WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

ЗаДорожний Роман Николаевич

Совершенствование технологии восстановления

шатунов с косым разъемом

Специальность 05.20.03 Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саранск 2012

Работа выполнена в государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка» Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии)

               

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук профессор

Бурумкулов Фархад Хикматович

Официальные оппоненты:

Комаров Владимир Александрович,

доктор технических наук, профессор

кафедры технического сервиса машин

ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарёва»

Голубев Иван Григорьевич,

доктор технических наук, профессор

зав. отделом технического сервиса

ФГБНУ «Росинформагротех»  

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА

им. П.А. Столыпина»

Защита диссертации состоится «21» декабря 2012 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 при ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарёва» по адресу: 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке  им. М.М. Бахтина ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва» и на сайтах www.mrsu.ru и vak2.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «20» ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

С. А. Величко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Динамически нагруженные шатуны V-образных двигателей ЯМЗ-236/238/240/7511/8423, А-41, «Cummins», «Deutz», «MAN», «Mitsubishi» и др. с косым разъемом кривошипной головки, плоскость которой расположена под углом от 35 до 55 к оси шатуна, изготавливаются из сталей 45, 40Х, 40ХФА и 40ХН2МА (ЯМЗ-240) твердостью НВ 220–290. Для восприятия возникающего в стыке нижней головки шатуна (НГШ) с крышкой усилия, а также для более прочного сцепления плоскости косого разъема НГШ сделаны в виде особого замка, имеющего шлицевую форму или выполненного по технологии контролируемого разлома, что также предотвращает срез шатунных болтов.

После доремонтной эксплуатации практически у 100 % шатунов нижняя головка требует восстановления размеров и геометрии, а втулка верхней головки, как правило, выпрессовывается и заменяется новой. Количество шатунов со скручиванием и изгибом больше предельно допустимого значения (>0,05мм) составляет ~70 %.

Техническими требованиями на ремонт двигателей запрещено использовать для восстановления шатунов термические методы, а другие методы нанесения покрытий для восстановления шатунов с косым разъемом нижней головки не нашли широкого применения вследствие сложности механической обработки, высокой себестоимости и т.п. В результате основным способом восстановления таких шатунов стала расточка в ремонтный размер, что влечет за собой изменение межцентрового расстояния головок, а также необходимость организации производства вкладышей ремонтного размера.

В связи с этим разработка метода восстановления шатунов с косым разъемом нижней головки в номинальный размер металлопокрытиями, отвечающих требованиям технических условий, является актуальной задачей ремонтного производства.

Цель исследования – повышение межремонтного ресурса шатунов с косым разъемом нижней головки до уровня новых восстановлением изношенных поверхностей методами электроискровой обработки (ЭИО) и холодного газодинамического напыления (ХГДН).

Объект исследования – технологический процесс восстановления шатунов с косым разъемом нижней головки дизельных двигателей нанесением на рабочие поверхности функциональных покрытий методами ЭИО и ХГДН.

Предмет исследования – техническое состояние новых, изношенных и восстановленных шатунов с косым разъемом нижней головки отечественных и зарубежных дизельных двигателей типа ЯМЗ-236/238 и Raba-MAN и свойства  покрытий, полученных методами ЭИО и ХГДН.

Методы исследования. Решение поставленных задач проведено на основе применения методов эмпирического познания, теоретического анализа и синтеза, математической статистики, математического моделирования, наблюдения.

Оценка технического состояния и микрометражные исследования деталей, оценка физико-механических и триботехнических свойств покрытий, их топография, эксплуатационные наблюдения новых и восстановленных деталей проводились по общим и частным методикам с использованием современного научно-исследовательского оборудования и средств измерений лаборатории «Технологии и средства создания покрытий с заданными служебными свойствами» Института механики и энергетики МГУ им. Н.П. Огарёва и ЦКП «Наноцентр» ГНУ ГОСНИТИ. Обработка результатов исследований осуществлялась методами математической статистики с использованием пакета прикладных программ «Statistica 7.0» и «Excel 2010».

Положения, выносимые на защиту:

– статистическая оценка значений дефектов шатунов с косым разъемом дизельных двигателей ЯМЗ-236/238 и Raba-MAN;

– теоретическое обоснование толщины покрытия для устранения износа отверстий головок шатунов;

– физико-механические и триботехнические свойства покрытий, сформированных методами ЭИО и ХГДН;

– усовершенствованный технологический процесс восстановления шатунов с косым разъемом нижней головки дизельных двигателей ЯМЗ-236/238 и Raba-MAN, обеспечивающий межремонтный ресурс до уровня нового.

Научная новизна работы:

– определены оптимальные режимы формирования слоя металла на стали 45 при ЭИО электродом БрКМц3-1 и ХГДН порошков на основе меди и алюминия;

– установлены значения прочности на отрыв и на срез разной толщины покрытий, образованных ЭИО и ХГДН;

– определены изменения структуры и твёрдости бронзового покрытия после ЭИО;

– установлены триботехнические свойства пар трения сталь 3 – сталь 45 эталонных и восстановленных ЭИО, ХГДН и комбинированием ЭИО + ХГДН;

– определена фреттинг-коррозионная стойкость эталонных, восстановленных ЭИО, ХГДН и ЭИО + ХГДН пар трения;

– разработан усовершенствованный технологический процесс восстановления шатунов, обеспечивающий межремонтный ресурс на уровне нового, за счёт создания на поверхности трения методами ЭИО и ХГДН покрытий, обладающих высокой фреттинг-коррозионной стойкостью.

Теоретическую и практическую значимость результатов исследования представляют:

– результаты оценки технического состояния ремонтного фонда шатунов дизельных двигателей с косым разъемом;

– теоретическое обоснование толщины покрытия для устранения износа отверстия головки шатуна;

– новые знания о физико-механических и триботехнических свойствах покрытий, полученных методами ЭИО и ХГДН;

– устройство для расточки НГШ (положительное решение о выдаче патента на полезную модель № 2012118671/02, дата приоритета 04.05.2012);

– усовершенствованный технологический процесс восстановления шатунов дизельных двигателей с косым разъемом нижней головки с использованием ЭИО и ХГДН, обеспечивающий межремонтный ресурс на уровне нового.

Реализация результатов исследования. Оборудование и технология, обеспечивающая восстановление шатунов на уровне новых, внедрены ООО МИП «Агросервис». Восстановленные шатуны установлены на отремонтированные двигатели ЯМЗ-236 и Raba-MAN 2-го автобусного парка г. Москвы, а также на двигатели ЯМЗ-236 ООО «Благоустройство» г. Воронежа.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на следующих конференциях:

– Международной научно-технической конференции «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей», ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии, г. Москва, 2009 г.;

– Международной научно-практической конференции «Интеграция науки, образования и производства в области агроинженерии», посвященной 80-летию ФГОУ ВПО МГАУ имени В.П. Горячкина, г. Москва 2010 г.;

– Международной научно-технической конференции «Научные проблемы ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей», ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии, г. Москва, 2010 г.;

– Международной научно-технической конференции «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин», ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии, г. Москва, 2011 г.;

– 1-й конференции молодых ученых и специалистов отделения механизации, электрификации и автоматизации Российской академии сельскохозяйственных наук «Научное обоснование инновационных вопросов в агропромышленной сфере», ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии, г. Москва, 2012 г;

– Международной научно-практической конференции «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы», посвященной 55-летию Института механики и энергетики ФГОУ ВПО «МГУ имени Н.П. Огарёва», г. Саранск 2012 г.

Технология восстановления шатунов комбинированным методом удостоена награды Международного салона «АРХИМЕД» (г. Москва, ВВЦ, 2011 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 работ, в том числе 8 в изданиях, входящих в перечень ВАК. Получен 1 патент РФ на полезную модель № 2012118671/02.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 81 рисунок, 24 таблицы, список литературы содержит 130 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, поставлена цель, определены объект и предмет исследований, теоретическая и практическая значимость результатов исследований, представлена апробация.

В первой главе проведен анализ конструктивных особенностей шатунов, условий нагружения, определен характер проявления основных дефектов и способы их устранения, рассмотрено оборудование, на котором возможно их устранение.

Рассмотрены работы Б.С. Антропова, В.Н. Баруна, Б.К. Буравцева,  Ф.Х. Бурумкулова, А.С. Денисова, Е.А. Кильмяшкина, В.С. Лукинского,  Н.И. Светличного, А.Э. Хрулева, В.М. Юдина и других авторов по восстановлению и оценке технического состояния шатунов. Обзор литературных источников показал, что основными дефектами шатунов являются износ втулки верхней головки шатуна (ВГШ), изменение геометрии и качества поверхности отверстия НГШ из-за абразивного и фреттинг-коррозионного износов, выплавление и проворот шатунных вкладышей, изгиб и скручивание тела шатуна.

В соответствии с анализом обозначенной проблемы и поставленной целью сформулированы задачи исследования.

1. Определить закономерности  распределения дефектов.

2. Теоретически обосновать необходимую толщину покрытия в зависимости от величины износа отверстия НГШ.

3. Экспериментально обосновать выбор материалов и режимов восстановления НГШ.

4. Определить физико-механические и триботехнические свойства образованных покрытий.

5. Разработать оборудование для расточки отверстий НГШ.

6. Разработать технологический процесс восстановления шатунов с косым разъемом нижней головки способами ЭИО и ХГДН.

7. Определить технико-экономическую эффективность внедрения технологического процесса восстановления шатунов.

Во второй главе рассмотрены теоретические предпосылки к экспериментальным исследованиям.

Рисунок 1 – Основные геометрические характеристики шатуна

Толщина электроискрового покрытия, необходимая для компенсации износа, рассчитана с учётом основных геометрических характеристик шатуна, т.е. его размерной цепи (рисунок 1). За замыкающее звено размерной цепи принимается параметр S (мм), который характеризует величину компенсации погрешности формы отверстия нижней головки (основной дефект).

Уравнение размерной цепи имеет следующий вид:

S = А0 – А1 – А2 – А3, (1)

где – радиус нижней головки шатуна, мм; – радиус втулки верхней головки шатуна, мм; и – диаметры отверстий нижней и втулки верхней головок соответственно, мм; – расстояние между ближайшими образующими отверстий поршневой и кривошипной головок, мм; – расстояние между отверстиями нижней и втулки верхней головок соответственно, мм.

По технологическим требованиям при механической обработке необходимо иметь допуск на размер S, который вычисляется по формуле, мм:

(2)

где – допуски на размеры соответствующих звеньев указанные в технических требованиях на шатун, мм; допуск на звено А2 находится из выражения , мм.

Для установления предельного отклонения звена S необходимо определить координату середины поля допуска, мм:

,  (3)

где 0, 1, 2, 3 – координаты звеньев размерной цепи, мм.

По значению допуска звена S и координаты середины поля допуска определяются его верхнее (вs) и нижнее (нs) отклонения, мм:

(4)

Результаты микрометражных исследований показывают, что максимальная величина износа может достигать 0,48 мм, ее плотность распределения и форма приведены на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2 – Функция плотности распределения отклонений диаметра отверстия нижней головки шатуна (плоскость II, рисунок 3)

Рисунок 3 – Форма износа и схема восстановления отверстий НГШ

Опыт восстановления отверстий с износами и деформациями свыше 200 мкм (по диаметру) методом ЭИО показывает, что необходимо наносить двухслойное или трёхслойное покрытие.

На рисунке 3 показана размерная цепь, из которой определяется поле рассеивания замыкающего звена , мм:

; (5)

где – передаточное отношение составляющего звена; – поле рассеивания i-го звена, мм; m – количество звеньев размерной цепи, шт.

Для случая двухслойного покрытия

, (6)

где – поле рассеивания первого слоя звена S численно равное полю допуска минус , т.е.

,  (7)

где – максимальное значение диаметра изношенного отверстия нижней головки, определенное статистическими исследованиями, мм; – номинальный размер отверстия, мм; – поле рассеивания второго слоя звена S, мм.

Тогда

  (8)

Поле рассеивания определяет, в каком диапазоне находится значение отклонения размера и, следовательно, в каком диапазоне будет находиться значение толщины наносимого многослойного слоя.

Затем для определения предельных отклонений звена находится координата середины поля рассеивания , мм:

,  (9)

где – координата середины поля рассеивания i-го звена, мм.

, (10)

где – координата середины поля допуска 1–го звена, мм; – координата середины поля допуска 2–го звена, мм.

Тогда

. (11)

Зная координату середины поля рассеивания и величину поля рассеивания, можно определить предельные отклонения звена многослойного покрытия, мм:

,  (12)

где в – верхнее предельное отклонение, мм; н – нижнее предельное отклонение, мм.

Таким образом, металлопокрытие, нанесенное методом ЭИО, состоит из слоя толщиной (первый или первый и второй слой может быть образован из различных материалов) и слоя металла величиной , для которого должен использоваться теплопроводный материал с высокой стойкостью к фреттинг-коррозии.

Толщину покрытия h (мм), образованную на единичной поверхности V (см2) за время (мин) определяли по формуле А.Г. Бойцова:

,  (13)

где – коэффициенты, зависящие от свойств сопряженных электродов и условий обработки; Wи – энергия единичного искрового разряда, Дж; fи – частота импульсов тока, вырабатываемых генератором, Гц; п = к/а – коэффициент переноса материала эродированного электрода на поверхность детали; – привес образца катода, кг; – вес унесенного материала с поверхности электрода анода, кг.

При ЭИО встречаются случаи, когда толщина покрытия может расти, а масса наплавляемой детали уменьшается. Это связано с неправильно подобранным электродом, в результате значительному разрушению подвергается поверхность наплавляемой детали. Поэтому значения коэффициента переноса в формуле (13) зависят от теплофизических свойств поверхности детали и материала электрода и являются производными критерия Палатника – Верхотурова: 

>>1, (14)

где , – соответственно удельная теплоемкость катода и анода, кДж/см2; , – соответственно плотность материалов катода и анода, кг/см2; , – соответственно коэффициент теплопроводности материалов катода и анода; , – соответственно температура плавления материалов катода и анода, К; , – соответственно температура хладноломкости материалов катода и анода, К; , – характеристическая температура материалов катода и анода, определяемая по формуле Линдемана:

,  (15)

где М – молекулярный вес материалов катода и анода, г/моль.

Из формулы (13) следует, что толщина покрытия прямо пропорциональна времени обработки, однако, как было установлено ранее, она имеет ограничение.

Известно, что выбор материала электродов проводится по критериям:

и .  (16)

Таким образом, основными критериями выбора режимов ЭИО являются , – соответственно коэффициент теплопроводности материалов катода и анода; , – соответственно температура плавления материалов катода и анода; заданная нормативная толщина и сплошность покрытия. При этом приращение производной dhi/dt должно быть положительным.

На рисунке 4 изображен график образования многослойного покрытия в зависимости от времени tоб.

Рисунок 4 – Кинетика образования трёхслойного покрытия, в зависимости от  времени tоб

Используя приведенные характеристики процесса ЭИО, определяются следующие параметры: значение времени обработки tа – время, при котором отмечается практически линейный рост толщины покрытия, т. е. максимальное значение производной dhi/dt = max i(t) или tfk – время, при котором впервые наблюдается отрицательный привес детали.

Экспериментально-расчётные методы показывают, что если после времени tа или tfk , продолжить обработку, то значительно растут шероховатость и волнистость покрытия. Поэтому дальнейшее применение ЭИО нецелесообразно. Для повышения толщины покрытия необходимо использовать промежуточную операцию, сущность которой заключается в пластической деформации или шлифовке поверхности, и последующую ЭИО материалом.

Для обеспечения заданной точности восстановленных деталей разработано устройство для расточки НГШ (рисунок 5) (положительное решение о выдаче патента на полезную модель № 2012118671/02, дата приоритета 04.05.2012 г.).

1 – привод главного движения, 2 – привод подач, 3 – суппорт, 4 – прижимающие устройства, 5 – втулка установочная, 6 – обрабатываемый шатун

Рисунок 5 – Устройство для расточки отверстия НГШ

Погрешность устройства, на котором будет обрабатываться деталь, должна отвечать следующему условию:

  (17)

где – действительное значение погрешностей базирования заготовки, мм; доп – допускаемое значение погрешностей базирования заготовки, мм.

Допускаемое значение погрешностей базирования доп рассчитывается по формуле

доп = – , (18)

где – допуск выдерживаемого размера, мм; – точность обработки, получаемая при выполнении данной операции, мм.

Действительное значение погрешностей базирования заготовки определяется из геометрических связей, свойственных схеме базирования.

Расчетная суммарная погрешность пр определяется по формуле

  (19)

где – допуск на обрабатываемой детали, мм; к1 – коэффициент, равный 0,80–0,85; к2 – коэффициент, равный 0,6–1,0; – точность обработки на данной операции, мм; уст – погрешность установки, мм.

Полученный результат распределяется по отдельным составляющим звеньям размерной цепи.

В третьей главе представлена программа и приведены частные и общие методики исследований.

Изучение дефектов и микрометражные исследования проводились на 80 изношенных шатунах ЯМЗ-236/238 и 27 изношенных шатунах Raba-MAN из ремонтного фонда 2-го автобусного парка Мосавтотранса и 1-го АРЗ. Выбор рабочего оборудования и материалов для ЭИО изношенных отверстий НГШ осуществляли на основе практического опыта и анализа работ Ф. Х. Бурумкулова, П.В. Сенина, В.И. Иванова, А.Д. Верхотурова, С.А. Величко, П.А. Ионова, Н.В. Ракова и  других.

Для исследования электродных материалов и режимов обработки использовались установки «Вестрон АИ-007» (ТУ 3312-001-21655395–2001) и БИГ-4 (ТУ 3312-001-02069964–2012), а в качестве наплавочных материалов применяли безоловянистую бронзу марки БрКМц3-1, отвечающую условию (16), и медь марки М1.

Для комбинированных покрытий с использованием ХГДН применялась установка «Димет-405», в качестве напыляемых материалов применяли порошки С-01-01 (на основе меди) и А-80-13 (на основе алюминия).

Физико-механические свойства электроискровых и газодинамических покрытий изучали в соответствии с ГОСТ 14760–69, МР 250–87 и РД 10.003–2009. Металлографические исследования покрытий проводились с помощью компьютеризированного микротвердомера КМТ-1 и микроскопа «Olympus GX51» в соответствии с ИСО 4287, ГОСТ 9450–76, ГОСТ 27964–88. Обработку профилограмм и вычисление характеристик шероховатости поверхности образцов с электроискровой обработкой выполняли согласно ГОСТ 2789–73 на профилограф-профилометрах «Surtronic 25» и «Form Talysurf» фирмы «Taylor Hobson Ltd.». Сравнительные триботехнические испытания образцов осуществляли согласно ГОСТ 23.224–86 и РД 10.003–2009 на модернизированной машине трения 2070 СМТ-1.

Исследование фреттинг-коррозионной стойкости восстановленных ЭИО и ХГДН неподвижных соединений типа «отверстие НГШ – стальной вкладыш коленчатого вала» проводилось с использованием методики, изложенной в ГОСТ 23.211–80, на модернизированной экспериментальной установке, разработанной в лаборатории № 11 ГОСНИТИ.

Эксплуатационные испытания двигателей с восстановленными шатунами с косым разъемом нижней головки осуществлялись на автомашинах марок МАЗ, КамАЗ, «Ikarus» по плану [NUN] РД 50-690–89.

Обработку экспериментальных данных осуществляли на ПК с помощью пакетов прикладных программ «Statistica 7.0» и «Excel 2010».

В четвертой главе представлены результаты входного контроля поступивших на ремонт шатунов дизельных двигателей и дана оценка эксплуатационных свойств покрытий, полученных методами ЭИО и ХГДН.

Микрометражными исследованиями определены значения дефектов шатунов, а также установлены законы их распределения (таблица 1 и 2).

Таблица 1 – Распределение дефектов шатунов ЯМЗ-236 (N = 80)

Параметр

Макс. диаметр НГШ, мм

Конус-ность НГШ, мм

Оваль-ность НГШ, мм

Непарал-лельность осей, мм

(на 100 мм)

Перекос осей, мм

(на 100 мм)

Межцентровое расстояние, мм

Параметры распределения Вейбулла

Ср. макс., Dср.

93,072

0,049

0,092

0,312

0,218

265,510

Смещение, С

0,098

0,036

0,091

0,588

0,446

1,041

Станд. отклон.,

92,980

0,000

0,020

0,015

0,000

263,449

Ср.макс., X

0,092

0,049

0,071

0,297

0,218

2,062

Коэф. вариации, V

1,06

0,744

1,276

1,980

2,048

0,505

a

0,097

0,053

0,063

0,166

0,119

0,279

b

0,990

1,360

0,790

0,550

0,538

0,540

Kb

1,003

0,916

1,150

1,750

1,808

1,800

Cb

1,009

0,681

1,450

3,540

3,756

3,726

Таблица 2 – Распределения дефектов шатунов Raba-MAN (N = 27)

Параметр

Максимальный диаметр отверстия головки, мм

Конус-ность НГШ, мм

Оваль-ность НГШ, мм

Непарал-лельность осей, мм

Перекос осей, мм

Межцен-тровое расстояние, мм

нижней

верхней

Параметры распределения Вейбулла

Ср. макс., Dср

89,028

50,020

0,129

0,111

0,163

0,069

275,122

Смещение, С

88,985

49,990

0,000

0,000

0,030

0,000

275,025

Станд. откл.,

0,076

22,338

0,202

0,133

0,101

0,088

0,194

Ср.макс., Х

0,043

0,020*

0,129

0,111

0,133

0,069

0,097

Коэф. вариции, V

1,751

0,447

1,562

1,197

0,762

1,289

1,988

a

0,029

1,528

0,093

0,041

0,144

0,025

0,057

b

0,62

0,690

0,657

0,550

1,325

0,540

0,557

Kb

1,52

1,294

1,369

1,670

0,921

1,780

1,710

Cb

2,62

1,938

2,181

3,250

0,702

3,500

3,410

Примечание: * – средний максимальный износ отверстия.

Отклонения размеров НГШ проявляются в виде износа и деформации. Износ отверстия нижней головки более допустимого 0,04 мм имеют 35 % шатунов ЯМЗ-236 и 14 % шатунов Raba-MAN.

Из представленных данных определили необходимые толщины слоя металлопокрытия с учетом припуска на механическую обработку, которые нужно нанести на изношенные рабочие поверхности НГШ, а также подобрали соответствующие электроды и режимы для металлопокрытия.

Экспериментальные исследования кинетики эрозии материалов при ЭИО показали, что максимальная производительность наплавки отмечена у электродов из бронзы марки БрКМц3-1 на режиме Р8-4 (Ip = 12 А, Uразр = 200 В, С = 360 мкФ, fимп = 150 Гц) установки «Вестрон АИ-007». Сплошность покрытия составила не менее 80 %.

Металлографические исследования покрытий ЭИО показали, что нанесенный слой состоит из окислов и фрагментов застывшего металла и термодиффузионной зоны. Глубина зон зависит от режима и времени обработки. На рисунках 6 и 7 представлены микроструктура и график распределения микротвердости электроискрового покрытия бронзой БрКМц3-1 по глубине.

Рисунок 6 – Послойная структура электроискрового покрытия бронзой БрКМц3-1 на сталь 45

Рисунок 7 – Изменение микротвердости электроискрового покрытия бронзой БрКМц3-1 по глубине

Исследование микротвердости покрытия, нанесенного на стальной образец (сталь 45, Нµ = 222 МПа), показало, что покрытие обладает твердостью  Нµ = 200–700 МПа, т.е. его микротвёрдость значительно выше микротвёрдости основы, следовательно, его несущая способность должна быть выше.

Рисунок 8 – Зависимость прочности сцепления при срезе и отрыве ЭИ и ХГДН покрытий на сталь 45 от их толщины

Экспериментальная проверка прочности металлопокрытий ЭИО и ХГДН на отрыв и на срез производилась в соответствии с РД 10.003–2009 и  МР250–87. Результаты экспериментальных исследований представлены в виде гистограммы на рисунке 8.

Максимальные прочностные характеристики для электроискровых покрытий соответствуют толщинам 0,1–0,3 мм и составляют: на срез – 78,5 МПа, на отрыв – 51,5 МПа, а для покрытий ХГДН толщиной 0,75–0,85 мм: для медесодержащих порошков на срез – 23,2 МПа, на отрыв – 6,9 МПа; для алюминесодержащих порошков на срез – 21,3 МПа, на отрыв – 10,1 МПа. Электроискровые покрытия толщиной до 200 мкм обладают прочностью сцепления на отрыв и на срез в 4–5 раз больше, чем газодинамические покрытия.

Триботехнические исследования восстановленных пар трения проводились на машине трения 2070 СМТ-1.

В таблице 3 представлены результаты испытаний пар трения типа «ролик – колодка» на машине трения 2070 СМТ-1 на прирабатываемость.

Таблица 3 – Сводная таблица результатов испытаний пар трения на машине 2070 СМТ-1

Образец

, МПа

, МПа

ролик

колодка

основа

покрытие

основа

Сталь 45

Сталь 3

12,0

7,0

0,029

Сталь 45

БрКМц3-1

Сталь 3

26,0

18,0

0,117

Сталь 45

БрКМц3-1 + С-01-11

Сталь 3

11,0

10,0

0,130

Согласно данным таблицы 3, минимальный коэффициент трения у пар трения с покрытиями выше в 4,03–4,48 раза, чем у пар без покрытий. Максимальная нагрузка для пары трения «сталь 3 – сталь 45» в 2 раза, а для пары трения «сталь 3 – сталь 45 + БрКМЦ3-1 + С-01-11» в 1,18 раза меньше, чем у пары трения «сталь 3 – сталь 45 + БрКМц3-1».

Сравнительные фреттинг-коррозионные исследования проводились на экспериментальной лабораторной установке. Испытывались соединения: эталонное «сталь 40Х – сталь 40Х»; «сталь 45 + ЭИО БрКМц3-1 – сталь 40Х», «сталь 45 + ХГДН С-01-11 – сталь45» и «сталь 45 + ХГДН А-80-13 – сталь 45» в условиях сухого и граничного трений в масле М10Г2К.

Рисунок 9 – Интенсивность износа соединений при испытаниях на фреттинг-коррозию в условиях граничного трения

На рисунке 9 представлены результаты исследования фреттинг-кор-розионной стойкости в условиях граничного и сухого трений.

В условиях сухого трения  лучшие показатели фреттинг-коррозионной стойкости показали соединения «сталь 45 + ЭИО БрКМц3-1 – сталь 40Х». Интенсивность изнашивания данного соединения в 1,6 раза меньше, чем у эталонного соединения «сталь 40Х – сталь 40Х»; в 2,3 раза меньше, чем у соединения «сталь 45 + ХГДН С-01-01 – сталь 45»; в 9,7 раза меньше, чем у соединения «сталь 45 + ХГДН А-80-13 – сталь 45».

Исследование микрогеомет-рических параметров электроискрового металлопокрытия после нанесения, расточки и хонингования проводилось на профилограф-профилометре фирмы «Taylor Hobson Ltd.» (таблица 4).

Таблица 4 – Результаты исследований усредненных микрогеометрических параметров рельефа новых и восстановленных деталей (ГОСТ 2789, ISO 4287)

Вид обработки  поверхности

Ra, мкм

Rsm, мкм

Rz, мкм

Rzmax, мкм

Rt, мкм

Rsk

Rda,

Rmr, %

Rpc, 1/см

Поверхность отв. НГШ (новый шатун)

1,624

47,4

10,64

10,64

10,64

-0,5458

11,94

99,9

0

Поверхность отв. НГШ с ЭИО

7,288

228,6

37,76

37,76

37,76

-0,1074

15,66

99,9

17,8

Поверхность отв. НГШ с ЭИО и с последующим растачиванием

6,852

215,6

38,36

38,36

38,36

0,4746

13,64

99,9

25,2

Поверхность отв. НГШ с ЭИО и с последующим хонингованием

2,016

67,4

13,08

13,08

13,08

-1,0888

9,8

99,9

2,6

Примечание: – среднее арифметическое отклонение профиля в пределах базовой длины; – среднее арифметическое значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины; – высота неровностей профиля по десяти точкам; – максимальная высота профиля; Rt – максимальный пик на длине профиля в выборке; Rsk – перекос, критерий симметрии профиля относительно длины выборки; Rda – наклон кривой среднего арифметического значения профиля; Rmr – длина несущей поверхности, выраженной как процент от оценочной длины по глубине ниже самого высокого пика; RPc – количество пиков.

По результатам микрогеометрического исследования установлено, что шероховатость электроискрового покрытия близка к параметрам шероховатости поверхности нового шатуна, но в  восстановленном слое присутствуют поры, которые служат масляными карманами и существенно положительно влияют на его работоспособность.

В 2008–2011 гг. 30 шатунов, восстановленных ЭИО, были поставлены на эксплуатационные испытания. За период эксплуатации выхода из строя двигателя по причине отказа восстановленных шатунов не наблюдалось.

Пятая глава посвящена разработке рекомендаций для восстановления работоспособности шатунов дизельных двигателей, а также их технико-экономической эффективности.

Разработанное устройство для расточки отверстия НГШ соответствует требованиям стандарта «Станки металлорежущие. Нормы точности» и обеспечивает точность: радиального биения – 10 мкм, соосности – 10 мкм, прямолинейности перемещения суппорта – 10 мкм. Производительность обработки 0,0751 шт./мин и вероятность безотказной работы выше 0,8.

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований был разработан новый технологический процесс восстановления шатунов с косым разъемом. Он включает следующие основные операции: дефектацию и правку, электроискровую обработку электродом из бронзы изношенных поверхностей головок, холодное газодинамическое напыление порошка на поверхность отверстия нижней головки шатуна, предварительную расточку и хонингование отверстия нижней головки шатуна, расточку отверстия запрессованной втулки, выходной контроль.

Рациональными параметрами режимов восстановления шатунов методом ЭИО в газовой среде являются: Uраз = 200 В, C = 360 мкФ, f = 150 Гц, при ХГДН порошками: расход, нагрев – режим 3; давление – режим 7.

Разработанный технологический процесс внедрен на ООО МИП «Агросервис».

Эксплуатационные испытания восстановленных шатунов марок ЯМЗ-236 и Raba-MAN в период с 2008 по 2012 г. показали их высокую надежность. Отказов двигателей по причине отказов восстановленных шатунов не наблюдалось. Эксплуатационные испытания восстановленных шатунов продолжаются.

Годовой экономический эффект от внедрения технологии восстановления шатунов дизельных двигателей при программе восстановления 250 штук в год составляет 177 147,40 руб. (в ценах 2011 г.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Микрометражные исследования ремонтного фонда шатунов двигателей ЯМЗ-236/238НБ и Raba-MAN показали, что соответственно, 35 % и 14 % отверстий НГШ имеют превышение допуска без ремонта по износу, а 81 % и 85 %, превышают допустимые отклонения по форме отверстия. С учетом сочетания указанных дефектов НГШ 99 % шатунов ЯМЗ-236/238НБ и 96 % Raba-MAN требуют восстановления методами перешлифовки на ремонтный размер или нанесением металлопокрытия. Втулка ВГШ должна быть заменена на новую.

2. Теоретически и экспериментально установлено, что ~45 % НГШ ЯМЗ-236/238 и ~40 % шатунов Raba-MAN ремонтного фонда могут быть восстановлены ЭИО, а ~54 % и ~56 % соответственно комбинированием ЭИО и ХГДН порошков.

3. ЭИО электродом БрКМц3-1 поверхности стали 45 на установке «Вестрон АИ-007» (режим 8-4) при Ip = 12 А, Uразр = 200 В, С = 360 мкФ, fимп = 150 Гц, обеспечивает необходимую восстановительную толщину покрытия (до 200 мкм) с плотностью покрытия более 80 % по толщине.

4. Экспериментальные исследования прочности сцепления покрытий ЭИО и ХГДН на отрыв и на срез показали:

– максимальные прочностные характеристики для покрытий ЭИО соответствуют толщинам 0,1–0,3 мм, а для покрытий ХГДН – 0,75–0,85мм;

– покрытия ЭИО толщиной до 0,2 мм обладают прочностью сцепления на отрыв и на срез в 4–5 раз больше, чем покрытия ХГДН;

– для создания прочных покрытий толщиной 0,2–0,5 мм и более целесообразно использовать комбинированный метод нанесения покрытий: ЭИО + ХГДН, где первый электроискровой слой покрытия обеспечит хорошую адгезионную прочность и высокую несущую способность, а второй слой покрытия методом ХГДН создаст необходимые толщину и плотность покрытия.

Установлено, что оптимальным материалом для ХГДН порошков на поверхность, обработанную ЭИО, является порошок С-01-01 (С-01-11) с преобладанием меди.

5. Фреттинг-коррозионные испытания соединений с покрытиями ЭИО и ХГДН показали, что соединение с ЭИО обладает лучшей фреттинг-коррозионной стойкостью, чем соединение с ХГДН, при этом комбинированное покрытие ЭИО + ХГДН лучше сопротивляется фреттинг-коррозионному изнашиванию в сравнении с покрытием, осуществленным только способом ХГДН.

6. В результате триботехнических испытаний соединений с покрытиями ЭИО и ХГДН установлено, что соединение с ЭИО обладает лучшей несущей способностью в сравнении с эталонными и обработанными ХГДН.

7. Разработан и изготовлен опытный образец универсального стенда для расточки НГШ, предназначенный для применения в  небольших ремонтных предприятиях, ремонтных участках и учебных классах.

8. Разработанный типовой технологический процесс восстановления шатунов дизельных двигателей ЯМЗ-236/238, Raba-MAN обеспечивает межремонтный ресурс восстановленных шатунов на уровне доремонтного. Восстановленные по усовершенствованной технологии шатуны  испытаны в эксплуатационных условиях на предприятиях г. Москвы и г. Воронежа.

Экономический эффект от внедрения новой технологии восстановления шатунов  составит 177 147,40 руб. на программу 250 изделий в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ

1. Современные электроискровые технологии восстановления деталей / Ф.Х. Бурумкулов, С.А. Величко, Р.Н. Задорожний [и др.] // Достижение науки и техники в АПК. – 2009. – № 10. – С. 49–52.

2. Задорожний Р.Н. Восстановление шатунов дизельных двигателей с косым разъемом / Р.Н. Задорожний, В.А. Денисов, А.Ю. Костюков // Тр. ГОСНИТИ. – 2010. – Т. 105. – С. 207–213.

3. Задорожний Р.Н. Восстановление и легирование сплавов на медной основе электроискровой обработкой в газовой среде / Ф.Х. Бурумкулов, Р.Н. Задорожний, А.В. Потапов // Тр. ГОСНИТИ. –  2010. – Т. 106. – С. 25–30.

4. Исследование прочности сцепления электроискровых и газодинамических покрытий / В.А. Денисов, А.Ю. Костюков, Р.Н. Задорожний, А.В. Потапов // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2011. – № 7. – С. 14–17.

5. Задорожний Р.Н. Сравнительная оценка триботехнических свойств электроискрового покрытия БрКМц3-1 и газодинамического покрытия С-01-11 (Cu+Zn) / В.А. Денисов, Р.Н. Задорожний, В.А. Потапов // Тр. ГОСНИТИ. – 2011. – Т. 107 Ч. 2. – С. 93–97.

6. Исследование режимов электроискровой обработки образцов из стали 20 бронзовым электродом БрКМц3-1 на установке «Вестрон АИ-007» / Ф.Х. Бурумкулов, В.А. Денисов, Р.Н. Задорожний, А.В. Потапов // Тр. ГОСНИТИ. – 2012. – Т. 109. – Ч. 2. – С. 77–92.

7. Фреттинг-коррозионная стойкость электроискровых и газодинамических покрытий в неподвижных соединениях / Ф.Х. Бурумкулов, В.А. Денисов, Р.Н. Задорожний [и др.] // Тр. ГОСНИТИ. – 2012. – Т. 109. – Ч. 2. – С. 92–97.

Статьи в других изданиях, включая труды всероссийских и международных НТК

8. Задорожний Р.Н. Комбинированная обработка электроискровым и лазерным методами: свойства поверхностных слоев металлов / В.И. Иванов, Ф.Х. Бурумкулов, Р.Н. Задорожний // Lucrarite publicate au fost communicate la conferinta stinntifica internationala, Chisinau, 21–23 mai 2009. – C. 79–81.

9. Электроискровые технологии при восстановлении деталей машин и ремонте агрегатов / Ф.Х. Бурумкулов, В.И. Иванов, Р.Н. Задорожний [и др.] // Материалы VIII региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование», Благовещенск, 10–12 сент. 2009 г. – Благовещенск, 2009. – С. 194–198.

10. Машиностроению – электроискровые упрочняющие технологии. Комбинированная обработка электроискровым и лазерным методами: свойства поверхностных слоев металлов / В.И. Иванов, В.А. Денисов, Р.Н. Задорожний, А.В. Потапов // Lucrari stiintifice volumul 28, Realizari si perspective in mentenanfa utilajului agricol si a autovehiculelor. – Chisinau, 2011. – C. 130–135.

Авторские свидетельства и патенты

11. Устройство для расточки отверстия нижней головки шатуна: заявка № 2012118671/02 Рос. Фед.: МПК В23Р 6/00 / Ф.Х. Бурумкулов, П.В. Сенин, В.А. Денисов, Н.В. Раков, Р.Н. Задорожний; заявитель ФГБОУ ВПО «МГУ им. Огарева», ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии / приоритет 04.05.12. – 8 с.: ил.

Подписано в печать

19.11.12. Объем 1,0 п. л.

Тираж 100 экз. Заказ № 1655.

Типография Издательства Мордовского университета

430005, г. Саранск, ул. Советская, 24.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.