Совершенствование технологии изготовления коленчатых валов форсированных дизелей на основе применения дифференцированного гидродробеструйного упрочнения и композиционных материалов

Экономически обоснованное стремление к повышению агрегатных мощностей за счет увеличение параметров термодинамического цикла и частоты вращения коленчатого вала при одновременном улучшении показателей эксплуатационной надежности вызывает необходимость наиболее полного использования всех факторов, влияющих на усталостную прочность, износостойкость и несущую способность конструкции.

В течение последних лет затраты на ремонт машин, работающих в различных областях машиностроения, возросли в 2,5 раза, а наработка на отказ у отремонтированных транспортных дизелей снизилась в 2−3 раза. Снижение эксплуатационной надежности техники, занятой в народном хозяйстве и эксплуатируемой, как правило, круглогодично, приводит к значительному снижению эффективности производства в целом. При этом 40−50% неисправностей приходится на двигатель как энергетический элемент любых машин, а из них около 32,5% отказов от общего количества отказов дизеля составляют неисправности элементов коленчатого вала. И это, г несмотря на то, что 75% времени технического обслуживания приходится на двигатель (по данным Ф. Н. Авдонькина, A.C. Денисова и др.).

Поставленная перед машиностроением задача быстрого перехода на производство дизелей нового поколения предопределяет возрастающие требования к работоспособности конструкций. Преображение дизелестроения характеризуется тенденцией постоянного форсирования дизелей по параметрам термодинамического цикла и частоте вращения коленчатого вала, что способствует росту динамической напряженности деталей, так например, за последние 15−20 лет в мировом дизелестроении наблюдается рост среднего эффективного давления четырехтактных дизелей от 1,2 — 1,5 МПа до 2−2,5 МПа и выше. Путями повышения работоспособности долговечности деталей ДВС являются: регламентация правил технической эксплуатации, совершенствование конструкций, применение средств упрочняющей технологии, улучшение методов расчета 6 прочности. Комплексное решение указанных задач создает суммарный экономический прирост, равносильный вводу в народное хозяйство страны новых дизелей, а совершенствование методов расчета прочности на стадии проектирования и модернизации позволяет получать достоверные сведения и оценки функциональных свойств деталей с обоснованным подходом к проблеме выбора конструктивных и технологических решений.

В настоящее время перед отечественным двигателестроением наряду с увеличением цилиндровой и агрегатной мощностей поставлены перспективные задачи форсирования быстроходных дизелей по частоте вращения коленчатого вала и повышения надежности его элементов. Необходимость обеспечения последней в условиях возросших динамических нагрузок приводит к увеличению размеров коленчатого вала и требует проверки надежности по критерию «усталостная прочность». При сложном режиме циклического нагружения, когда действуют одновременно статические, динамические и вибрационные нагрузки, в материале вала возбуждаются не один, а несколько механизмов повреждаемости. Переменные напряжения с разными амплитудами са и длительностью их приложения вызывают повреждаемость различного типа. Если говорить о причинах поломок коленчатых валов, то на основании статистических литературных' данных и практики разбора аварий большинство поломок классифицировано как следствие усталостных разрушений, характеризующихся наличием типичных участков последовательного развития макроскопических усталостных трещин. Однако единой точки зрения на процесс усталостного разрушения в настоящее время еще не выработано, так как усталостные разрушения являются следствием первопричин, являющихся предпосылками поломок коленчатых валов. Следствием этих причин является разрушение от развития усталостных трещин, последовательный рост которых приводит к пластической деформации металла в районах трещин, снижению усталостной прочности металла и поломок вала.

Аварийность коленчатых валов все еще велика, причем, как показывают статистические данные, около 80% поломок коленчатых валов форсированных двигателей носят характер усталостного разрушения от изгибных нагрузок. В связи с этим дальнейшая форсировка дизелей требует проведения специальных исследований, направленных в основном на повышение изгибной усталостной прочности валов.

Актуальность темы

определяется необходимостью совершенствования теории и практики технологии поверхностного пластического деформирования применением дифференцированного гидродробеструйного упрочнения (ГДУ) и термопластичного полимера в конструкции демпфера коленчатого вала. Дифференцированное гидродробеструйное упрочнение как один из методов поверхностного пластического деформирования (ППД) позволяет на высоконагруженных деталях из углеродистой и конструкционной стали упрочнить поверхностный слой, активно управлять деформационным упрочнением различных участков поверхности конструкции, что дает возможность существенно повысить равномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность при усталостном нагружении. Применение термопластичного полимера в демпферах крутильных колебаний как разновидность технологии поверхностного пластического деформирования повышает коэффициент запаса усталостной прочности, что указывает на увеличение эксплуатационной надежности и работоспособности коленчатого вала. При этом снижается вес, уменьшаются инерционные нагрузки на элементы 1 конструкции, которая упрощается.

В работах отечественных и зарубежных исследователей отмечается, что напряжения, оставшиеся в поверхностных слоях после ППД, помимо других факторов, тесно связаны с начальными технологическими остаточными напряжениями, возникающими в очаге деформации и в прилегающих к нему областях. Среди работ, относящихся к вопросу изучения начальных технологических остаточных напряжений при ППД применительно к 8 условиям ГДУ, выделяются исследования И. В. Кудрявцева, А. Н. Овсеенко, В. В. Петросова, Д. Д. Папшева, С.ГТ. Косырева и др. Однако для условий ГДУ пренебрежение взаимосвязью между дифференцированным упрочнением и начальными технологическими остаточными напряжениями (НТОН) приводит к значительным погрешностям. Для оценки начальных технологических остаточных напряжений после технологической обработки ППД, определяющих качество упрочнения и запасы усталостной прочности детали, приходится решать задачи напряженности конструкции при технологии ППД. Вопрос дифференцированного подхода к устранению НТОН был рассмотрен в работах Кудашевой И. О., Горшкова Е. А., Комиссаренко Е. А., Сорокиной Л. А. и др. под руководством Косырева С. П. Данная работа отличается схемой учета напряженного состояния коленчатого вала от действующих на него переменных нагрузок различного происхождения.

Актуальность работы подтверждается тем, что она является частью исследований^ входящих в комплексные научно-технические программы ОАО «Волжский дизель им. Маминых»: 0.13.07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», а также других целевых комплексных научно-технических программ по развитию транспортного двигателестроения.

Цель исследования: совершенствование технологии изготовления коленчатых валов форсированных дизелей на основе применения дифференцированного гидродробеструйного упрочнения и композиционного материала в демпфере коленчатого вала.

1 .Разработать расчетные методы оценки основных технологических критериев для поверхностного пластического деформирования образцов-свидетелей. Определить напряженное состояние коленчатого вала в эксплуатационных условиях, используя метод конечных элементов, теорию упругости и сопротивление материалов.

2.Разработать методику и провести экспериментальную проверку напряженного состояния элементов коленчатого вала.

3.Разработать технологию дифференцированного гидродробеструйного упрочнения элементов коленчатого вала, позволяющую управлять поверхностным пластическим деформированием различных участков поверхности конструкции.

4.Провестн теоретическую и экспериментальную проверку эффективности предлагаемой технологии ППД элементов коленчатого вала.

5.Разработать технологию изготовления демпфера коленчатого вала из композиционного материала с оценкой эффективности его эксплуатационной характеристики.

6.Выполнить технико-экономическую оценку эффективности результатов исследований.

Объект исследования: элементы коленчатого вала высокофорсированных дизелей 6ЧН 21/21 (6ДМ-21А).

Методы и средства исследований:

1. Технологические методы исследования проведены с использованием малоотходного дифференцированного ГДУ с разработкой планирования при этом многофакторного эксперимента. I.

2. Теоретические исследования зависимости начальных технологических остаточных напряжения от технологических режимов обработки и оценка напряженного состояния конструкции проведены с использованием расчетно-аналитических методов теории упругости, строительной механики стержневых систем, сопротивления материалов и метода конечных элементов.

3. Экспериментальные методы исследований базировались: на электротензометрии, торсиографировании напряжений от крутильных колебаний, поляризационно-оптическом методе, методе травления и использовании прибора «З^езвсап 500» при исследовании начальных технологических остаточных напряжений после дифференцированной гидродробеструйной обработки коленчатого вала и образцов-свидетелей.

Научная новизна:

1. Разработана технология поверхностного пластического деформирования (ГТГГД), заключающаяся в дифференциации параметров гидродробеструйного упрочнения в зависимости от рабочего напряженного состояния элементов коленчатого вала для преобразования рабочих напряжений растяжения в технологические напряжения сжатия, которые приводят к улучшению эксплуатационной надежности элементов коленчатого вала.

2. Построена математическая модель режимов дифференцированного гидродробеструйного упрочнения элементов коленчатых валов, включающая обоснование ' выбора диаметра шариков, давление жидкости и время обработки, которые позволяют активно управлять деформационным упрочнением различных участков поверхностей деталей, что дает возможность существенно повысить равномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность при усталостном нагружении.

3. Обоснована технология изготовления демпферов крутильных колебаний коленчатого вала в условиях 1II1Д путем применения композитных материалов в виде термопластичных полимеров с разработкой методики торсиографирования коленчатых валов в условиях эксплуатации.

Апробация работы: основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на XI — XII Международных научнопрактических конференциях «Современные технологии в машиностроении».

Пенза, 2007;2008 г. г.) — на 20−21−22 Межгосударственных научнотехнических семинарах «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ» (СГАУ, Саратов, 2007;2009 г. г.) — Всероссийская научно-техническая конференция «Совершенствование техники, технологий и управления в машиностроении» (Саратов, СГТУ-2009 г.) — на IXXI Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Саратов, 2007;2009.

11 г. г.) — на ежегодных научно-технических конференциях кафедры «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ (2006 — 2009 г. г.).

Публикации: по материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе в издательствах, рекомендуемых ВАК — 3 публикации, имеется патент РФ на изобретение № 2 304 244.

На защиту выносятся: малоотходная технология 1ШД образцов-свидетелей деталей деформированием технологической ГДОрезультаты теоретических исследований по определению формирования начальных технологических остаточных напряжений элементов коленчатого вала на основе базового метода конечных элементов. результаты экспериментальных исследований по изучению влияния технологических остаточных напряжений от технологического ПГТД ГДО на общее суммарное напряженное состояние щек и противовесов коленчатых I валов форсированных дизелей;

— результаты эксплуатационных исследований торсиографирования коленчатого вала, изготовленного по разработанной технологии с учетом установленного распределения начальных технологических остаточных напряжений, при применении демпфера коленчатого вала из термопластичного полимера.

Реализация результатов работы. На основании разработанных комплексных методов были выявлены недостатки элементов коленчатого вала, ограничивающие надежность в эксплуатации, определены пути активного совершенствования элементов коленчатых валов, выявлены имеющиеся резервы и направления по снижению металлоемкости и повышения • коэффициента использования металла технологическими методами. В ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» и других организациях серийно внедрен комплекс мероприятий по повышению эксплуатационной надежности высокофорсированных дизелей малоотходными технологическими методами.

Результаты выполненных в работе исследований и разработок нашли отражение в нормативных материалах по автомобильному дизелестроению, в технологических отчетах ЗАО «Волжский дизель им. Маминых». По мере разработки они были применены при проектировании, совершенствовании и эксплуатации нескольких поколений автомобильных высокофорсированных дизелей, созданных в ЗАО «Волжский дизель им. Маминых», в каждом из которых был достигнут высокий технологический уровень и эксплуатационная надежность, включая модификации, отмеченные государственными премиями, аттестованы на высшую категорию качества и поставленные в ряд зарубежных стран (Иран, Ирак, Алжир, Куба, Йемен, Эфиопия и др.).

Структура и объем работы.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассматривается состояние проблемы на основе анализа опубликованных литературных источников, прогнозируется жизненный цикл коленчатых валов. Обосновывается актуальность проблемы, формулируются цель и задачи исследований, выбираются объект и предмет исследования.

Во второй главе «Теоретические основы напряженного состояния элементов коленчатого вала» дается теоретическая оценка напряженного состояния элементов коленчатого вала и образцов-свидетелей с использованием метода конечных элементов, сопротивления материалов, теории упругости.

В третий главе «Разработка методики и экспериментальная проверка напряженного состояния элементов коленчатого вала» проводится экспериментальная проверка напряженного состояния элементов коленчатого вала высокофорсированных автомобильных дизелей.

В четвертой главе «Разработка и обоснование технологических методов и средств повышения эксплуатационной надежности элементов коленчатого вала» разрабатывается технология дифференцированного гидродробеструйного упрочнения элементов коленчатого вала и проводится экспериментальная проверка эффективности предлагаемой технологии.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка технологических методов повышения эксплуатационной надежности элементов коленчатого вала высокофорсированных дизелей» приведен расчетный годовой экономический эффект от внедрения предлагаемых мероприятий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ основных опубликованных материалов показал, что в настоящее время проблема технологического обеспечения повышения эксплуатационных свойств коленчатых валов форсированных дизелей решается деформационным упрочнением, но имеющийся опыт нельзя привнести в практику без дополнительных исследований.

2. Результаты исследований напряженного состояния элементов коленчатых валов в условиях знакопеременного циклического нагружения с применением МКЭ позволяет более верно судить об эксплуатационной надежности конструкции по критерию «усталостная прочность». Показано, что технологические процессы механической обработки, дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наряду с микрогеометриеп, глубиной и степенью упрочнения элементов коленчатого вала формируют неоднородное силовое поле начальных остаточных технологических напряжений, вызывающих при изготовлении коленчатых валов коробление, усталостные трещины. При этом основанием возникновения начальных технологических остаточных напряжений при технологической упрочняющей обработке служит пластическая деформация, микроструктурные и фазовые превращения. С одновременным воздействием силового нагружения в материале коленчатого вала усиливается процесс ползучести и, как следствие, релаксация начальных технологических остаточных напряжений. Расчетные методики по определению начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое после поверхностного пластического деформирования на примере стержней разнородной упругости позволяет оценить уровень начальных технологических остаточных напряжений после происшедшей пластической деформации.

3. Разработан и освоен на практике малоотходный метод дифференцированного гидродробеструйного упрочнения элементов коленчатых валов, позволяющий активно управлять поверхностным.

143 пластическим деформированием различных участков поверхности конструкции, что дает возможность существенно повысить неравномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность конструкции при усталостном нагружении.

Разработанная технология позволяет снизить материалоемкость процесса до 50%, довести коэффициент использования материала до Ким=0,8-н0,9, снизить трудоемкость изготовления коленчатого вала на 3−4 нормо-часа, освободить 11−12 фрезерных станков и рабочих, их обслуживающих. Изучены и показаны пути повышения эксплуатационной надежности коленчатых валов ГТГТД применением демпферов крутильных колебаний из композитного термопластичного материала.

4. Для проверки достоверности расчета напряженного состояния элементов коленчатого вала, а также определения среднего напряжения цикла с целью назначения начальных технологических остаточных напряжений при ППД проведена экспериментальная оценка. Сопоставление расчетных напряжений с экспериментальными данными показывает, что разность значений напряжений, полученная тем и другим способами, не превышает 10%, т. е. точность расчета МКЭ лежит в пределах погрешности эксперимента.

5. Проведена теоретическая оценка начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое высоконагруженных элементов коленчатых валов — щек и противовесов после ППД. Сравнительный анализ начальных технологических остаточных напряжений на примере щек и противовесов показывает удовлетворительную сходимость результатов расчета с экспериментальными данными. Анализ эпюр показывает. Что при дифференцированном ППД гидродробеструйной обработкой неравномерность распределения результирующих напряжений по отдельным сечениям щеки и противовеса снижается в 5−5.5 раза, и, соответственно, повышается равнопрочность и эксплуатационная надежность конструкции по критерию «усталостная прочность».

6. Анализ технического состояния элементов коленчатого вала форсированного дизеля устанавливает возможность их повторного использования.

Введение

в ремонтную технологию дифференцированной гидродробеструйной обработки позволяет нейтрализовать дефектный слой, образующийся в процессе работы дизеля, который снижает эксплуатационные характеристики коленчатых валов, а также повысить предел усталостной прочности в областях, подверженных усталостному разрешению. Снижение удельных затрат на ремонт составило 145,6%.

7. Результаты торсиографирования свободного конца коленчатых валов с различными типами демпферов доказывают, что эксплуатационная надежность коленчатого вала с демпфером из композиционного материала по патенту РФ № 2 304 244 повышается в 2,14 раза. При этом технология изготовления демпфера отличается меньшей трудоемкостью и простотой выполнения.

8. Результаты диссертационной работы внедрены в производство и народное хозяйство с годовым экономическим эффектом 3248,932 тыс. рублей.