Ресурсосберегающие процессы восстановления валов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ресурсосберегающие процессы восстановления валов

А.П. Кастрюк, Т.В. Вигерина

Аннотация

При определении технического состояния деталей, поступающих на восстановление, выбраковывают до 50% валов. Остальная доля валов проходит трудоемкое восстановление с большим объемом наплавочных и механических работ. Предложены процессы восстановления валов, предусматривающие использование всех ремонтных размеров шеек с однократным нанесением покрытий или установкой дополнительных ремонтных деталей. Показана возможность использования валов с технологическими (нерастущими) трещинами. Ресурсосберегающие мероприятия позволяют сократить потребление запасных частей в 2-3 раза с экономией труда, энергии и материалов.

вал ремонтный трещина

Введение

Валы служат в агрегатах для передачи момента или преобразования движений (поступательного во вращательное или наоборот). Наиболее сложные детали этого класса - коленчатые и распределительные валы, техническое состояние которых в результате восстановления существенно влияет на долговечность агрегатов. Детали имеют такие конструктивные элементы: шейки, кривошипы, кулачки, шпоночные пазы, торцы, стыки и отверстия.

Коленчатые валы изготавливают из конструкционных (сталь 45) или легированных (18ХНВА, 18ХН3А, 20ХГНМ, 42ХМФА, 60ХФА и др.) сталей или высокопрочного чугуна (ВЧ50, ВЧ70). Распределительные валы изготавливают из улучшаемых сталей 45, 40Г, 50Г или цементованных сталей 20, 20Г [11]. Шейки и кулачки валов закалены ТВЧ на глубину 2-6 мм до твердости 52-56 HRC. Азотирование шеек (например, двигателей КамАЗ и ЯМЗ) обеспечивает поверхностную твердость шеек до 60 HRC с повышением износостойкости на 30-70% и усталостной прочности в 1,4-1,9 раза. Шейки и кулачки валов обрабатывают с высокой точностью: линейные размеры соответствуют 5-7 квалитетам, шероховатость поверхностей - Ra 0,32-0,63 мкм, точность углового расположения кулачков и кривошипов ±7,5', допуск на радиус кривошипа составляет +0,05 мм, несоосность шеек до 0,017 мм.

Обследование ремонтного фонда показывает, что большую долю валов не восстанавливают, необоснованно направляя их в утиль, а сам процесс восстановления трудоемкий и сопровождается значительным расходом материалов и энергии.

Цель работы заключалась в более полном использовании остаточной долговечности валов с уменьшением расхода материалов, энергии и труда.

1. Анализ источников

Большие технологические трудности представляет нанесение покрытий при восстановлении коленчатых валов, изготовленных из высокопрочного чугуна. Например, для этих валов применяются или прошли апробацию различные способы нанесения покрытий:

- наплавка самозащитной проволокой Св-15ГСТЮЦА;

- вибродуговая наплавка в водокислородной среде [8] и в 20%-ном водном растворе глицерина [5]. Однако способы применяют для восстановления коленчатых валов, обладающих большим запасом усталостной прочности;

- однослойная наплавка под флюсом. Материал наплавочных проволок - Нп-30ХГСА, Св-10Х13, Св-12ГС и др. Применяют флюсы АН-348А, ОСЦ-45, АН-15, АН-20 и их композиции. Покрытие имеет необходимую твердость, но содержит поры и трещины;

- двухслойная наплавка проволокой Св-08 под слоем легирующего флюса (АН-348А, графита, феррохрома и жидкого стекла) или порошковой проволокой. Способ производителен, покрытие имеет высокую твердость, но усталостная прочность детали снижается на 25-45%;

- наплавка по оболочке из стальной низкоуглеродистой ленты;

- широкослойная наплавка ферромагнитной шихтой (при жестком закреплении заготовки) с последующим высокотемпературным отпуском при 650^оС;

- металлирование [9], включающее подготовку поверхности, нанесение спрессованной в полувтулки композиции (порошки ПЖ2М - 40%, СНГН-55 - 12%, остальное чугунная стружка) и припекание при температуре 1100-1200^оС в среде водорода;

- двухэлектродная наплавка проволокой Св-08 под слоем флюса АНК-18 (70%) и АН-60 (30%);

- нанесение плазменных покрытий [10];

- установка дополнительных ремонтных деталей (ДРД) с закреплением их сваркой [6], пайкой [4], клеем [2] и силами упругости [1].

Наилучшие показатели износостойкости и усталостной прочности шеек коленчатых валов обеспечивают способы с нанесением плазменных покрытий и установкой стальных закаленных ДРД. Припуск на обработку отверстия под подшипник создают запрессовыванием ДРД или вибродуговой наплавкой.

Предусмотрено упрочнение шеек и галтелей валов путем их обкатывания роликами под нагрузкой [3].

Шейки распределительных валов наплавляют проволокой Нп-40Х2Г2М в среде углекислого газа. Большие трудности связаны с восстановлением кулачков, в том числе их вершин. К боковым сторонам кулачков приваривают контактной сваркой ДРД толщиной 2,5 мм из стали 65. Стык заваривают проволокой Св-08ГСА в среде углекислого газа. Вершину кулачка удаляют шлифованием и наплавляют порошковой проволокой ПП-Нп40Г2СМНТФ. На месте срезанной вершины кулачка закрепляют также ДРД в виде пластины из быстрорежущей стали или твердого сплава с помощью высокотемпературной пайки припоем ПМц48 или латунью Л63. В качестве флюса применяют обезвоженную буру.

Форму кулачков восстанавливают их копирным шлифованием. Однако проведенные нами испытания бензиновых двигателей с распределительными валами, кулачки которых были шлифованы со снятием припуска 1 мм от первоначального профиля, показали, что такие изменения размеров кулачков приводят к снижению мощности двигателя на 20% и увеличению расхода топлива также на 20% за счет уменьшения параметра «время - сечения» открытия клапанов.

Опыт показывает, что лучшим способом нанесения покрытий на вершины кулачков, износ которых составляет 1,3-1,8 мм, является газопламенное напыление порошкового материала ПГ-10Н-01 грануляцией 40-100 мкм с его оплавлением. Расход порошка составляет 2,5-3,5 кг/ч. Горючий газ (пропан-бутан) подают под давлением 0,1 МПа (расход 350-600 л/ч), а кислород - под давлением 0,30-0,45МПа (расход 350-600 л/ч). Расстояние между мундштуком горелки и поверхностью заготовки при напылении покрытия 12-25 мм, а при оплавлении - 6-10 мм. Способ действует на Полоцком заводе «Проммашремонт».

2. Методы исследования

Размеры шеек определяли приспособлением, включающим скобу с рычажно-зубчатой головкой с ценой деления 0,002 мм. Деформации (прогибы) валов замеряли установленной на штативе зубчато-рычажной головкой с ценой деления 0,01. Для выявления положения и размеров трещин использовали магнитный дефектоскоп МЭД-2.

Построение графиков, отражающих зависимости затрат в базовых величинах от объемов восстановления различными способами коленчатых и распределительных валов, и статистическая обработка данных осуществлялись с помощью пакета прикладных программ Excel.

3. Основная часть

Основные повреждения восстанавливаемых валов: износ шеек, кулачков, пазов и торцов, поверхностей отверстий под подшипники, деформации и трещины.

Наиболее распространенное повреждение деталей данного класса - естественный износ шеек (42-52% изделий), средние их размеры составляют 30-90 мкм, а максимальные не превышают 100-150мкм. Аварийные износы при схватывании шеек с вкладышами достигают 150-230 мкм. Как правило, коренные шейки изнашиваются интенсивнее шатунных в 1,6-1,7 раза. В ремонт могут поступать двигатели, износ коленчатых валов у которых практически не ощущается инструментальными измерениями (от 4 до 20%). Для таких валов достаточно лишь полирование шеек.

Выбраковка коленчатых валов и, соответственно, использование запасных частей составляют 10-40% [12]. Разница в расходе валов различных моделей двигателей достигает 3-4 раз. Чаще всего выбраковывают валы из-за естественных (вышедших из ремонтных размеров) ? 8% и аварийных (задиры и заклинивание шеек) ? 9% износов. По причине заклинивания шеек на них образуются прижоги, определяемые по цветам побежалости. Дальнейшее использование валов с такими шейками, как правило, приводит к повторному заклиниванию, поэтому в мастерских такие валы направляют в утиль, что увеличивает долю выбраковки до 50%. На тех заводах, где коленчатые валы с естественными и аварийными износами шеек наплавляют, доля выбраковки по этому показателю резко снижается и составляет 2-4%.

Деформации (прогибы) валов находятся в пределах 0,01-0,20 мм, в среднем - 0,03-0,05 мм. Прогибы валов, получивших аварийные изгибы от заклинивания и задиров шеек, составляют 0,2-2,5 мм (в среднем 0,58-0,78 мм).

Из-за наличия трещин на шейках выбраковывают 3-16% коленчатых валов. На галтелях шатунных шеек трещины возникают чаще (75%), чем на галтелях коренных шеек (25%). Для коленчатых валов опасны усталостные трещины, расположенные на галтелях, масляных каналах, на шейках под углом более 20^о к оси детали. Опасные места возникновение трещин, например, у двигателя ЯМЗ-238, распределены так: галтели - 21%, зона масляных каналов - 37%, шейки - 42%. Причем трещины на шейках распределены так: вдоль оси вала - 16%, перпендикулярно оси вала - 5%, под углом 20-30^о менее 23%.

По природе возникновения трещины делятся на технологические (производственные) и эксплуатационные (усталостные). Первые возникают при изготовлении или восстановлении детали, а вторые, образующиеся у конструктивных или структурных концентраторов напряжений, - при ее работе. Из всех трещин на деталях, поступающих на восстановление, примерно 20-25% являются технологическими, а 75-80% - эксплуатационными. Средняя длина трещин 12-15 мм (в зависимости от марки двигателя). Трещины на галтелях обычно короче трещин на шейках. Вглубь шеек трещины распространяются до 1 мм, а именно: 0,25 мм - 60%, 0,5 мм - 37% и 0,75 мм - 3%. Единичные трещины имеют глубину 5-6 мм. К эксплуатации допускаются валы только с технологическими трещинами определенного количества, размеров и расположения.

Одиночные технологические трещины, расположенные под углом 0-20^о к оси вала и не выходящие в зону галтелей, не растут и относятся к разряду безопасных. Их количество, длина и глубина регламентированы. Например, для коленчатых валов двигателей ЯМЗ допускается до трех трещин длиной до 6 мм, но на одной шейке, для двигателей Минского моторного завода - до двух трещин длиной до 30 мм и глубиной до 1,2 мм на одной шейке, но не более трех трещин на валу. В чугунном коленчатом вале допускается до трех трещин длиной до 10 мм. Во всех случаях расстояние от трещин до галтелей должно быть более 10 мм.

Эксплуатационные трещины растут при работе детали и могут быть причиной ее излома. Детали с усталостными трещинами считаются неремонтопригодными и подлежат выбраковке (2-14% деталей).

От 2 до 4% коленчатых валов поступают в составе двигателей уже изломанными, до 2% - с обрывом противовесов, 2% валов имеют повышенные прогибы и 1% - «подрезанные» галтели.

От того, какие повреждения возникли на валах и как они устраняются, зависит дальнейшая работоспособность этих ответственных деталей. Процесс восстановления валов включает: определение места расположения и размеров усталостных трещин и принятие решения о целесообразности восстановления деталей; правку; подготовку поверхностей под нанесение покрытий или установку ДРД; нанесение покрытий или установку ДРД; нормализацию или отжиг; черновую обработку резанием; упрочнение шеек и кулачков (закалку ТВЧ, азотирование и др.); чистовую обработку; упрочнение галтелей; отделку шеек; контроль.

У деталей восстанавливают расположение, форму, размеры и шероховатость конструктивных элементов, износостойкость трущихся поверхностей и усталостную прочность частей валов. Геометрические параметры конструктивных элементов валов обеспечивают механической обработкой (резанием и давлением). Нормативную износостойкость трущихся элементов детали при ее восстановлении обеспечивают выбором материала покрытия и способа его нанесения, видом и режимами термической, химико-термической и механической обработки. Наиболее высокими эксплуатационными свойствами обладают гетерогенные покрытия, структура которых образована из частиц в виде карбидов, боридов или нитридов, распределенных в стальной, никелевой или кобальтовой матрице. Усталостную прочность элементов валов сохраняют или повышают удалением слоя материала шеек, пораженных усталостными неглубокими трещинами, упрочнением материала в окрестностях не распространяющихся технологических трещин и масляных каналов, восстановлением «подрезанных» галтелей, созданием напряжений сжатия в поверхностном слое шеек и галтелей поверхностным пластическим деформированием и обработкой, обеспечивающей малую шероховатость.

Припуски на обработку в процессе восстановления деталей создают на шейках, их торцах, кулачках, поверхностях отверстий под подшипники соосных валов.

Коленчатые валы в течение срока службы подвергаются 3-5 и более восстановительным воздействиям. В практике ремонта агрегатов отмечены случаи более чем четырехкратной наплавки шеек валов. Ресурсосберегающая технология восстановления валов, основанная на максимальном сбережении остаточной долговечности деталей, включает:

- использование всех предусмотренных конструкторской документацией ремонтных размеров;

- упрочнение материала в окрестностях технологических нераспространяющихся трещин;

- правка вала;

- применение только одной наплавки или напыления шеек с обработкой их под номинальный размер;

- последующее последовательное использование ремонтных размеров детали.

Эта технология предусматривает сокращение операций нанесения покрытий, обеспечение производства вкладышами коренных и шатунных подшипников соответствующих ремонтных размеров, проверку прямолинейности оси заготовки перед ее шлифованием и при необходимости «щадящую» правку, наличие точного оборудования и оснастки, выполнение работ квалифицированными рабочими. Правка заготовки должна быть в виде чеканки шеек или щек для стальных валов и поэлементная (в объеме шатунных шеек) для чугунных валов [7].

Технологические (допустимые) трещины разделывают по всей длине абразивным кругом для образования канавки радиусом 1,5 мм и глубиной 0,2-0,4 мм, в большинстве случаев меньшей, чем глубина залегания трещины. Острые кромки необходимо притупить по периметру. Ложе канавки упрочняют виброударным инструментом в течение 5-8 с для создания сжимающих напряжений. Наклеп производят с помощью пневматического инструмента (марок 57, КМП-2М, КМП-14М) с энергией удара 2,5-5,0Дж. Фаски масляных каналов скругляют пневматической шлифовальной машинкой ИП-100 или зенкуют на вертикально-сверлильном станке. Затем обработанные поверхности полируют шкуркой РСС 60030 1А10 0Б при помощи специальной конической оправки.

Рис. 1. Зависимости затрат З в базовых величинах (БВ) от объемов восстановления N коленчатых валов: 1 - установкой ДРД; 2 - наплавкой; 3 - газотермическим напылением.

Рис. 2. Зависимости затрат З в базовых величинах (БВ) от объемов N восстановления распределительных валов: 1 - использованием поверхностного слоя металла; 2 - газотермическим напылением; 3- наплавкой; 4 - установкой ДРД.

При всех объемах ремонта обработка шеек коленчатых валов под ремонтные размеры - менее затратный процесс, чем восстановление с нанесением покрытий. Сравнивались между собой (рис. 1) затраты на процессы восстановления этих валов: 1 - установкой на шейках с закреплением сваркой стальных закаленных ДРД; 2 - наплавкой шеек самозащитной проволокой Св-15ГСТЮЦА; 3 - плазменным напылением шеек. C учетом установленных ограничений по качеству и долговечности детали наименьшие затраты соответствуют способу с использованием ДРД, а наибольшие - с газотермическим (плазменным) напылением.

Восстановление опорных шеек распределительных валов со шлифованием под ремонтные размеры, а кулачков - «как чисто» обеспечивает наименьшие затраты. Когда возможность шлифования шеек под ремонтный размер исчерпана, способы восстановления их с нанесением покрытия по значениям затрат (рис. 2) образуют ряд: установка ДРД, наплавка, газотермическое напыление. Кулачки целесообразно восстанавливать газотермическим напылением с обработкой до номинального размера их цилиндрической части.

При восстановлении валов необходимо обеспечить и контролировать диаметры шеек и цилиндрической части кулачков, радиусы галтелей и кривошипов, угловое расположение шатунных шеек и кулачков относительно друг друга и шпоночного паза под распределительную шестерню или звездочку, шероховатость поверхностей.

Заключение

Объем работ по восстановлению валов с нанесением покрытий в производстве существенно завышен, он должен быть ограничен одной наплавкой, или одним напылением шеек, или использованием ДРД. Наименьшие затраты труда и материалов имеют место при полном использовании ремонтных размеров шеек валов путем применения точного шлифовального оборудования после проверки соосности шеек и правки. Валы с шейками, которые претерпели задиры, и схватывание требуют при восстановлении поверхностной закалки шеек. Использование валов с технологическими нерастущими трещинами позволяет существенно сократить потребность в запасных частях. Разница в затратах на восстановление одной детали различными способами большая при малых объемах восстановления, она уменьшается при увеличении объемов ремонта.

Литература

1. Способ восстановления шеек коленчатого вала: а. с. 1706828 СССР, МКИ B23 P6/00. / С.И. Габа (СССР). №4718855; заявлено 14.07.89; опубл. 23.0192 // Бюллетень изобретений и открытий. 1992. №3.

2. Бурумкулов Ф.Х. Клеесварной способ восстановления шеек коленчатого вала / Ф.Х. Бурумкулов, Р.Т. Ташматов // Сварочное производство. 1993. №6. С. 19.

3. Вигерина Т.В. Повышение эксплуатационных свойств восстанавливаемых валов путем управления составом и структурой материала покрытий: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.16.09 / Т.В. Вигерина; ПГУ. Новополоцк, 2010. 21 с.

4. Рагинский Л.Б. Восстановление с помощью пайки чугунных коленчатых валов / Л.Б. Рагинский [и др.] // Сварочное производство. 1993. №6. С. 14-15.

5. Дюмин И. Восстановление коленчатых валов / И. Дюмин, В. Шатерников, А. Сумец // Автомобильный транспорт. 1983. №4. С. 40-41.

6. Иванов В.П. Восстановление коленчатых валов из высокопрочного чугуна / В.П. Иванов, М.М. Баранкевич // Сварочное производство. 1994. №7. С. 28.

7. Какуевицкий В.А. Холодная плавка чугунных коленчатых валов / В.А. Какуевицкий // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1992. №1. С. 40-42.

8. Ландо С. Наплавка коленчатых валов в водокислородной среде / C. Ландо, М. Брянцев // Автомобильный транспорт. 1982. №12. С. 43-44.

9. Романов, А.В. Восстановление коленчатых валов / А.В. Романов, Н.В. Авдеев / Автомобильная промышленность. 1985. №1. С. 6-7.

10. Соловьев Б. Какой способ лучше? / Б. Соловьев, М. Егоров, Б. Шерстюк // Автомобильный транспорт. 1992. №9. С. 24-25.

11. Технология автомобилестроения: учебник / А.Л. Карунин [и др.]; под ред. А.И. Дащенко. М.: Академический проект: Трикста, 2005. 624 с.

12. Усков В.П. Справочник по ремонту базовых деталей двигателей / В.П. Усков. Брянск, 1998. 589 с.

Размещено на Allbest.ru