ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО - ДОРОЖНІЙ

УНІВЕРСИТЕТ

Леоненко Олександр Миколайович

УДК 629.083

ВДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ РЕМОНТУ

АВТОМОБІЛЬНИХ ДВИГУНІВ ПІДВИЩЕННЯМ

ЯКОСТІ ГІЛЬЗ ЦИЛІНДРІВ

Спеціальність 05.22.20 – Експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі Експлуатації та ремонту автомобільної та спеціальної техніки в Харківському університеті Повітряних Сил (ХУ ПС) Міністерства оборони України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Савченков Борис Васильович

Харківський національний автомобільно-дорожній університет,

доцент кафедри “Технології машинобудування та ремонту машин”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Бажинов Олексій Васильович

Харківський національний автомобільно-дорожній університет,

завідуючий кафедрою “Автомобільна електроніка”;

кандидат технічних наук, доцент

Крашенінін Олександр Семенович

Українська державна академія залізничного транспорту,

доцент кафедри “Експлуатація та ремонт рухомого складу”.

Провідна установа: Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, кафедра “Автомобілі”, Міністерство освіти і науки України,

м Луганськ.

Захист відбудеться “ 19 ” жовтня 2005 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.02 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету (м. Харків, вул. Петровського, 25).

Автореферат розісланий “ 17 ” вересня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Наглюк І.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Існуюча в Україні схема використання автомобільної техніки в останні роки зумовлює ситуацію, коли 75-80% її списочного складу знаходиться в експлуатації з використаним ресурсом, що викликає необхідність у підвищенні довговічності вузлів та агрегатів автомобілів при ремонті та технічному обслуговуванні. Це в першу чергу стосується двигунів внутрішнього згоряння.

Довговічність автомобільного двигуна, стабільність його робочих характеристик та економічність при експлуатації в значній мірі залежать від терміну служби і стану гільз циліндрів. Для цих деталей, які працюють в умовах постійних динамічних та циклічних навантажень, високих температур і тиску, досить важливими показниками, що визначають їхні експлуатаційні властивості, є рівень технології та технічна оснащеність виробництва, механічні характеристики і стан робочих поверхонь деталі, а також її ремонтопридатність. Підвищення цих показників у певній мірі дозволить підвищити ресурс як самої деталі, так і двигуна в цілому, а також суттєво скоротити витрати на закупівлю запасних частин.

Вирішення цих важливих питань автотранспорту залежить від створення та освоєння способів підвищення якості поверхонь деталей вузлів та сполучень.

Актуальність теми. На сьогоднішній день реальний ресурс експлуатуємих та відремонтованих дизельних двигунів ЯМЗ та КамАЗ, якими в тому числі оснащена значна частина авіаційної наземної техніки, а також автомобілів різного призначення у народному господарстві країни, нижче встановленого діючим ГОСТ 23465–79 до 30 %. Однією з причин цього є те, що існуючі способи виготовлення, ремонту гільз циліндрів та зміцнення їхньої робочої поверхні не забезпечують виконання всіх вимог щодо даної деталі. Крім того, досвід ремонтного виробництва свідчить, що в переважній більшості випадків при поступанні двигуна в капітальний ремонт гільзи циліндрів вибраковуються внаслідок зносу робочої поверхні, яка складає не більш 1 % від початкової маси деталі. До того ж, їхня ремонтопридатність досить низька й спосіб відновлення під ремонтний розмір або не передбачений конструктивно (як для гільз двигунів КамАЗ), або часто є невиправданим і з експлуатаційної, і з економічної точок зору.

Відомо, що будь-який технологічний процес ремонту, відновлення деталі (агрегату) передбачає не лише відновлення порушених в процесі експлуатації параметрів, але й, головним чином, стримування тих руйнівних процесів, які закономірно відбуваються в автомобілі та його елементах. Тому в умовах, що склалися, при досить значній кількості способів відновлення деталей актуальною задачею є вишукування нових ефективних технологій зміцнення гільз циліндрів. Таким технологічним процесом, на нашу думку, є поєднання в єдиному технологічному процесі термічного та механічного зміцнюючого впливу на робочу поверхню чавунних гільз циліндрів, тобто використання високотемпературного термомеханічного зміцнення.

Таким чином, актуальність теми зумовлена, з одного боку, необхідністю застосування нових технологій ремонту, які дозволяють підвищити ресурс та ремонтопридатність деталей дизельних двигунів, та ймовірною практичною значимістю переваг термомеханічного зміцнення для робочої поверхні гільз циліндрів, а з іншого боку, недостатнім обсягом науково-технічної інформації про вплив цього виду зміцнення на ефективність ремонту деталей, які виготовлені зі спеціального легованого чавуну.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася згідно з планами науково-технічної діяльності (2001–2004 р.м.) Харківського інституту Військово-повітряних Сил ім. І.Кожедуба МО України. Її тема узгоджується з Вимогами Начальника Генерального Штабу Збройних Сил України № 310/2/556-т від 10.07.2004 року щодо забезпечення відповідності тематики досліджень сучасним потребам Збройних Сил України та перспективам завдання їхнього реформування і розвитку та з Переліком основних напрямків наукової діяльності факультету Наземного забезпечення бойових дій авіації Харківського університету Повітряних Сил.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення якості гільз циліндрів термомеханічним зміцненням для вдосконалення технології ремонту автомобільних двигунів.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

- провести аналіз науково-технічної інформації щодо оцінки ресурсу гільз циліндрів двигунів, методів зміцнення та відновлення їхньої робочої поверхні;

- обґрунтувати можливість підвищення якості гільз циліндрів, що виготовляються зі спеціального легованого чавуну, за рахунок термомеханічного зміцнення та виявити найбільш вагомі технологічні фактори даної обробки, які визначають механічні та експлуатаційні характеристики деталі з цього матеріалу;

- встановити за допомогою математичної моделі взаємозв’язок між технологічними параметрами термомеханічного зміцнення, які визначають якість робочої поверхні, та зносостійкістю матеріалу деталі;

- виконати аналіз зміни механічних властивостей (твердості та пластичності) поверхневого шару матеріалу після зміцнення, оцінити вплив на ресурс та ремонтопридатність гільз циліндрів оптимальних технологічних параметрів термомеханічної обробки й механічних властивостей зміцненої робочої поверхні;

- запропонувати для оцінки зносостійкості комплексний параметр, що враховує механічні властивості поверхневого шару матеріалу гільз циліндрів, який може бути використаний при ремонтних роботах для прогнозування ресурсу деталей експрес-методом;

- експериментально підтвердити ефективність запропонованої технології ремонту та виконати техніко-економічну оцінку доцільності застосування результатів дослідження.

Об’єкт дослідження: технологічний процес термомеханічного зміцнення гільз циліндрів для вдосконалення ремонту автомобільних двигунів.

Предмет дослідження: підвищення якості гільз циліндрів, які виготовлені зі спеціального легованого чавуну, термомеханічним зміцненням як фактор вдосконалення технології ремонту автомобільних двигунів.

Методи дослідження. Дослідження базувались на використанні методів фізичного та математичного моделювання реального вузлу тертя, а також методів математичної статистики при обробці та аналізі експериментальних даних, отриманих при проведенні лабораторних випробувань.

При проведенні виробничого експерименту було використано планування згідно повному факторному експерименту (ПФЕ=24) та центральному ортогональному композиційному планові (ЦКОП). Для прогнозування впливу технологічних параметрів термомеханічного зміцнення матеріалу деталі на розмір її зносу використовувалася розроблена математична модель. Дослідження зміни зносостійкості матеріалу і його механічних властивостей проводилися за стандартними методиками, визначення й оцінка впливу комплексного параметра механічних властивостей на зносостійкість матеріалу була здійснена за спеціальною методикою. Для вивчення змін структури і визначення глибини зміцненого шару використані металографічний метод і виміри мікротвердості. Для оцінки напруженого стану поверхневого шару - рентгенографічний аналіз.

Адекватність математичної моделі і вірогідність результатів досліджень підтверджується задовільною збіжністю даних, отриманих при теоретичних розрахунках, з результатами експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів:

- запропоновано спосіб вдосконалення ремонту автомобільних двигунів за рахунок зміцнення робочої поверхні гільз циліндрів: вперше встановлена можливість застосування термомеханічного зміцнення для обробки робочої поверхні гільз циліндрів, які виготовляються зі спеціального легованого чавуну. Встановлено залежність між якістю зміцненого матеріалу гільз циліндрів та параметрами їх термомеханічного зміцнення;

- на підставі проведених теоретичних досліджень за допомогою розробленої математичної моделі встановлені оптимальні (за розміром зносу) параметри термомеханічного зміцнення матеріалу деталі;

- вперше для деталей, які виготовляються зі спеціального легованого чавуну, запропонований метод оцінки зносостійкості за допомогою комплексного параметру (де НК – твердість матеріалу по Людвику, МПа; д5В - параметр відносного подовження (пластичності) матеріалу; u – показник ступеню). Цей параметр враховує деформаційно-міцносні властивості поверхневого шару матеріалу та рекомендується для оцінки ресурсу при відновленні деталей зі спеціального легованого чавуну.

Практичне значення одержаних результатів. Запропонована технологія обробки дозволяє вдосконалити технологічний процес ремонту автомобільних двигунів шляхом підвищення якості гільз циліндрів, які виготовляються зі спеціального легованого чавуну, термомеханічним зміцненням робочої поверхні (порівняно з промисловим зміцненням загартуванням СВЧ):

- підвищити стабільність механічних властивостей матеріалу деталі. При цьому значення коефіцієнтів варіації зменшились для твердості fHRC в 1,6 – 1,7 рази та для пластичності fд – в 1,8 – 2,3 рази;

- поліпшити ремонтопридатність деталі за рахунок збільшення глибини зміцненого шару матеріалу до 2,5 мм, що дає можливість використовувати відновлення гільз циліндрів методом ремонтних розмірів;

- збільшити її зносостійкість на 18 – 22 %.

Запропонована технологія пройшла експериментальне лабораторне випробування та дозволить отримати річний економічний ефект від підвищення ресурсу та ремонтопридатності гільз циліндрів при їхньому термомеханічному зміцненні порівняно з промисловим варіантом технології виготовлення для двигуна ЯМЗ-238 – 364,39 грн., для двигуна КамАЗ-740 – 461,55 грн.

Отримані результати науково обґрунтовані, статистично значимі, рекомендуються в якості базових даних при розробці та впровадженні технологій зміцнення в умовах вітчизняного авторемонтного виробництва та подібних йому виробництв. Крім того, за рахунок підвищення ремонтопридатності й середнього ресурсу гільз циліндрів до 1-го капітального ремонту двигуна та в міжремонтні періоди, реальним є зменшення розходу запасних частин, що дозволить знизити сумарні витрати на проведення капітальних ремонтів двигунів та зменшити високий рівень попиту на запасні частини.

Результати дисертаційної роботи прийняті до використання та впровадження в якості перспективної технології зміцнення, що підтверджено актами слідуючи підприємств: ДП МО України “ХАРЗ” (110 АРЗ), м. Харків, ДП МО України “ХАРЗ” (126 АРЗ), м. Харків, ДП МО України “ЧАРЗ”, м. Чугуїв.

Особистий внесок здобувача. У публікаціях у співавторстві автору належать: теоретичне дослідження існуючих способів виготовлення і ремонтного відновлення деталей, подібних за геометричною формою і хімічним складом чавунним гільзам циліндрів, та їхніх технологічних режимів [1]; визначення досліджуваного діапазону технологічних режимів термомеханічної обробки і проведення виробничого експерименту, побудова математичної моделі, що встановлює взаємозв’язок технологічних режимів зміцнення та зносостійкості зміцненої робочої поверхні зразків [2]; проведення й аналіз результатів досліджень механічних властивостей і мікротвердості поверхневого шару зміцненого матеріалу [4]; оцінка результатів рентгенографічних досліджень і одержання їхнього взаємозв’язку з результатами досліджень зносостійкості та механічних властивостей поверхневого шару матеріалу [5].

Апробація результатів дисертації. Основні результаті роботи доповідалися і були обговорені на: щорічних науково-методичних конференціях ХНАДУ (м. Харків, 2002-2004 р.р.), науково-практичній конференції "Проблеми надійності машин на етапах проектування, експлуатації і ремонту" (м. Харків, ХДТУСГ, 2002 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційні технології в авіації" (м. Харків, ХІ ВПС ім. І. Кожедуба, 2003 р.), 3-ій Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки" (м. Харків, ХДТУСГ, 2004 р.), 12-ій Міжнародній науково-практичній конференції "MicroCAD" (м. Харків, НТУ ”ХПІ”, 2004 р.), а також на засіданнях семінарів здобувачів та молодих вчених Харківського інституту ВПС ім. І.Кожедуба (2002 - 2004 р.р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені у п’яти статтях, включених до збірників наукових праць, рекомендованих ВАК України, з них одна без співавторів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 196 сторінок, в тому числі 20 рисунків на 12 сторінках, 22 таблиці на 12 сторінках, 5 додатків на 37 сторінках. Список використаних джерел налічує 162 найменування на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність обраної теми, сформульовані мета і задачі роботи, визначені об’єкт і предмет дослідження, приведені дані про наукову новизну виконаних досліджень, їхнє практичне значення і впровадження результатів дисертаційної роботи.

Перший розділ присвячений огляду науково-технічної інформації. Проведений аналіз умов роботи деталей циліндропоршньової групи, вплив на їхній ресурс, і зносостійкість гільз циліндрів зокрема, режимів роботи та теплового стану двигуна й дорожніх умов роботи автомобіля.

В дійсний час найбільше поширення отримали гільзи циліндрів, що виготовляються із сірого чавуну і чавунів на його основі. Варіювання змістом основних і легуючих елементів у хімічному складі дозволяє деякою мірою додавати матеріалу гільз необхідні властивості.

Крім того, для підвищення ресурсу і при відновленні працездатності застосовуються методи зміцнення і ремонту робочої поверхні гільз циліндрів, які дають можливість додатково придавати їй властивості, що знижують інтенсивність зношування, і, тим самим, сприяють збільшенню терміну служби деталі. Але, незважаючи на значну кількість цих способів і їхню ефективність, у рядовій експлуатації норми наробітку до відправлення двигунів у капітальний ремонт, і зокрема дизельних двигунів, не відповідають вимогам діючого ГОСТ 23465-79, причому довговічність і ремонтопридатність гільз циліндрів грають в цьому не останню роль.

Виходячи з того, що закономірності зміцнення сталевих і чавунних деталей у загальному родинні один одному, передбачається, що для чавунних гільз циліндрів можливо практично здійснити термомеханічне зміцнення при гартівних температурах в інтервалі 800 - 950?C підбором невеликих ступенів деформації, використавши відповідні зміцнюючі технології для обробки сталей, що широко використовуються в машинобудівній промисловості, і наявні одиничні посилання по зміцненню чавунів.

В другому розділі обґрунтовується вибір матеріалу дослідження – спеціального легованого чавуну (табл. 1), з якого в дійсний час виготовляються гільзи циліндрів двигунів ЯМЗ і КамАЗ.

Таблиця 1

Хімічний склад спеціального легованого чавуну (у %)

С | Si | Mn | Cr | Cu | Ni | Ti | S | P | 3,1-3,4 | 1,9-2,5 | 0,6-0,9 | 0,25-0,50 | 0,25-0,40 | 0,15-0,40 | =0,08 | =0,12 | =0,20 |

Даний матеріал має задовільні показники по зносостійкості при промисловому загартуванні СВЧ, однак ремонтопридатність гільз циліндрів ЯМЗ і КамАЗ з цього матеріалу низька: для гільз двигунів ЯМЗ-236 (-238) передбачене відновлення під один ремонтний розмір, а для гільз двигунів КамАЗ – ремонтне відновлення технічними умовами не передбачено.

Для зміцнення досліджуваного матеріалу підібрано промислове устаткування, визначені методика проведення виробничого експерименту, виявлені найбільш значимі технологічні режимні параметри термомеханічного зміцнення: Тдеф - температура деформації, ? - ступінь деформації, Твідп - температура відпуску, - які впливають на якість робочої поверхні деталей і зносостійкість матеріалу, та їхній діапазон. При цьому були використані статистичні методи планування експерименту: ПФЕ – 24 і композиційний план другого порядку (ЦКОП) (табл. 2).

На підставі результатів порівняльних випробувань матеріалу на зносостійкість розроблена математична модель (1), яка дозволяє прогнозувати вплив технологічних режимних параметрів термомеханічного зміцнення на розмір параметра оптимізації y - абсолютний знос при випробуваннях робочої поверхні g матеріалу деталей, г

Таблиця 2

Умови експерименту згідно ЦКОП

Рівень факторів | Температура деформації Tдеф, C (X1) | Ступінь деформації , (X2) | Температура відпуску Tвідп, C (X3) | Навантажен-ня на МІ-1М Pми, (X4) | Верхній рівень xi=+

Нульовий рівень xi=0

Нижній рівень xi=-

Зоряні крапки: xi=-d

xi=+d | 910

870

830

815

925 | 21

15

9

7

23 | 350

200

без відпуску (50)

без відпуску (0)

400 | 650

500

350

300

700 |

(1)

Розмір зносу поверхневого шару визначався в лабораторних умовах ваговим методом при порівняльних випробуваннях матеріалу після його промислового загартування СВЧ і термомеханічного зміцнення. Зносостійкість оцінювалася величиною роботи сил тертя, яка витрачується на зношування одиниці маси матеріалу.

При дослідженні механічних властивостей і глибини зміцненого шару твердість HRC робочої поверхні зразків та її мікротвердість вимірювались за стандартними методиками.

Однак інтенсивність зношування робочих поверхонь деталей залежить не лише від твердості, але й, як зазначають багато дослідників, від деформаційних характеристик поверхневих шарів. У зв’язку з цим, для оцінки впливу деформаційно-міцносних властивостей на зносостійкість робочої поверхні матеріалу вперше для деталей зі спеціального легованого чавуну запропоновано використання комплексного параметру механічних властивостей , (де НК – твердість матеріалу по Людвику, МПа; д5В - параметр відносного подовження (пластичності) матеріалу; u - показник ступеню).

Для теоретичного обґрунтування отриманих змін структури матеріалу деталі після промислового загартування СВЧ і експериментального термомеханічного зміцнення проводилися металографічні дослідження. Для оцінки зміни напруженого стану поверхневого шару - вимір деформації ґрати і визначення залишкових макронапруг за допомогою рентгенівської тензометрії методом багаторазових двосторонніх зйомок.

В третьому розділі приведені результати досліджень впливу механічних властивостей зміцненої поверхні на ремонтопридатність гільзи циліндру, стабільності механічних властивостей зміцненої поверхні матеріалу після різних технологій зміцнення і зносостійкості матеріалу після термомеханічного зміцнення, а також встановлений взаємозв’язок між зносостійкістю і комплексним параметром та на підставі результатів вищевказаних досліджень проведено прогнозування ресурсу роботи двигуна.

Найбільш важливими механічними властивостями поверхневих шарів матеріалів, є їхня твердість і пластичність, оскільки сприятливе сполучення цих характеристик визначає зносостійкість.

Твердість поверхневого шару зразків, зміцнених термомеханічною обробкою, знаходиться в межах 42-50 HRC, що відповідає технічним умовам на виготовлення гільз циліндрів двигунів ЯМЗ і КамАЗ. Однак, при приблизно однаковій твердості для всіх досліджених режимів термомеханічного зміцнення спостерігається підвищення більш ніж у 2 рази параметру пластичності порівняно зі зразками з промислових гільз, загартованих СВЧ. Останнє є наслідком сприятливого впливу особливостей термомеханічного зміцнення на досліджуваний матеріал, що підтверджено металографічними і рентгенографічними дослідженнями.

Значення мікротвердості у зразків після термомеханічного зміцнення більш ніж у 1,25 рази вище, у порівнянні зі зразками з гільз, загартованих СВЧ, в залежності від глибини зміцненого шару матеріалу. Його глибина до 2,5 мм дозволяє передбачати як мінімум 2-кратний ремонтний вплив на деталь, що слід розцінювати як позитивний вплив термомеханічного зміцнення на підвищення її ремонтопридатності (рис. 1).

Рис. 1. Зміна мікротвердості Hм від глибини зміцненого шару

після різних варіантів зміцнюючих технологій:

1 - загартування СВЧ; 2 - термомеханічне зміцнення.

Важливим показником якості поверхневих шарів є не лише їхні середні значення регламентованих характеристик, але й їхня стабільність. Матеріали, у яких спостерігається велика нерівномірність механічних властивостей, піддані більшому зносу, тому що більш ймовірне створення сприятливих умов для зародження і поширення мікротріщин у локальних мікрооб’ємах з наступним їхнім руйнуванням.

Застосування термомеханічного зміцнення для досліджуваного чавуну дозволило збільшити стабільність його механічних властивостей порівняно з промисловим загартуванням СВЧ, що підтверджується зменшенням значень коефіцієнтів варіації твердості fHRC у 1,6 – 1,7 рази і пластичності fд - у 1,8 – 2,3 рази (рис. 2), що є істотним резервом підвищення якості чавунних гільз циліндрів двигунів.

Рис. 2 Зміна стабільності механічних властивостей матеріалу

і їхньої стабільності після різних варіантів зміцнюючих технологій

(1 - промислове загартування СВЧ; термомеханічне зміцнення:

2 - Тдеф=870°C, л=17%, Твідп=200°C; 3 - Тдеф=830°C, л=21%, Твідп=200°C).

Використані методи планування експериментів, дослідження зносостійкості матеріалу і математичної обробки їхніх результатів дозволили проаналізувати значення загальної втрати маси зразків ?Дg ?ри всіх можливих сполученнях технологічних параметрів термомеханічного зміцнення і випробувальних навантажень. Це дало можливість використовувати розрахункові дані для побудови необхідних графічних залежностей і визначити область оптимального сполучення значень технологічних параметрів термомеханічного зміцнення, при яких зносостійкість досліджуваного чавуну збільшується на 18–22 %.

Оптимальним за зносостійкістю серед досліджених режимів термомеханічного зміцнення слід вважати діапазон температур деформації Тдеф = 850-880 єC, ?тупенів деформації ? = 14-18 % і температур відпуску Твідп = 170 - 240 єC (?ис. 3). Проекції поверхні відгуку, описуваної математичною моделлю (1) для визначення загальної втрати маси зразків ?Дg, ?а опорну координатну площину наочно окреслює область оптимального сполучення технологічних параметрів термомеханічного зміцнення, яка дозволяє досягти максимальної зносостійкості досліджуваного чавуну при даному виді зміцнення в змодельованих умовах тертя і зношування, та відповідає зазначеним вище режимам зміцнення.

Підвищення зносостійкості матеріалу після термомеханічного зміцнення підтверджує позитивний ефект даної обробки як такої, що дозволяє збільшити ресурс деталі. Погрішність дослідницьких значень і розрахункових даних в області оптимального сполучення значень технологічних режимів термомеханічного зміцнення не перевищила 5 %.

При вивченні впливу термомеханічного зміцнення на зміни механічних характеристик поверхневого шару спеціального легованого чавуна експериментально підтверджена можливість використання "Методу експериментальної оцінки пластичності поверхневих шарів деталей машин", що вперше запропонований для оцінки комплексу механічних властивостей поверхневого шару даного матеріалу і його впливу на зносостійкість робочої поверхні деталі. Сутність методу полягає у вдавленні стандартного наконечника з алмазним конусом у випробовуваний зразок на приладі Роквелла під дією послідовно прикладених попереднього й основного навантажень, вимірюванні двох відносно незалежних параметрів пластичного відбитка – глибини і діаметра по вершині напливу, за значеннями яких оцінюють відносне подовження при розтяганні поверхневих шарів металів. Ця обставина вигідно відрізняє даний метод від подібних способів і дозволяє визначати пластичність як незалежну від твердості характеристику.

В умовах ремонтних підприємств можливість прогнозування ресурсу відновлених деталей затруднена, що негативно впливає на якість ремонту. На базі показника можливо по визначенню зазначених характеристик механічних властивостей здійснити прогнозування зносостійкості матеріалу і ресурсу деталей експрес-методом, що дуже актуально для ремонтного виробництва.

Дослідницьким шляхом встановлена графічна залежність між зносостійкістю спеціального легованого чавуну ? і комплексним параметром деформаційно-міцносних властивостей поверхневого шару матеріалу після його термомеханічного зміцнення. Кореляційна залежність знаходилася графічно методом послідовного наближення. У результаті підбору показника ступеня й аналізу тісноти зв’язку з сімейства кореляційних залежностей була прийнята одна з залежностей з показником ступеня u=0,65, що, на наш погляд, забезпечує зв’язок, найбільш наближений до функціонального (рис. 4).

Зміна параметру пластичності досліджуваного чавуну після термомеханічного зміцнення підтверджує комплексний вплив отриманих механічних властивостей матеріалу на його зносостійкість – найбільша зносостійкість належить матеріалу, який має найбільше значення комплексного параметру (режим зміцнення: Тдеф = 870 єC, ? = 17 %, Твідп = 200 єC).

Зносостійкість матеріалу ? для інших варіантів сполучення режимів зміцнення зразків (будь-якого матеріалу) з відомим числовим значенням комплексного параметру прогнозується при аналогічних умовах випробувань по отриманій графічній залежності. При цьому важливим є тільки числове значення комплексного параметру , співвідношення ж співмножників може бути довільним.

Фізичний зміст отриманої залежністі зносостійкості від комплексного параметру слід інтерпретувати наступним чином: для вилучення одиниці зносу досліджуваного (експлуатованого) матеріалу необхідно виконати більшу роботу над тими матеріалами, які мають більш високе значення комплексного параметру деформаційно-міцносних властивостей, тобто є більш енергоємними. Виконані розрахунки дають можливість прогнозувати збільшення ресурсу двигуна до першого капітального ремонту та у міжремонтні періоди до 400 тис.км, що дозволить виконати відповідні вимоги нормативних документів.

У четвертому розділі за допомогою металографічних і рентгенографічних досліджень теоретично обґрунтовуються зміни механічних властивостей, їхньої стабільності і зносостійкості досліджуваного чавуну, які, як відомо, в значній мірі визначаються структурним станом металевої основи.

Зміцнення спеціального легованого чавуну при термомеханічній обробці носить комплексний характер.

Мікроструктурні дослідження мартенситної структури чавуну, зміцненого досліджуваним способом, показали, що в процесі даної обробки вже при невеликих ступенях деформації (? ? 9-13 %) відбуваються і деформаційне руйнування первинної литої структури поверхневих шарів у порівнянні з серцевиною, що обумовлює підвищення параметру пластичності матеріалу, і деяке роздроблення графітових включень з утворенням у поверхневому шарі їхнього орієнтованого розташування, що позитивно впливає на умови тертя. Це також пояснює підвищення зносостійкості зразків після досліджуваного зміцнення в порівнянні зі зразками з гільз, виготовлених по стандартній промисловій технології.

Більш високі значення мікротвердості в зразків після термомеханічного зміцнення пояснюються передачею субструктури деформованого аустеніту в мартенсит у процесі охолодження. При цьому мартенсит має високодисперсну субструктуру з ячеїстим розташуванням

дислокацій. Це, як відомо, дозволяє поєднати збільшення міцносних характеристик з підвищенням пластичних властивостей, що показано в третьому розділі.

Зміни в металевій і графітової складових досліджуваного чавуна при ступенях деформації ? = 15-18 % мають найбільш позитивний ефект.

У зв’язку з відсутністю на сьогоднішній день достатньої інформації й однозначної думки вчених про вплив величини та знаку залишкових напруг на знос при терті ковзання, зокрема для робочих поверхонь чавунних деталей, було проаналізовано отримане після повного комплексу технологічних операцій (термомеханічного зміцнення і наступної механічної обробки) напружений стан поверхневого шару зміцненого матеріалу. У дійсній роботі дане питання вивчалося за допомогою рентгенівської тензометрії, суть якої полягає у вимірі деформації кристалічних ґрат з наступним перерахуванням її в напруги.

Виходячи з результатів досліджень механічних властивостей зміцненої поверхні, досліджень її зносостійкості, а також враховуючи особливості технології виготовлення промислових гільз циліндрів, для вивчення були обрані зразки з найменшим (=9) і оптимальним (=17) ступенями деформації при термомеханічному зміцненні з температурою відпуску Твідп = 200єC. ?ри аналізі напруженого стану робочої поверхні зразків окремо вимірялися подовжня (упр) і тангенціальна (уф) складові нормальних напруг.

Як видно з результатів визначення величини і знаку макронапруг, поверхневий шар усіх досліджених зразків характеризується наявністю стискаючих напруг (рис. 5). Зменшення абсолютної величини стискаючих напруг на поверхні дзеркала циліндру дозволяє зменшити врівноважуючі розтягуючі напруги в приповерхневих шарах, що, на думку дослідників, слід вважати позитивним ефектом комплексу технологічних заходів при виготовленні і ремонті деталі.

Вплив величини залишкових напруг на зносостійкість досліджуваної поверхні зразків і на комплексний параметр її механічних властивостей носить ідентичний характер. Крім того, між даними величинами спостерігається зворотна залежність, що погоджується з результатами досліджень механічних властивостей та зносостійкості.

Рентгенографічний аналіз напруженого стану і структурних характеристик поверхневого шару розглянутих зразків показує, що застосований у дослідженнях комплекс технологічних операцій зі зміцненням матеріалу термомеханічною обробкою, дозволяє отримувати різний внутрішній напружений стан дзеркала гільзи циліндру, зменшуючи його від 4 до 10 разів, що, у цілому, сприятливо впливає на остаточні властивості робочої поверхні деталі.

У п’ятому розділі проводиться оцінка економічного ефекту від підвищення якості гільз циліндрів при вдосконаленні технології ремонту двигунів ЯМЗ-238 і КамАЗ-740.

№ крапки | Режим зміцнення

Тдеф,

єC |

Твідп,

єC

1 | 870 | 9 | 200

2 | 910 | 9 | 200

3 | 830 | 17 | 200

4 | 870 | 17 | 200

5 | 910 | 17 | 200

6 | промислова гільза

Рис. 5. Вплив величини залишкових напруг

на зносостійкість поверхневого шару зразків.

ВИСНОВКИ

1. Реальний ресурс експлуатуємих та відремонтованих дизельних двигунів ЯМЗ і КамАЗ автомобілів різного призначення на сьогоднішній день в Україні нижче встановленого діючим ГОСТ 23465–79 до 30 %. Однією з причин цього є те, що існуючі способи виготовлення, ремонту гільз циліндрів та методи, що використовуються для зміцнення їхньої робочої поверхні, не забезпечують необхідні ресурс і ремонтопридатність даної деталі.

2. На підставі проведених досліджень науково обґрунтована та експериментально підтверджена можливість удосконалення технології ремонту автомобільних двигунів за рахунок застосування термомеханічного зміцнення робочої поверхні гільз циліндрів, які виготовляються зі спеціального легованого чавуну, що збільшує ресурс и підвищує їхню ремонтопридатність. Встановлено, що найбільш значимими технологічними факторами термомеханічного зміцнення, які визначають механічні та експлуатаційні характеристики деталі, є температура деформації - Тдеф, (єC), ?тупінь деформаціїї - ? (%) та температура відпуску – Твідп (єC).

3. Проведені лабораторні дослідження та розрахунки за допомогою математичної моделі дозволяють вважати оптимальним по зносостійкості діапазон температур деформації Тдеф = 850-880 єC, ?тупінів деформації ? = 14-18 % і температур відпуску Твідп =170-240 єC, ?ри обробці в якому забезпечується найбільш високий рівень якості робочої поверхні гільзи при ремонті автомобільних двигунів.

4. Запропоноване вдосконалення технології ремонту автомобільних двигунів з використанням термомеханічного зміцнення гільз циліндрів дозволило (порівняно з промисловим зміцненням загартуванням СВЧ):

- при незмінній твердості 42-50 HRC, яка відповідає технічним умовам на виготовлення деталі, більш ніж у 2 рази підвищити пластичність поверхневого шару матеріалу;

- підвищити ремонтопридатність деталі за рахунок збільшення глибини зміцненого шару більш ніж у 1,25 рази, що дозволяє передбачати відновлення цих гільз циліндрів методом ремонтних розмірів;

- знизити в 4-10 разів загальний рівень напруженості поверхневого шару деталі;

- підвищити стабільність її механічних властивостей, що підтверджується зменшенням значень коефіцієнтів варіації твердості fHRC в 1,6 – 1,7 рази та пластичності fд - в 1,8 – 2,3 рази;

- підвищити зносостійкість досліджуємого матеріалу на 18–22 %.

5. Для оцінки якості зміцнених гільз циліндрів, які виготовляються зі спеціального легованого чавуну, запропонований комплексний параметр деформаційно-міцносних властивостей матеріалу (де НК – твердість матеріалу по Людвику, МПа; д5В - параметр відносного подовження (пластичності) матеріалу; u - показник ступеню). На базі цього показника можна здійснювати прогнозування зносостійкості матеріалу та ресурсу деталей експрес-методом, що досить актуально для ремонтного виробництва.

6. Річний економічний ефект від підвищення ресурсу та ремонтопридатності гільз циліндрів при їх обробці термомеханічним зміцненням порівняно з промисловим варіантом технології їх виготовлення складе для двигуна ЯМЗ-238 – 364,39 грн., для двигуна КамАЗ-740 – 461,55 грн.

7. Отримані результати дозволяють прогнозувати ресурс роботи двигуна до капітального ремонту та в міжремонтні періоди в розмірі, встановленому діючим ГОСТ 23465–79, й рекомендуються в якості базових даних при розробці та впровадженні технологій зміцнення в умовах вітчизняного авторемонтного виробництва й подібних йому виробництв, що підтверджено актами про впровадження результатів дисертаційної роботи наступних підприємств: ДП МО України "ХАРЗ" (110 АРЗ), м. Харків, ДП МО України "ХАРЗ" (126 АРЗ), м. Харків, ДП МО України "ЧАРЗ", м. Чугуїв.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Леоненко А.Н., Савченков Б.В. Некоторые аспекты упрочнения чугунных деталей двигателя // Тракторная энергетика в растениеводстве. Сб. науч. тр.- Вып. 5.- Харьков: Изд-во ХГТУСХ.– 2002.- С.314-319. Автор провів теоретичне дослідження способів виготовлення і ремонтного відновлення деталей, подібних за геометричною формою і хімічним складом чавунним гільзам циліндрів, та їхніх технологічних режимів.

2. Леоненко А.Н., Цыбульский В.А. О возможности применения высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) для упрочнения чугунных гильз цилиндров двигателей // Вісник ХДТУСГ.– Вип. 24 “Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогоспо-дарському машинобудуванні”. - Харків: Вид-во ХДТУСГ.– 2004.– С.220-224. Автору належать визначення досліджуваного діапазону технологічних режимів термомеханічної обробки, проведення виробничого експерименту, побудова математичної моделі.

3. Леоненко А.Н. Изменение износостойкости деталей из чугуна после упрочнения высокотемпературной термомеханической обработкой // Вестник НТУ “ХПИ”. Сб. науч. тр. Тематический выпуск “Автомобиле- и тракторостроение”– Харьков: Изд-во НТУ“ХПИ”.– 2004. - № 24.– С.41-48.

4. Савченков Б.В., Леоненко А.Н. Исследование стабильности механических свойств специального легированного чугуна после его упрочнения ВТМО // Автомобильный транспорт. Сб. науч. тр. - Харьков: Изд-во ХНАДУ, 2004. – Вып. 14.- С.44-47. Автору належать проведення й аналіз результатів досліджень механічних властивостей і мікротвердості поверхневого шару зміцненого матеріалу.

5. Белозёров В.В., Савченков Б.В., Леоненко А.Н. Исследование напряжённого состояния поверхностного слоя материала гильзы цилиндра двигателя после упрочнения ВТМО // Вестник ХНАДУ. Сб. науч. тр. - Харьков: Изд-во ХНАДУ, 2005. – Вып. 28.- С.29-31. Автору належать оцінка результатів рентгенографічних досліджень і одержання їхнього взаємозв’язку з результатами досліджень зносостійкості та механічних властивостей поверхневого шару матеріалу.

АНОТАЦІЯ

Леоненко О.М. Вдосконалення технології ремонту автомобільних двигунів підвищенням якості гільз циліндрів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 – Експлуатація та ремонт засобів транспорту . – Харківський національний автомобільно – дорожній університет, Харків, 2005 р.

Дисертація спрямована на вдосконалення технології ремонту автомобільних дизельних двигунів ЯМЗ і КамАЗ за рахунок підвищення якості гільз циліндрів. Для цих деталей, які виготовляються зі спеціального легованого чавуну, запропоновано та науково обґрунтовано використання термомеханічного зміцнення їх робочої поверхні, що дає можливість удосконалити технологію ремонту.

З використанням методів планування проведено експериментальне зміцнення матеріалу у виробничих умовах. За допомогою стандартних і спеціальних методик досліджені зміни глибини зміцнення, механічних властивостей та їх стабільності поверхневого шару робочої поверхні та її зносостійкості, спрогнозовано збільшення ресурсу деталі. Для теоретичного обґрунтування змін даних характеристик виконані металографічні та рентгенографічні дослідження. Здійснено оцінку економічного ефекту від удосконалення технології ремонту автомобільних двигунів за рахунок підвищення якості гільз циліндрів, зміцнених термомеханічною обробкою.

Отримані результати дозволяють прогнозувати ресурс роботи двигуна до капітального ремонту та в міжремонтні періоди в розмірі, встановленому діючим ГОСТ 23465–79.

Ключові слова: ремонт, ресурс, ремонтопридатність, якість, гільза циліндру, спеціальний легований чавун, термомеханічне зміцнення.

АННОТАЦИЯ

Леоненко А.Н. Совершенствование технологии ремонта автомобильных двигателей повышением качества гильз цилиндров. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 – Эксплуатация и ремонт средств транспорта. – Харьковский национальный автомобильно – дорожный университет, Харьков, 2005 г.

Диссертация направлена на совершенствование технологии ремонта автомобильных дизельных двигателей ЯМЗ и КамАЗ за счёт повышения качества гильз цилиндров. Для этих деталей, которые в настоящее время изготавливаются из специального легированного чугуна, предложено и научно обосновано использование термомеханического упрочнения их рабочей поверхности, что даёт возможность совершенствовать технологию ремонта.

С использованием методов планирования эксперимента выбраны оптимальные режимы упрочнения, которые опробованы в производственных условиях. С помощью стандартных и специальных методик исследованы изменения глубины упрочнения, механические свойства и их стабильность, износостойкость рабочей поверхности, спрогнозировано увеличение ресурса гильз цилиндров. Для теоретического обоснования изменений данных характеристик выполнены металлографические и рентгенографические исследования. Осуществлена оценка экономического эффекта от усовершенствования технологии ремонта автомобильных двигателей за счёт повышения качества гильз цилиндров, упрочнённых термомеханической обработкой.

Предложенное совершенствование технологии ремонта автомобильных двигателей с применением термомеханического упрочнения гильз цилиндров позволило (по сравнению с промышленным упрочнением закалкой ТВЧ): 1). при неизменившейся твёрдости 42-50 HRC, соответствующей техническим условиям на изготовление детали, более чем в 2 раза повысить пластичность поверхностного слоя материала; 2). повысить ремонтопригодность детали за счёт увеличения глубины упрочнённого слоя более чем в 1,25 раза, что позволяет предусматривать восстановление этих гильз цилиндров методом ремонтных размеров; 3). снизить в 4-10 раз общий уровень напряжённости поверхностного слоя детали; 4). увеличить стабильность её механических свойств, что подтверждается уменьшением значений коэффициентов вариации твёрдости fHRC в 1,6 – 1,7 раза и пластичности fд - в 1,8 – 2,3 раза; 5). повысить износостойкость исследуемого материала на 18–22 %.

Проведенные лабораторные исследования и расчёты с помощью математической модели позволяют считать оптимальным по износостойкости диапазон температур деформации Тдеф = 850-880 єC, ?тепеней деформации ? = 14-18 % и температур отпуска Тотп = 170-240 єC, ?ри обработке в котором обеспечивается наиболее высокий уровень качества рабочей поверхности гильз при ремонте автомобильных двигателей.

Для оценки качества упрочнённых гильз цилиндров, изготавливаемых из специального легированного чугуна, впервые предложен комплексный параметр деформационно-прочностных свойств материала (где НК – твёрдость материала по Людвику, МПа; - параметр относительного удлинения (пластичности) материала; u - показатель степени). На базе этого показателя возможно осуществить прогнозирование износостойкости материала и ресурса деталей экспресс-методом, что весьма актуально для ремонтного производства.

Полученные результаты позволяют прогнозировать ресурс работы двигателя до капитального ремонта и в межремонтные периоды в размере, установленном действующим ГОСТ 23465–79.

Ключевые слова: ремонт, ресурс, ремонтопригодность, качество, гильза цилиндра, специальный легированный чугун, термомеханическое упрочнение.

ABSTRACT

Leonenko A.N. The advancement of repair technology of automobile engines by quality upgrade of cylinder sleeves. – Manuscript.

The thesis for a candidate’s degree (engineering) on speciality 05.22.20 - Maintenance of transport facilities. – Kharkov national automobile and highway university, Kharkov, 2005.

The thesis is aimed at the advancement of repair technology of YaMZ and KamAZ automobile diesel engines by quality upgrade of cylinder sleeves. For these parts, which are produced from special alloy cast-iron, application of thermomechanical strengthening of the working part surface, which makes it possible to improve technology of repair, has been proposed and scientifically grounded.

Experimental material strengthening in production condition using planning methods has been carried out with the aid of standard and special methods variations of depth of strengthening, mechanical properties and their stability of the surface layer of the working surface and its wear resistance have been studied. Part life raising has been predicted. For theoretical grounding variations of given characteristics metallography and roentgenography studies have been carried out. The economic effect from the advancement of repair technology of automobile engines by quality upgrade of cylinder sleeves strengthened by the thermomechanical treatment has been estimated.

Obtained results allow predicting engine operation life up to overhaul and in interrepair periods in size predetermined by All-union state standard in service today.

Key words: repair, life, maintainability, quality, cylinder sleeve, special alloy cast-iron, thermomechanical strengthening.