. праць Кіровоградського інституту с/г машинобудування. - Кіровоград: КІСМ, 1998.-Вип. 4. - С. 103-107. Здобувач запропонував спосіб термічної обробки при відновлені і зміцнені деталей сільськогосподарської техніки.

4. Капелюшний Ф.М., Чайковський О.Б., Солових Є.К. Дослідження напруженого стану поршневих пальців при відновленні. // Зб.наук. праць Кіровоград. держ. техн. університету. - Кіровоград: КДТУ, 2001.-Вип. 8. - С. 186-190. Здобувачем запропоновано спосіб аналізу напруженого стану поршневих пальців при відновленні ТО.

5. Капелюшний Ф.М. Оптимізація процесу охолодження при термічній обробці відновлювальних деталей // Конструювання, виробництво та експлуатація с/г машин: загальний державний міжвідомчий науково-технологічний збірник. Вип. 29. - Кіровоград: КДТУ, 2000. - С. 271 - 275.

6. Капелюшний Ф.М., Солових Є.К., Аулін В.В., Кулєшков Ю.В. Аналіз зносного стану ПП дизельних двигунів СМД-60, 62 та побудова статистичної моделі зносу. // Проблеми трибології (Problems of tribology). Хмельницький. - ТУП, 2001. - №3,4 (20). - с. 106-115. Здобувачем проведені експериментальні дослідження процесу зношування ПП дизельних двигунів, запропоновано статистичну модель зношування.

7. Капелюшний Ф.М. Вплив експлуатаційних факторів на зношування поршневих пальців дизельних двигунів// Праці Таврійської державної агротехнічної академії, Мелітополь. Випуск 2,-т. 17, 2001. - с. 113-117.

8. Аулін В.В., Капелюшний Ф.М., Солових Є.К., Солових А.Є. Теоретичне обґрунтування доцільності вибору спрейєрного способу охолодження ПП під час їх ГТПР // Вісник Харківського держ. техн. університету с/г. Вип. 8. - / Підвищення надійності відновлюємих деталей машин. -Харків, 2001. - с. 217-222. Здобувачем проведено експериментальне дослідження, що до доцільності комбінованого спрейєрного способу охолодження ПП. На основі законів термодинаміки і гідравліки запропоновано модель охолодження ПП.

9. Капелюшний Ф.М., Аулін В.В., Солових Є.К., Лізунов С.М. Обґрунтування доцільності вибору ЕКН ПП при їх ГТПР. // Збірник наукових праць КДТУ / Техніка в с/г виробництві, галузеве машинобудування., автоматизація. Вип 11. - Кіровоград, 2002 - с. 185-192. Здобувачем проведено теоретичні дослідження ефективності використання ЕКН для відновлення ПП дизельних двигунів.

10. Черновол М.І, Капелюшний Ф.М, Солових Є.К., Солових А.Є. Підвищення післяремонтного ресурсу поршневих пальців гідротермопластичною роздачею // Вісник ХДТ УСГ. - випуск 14 „Підвищення надійності відновлюємих деталей машин". - Харків 2003. - с. 118-122. Здобувачем на основі математико-статистичних методів і теорії надійності проведено розрахунок ресурсу відновлених поршневих пальців

11. Капелюшний Ф.М., Солових Є.К., Аулін В.В., Солових А.Є. Підвищення якості відновлення поршневих пальців дизельних двигунів транспортних засобів ГТПР. // Зб.наук.праць КДТУ / Техніка в с/г виробництві, галузеве машинобуд., автоматизація. Вип 13. - Кіровоград: КДТУ, 2003 - С. 271-274. Здобувачем сформульовано технологічні можливості пристрою для відновлення ПП ТО.

12. Пат. 39273 А, С21D1/56. Спосіб відновлення трубчастих виробів із сталей, що підлягають цементації / Черновол М.І., Наливайко В.М., Капелюшний Ф.М. та ін. - №99010214; Заявл. 14.01.1999; Опубл. 15.06.2001; Бюл. №5.

13. Пат. 59059 А, С21В1/00. Електроконтактний спосіб відновлення трубчастих циліндричних виробів із марок сталей, що цементуються / Черновол М.І., Капелюшний Ф.М., Солових Є.К. та ін. - №2002129967; Заявл. 11.12.2002; Опубл. 15.08.2003; Бюл. №8.

АНОТАЦІЯ

Капелюшний Ф.М. Удосконалення технології термічної обробки поршневих пальців дизельних двигунів при їх відновленні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 - Металознавство та термічна обробка металів. - Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2004 р.

Дисертація присвячена підвищенні якості поршневих пальців дизельних двигунів при їх відновленні удосконаленою термічною обробкою. Теоретично обґрунтовано використання електроконтактного способу нагрівання та комбінованого спрейєрного охолодження при відновленні та зміцненні трубчастих тіл із марок сталей, що цементуються. Експериментальними дослідженнями доведено, що запропонований спосіб має більшу ефективність нагрівання, знижує енерговитрати та відсоток бракованих деталей, зменшує тривалість процесу відновлення за рахунок суміщення нагрівної та охолоджуваної частин у запропонованому пристрої, поліпшується якість та фізико-механічні властивості поверхні відновленої деталі. Результати теоретичних та експериментальних досліджень покладено в основу розробленого технологічного процесу відновлення поршневих пальців дизельних двигунів, який прийнятий до впровадження на Ульяновському РТП Кіровоградської області.

Ключові слова: поршневі пальці, електроконтактне нагрівання, спрейєрне охолодження, залишкова деформація, приріст діаметру, термічна обробка.

SUMMARY

Kapelyshniy F.M. Improvements of technology of thermal processing of piston fingers of diesel engines at their restoration. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.16.01 - Metall and thermal processing of metals. - Zaporozhye national technical university, Zaporozhye, 2004.

The dissertation is devoted to increase of quality of piston fingers of diesel engines at their restoration by the advanced thermal processing. Use of an electrocontact way of heating and combined of cooling theoretically is reasonable at restoration and hardening of tubular bodies from the cemented marks of steel. To experimental researches is proved, that the offered way has the large efficiency of heating, reduces and percent of defective details, reduces duration of process of restoration at the expense of overlapping heating up and cooling of parts in the offered device, the quality and phisico-mechanical properties of a surface of a restored detail is improved. The results theoretical and experimental researches are fixed in a basis of the developed technological process of restoration of piston fingers of diesel engines, which is accepted to introduction on Ulyanovsk of the Kirovograd area.

Key words: piston fingers, electrocontact heating, cooling, residual deformation, gain of a diameter, thermal processing.

АННОТАЦИЯ

Капелюшный Ф.М. Усовершенствования технологии термической обработки поршневых пальцев дизельных двигателей при их восстановлении. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов. - Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2004 г.

Диссертация посвящена повышению качества поршневых пальцев дизельных двигателей при их восстановлении усовершенствованной термической обработкой. Теоретически обосновано использование электроконтактного способа нагревания и комбинированного спрейерного охлаждения при восстановлении и упрочнении трубчатых тел из цементируемых марок стали. Экспериментальными исследованиями доказано, что предложенный способ имеет большую эффективность нагрева, снижает энергозатраты и процент бракованных деталей, уменьшает продолжительность процесса восстановления за счет совмещения нагревающей и охлаждающей частей в предложенном устройстве, улучшается качество и физико-механические свойства поверхности восстановленной детали. Результаты теоретических и экспериментальных исследований положены в основу разработанного технологического процесса восстановления поршневых пальцев дизельных двигателей, который принят к внедрению на Ульяновском РТП Кировоградской области.

Ключевые слова: поршневые пальцы, электроконтактный нагрев, спрейерное охлаждения, остаточная деформация, прирост диаметра, термическая обработка.

Размещено на Allbest.ru