Телефон +38(057) 766-86-14
Эл.адрес [email protected]
Kobap logo

Дискретное упрочнение

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

 

«НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ
РЕСУРСА ТЕПЛОВОЗОВ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИИ
ДИСКРЕТНОГО УПРОЧНЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ И СИЛОВЫХ АГРЕГАТОВ»

 

ОРГАНИЗАЦИИ, участвующие в разработке, испытаниях и

внедрении технологии:

Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт»

Ткачук Николай Анатолиевич, доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Теория и системы автоматизированного
проектирования механизмов и машин»

Кравченко Сергей Александрович, кандидат технических наук, старший
научный сотрудник кафедры «Двигатели внутреннего сгорания»

ГП Укрзализныця

Батюшин Игорь Еремеевич, кандидат технических наук, заместитель
начальника главка локомотивного хозяйства ГП Укрзализныця
ОАО «Изюмский тепловозоремонтный завод»

Сапожников Виктор Михайлович, и.о. председателя правления
Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Дьяченко Светлана Степановна, доктор технических наук, профессор
кафедры «Технология машиностроения и ремонта машин», Заслуженный

деятель науки и техники Украины
Национальный транспортный университет
Посвятенко Эдуард Карпович, доктор технических наук, профессор кафедры

«Технология, ремонт и материаловедение»,

Заслуженный деятель науки и техники Украины

Частная научно-исследовательская производственно-коммерческая

фирма «ТАВИ».

Гончаров Виктор Григорович, кандидат технических наук,

генеральный директор

 

Харьков

 

 

Актуальность проблемы

 
На данное время на железных дорогах Украины эксплуатируется около 2500 единиц тепловозов. Из них до 900 единиц магистральных грузовых тепловозов, до 70 единиц - пассажирских и более 1500 - маневровых. Значительная часть из них исчерпала нормативный срок эксплуатации в 20 лет, что является большой проблемой для народного хозяйства Украины. В 2009 году разработана «Комплексная программа обновления железнодорожного подвижного состава Украины на 2008 - 2020 годы», которая предусматривает удовлетворение нужд в перевозках за счет закупки тепловозов нового поколения, а также имеющегося тягового подвижного состава путем удлинения срока его эксплуатации при выполнении капитального ремонта с модернизацией и ремоторизацией (то есть заменой дизелей на новые).

 


При большом количестве способов восстановления для таких быстроизнашивающихся деталей как коленчатые валы актуальной проблемой до сих пор является поиск новых эффективных технологий, которые обеспечивают повышение ресурса рабочих поверхностей. Решение этой проблемы позволит обеспечить конкурентоспособность машиностроительной продукции Украины на мировом рынке.


Целью данной работы является повышение ресурса магистральных тепловозов и других машин путем научного обоснования, создания и внедрения в производство новых комплексных энергосберегающих технологий изготовления и ремонта тяжелонагруженных деталей машин на базе дискретного укрепления.

Согласно поставленной цели в работе решены такие задачи:

 -выполнен анализ вопроса обеспечения ресурса тяжелонагруженных деталей;

 -предложен новый способ формирования износостойких поверхностей металлических изделий (дискретное упрочнение) как альтернативу стандартным технологиям поверхностной закалки и азотирования;

 -проведены теоретические исследования эффективности дискретного упрочнения при изготовлении и ремонте деталей машин;

 -проанализированы изменения структуры и свойств приповерхностных слоев материалов после дискретного упрочнения и их влияние на эксплуатационные свойства изделий;

 -оптимизированы режимы дискретной обработки для получения необходимых триботехнических характеристик на примере пары трения «шейка коленчатого вала -вкладыш»;

 -экспериментально оценены ремонтопригодность, работоспособность и повышения ресурса трибосистемы после упрочнения;

 -разработаны и изготовлены оборудование и технологическая оснастка;

 -проведены опытно-промышленные испытания.

 Недостатки существующих традиционных технологий азотирования, СВЧ, цианирования и других.

 Улучшение технико-экономических показателей ДВС на современном этапе развития техники характеризуется повышением их эксплуатационных параметров (рабочих температур, давления, нагрузок на конструктивные элементы, детали и т.п.). При таких условиях эксплуатации к изделию предъявляются требования повышенной выносливости и трещиностойкости. Износ поверхностей трения происходит в результате двух разновидностей механического изнашивания - абразивного и усталостного. Таким образом, долговечность и ресурс работы коленчатых валов двигателей определяются двумя параметрами - усталостной прочностью изделия и износостойкостью поверхности шеек. При этом износостойкость деталей полностью зависит от методов упрочнения их поверхностных элементов.

 Недостатки традиционных технологий:

 -     не обеспечивают необходимого уровня износостойкости и усталостной прочности деталей одновременно;

 -     создание технологических концентраторов напряжений;

 -     плохое сцепление с основой (деталью);

 -     из-за продолжительности процесса происходит разупрочнение основы, которое приводит к приобретению остаточной деформации детали по завершению процесса;

 -     градиент температур может вызвать возникновение трещин и разрушения покрытия;

 -   стандартные процессы упрочнения энергоемкие и нуждаются в больших капитальных вложениях на организацию производства и защиты окружающей среды.

 

Шейки коленчатого вала с дефектами: абразивное изнашивание
 

Шейки коленчатого вала с дефектами: абразивное изнашивание

 
Вкладыш: изнашивание прирабатываемого покрытия

Технологические дефекты: отслоение прирабатываемого покрытия и его изнашивание

Общим и наиболее существенным недостатком всех методов поверхностного упрочнения является то, что они сводятся лишь к повышению твердости материала поверхностного слоя детали. Но, как известно, только твердость не может однозначно характеризовать износостойкость. Вследствие всего сказанного ресурс двигателей до отправки в капитальный ремонт в реальных условиях эксплуатации оказывается существенно ниже нормативного.

 

Разработка и реализация научных основ создания благоприятных поверхностных дискретно-
континуальных полей напряжений в высоконагруженных элементах машин

При разработке принципиально новых технологий одной из основных проблем является проблема поиска оптимального решения в нечетко определенному и ограниченном пространстве факторов, при нечетких критериях, ограничениях и собственно при неопределенных характеристиках самого технологического процесса. Важно то, что традиционные технологии могут улучшаться в основном только за счет компромиссных, а не оптимизационных процедур. Выход из этой ситуации - отказ от жесткой регламентации факторов, поиск принципиально новых физико-механических процессов и оптимизация их влияния на комплекс критериев, которые определяют характеристики поверхностного упрочнения элементов машин. Однако для реализации данного подхода нужно, во-первых, разработать теоретическую основу, математический аппарат для многовариантного исследования и оптимизации характеристик состояния поверхностного слоя в сочетании с состоянием материала на глубине, во-вторых, разработать специализированный программно-модельный комплекс для числовых исследований напряженно- деформированного состояния, а, в-третьих, провести с применением разработанных подходов процесс исследований и синтеза схемы и параметров новой технологии.
 
Разработка теоретико-множественного подхода к генерированию моделей физико-механических процессов и состояний сложных и сверхсложных механических систем
 
Формирование обобщенного параметрического пространства, которое описывает исследуемый объект или класс объектов

Программно-аппаратный комплекс

Компьютерный кластер
«Политехник-125»

Процессорные ядра - 64

Память - 128 СВ
Производительность - 0,5 ТАорв

Схема нанесения и характерные зоны при дискретно­континуальном упрочнении (8 - поверхность упрочнения): 1 - дискретная зона упрочнения - зона «белого металла»; 2, 3 - переходные зоны; 4 - основной материал

 

 

 

Геометрическая модель вала
и конечно-элементная
модель фрагмента

Вертикальные перемещения

 

Первые главные напряжения

Третьи главные напряжения

Интенсивность напряжений по Мизесу


СЕМ подповерхностного слоя опорной части вала и эквивалентные напряжения по Мизесу

Выявлено 2 эффекта: «Д-Эффект» и «а-эффект». Первый описывает формирование благоприятного микропрофиля деформированной поверхности, а второй - благоприятного распределения напряжений за счет большей прочности зон дискретного упрочнения. Рекомендуемый интервал параметра дискретности покрытия: - [0,65 - 0,75].

Экспериментальное исследование дискретного упрочнения