Восстановление шеек коленчатых валов автомобильных двигателей металлопокрытиями двумя различными материалами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Восстановление шеек коленчатых валов автомобильных двигателей металлопокрытиями двумя различными материалами

Тугушев Б.Ф.

Представлено распределение напряжений в коленчатом вале по методу конечных элементов. Приведены технологические операции процесса восстановления детали, сделаны выводы о путях повышения ресурса.

Ключевые слова: коленчатый вал, усталостное разрушение, метод конечных элементов, механическая обработка, ресурс

The stress distribution in the crankshaft is represented by the finite element method. The technological operations of the process of restoration of the details are given. Conclusions are drawn about ways to increase the resource.

Keywords: crankshaft, fatigue failure, finite element method, mechanical restoration, resource напряжение коленчатый вал межремонтный

В экономически развитых странах на рынке запасных частей широко распространены восстановленные детали, они в 1,5...2,5 раза дешевле новых, а по ресурсу, не уступают им. Из ремонтной практики известно, что большинство выбракованных по износу деталей теряют не более 1-2% исходной массы. При этом прочность деталей практически сохраняется. Известно, что 95% деталей двигателей внутреннего сгорания выбраковывают при износах, не превышающих 0,3 мм и они могут быть вторично использованы после восстановления. Следовательно, разработка технологического обеспечения качества и исследование сопутствующих процессов являются актуальными вопросами. Тем более, подобные технологии широко применялись в бывшем СССР и имеют распространение в настоящее время в промышленно развитых странах мира.

В связи с этим технологическое обеспечение повышения качества восстановления коленчатого вала на основе комплексного изучения базовой операции металлопокрытия, служащей для формирования вторичной заготовки восстанавливаемой детали, и дальнейшей механической обработки, является актуальной задачей.

Анализ существующих отечественных технологий показал, что основные отличия предложенной технологии заключаются в применении различных наплавочных материалов для галтелей и для рабочих поверхностей шеек валов и в использовании режима среднего отпуска детали для придания наплавленным поверхностям необходимой твердости. Также уделяется пристальное внимание режиму предварительного подогрева детали и тщательному проведению дефектовочных операций. Все это отличает зарубежные технологии от отечественных и говорит о необходимости тщательного изучения физики отдельных операций технологического процесса.

Изучение причин поломок коленчатых валов показывает, что в большинстве случаев они являются следствием усталости материала детали. Наиболее опасными в этом отношении участками коленчатого вала являются те, где может возникнуть значительная концентрация напряжений. Наиболее часто усталостное разрушение вала происходит по щеке в зоне перекрытия шатунных и коренных шеек [1, 2], которое для двигателей КамАЗ-740 составляет 27,5 мм при номинальном размере шеек.

Существенно уменьшается размер несущего сечения в процессе эксплуатации за счет распространения усталостных трещин от очагов (в нашем случае - галтелей). Главным критерием анализа в рассматриваемой области является соответствие характера разрушения реального объекта с характером прогнозируемого разрушения модели.

Разработаны физическая и математическая модели коленчатого вала для определения внутренних напряжений на основе метода конечных элементов для прогнозирования мест начала разрушения шеек вала.

Точный расчет коленчатого вала на прочность, вследствие сложности его формы, практически невозможен. Применяют, главным образом, расчет коленчатого вала как плоской двухопорной рамы [3], один конец которой опирается на подвижный шарнир, а другой - на неподвижный. Осевые нагрузки при этом отсутствуют.

Теоретически процесс распределения внутренних напряжений в коленчатом вале можно описать, применяя сеточные или вариационные методы расчета. Метод конечных элементов относится к разряду вариационных. Таким образом, использовалась двумерная модель (рис. 1).

Рис. 1. Двумерная модель четвертого кривошипа коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 и схема ее нагружения Рис. 2. Результаты расчета при помощи метода конечных элементов

Аппроксимация проводилась треугольными элементами. Схема предусматривает 194 узла, что достаточно для визуализации результатов. Расчет осуществлялся в среде программы Elcut 4.2. Оценка напряженного состояния проводилась по критерию фон Мизеса.

По результатам расчета можно сравнивать реальное разрушение и расчетные данные (рис. 2), что делает доступным для прогнозирования и простой визуализации такое явление, как разрушение коленчатого вала. На рис. 2 справа (со стороны заднего торца вала) видна характерная S - образная область, проходящая поперек кривошипной шейки.

Так же был проведен анализ микротвердости коленчатого вала, наплавленного для сравнения двумя разными проволоками: наплавка центральной части шейки порошковой проволокой марки ПП-Нп-35В9Х3СФ с последующим отпуском при 500 єС в течение 1 часа и наплавка галтелей проволокой сплошного сечения марки Нп-30ХГСА с предварительным подогревом детали до 200…230 єС позволяют получить распределение микротвердости по сечению близкое к показателям новой детали или имеющей ремонтный размер в результате перешлифовки, а также к показателям современных технологий, применяемых за рубежом для восстановления коленчатых валов дизелей металлопокрытиями.

Основные операции технологического процесса восстановления коленчатого вала автомобильного дизельного двигателя на примере КамАЗ-740 представлены в табл. 1.

Таблица 1

Технологический процесс восстановления

Данные по вторичному ресурсу восстановленных коленчатых валов дизельных двигателей были получены по результатам статистической обработки, проведенной по 80 новым и 80 восстановленным коленчатым валам (рис. 3, 4; табл. 2).

Рис. 3. Распределение межремонтного ресурса для новых коленчатых валов

Рис. 4. Распределение межремонтного ресурса для восстановленных коленчатых валов

Таблица 2

Статистические характеристики распределения межремонтного ресурса коленчатых валов

Выпускаемые коленчатые валы двигателей КамАЗ-ЕВРО проходят химико-термическую обработку в виде азотирования. Это ведет к усложнению технологического процесса восстановления по причине высокой твердости, что требует дополнительного изучения.

Результат проведенных исследований - усовершенствованный технологический процесс восстановления коленчатых валов дизельных двигателей. Годовой экономический эффект составил около 16 000 000 руб., при программе восстановления 300 КВ в год. Коэффициент относительной экономической эффективности при этом 8,85, что указывает на прямую выгоду. Вторичный ресурс восстановленных крупногабаритных коленчатых валов дизельных двигателей составляет 80% от ресурса новых валов.

Список литературы

1. Денисов А.С. Теоретический анализ изменения напряженно-деформированного состояния коленчатого вала в процессе эксплуатации / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина, А.А. Видинеев // Ремонт, восстановление, модернизация. 2010. № 9. С. 47-51.

2. Денисов А.С. Анализ результатов экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния коленчатого вала в процессе эксплуатации / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина, А.А. Видинеев // Ремонт, восстановление, модернизация. 2011. № 1. С. 28-34.

3. Автомобильные и тракторные двигатели. Ч. II. Конструкция и расчет двигателей / К.Г. Попык, К.И. Сидорин, А.В. Костров; под ред. И.М. Ленина. М.: Высш. шк., 1976. 280 с.

Размещено на Allbest.ru