Анализ ремонта валов

Д-р техн. наук Э.Д. Тартаковский. каш),

техн. наук В. Г. Гончаров,

инж. В.М. Сапожников

 АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ

РЕМОНТА КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДИЗЕЛЯ 5Д49

В настоящее время целый ряд транспортных средств в различных областях промышленности имеют весьма ограниченный срок службы, что приводит к огромным убыткам. Материальные потери вследствие трения и изнашивания в машиностроении развитых государств достигают 45 % национального дохода. Согласно данным |1] сопротивление трению поглощает во всем мире 30-40 % вырабатываемой в течение года энергии. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машин иногда в несколько раз превышают их стоимость [2]. Известно, что двигатели транспортной техники за весь срок службы ремонтируют до 5 раз. Ресурс двигателя после ремонта по сравнению с ресурсом нового двигателя составляет 30-50 % [3], хотя по техническим условиям должен быть не ниже 80 % [4, 5].

В то же время, как показывает практика, около 75% деталей после разборки агрегатов, поступивших в капитальный ремонт, имеют большой остаточный ресурс и могут быть использованы повторно после восстановления с затратами, не превышающими 40-60% стоимости новых деталей. Таким образом, задача повышения износостойкости деталей транспортных средств и трибосистем в целом является актуальной и требует всестороннего подхода и изучения. При ном известно. что любой технологический процесс ремонта и восстановления детали (агрегата) предусматривает не только восстановление нарушенных в процессе эксплуатации геометрических параметров, но и. главным образом, сдерживание тех разрушительных процессов, которые естественным образом протекают на поверхности детали. Поэтому, при достаточно большом количестве способов восстановления для таких быстроизнашивающихся деталей как коленчатые валы, актуальной задачей до сих пор является поиск новых эффективных технологий ремонта обеспечивающих повышение ресурса их рабочих поверхностей.

В настоящее время на железных дорогах Украины эксплуатируется 764 дизеля 5Д49. Большинство из них исчерпали нормативный срок- службы в 16 лет.

Значительное старение парка, что прогрессирует и невозможность его быстрого обновления за счет закупок новых дизелей обусловило необходимость в проведении капитального ремонта с обеспечением увеличения срока их службы.

Основным фактором повышения экономической эффективности капитального ремонта агрегатов транспортной техники является максимальное использование остаточного ресурса деталей.

Работоспособность двигателя, стабильность его технико­экономических характеристик в процессе эксплуатации в значительной степени зависят от срока службы и состояния коленчатого вала. Для данной детали весьма важными показателями, определяющими ее эксплуатационные свойства, являются культура производства, включая уровень технологии изготовления (восстановления), механические характеристики материала и качество рабочих поверхностей детали, а также ее ремонтопригодность. Оптимизация данных показателей в достаточной степени позволит увеличить ресурс, как самой детали, так и двигателя в целом и, следовательно, значительно сократит затраты на закупку запасных частей.

Решение этих важных вопросов для транспортной техники зависит от совершенствования процесса ремонта за счет внедрения в производство прогрессивных технологических процессов восстановления и упрочнения деталей агрегатов с учетом их конструктивно-технологических особенностей и возможных дефектов.

Цель статьи. Проведение анализа эффективности упрочняющих способов и традиционных технологий нанесения износостойких покрытий используемых при восстановлении работоспособности коленчатых валов дизеля 5Д49 в сравнении с дискретным упрочнением.

Основной материал. Для восстановления работоспособности изношенных коленчатых валов в настоящее время применяют два вида ремонта.

Первый из них предполагает получение припуска из оставшегося материала на поверхности восстанавливаемого элемента самой детали для его обработки под один из ближайших ремонтных размеров.

Это наиболее простой и с экономической точки зрения недорогой метод. Однако, в связи с тем. что глубина упрочненного слоя шеек изначально при изготовлении валов, как правило, не превышает 0,25-0,40 мм, а ремонтные размеры, в сою очередь отличаются один от другого на 0,25 0,5мм, то, начиная уже со второго ремонтного размера у коленчатых валов из-за снятия упрочненного слоя металла интенсивность изнашивания коренных и шатунных шеек возрастает, что резко сокращает ресурс работы двигателя.

С целью устранения этого недостатка рекомендуется применять закалку ТВЧ или повторное азотирование.

Упрочнение шеек коленчатых валов метолом ТВЧ заключается в том, что с ремонтных шеек снимают дефектный слой толщиной не менее 1 мм на сторону, производят закалку ТВЧ. а затем финишную обработку Несмотря на внешнюю простоту процесса он имеет ряд недостатков этот метод позволяет ремонтировать не более 1-4 шеек; высокая стоимость и крупные габариты технологического оборудования; организация мероприятий по защите персонала от рассеянного излучения; высокая энергоемкость; обезуглероживание приповерхностного слоя; снижение усталостной прочности, наличие технологического концентратора напряжений; снижение ремонтопригодности.

Повторное азотирование коленчатых валов имеет своп недостатки такие как, длительность процесса (70- 100ч), вредность производства, применение высоких температур и, как следствие, поводка (коробление) упрочняемых деталей, а соответственно увеличение припусков под механическую обработку, а также высокая энергоемкость

С целью определения влияния повторного азотирования на механические свойства материала, коленчатых валов дизеля 5Д49. под руководством д.т.н., профессора Дьяченко С.С. были проведены исследования, которые показали, что применение повторного азотирования приводит к разупрочнению основного материала вала [6].

Во втором случае на поверхность восстанавливаемого элемента наносят слой металла с последующей обработкой в нужный размер.

В ремонтном производстве коленчатых валов нашли применение такие способы; газотермические методы нанесения покрытий, электродуговая металлизация. газопламенное, детонационное и плазменное напыление, электролитические способы - хромирование и железнение.

Недостатками газотермического нанесения покрытий является невысокая прочность сцепления покрытия с основой (20...40 МПа) (7. 8]. Прочностные свойства при газотермическом напылении в определенной степени зависят от способа напыления и возрастают в следующей последовательности: электродуговая металлизация. газопламенное напыление, плазменное и детонационное напыление

Кроме того, все газотермические способы нанесения покрытий не исключают поводки (коробления) восстанавливаемых валов.

При восстановлении коленчатых валов могут применяться электролитические способы нанесения покрытий [9. 10). Одним из них является хромирование. Однако процесс хромирования коренных и шатунных шеек валов с целью повышения их износостойкости и восстановления исходного или ремонтного размера не нашел широкого распространения вследствие ряда причин: высокой стоимости, недостаточной прочности сцепления хрома с исходным материалом, снижения усталостной прочности вала, выкрашивания и отслоения хрома во время работы сопряжения. При этом прочность сцепления хромированного слоя с исходным материалом в значительной степени зависит от подготовки поверхности шеек к покрытию [11].

В последнее время для восстановления размеров изношенных стальных и чугунных деталей в промышленности применяют железнение. отличающееся технологической простотой получения покрытия, рядом
положительных эксплуатационных свойств и экономичностью процесса наращивания покрытия [12, 13]. В целях снижения хрупкости покрытий и повышения их износостойкости создают мелкозернистую структуру при помощи легирования марганцем и никелем [7].

Недостатками процесса железнения является то, что покрытия полученные этим методом, очень чувствительны к изменению скорости скольжения поверхностей трения. Так. при скорости скольжения от I до 2 м/с и температуре околоконтактной зоны 110-130° С коэффициент трения равен 0.07-0.08. Повышение скорости до 3 м/с вызывает рост коэффициента трения до 0.25 и температуры околоконтактной зоны до 200°С и выше. При дальнейшем повышении скорости скольжения возрастает коэффициент трения и соответственно температура, что приводит к схватыванию поверхностей [10].

Учитывая то, что в процессе движения транспортного средства коленчатый вал двигателя работает в большом диапазоне нагрузок и скоростей, которые колеблются от минимально допустимых до максимальных, широкое внедрение процесса восстановления коренных и шатунных шеек вала способом железнения затруднено.

Необходимо отметить, что стремление при наращивании слоев твердого железа получить прочностные свойства, близкие заданным рабочим чертежом, на изготовление данных деталей, следует признать несостоятельным. Установлено, что электролитическое железо по своим физико-механическим свойствам не является аналогом закаленных машиностроительных сталей [7, 13].

Кроме того, общим для электролитических покрытий недостатком и. в частности, процессов хромирования и железнения является наводораживание и, как следствие. последующее интенсивное изнашивание восстановленной поверхности [14. 15].

Анализируя вышеприведенные способы упрочнения и восстановления ресурса, коренных и шатунных шеек коленчатых валов, используемых как при их изготовлении, так и при ремонте, можно выделить для них общие недостатки:

-     стандартные упрочняющие способы и традиционные технологии нанесения износостойких покрытий в большинстве своем не обеспечивают требуемого уровня повышения износостойкости и усталостной прочности деталей одновременно;

-триботехнические характеристики упрочненных поверхностей и износостойких покрытий деталей в значительной степени зависят от скорости скольжения, удельного давления (нагрузок) и температуры:

-упрочняющие покрытия не обеспечивают качественного сцепления покрытия с подложкой (деталью);-    стандартные упрочняющие процессы достаточно энергоемки;

-изменение градиента температур в основном материале детали приводит к разрушению износостойких покрытий;

-большие капитальные вложения по организации производств для упрочнения деталей и устранению экологически вредных процессов.

Таким образом, используемые способы упрочнения и нанесения износостойких покрытий Fie позволяют полечить удовлетворительного сочетания необходимого уровня эксплуатационных характеристик трибосистем с приемлемыми технологичностью, ремонтопригодностью и экономичностью процессов изготовления и ремонта деталей.

На протяжении последних нескольких десятилетий повышению износостойкости и прочностных характеристик изделий способствовало широкое применение нетрадиционных способов упрочнения деталей. К ним относятся композиционные материалы. дифференцированная обработка, интенсивное распространение в последние годы получили кластерные покрытия, благодаря исследованиям Ляшенко Ь.Л. в области адгезионного и когезионного износа начала развиваться новая технология нанесения дискретных износостойких покрытий на детали.

Из вышеизложенного следует, что на протяжении последних десятилетий в различных областях науки и техники были предприняты попытки разработки новых нетрадиционных способов упрочнения деталей, которые были бы лишены многих недостаток классических технологий упрочнения. По нашему мнению, таким новым видом упрочнения может стать способ формирования износостойкой поверхности детали, в основе которого принято дискретное упрочнение, полученное электроискровым методом [16].

Суть метода заключается в создании на рабочей поверхности детали при помощи легирующих материалов в виде расположенных на расстоянии друг от друга островков, линий всевозможной конфигурации и т.д. (рис. 1).

 

	Рис. 1 Разновидности дискретных упрочнений а - островковые; б линейные.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Зависимость изменения коэффициента і рения для исследуемых образцов от нагрузки 1 — образцы первой серии (азотирование); 2 образцы второй серии (дискретное упрочнение); 3 образцы третьей серии (дискретное упрочнение с увеличенной толщиной снятого упрочненного слоя ).