Повышение эксплуатационной надежности подшипников скольжения транспортных дизелей применением дифференцированного гидродробеструйного упрочнения и поверхностно-активных веществ

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 коренных и шатунных подшипников коленчатого вала. И это, несмотря на то, что 75% времени технического обслуживания приходится на двигатель (по данным Ф. Н. Авдонькина, А. С. Денисова и др.).

Главной особенностью подшипников коленчатого вала транспортных дизелей является то, что они работают в условиях динамических деформаций шеек вала и вкладышей под действием знакопеременных меняющихся нагрузок. Так, например, изменение диаметрального размера подшипника при действии максимальных сил инерции превышает половину величины рабочего зазора. Радиальная деформация эквивалентна динамическому изменению кривизны рабочей поверхности подшипника. Это, как правило, приводит к увеличению толщины масляного слоя и, следовательно, к повышению запаса несущей способности подшипникас другой стороны, — вызывает дополнительные динамические напряжения в материале антифрикционного слоя, снижающие запас усталостной прочности. Силы гидродинамического давления и деформация изгиба кривошипной головки шатуна создает в материале антифрикционного слоя подшипника сложное напряженное состояние. Силы давления вызывают знакопостоянные пульсирующие напряжения сжатия, деформация изгиба — появление тангенциальных знакопеременных напряжений. Таким образом, антифрикционный слой испытывает плоское напряженное состояние, компоненты которого изменяются во времени по сложным законам. В этом случае наступление опасного состояния антифрикционного материала подшипника может быть вызвано различными значениями главных напряжений в зависимости от их взаимосвязи между собой. Каждой взаимосвязи будут соответствовать определенные опасные значения главных напряжений, при которых наступит опасное состояние антифрикционного материала, связанное с возникновением больших начальных остаточных напряжений или поверхностных усталостных трещин. Появление последних вызывает качественно иные гидродинамические силы, создающие расклинивающий эффект, ускоряющий процесс разрушения подшипника.

Актуальность темы

определяется необходимостью совершенствования теории и практики технологии поверхностного пластического деформирования применением дифференцированного гидродробеструйного упрочнения (ГДУ) и поверхностно-активных веществ (ПАВ) в подшипниках скольжения, получивших широкое распространение в тяжелом и транспортном машиностроении. 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. Покрытие рабочей поверхности подшипника ПАВ (эффект Ребиндера) как разновидность технологии поверхностного пластического деформирования снижает коэффициент динамичности в масляном слое из-за формирования тонких износостойких пленок из эмульгатора на поверхности контакта подшипника и шейки коленчатого вала. При этом колебательный процесс в масляном слое подшипника полностью демпфируется, повышая его несущую способность и, соответственно, эксплуатационную надежность конструкций.

В работах многих отечественных и зарубежных исследователей отмечается, что напряжения, оставшиеся в поверхностях слоях после ППД, помимо других факторов, тесно связаны с начальными остаточными напряжениями, возникающими в очаге деформации и в прилегающих к нему областях. Среди работ, относящихся к вопросу изучения начальных остаточных напряжений при ППД применительно к условиям ГДУ, выделяются исследования И. В. Кудрявцева, А. Н. Овсеенко, В. В. Петросова, Д. Д. Папшева и других. Однако для условий ГДУ пренебрежение взаимосвязью между дифференцированным упрочнением и начальными остаточными напряжениями приводит к значительным погрешностям. Для расчета начальных остаточных напряжений, определяющих качество упрочнения и запасы усталостной прочности детали приходится решать задачи напряженности конструкции при технологии ППД.

В транспортных дизелях широко применяются разъемные подшипники скольжения с тонкостенными вкладышами, залитыми антифрикционными сплавами. Они имеют значительные преимущества по сравнению с другими видами подшипников скольжения. Тонкостенные вкладыши, имеющие радиальную толщину менее 0,05 наружного диаметра, позволяют разместить подшипники в небольшом пространстве. Вкладыши полностью взаимозаменяемы и не требуют пригоночных работ при сборке.

Возможность изготовления вкладышей с небольшой толщиной антифрикционного слоя увеличивает их усталостную прочность. При изготовлении тонкостенных вкладышей расходуется меньшее количество дорогостоящих материалов.

Несмотря на очевидные преимущества, применение подшипников с тонкостенными вкладышами ограничено. Одной из причин, сдерживающих их распространение, является технологическая сложность их изготовления с необходимой точностью, особенно вкладышей больших размеров (диаметром больше 0,2 м).

При производстве тонкостенных вкладышей из цилиндрических заготовок большие трудности возникают в связи с деформацией основы вкладышей при заливке антифрикционными материалами. Особенно значительны эти трудности при изготовлении вкладышей, заливаемых свинцовистой бронзой.

Перед заливкой заготовку нагревают до температуры 3,88 — 3,95 К, затем заливают свинцовистой бронзой, нагретой до такой же температуры, и охлаждают с наружной стороны интенсивным потоком воздушно-водяной распыленной смеси на специальном приспособлении. Интенсивное охлаждение приводит к тому, что наружные слои заготовки быстро сжимаются, в тоже время как объем внутренних еще остается соответствующим их разогретому состоянию. При этом происходит сжатие материала, следствием чего является уменьшение диаметральных размеров заготовки — усадка, величина которой для вкладышей диаметром 0,200−0,225 м достигает 0,001 м. Неравномерность усадки в разных поперечных сечениях приводит к искажению цилиндрической формы заготовки — конусности, бочкообразное&trade-, корсетности. Так, например, наиболее часто образуется конусность, размеры которой у вкладышей диаметром 0,270 м достигают 0,0015 м. В результате неравномерности нагрева и охлаждения отдельные места заготовки сжимаются быстрее соседних, более горячих. Возникают локальные напряжения, вызывающие коробление заготовки. Коробление в виде овальности наружного базового диаметра заготовки при диаметре вкладышей 0,200-, 0225 м достигает 0,002−0,0025 м, при диаметре 0,27 м — 0,0035 м. Искажение стальной основы вкладыша приводит к тому, что в процессе дальнейшей механической обработки не обеспечивается равномерная толщина антифрикционного слоя.

Кроме деформации заготовки, выявляемой непосредственно после заливки, в материале вкладыша образуются большие начальные остаточные напряжения, которые до разрезки биметаллического кольца находятся в уравновешенном состоянии. После разрезки вкладыша на две половины равновесие сил нарушается, уменьшаются диаметральные размеры подшипников. Наибольшая деформация происходит сразу же после разрезки, однако начальные остаточные напряжения полностью не снимаются и уменьшение диаметральных размеров может произойти в результате релаксационных процессов во время последующей механической обработки или при работе вкладыша на дизеле.

Уменьшить влияние деформации на качество готовых вкладышей — одна из наиболее сложных и актуальных задач технологического процесса.

Поставленная задача ограничения и стабилизации диаметра вкладыша в свободном состоянии решается в ОСТ 24.067.40−84 применением операции пластического обжатия его заготовки. Эта операция выполнима в двух вариантах: обжатием круговой заготовки протягиванием через фильеру или обжатием заготовки после разрезки обечайки приложением усилий к стыкам. Пластическое обжатие «нейтрализует» в слоях заготовки вкладыша неопределенную внутреннюю напряженность от предыдущих операций заливки бронзы в стальную основу, правки и механической обработки. После снятия нагрузки за счет различия модуля упругости и предела текучести в слоях формируются начальные остаточные напряжения, что обеспечивает высокую стабильность исходного напряженного состояния вкладыша и его диаметра в свободном состоянии в плоскости стыков. Как и другие технологические операции деформирования (правка, формовка), применяемые при изготовлении вкладышей, пластическое обжатие вызывает наклеп стальной основы, который при работе дизеля способствует старению стальной основы, что сопровождается остаточным уменьшением натяга и диаметра в свободном состоянии. Для исключения этого явления из стадии работы дизеля ОСТом24.067.40−84 предусмотрена искусственная термообработка вкладышей в свободном или заневоленном состоянии до постановки на дизель, чем создается в антифрикционном слое более высокий уровень начальных растягивающих остаточных напряжений, чем при пластическом обжатии.

Способ повышения сжимающих начальных остаточных напряжений в антифрикционном слое при термообработке пластическим обжатием вкладышей начальным заневоливанием и температурной деформацией вкладыша в плоскости стыков при термообработке в свободном состоянии не повышает эксплуатационную надежность и несущую способность подшипника и не препятствует росту трещин.

Вкладыши подвержены суммарному воздействию рабочих, монтажных, температурных и начальных остаточных напряжений. Биметаллический эффект (различие коэффициентов линейного расширения, модулей упругости и пределов текучести) определяет всю сложность взаимодействия основы вкладыша с антифрикционным слоем. Поэтому в диссертации была поставлена и решена проблема, заключающаяся в повышении эксплуатационной надежности подшипников скольжения путем учета комплексного влияния основных действующих факторов в процессе эксплуатации: начальных остаточных, монтажных, рабочих и термических напряжений.

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 сельскохозяйственного и автомобильного двигателестроения.

Цель работы повышение эксплуатационной надежности подшипников скольжения транспортных дизелей путем совершенствования технологии и управления напряженным состоянием дифференцированной гидродробеструйной обработки рабочих поверхностей деталей и минимальной толщиной слоя смазки в условиях применения поверхностно-активных веществ.

Объектом исследования являются подшипники скольжения кривошипных головок шатунов транспортных дизелей 6ЧН21/21 (6ДМ-21А) ОАО «Волжский дизель им. Маминых».

Методы и средства исследования. В теоретических исследованиях использовались методы технологии машиностроения, расчетно-аналитические методы теории упругости, сопротивления материалов и конечных элементов. Экспериментальные исследования базировались на электротензометрии, метрологии, автоматизации научных исследований и приборах «Стресскан» (США — Финляндия) и «ИОН — 4М» при исследовании начальных остаточных напряжений после ППД деталейна емкостном методе при исследовании гидродинамики подшипников скольжения.

Научная новизна диссертации.

1 Теоретическое обоснование технологии дифференцированной гидродробеструйной обработки рабочих поверхностей деталей и подшипников скольжения на основе объяснения влияния напряженного деформационно-силовой обстановки на характер формирования начальных остаточных напряжений на базе современных достижений теории сопротивления материалов на примере стержня разнородной упругости.

2 Математическая модель нагружения масляного слоя подшипников скольжения в условиях поверхностного пластического деформирования путем применения поверхностно-активных веществ.

3 Математическая модель режимов дифференцированного гидродробеструйного упрочнения и применения поверхностно-активных веществ, учитывающая технические и технологические ограничения, которые позволяют активно управлять деформационным упрочнением различных участков поверхности детали и минимальной толщиной слоя смазки в конструкции, что дает возможность существенно повысить равномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность при усталостном нагружении, а так же снизить коэффициент динамичности в масляном слое на основе расчетных методов анализа динамики нагружения упрочняющей обработки применением ПАВ.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На базе теоретических выводов, получивших экспериментальное подтверждение, достигнут переход к эффективному управлению начальными остаточными напряжениями при обработке, определена область наиболее рациональных режимов поверхностного пластического деформирования. Наиболее важные практические результаты получены для упрочняющей обработки наружных поверхностей кривошипных головок, для которых достигалось активное снижение неравномерности результирующих напряжений по сечениям головок в 5−5,5 раз. Предлагаемая технология позволяет снизить материалоемкость изготовления шатуна до 50%, довести коэффициент использования металла до 1^=0,8−0,9, снизить трудоемкость изготовления шатуна на 3−4 нормо-часа, освободить 11−12 фрезерных станков и рабочих, их обслуживающих. Конструкционно-технологические решения, применение ПАВ изменяют условия смазывания в подшипниках скольжения путем демпфирования колебательного процесса и снижения динамики нагружения. Результаты исследования явились основой для создания шатунов и подшипников скольжения, получивших промышленную апробацию. Внедрение результатов исследования осуществлено в ОАО «Волжский дизель им. Маминых» и других организациях при изготовлении деталей с высоким технологическим уровнем и эксплуатационной надежностью.

Научные и практические результаты работы выполнены в соответствии с грантом №НШ-2064.2003.8 Минпромнауки России и использованы в плановых госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах за 20 002 005 г. г., выполняемых на кафедре «Технология и автоматизация машиностроения» БИТТУ СГТУ по направлению «Разработка научных основ повышения эксплуатационной надежности машиностроительных изделий констру кторско-технологическими методами».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

— на V и VI Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Балаково, 1922.11.2002г. и 17−21.11.2003 г.);

— на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы технического сервиса в агропромышленном комплексе» (Москва, 1618.12.2002 г.);

— на Межгосударственном научно-техническом семинаре по двигателям внутреннего сгорания (Саратов, 22−23.05.2003 г.) — на ежегодных научно-технических конференциях Саратовского государственного технического университета (2000;2005 г. г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ. Общий объем публикаций составляет 2,85 п.л., в том числе 2,15 п.л. принадлежащих лично автору.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержащей 53 рисунка, 16 таблиц, список используемой литературы включает 100 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в настоящей работе, можно сделать следующие выводы.

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

2 Результаты исследований напряженного состояния в эксплуатационных условиях знакопеременного циклического нагружения с применением МКЭ позволяют более верно судить об эксплуатационной надежности конструкции по критерию усталостной прочности. Показано, что технологические процессы механической обработки, гидродробеструйного упрочнения наряду с микрогеометрией, глубиной и степенью упрочнения элементов шатунов формируют неоднородное силовое поле начальных остаточных напряжений, вызывающих при изготовлении деталей коробление, усталостные трещины. При этом основанием возникновения начальных остаточных напряжений при технологической упрочняющей обработке служат пластическая деформация, микроструктурные и фазовые превращения. С одновременным воздействием силового нагружения в материале деталей усиливается процесс ползучести и, как следствие, релаксация начальных остаточных напряжений. Расчетные методики по определению начальных остаточных напряжений в поверхностном слое стальной основы и в антифрикционном слое вкладыша подшипника скольжения после поверхностного пластического деформирования на примере стержней разнородной упругости позволяют оценить уровень начальных остаточных напряжений после происшедшей пластической деформации.

3 В условиях динамического нагружения масляного слоя подшипника скольжения при применении поверхностного пластического деформирования путем использования поверхностно-активных веществ аналитическим методом решена задача определения необходимой величины минимальной толщины масляного слоя в зависимости от максимального давления цикла, упругости, коэффициента динамической вязкости — параметрах, характеризующих поведение масляного слоя при применении ПАВ.

4 Для проверки достоверности расчета напряженного состояния кривошипной головки шатуна, а также определения среднего напряжения цикла с целью назначения начальных 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 Разработан и освоен на практике малоотходный метод дифференцированного упрочнения шатунов и вкладышей подшипников скольжения, позволяющий активно управлять ППД различных участков поверхности конструкции, что дает возможность существенно повысить неравномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность конструкции при усталостном нагружении. Предполагаемая технология позволяет снизить материалоемкость процесса до 50%, довести коэффициент использования материала до Ким=0,8−0,9, снизить трудоемкость изготовления шатуна на 3−4 нормо-часа, освободить 11−12 фрезерных станков и рабочих, их обслуживающих. Изучены и показаны пути повышения эксплуатационной надежности вкладышей подшипников скольжения путем поверхностного пластического деформирования применением поверхностно-активных веществ и композиционного биметаллического материала.

6 Проведена теоретическая оценка начальных остаточных напряжений в поверхностном слое высоконагруженных элементов кривошипных головок шатунов, антифрикционном слое и стальной основе вкладыша подшипника скольжения после поверхностного пластического деформирования. Сравнительный анализ начальных остаточных нагружений на примере кривошипной головки шатуна показывает удовлетворительную сходимость результатов расчета с экспериментальными данными. Анализ эпюр показывает, что при дифференцированном ППД гидродробеструйной обработкой неравномерность распределения результирующих напряжений по отдельным сечениям кривошипной головки шатуна снижается в 5−5,5 раз и, соответственно, повышается равнопрочность и эксплуатационная надежность конструкции по критерию «усталостная прочность».

7 Анализ технического состояния деталей и сборочных единиц дизеля устанавливает возможность их повторного использования.

Введение

в ремонтную технологию ГДО позволяет нейтрализовать дефектный слой, образованный в процессе работы дизеля, снижающий эксплуатационные характеристики шатунов, а также повысить предел усталостной прочности в областях, подверженных усталостному разрушению. Снижение удельных затрат на ремонт составило 145,6%.

8 Результаты диссертационной работы внедрены в производство и народное хозяйство с годовым экономическим эффектом 21 766,46 тыс. руб.