ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО–ДОРОЖНІЙ

УНІВЕРСИТЕТ

ГОНЧАРОВ ВІКТОР ГРИГОРОВИЧ

УДК 629.083

ПІДВИЩЕННЯ РЕСУРСУ ТРАНСПОРТНОЇ ТЕХНІКИ

УДОСКОНАЛЕННЯМ ТЕХНОЛОГІЇ РЕМОНТУ

КОЛІНЧАСТИХ ВАЛІВ

Спеціальність 05.22.20 – Експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Технологія машинобудування та ремонту машин” у Харківському національному автомобільно–дорожньому університеті.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Савченков Борис Васильович,

Харківський національний автомобільно–дорожній університет, доцент кафедри “Технологія машинобудування та ремонту машин”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Посвятенко Едуард Карпович,

Національний транспортний університет, професор кафедри “Виробництво, ремонт та матеріалознавство”;

доктор технічних наук, професор

Тартаковський Едуард Давидович,

Українська державна академія залізничного транспорту, завідувач кафедри “Експлуатація та ремонт рухомого складу”.

Захист відбудеться “ 28 ” травня 2008 р. о 14-00 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 “ 26 ” квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Наглюк І. С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Якісний капітальний ремонт агрегатів транспортної техніки є важливою економічною задачею в масштабі всієї країни. Основним фактором підвищення економічної ефективності капітального ремонту агрегатів транспортної техніки є максимальне використання залишкового ресурсу деталей.

Працездатність двигуна, стабільність його техніко–економічних характеристик у процесі експлуатації в значній мірі залежать від терміну служби і стану колінчастого вала. Для даної деталі дуже важливими показниками, що визначають її експлуатаційні властивості, є культура виробництва, включаючи рівень технології виготовлення (відновлення), механічні характеристики матеріалу і якість робочих поверхонь деталі, а також її ремонтопридатність. Оптимізація даних показників у достатньому ступені дозволить збільшити ресурс як самої деталі, так і двигуна в цілому, а отже, значно скоротить витрати на закупівлю запасних частин.

Рішення цих важливих питань для транспортної техніки залежить від удосконалення процесу ремонту за рахунок впровадження у виробництво прогресивних технологічних процесів відновлення та зміцнення деталей агрегатів з урахуванням їх конструктивно–технологічних особливостей і можливих дефектів.

Актуальність теми. В даний час цілий ряд транспортних засобів у різних галузях промисловості мають дуже обмежений термін служби, що призводить до величезних збитків. Матеріальні втрати внаслідок тертя і зношування в машинобудуванні розвинутих держав досягають 4ч5національного доходу. Згідно з наявними даними опір тертю поглинає в усьому світі 30–40вироблюваної протягом року енергії. Витрати на ремонт і технічне обслуговування машин іноді в кілька разів перевищують їх вартість. Відомо, що двигуни транспортної техніки за весь термін служби ремонтують до 5 разів. Ресурс двигуна після ремонту в порівнянні з ресурсом нового двигуна складає 30–50 %, хоча за технічними умовами повинний бути не нижче 80

Точних даних про економічні втрати в Україні, обумовлені зниженням експлуатаційних характеристик двигунів транспортних засобів унаслідок зношування деталей, немає. Однак, побічно про масштаби даної проблеми можна судити з таких свідчень. У 1990 році в журналі “Трение и износ” академік В.С. Авдуєвський констатував: “...на практике недостаточная износостойкость приводит к простоям машин по причине неработоспособности (по сельскохозяйственной технике убытки от простоев в период уборки урожая составляет 2...3 млрд. руб. в год), чрезвычайно большой загрузке основных производственных мощностей для изготовления запасных частей (до 30 % по автотракторной технике), разросшейся сети ремонтных организаций и мастерских”.

У той же час, як показує практика, близько 75деталей після розбирання агрегатів, що надходять в капітальний ремонт, мають великий залишковий ресурс і можуть бути використані повторно після відновлення з витратами, що не перевищують 40–60вартості нових деталей. Таким чином, завдання з підвищення зносостійкості деталей автотранспортних засобів і трибосистем у цілому є актуальним і вимагає всебічного підходу і вивчення. При цьому відомо, що будь–який технологічний процес ремонту і відновлення деталі (агрегату) передбачає не тільки усунення змін геометричних параметрів, які виникли при експлуатації, але й, головним чином, стримування тих руйнівних процесів, що відбуваються на поверхні деталі, і видалення їх наслідків. Тому, при досить великій кількості способів відновлення таких швидкозношуваних деталей як колінчасті вали, актуальною задачею дотепер є пошук нових ефективних технологій ремонту, що підвищують ресурс їх робочих поверхонь. Таким технологічним процесом, що відповідає зазначеним вимогам, на нашу думку, є розроблене нами дискретне зміцнення корінних та шатунних шийок колінчастого вала.

У даний момент відсутня науково–технічна інформація про вплив цього виду зміцнення на властивості деталей транспортної техніки при їх експлуатації, що робить задачу дослідження дискретного способу зміцнення як альтернативи існуючим ще актуальнішою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до Державної програми розвитку машинобудування на 2006–2011 р. “Розробка та створення умов для широкого впровадження високих ресурсозберігаючих технологій: – 

нанесення функціональних та захисних покриттів з новими властивостями”. № 516 від 18.04.2006 р.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – удосконалення технології ремонту колінчастих валів з застосуванням дискретного зміцнення для підвищення ресурсу транспортної техніки. Відповідно до поставленої мети в роботі вирішувались такі задачі: – 

виконати аналіз науково–технічної інформації з оцінки ресурсу колінчастих валів, існуючих способів їх зміцнення і відновлення працездатності корінних і шатунних шийок; – 

запропонувати новий спосіб ремонту – дискретне зміцнення робочих поверхонь корінних і шатунних шийок колінчастих валів як альтернативу стандартним технологіям (азотуванню і гартуванню СВЧ) при відновленні деталей і виготовленні запасних частин, проаналізувати зміни механічних властивостей поверхневого шару матеріалів колінчастих валів після дискретного зміцнення; – 

встановити залежність параметрів процесу зміцнення, дозволяющого оптимізувати режими дискретної обробки та триботехнічні характеристики пари тертя шийка колінчастого вала – вкладиш підшипника ковзання; – 

провести експериментальну оцінку підвищення ресурсу, ремонтопридатності і працездатності трибосистеми шийка колінчастого вала – вкладиш підшипника ковзання після дискретного зміцнення, розробити технологічне оснащення й устаткування для реалізації дискретного зміцнення колінчастих валів у ремонтному виробництві; – 

провести дослідно–промислові випробування з метою підтвердження ефективності запропонованої технології ремонту при відновленні працездатності корінних і шатунних шийок колінчастих валів та дати оцінку техніко–економічної доцільності використання дискретного зміцнення як альтернативного методу удосконаленої технології ремонту і підвищення ресурсу двигунів транспортної техніки.

Об'єкт дослідження. Технологічний процес дискретного зміцнення шийок колінчастих валів для удосконалення ремонту двигунів транспортної техніки.

Предмет дослідження. Закономірності зміни триботехнічних характеристик матеріалу після дискретного зміцнення колінчастого вала, що визначає ресурс транспортної техніки.

Методи дослідження. Для моделювання реального вузла тертя в роботі використовувалися наукові й експериментальні методи дослідження, а також методи математичної статистики при обробці й аналізі експериментальних даних, отриманих при проведенні лабораторних та виробничих випробувань.

При проведенні експерименту були оптимізовані діапазони значень досліджуваних режимних параметрів дискретного зміцнення, установлені величини зносу поверхневого шару, які визначалися в лабораторних умовах ваговим методом при порівняльних іспитах матеріалів після їх промислової термічної, хіміко–термічної обробки та дискретного зміцнення. Для прогнозування впливу технологічних параметрів дискретного зміцнення матеріалу деталі на зносостійкість, зношувальну здатність та коефіцієнт тертя розроблена математична модель. При вивченні структури і визначенні глибини зміцнених зон матеріалу використані металографічний, рентгеноструктурний, мікрорентгено-спектральний аналізи, а також методика визначення триботехнічних характеристик та втомної міцності матеріалу деталі.

Вірогідність результатів досліджень підтверджується задовільною збіжністю даних, отриманих на базі математичної моделі, з результатами експериментальних досліджень та промислових випробувань.

Наукова новизна одержаних результатів: – 

вперше науково обґрунтована доцільність застосування дискретного зміцнення при ремонті (виготовленні) колінчастих валів двигунів транспортної техніки, яке полягає в створенні чергування в заданій послідовності (дискретно) високоміцних і пластичних ділянок; – 

розроблено спосіб дискретного зміцнення колінчастих валів, що забезпечує високі триботехнічні характеристики поверхонь зміцнення при збереженні оптимального рівня втомної міцності деталі, що дозволяє підвищити ефективність технології ремонту двигунів транспортної техніки; – 

на підставі дослідження закономірностей зміни структури і властивостей поверхні металу після дискретного зміцнення вперше науково обґрунтовано й експериментально підтверджено взаємозв'язок основних режимних параметрів зміцнення матеріалу деталей (величина дискретності ц, величина струму розряду Ір, матеріал та товщина електрода Ѕ) зі зносостійкістю, зношувальною здатністю і коефіцієнтом тертя.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблений спосіб дискретного зміцнення дозволяє удосконалити технологічний процес ремонту колінчастих валів за рахунок підвищення зносостійкості деталей, що виготовляються як зі сталі, так і з чавуну: – 

встановлено позитивний вплив технології дискретного зміцнення корінних і шатунних шийок колінчастого вала на працездатність трибосистеми шийка колінчастого вала – підшипник ковзання; – 

сформульована вимога до матеріалу електрода для дискретного зміцнення й обрано електрод для здійснення зміцнення колінчастих валів, виготовлених як зі сталі (двигуни КамАЗ–740 і 5Д49), так і з чавуну (двигуни типу Д80); – 

розроблені і впроваджені у виробництво технічні умови на ремонт колінчастого вала, технологічне оснащення й устаткування для дискретного зміцнення корінних і шатунних шийок колінчастих валів; – 

результати виконаної роботи впроваджені на ДП “Завод імені Малишева” при виготовленні і ремонті колінчастих валів двигунів типу Д80 і 5Д49. Економічний ефект у споживача (Південна залізниця) склав у 2005 році 4500000 грн. При впровадженні технології ремонту для колінчастих валів двигунів автомобілів КамАЗ–740 на ДП МОУ “ХАРЗ_” економічний ефект склав 21116 грн.

Крім цих підприємств промислове апробування розробленої технології було виконано на ВАТ ХЗТСШ при ремонті колінчастих валів двигунів Д120Д21А1) тракторного самохідного шасі Т16–МГ і ОП “Добропольская автобаза” ДП “Добропольеуголь” при ремонті колінчастих валів двигунів автомобілів КамАЗ і КрАЗ.

Особистий внесок здобувача. У публікаціях у співавторстві автору належать: дослідження причин передчасного виходу деталей з ладу й існуючих способів підвищення їх зносостійкості при виготовленні і ремонті; запропонований спосіб дискретного зміцнення [1, 2, 7, 10]; визначення впливу діапазону технологічних параметрів режиму дискретного зміцнення на триботехнічні характеристики пари тертя шийка колінчастого вала – вкладиш підшипника ковзання [3, 5]; проведення й аналіз результатів досліджень впливу режимів дискретного зміцнення на структуру, фазовий склад та зносостійкість зміцнених поверхонь [4, 6, 8, 9].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися й обговорювалися на: – 

щорічних науково–методичних конференціях ХНАДУ (м. Харків, 2003–2006 рр); – 

науково–технічній конференції “Проблеми надійності машин на етапах проектування, експлуатації і ремонту”. – Харків:, ХГТУСХ – 2002 р.; – 

Міжнародній науково–практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки”. – Харків: ХДТУСГ – 2003 р.; – 

Х Міжнародній науково–технічній конференції “Транспорт, екология – усточиво развитие”. – Варна:, ТУ – 2003 р.; – 

Х Міжнародній науково–технічній конференції “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів”. – Запоріжжя, ЗНТУ – 2003 р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені у 10 наукових статтях, 8 з яких надруковані у збірниках наукових праць, рекомендованих ВАК України, з них одна стаття без співавторів і один патент на винахід “Спосіб формування зносостійкої поверхні металевих виробів” № 79336.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації становить 183 сторінки, у тому числі 52 рисунка на 40 сторінках, 28 таблиць на 27 сторінках, 9 додатків на 24 сторінках. Список використаних джерел нараховує 167 найменувань на 14 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі роботи, визначені об'єкт, предмет і методи дослідження, наведені дані про наукову новизну виконаних досліджень, їх практичне значення і впровадження результатів дисертаційної роботи.

Перший розділ присвячений огляду науково–технічної інформації. Проведено аналіз впливу працездатності колінчастих валів на вихід з ладу двигунів транспортної техніки, характер і інтенсивність зношування робочих поверхонь шийок колінчастих валів, основні способи їх ремонту і зміцнення.

Залежно від типу двигуна колінчасті вали можуть виготовлятися як з вуглецевих, так і легованих сталей, а також з високоміцних легованих чавунів. Для підвищення триботехнічних характеристик корінних і шатунних шийок колінчастих валів як при їх виготовленні, так і при ремонті використовуються різні способи зміцнення. Незважаючи на велику кількість цих способів, їх ефективність незначна. При експлуатації норми наробітку до відправлення двигунів у капітальний ремонт не відповідають вимогам діючого ГОСТ 23465–79.

Однією з основних причин передчасного виходу з ладу двигунів після капітального ремонту, і зокрема, трибосистеми шийка колінчастого вала – вкладиш підшипника ковзання, є рівень застосовуваних способів (методів) і якість зміцнення корінних і шатунних шийок колінчастих валів.

Виходячи з цього, можна вважати, що проблема підвищення зносостійкості корінних і шатунних шийок колінчастих валів і в цілому ресурсу роботи пари тертя шийка колінчастого валa – вкладиш підшипника ковзання актуальна і в теперішній час.

У другому розділі проводиться аналіз експериментальних досліджень дискретного зміцнення як альтернативного способу ремонту колінчастих валів до застосовуваних стандартних. Розглянуто актуальність і сутність дискретного зміцнення, а також його достоїнства.

Аналіз способів зміцнення і відновлення ресурсу корінних і шатунних шийок колінчастих валів, використовуваних як при їх виготовленні, так і при ремонті, дозволив установити для них загальні недоліки, що обумовлюють неможливість одержання необхідного рівня експлуатаційних характеристик з достатньою технологічністю, ремонтопридатністю й економічністю процесів виготовлення і ремонту деталей.

Для дискретного зміцнення матеріалів деталей найбільш оптимальним є метод електроіскрового легування, суть якого полягає в переносі металу з анода на катод у момент іскрового розряду між ними. Одночасно з переносом металу в момент розряду відбувається макролегування приповерхневої зони деталі, що приводить до зміни хімічного складу і механічних властивостей матеріалу основи в плямі контакту з електродом.

З метою забезпечення використання всіх позитивних факторів зносостійких дискретних покриттів і виключення появи можливих недоліків розроблено новий спосіб формування зносостійких поверхонь металевих виробів. Суть його така: на зовнішню поверхню виробу одним з відомих способів, наприклад, електроіскровим методом, наноситься дискретне покриття з легувальних матеріалів у вигляді розташованих на певній відстані один від іншого острівців, ліній різної конфігурації тощо.

Після визначення максимального приросту дискретного покриття Д max над поверхнею, а також максимальної глибини каверн Сmax виконується механічна обробка виробу методом шліфування на величину припуску h:

Дmax ? h < Cmax (1)

При шліфуванні поверхні виробу виконується зрізання прирощеної частини дискретних покритів, що мають макро– і мікродефекти, і їх поверхня нівелюється щодо поверхні виробу або зрізається зовнішній шар виробу, що практично виключає можливість появи концентраторів напружень і зменшує шорсткість поверхні.

Експериментальні дослідження і виробничі випрорбування показали, що запропонований спосіб формування зносостійких поверхонь металевих виробів повною мірою виключає недоліки застосовуваних у даний час зміцнювальних способів і методів нанесення зносостійких покриттів (деформація виробу, висока температура, енергоємність, шкідливе виробництво і ін.) і до того ж не знижує втомну міцність виробу.

У третьому розділі обгрунтовується вибір матеріалу і методики дослідження, устаткування, оснащення і матеріал електрода для дискретного зміцнення шийок колінчастих валів двигунів транспортних засобів, а також виконане математичне планування експерименту.

Для проведення досліджень по визначенню впливу дискретного зміцнення на механічні і триботехнічні характеристики матеріалу колінчастого вала обрані сталь 42ХМФА за ГОСТ 4543–88 і високоміцний легований чавун з кулястим графітом, модифікований Mg (ТУ Д70.05.ДТ:1978).

Вибір стали 42ХМФА обумовлений тим, що вона використовується при виготовленні колінчастих валів двигунів автомобілів сімейства КамАЗ, що знайшли широке застосування в народному господарстві України. Для колінчастих валів, виготовлених з цієї сталі, як стандартну зміцнювальну технологію для корінних і шатунних шийок рекомендується застосовувати гартування СВЧ або азотування.

Вибір високоміцного легованого чавуну з кулястим графітом, модифікованого Mg, зумовлений тим, що він використовується для виготовлення колінчастих валів двигунів типу Д80, які у даний час розглядаються як базові двигуни транспортної техніки залізниць України. При виготовленні колінчастих валів з цього чавуну для зміцнення корінних і шатунних шийок використовують (відповідно до стандартної технології) нормалізацію з високим відпуском або гартування СВЧ. Нормалізація з високим відпуском забезпечує добрі механічні властивості матеріалу колінчастого вала, але за отриманими триботехнічними характеристиками цей метод значно поступається гартуванню СВЧ. В той же час гартування СВЧ матеріалу корінних і шатунних шийок, хоча і забезпечує високі триботехнічні характеристики зміцнених поверхонь, але погіршує опір втомі.

Оцінка зносостійкості досліджуваних зразків здійснювалася відповідно до вимог ГОСТ 23.224–86 і РД 50–339–82 на машинах тертя СНЦ–2 і СМТ–1.

Для здійснення дискретного зміцнення колінчастих валів була виконана модернізація базового обладнання “Дискрет–04”, розроблено технологічне оснащення, що дозволяє виконувати зміцнення корінних і шатунних шийок з однієї установки вала, визначені методики дослідження металографічних і триботехнічних характеристик, а також втомної міцності матеріалів деталей.

Після проведення аналізу необхідних характеристик механічних властивостей матеріалу зміцнюваної деталі і ряду дослідно – експериментальних робіт був обраний електрод зі сталі 08Х18Н10Т. Він забезпечує глибину зміцненого (легованого) шару колінчастого вала в межах 250–400 мкм, мікротвердість ~ 1000 МПа.

Метою математичного планування експерименту було дослідження впливу основних технологічних факторів процесу дискретного зміцнення (величина дискретності зміцненого шару , %; величина струму розряду Iр, A; товщина електрода S, мм) на параметри, що характеризують трибосистему шийка колінчастого вала – вкладиш підшипника ковзання: коефіцієнт тертя (f); величина зносу шийки (ЗШ); зношувальна здатність (ЗЗ) матеріалу (табл. 1).

Таблиця 1

Значення перемінних при дослідженні властивостей трибосистеми |

, % | Iр, А | S, мм

Кодове позначення | X1 | X2 | X3

Основний рівень, xi = 0 | 60 | 83 | 1.00

Інтервал варіювання, | 20 | 13 | 0.25

Верхній рівень, xi = +1 | 80 | 96 | 1.25

Нижній рівень, xi = -1 | 40 | 70 | 0.75

Далі наведені функціональні залежності для коефіцієнта тертя (f), зносу шийки (ЗШ) та зношувальної здатністі (ЗЗ) від основних технологічних параметрів дискретного зміцнення у величинах, кодованих згідно з табл. 1

Функціональна залежність коефіцієнта тертя від параметрів дискретного зміцнення представлена рівнянням (2).

Y1 = 0,01332 + x1·(–0,00634) + x12·(–0,00535) + x3·(–0,00017). (2)

Функціональна залежність зношувальної здатності від параметрів дискретного зміцнення представлена рівнянням (3).

Y2 = 0,0076 + x1(–0,00061) + x12·(–0,00093) (3)

Функціональна залежність зносу колінчастого вала від параметрів дискретного зміцнення представлена рівнянням (4).

Y3=(0,001600)+x1 (0,000213)+x3·(–0,000238)+x1·x2 (0,000150)+ +x1·x3·(0,000425) (4)

Переходячи від відносних значень досліджуваних параметрів властивостей трибосистеми до реальних, одержуємо оптимальні величини: дискретність зміцненого шару ц = 55–72; струм розряду Iр = 60–70 А; товщина електрода S = 1 мм

У четвертому розділі наведені результати впливу оптимальних режимів дискретного зміцнення на характер зміцненого поверхневого шару, втомну міцність матеріалу, а також триботехнічні характеристики колінчастих валів з чавуну і стали.

Для аналізу впливу величини струму розряду Iр і дискретності ц на механічні і триботехнічні властивості стали 42ХМФА і високоміцного легованого чавуну з кулястим графітом, модифікованого Mg, зміцнених з використанням електрода зі сталі 08Х18Н10Т товщиною S = 1 мм, був проведений комплекс досліджень, який показав, що величина струму розряду Ip значно впливає на мікротвердість матеріалу зміцненої зони. Установлено, що проведення дискретної обробки при величині струму розряду Ip = –70 А забезпечує збереження стабільності механічних властивостей зміцнених зон деталі.

Дослідження впливу величини дискретності ц на коефіцієнт тертя f показало, що він має найменші величини при значеннях ц = 50–70Подальше збільшення дискретності не знижує коефіцієнт тертя (рис.1).

Як відмічалося раніше, в теперішній час вали з чавуну або піддають нормалізації з високим відпуском (без поверхневого зміцнення шийок), або додатково шийки загартовують СВЧ (рис. 2, схеми а та б). При виготовлені сталевих валів використовується складніша термічна обробка (рис. 2, схема в).

Запропонована схема технологічного процесу виготовлення (ремонту) валів, згідно з отриманим нами патентом на винахід № (рис.2, схема г), виключає операції гартування СВЧ і низького відпуску для чавуну та гартування, високого відпуску й азотування для сталі, що істотно знижує трудомісткість обробки колінчастих валів і поліпшує їх якість, особливо сталевих, через відсутність азотування, яке, як показано нами, може суттєво знизити міцність матеріалу.

Металографічний аналіз зразків після дискретного зміцнення показав, що в приповерхньому шарі чітко виявляються ділянки, які різко відрізняються від основного матеріалу. Вони мають вигляд світлої блискучої зони (“білий” шар, 1 на рис. 3). Товщина “білого” шару в цих зонах коливається в межах 250–400 мкм, метал “білого” шару щільний і добре піддається поліруванню.

Рис. 1 Залежність коефіцієнта тертя f від величини дискретності ц

а б в г

Рис. 2 Схеми стандартних і запропонованої технології

(дискретне зміцнення) виготовлення та ремонту колінчастих валів з чавуну і сталі

Межа між “білим” шаром і металом, розташованим під ним, різко виражена, має прямолінійний або хвилеподібний характер. Метал по лінії сплавлення “білого” шару з основою (матрицею) не має несплавлень, розшарувань, шлакових включень, раковин.

Рис. 3 Схема розташування шарів після дискретного зміцнення:

1 – “білий” шар;

2 – “підшар”;

3 – основний метал (матриця).

Дослідження мікротвердості “білого” шару показало, що в усіх випадках вона перевищує мікротвердість основного металу і коливається в межах 500–1000 МПа (твердість високоміцного легованого чавуну після нормалізації з високим відпуском 31–37 HRC, сталі – 21–27 HRC).

Безпосередньо під “білим” шаром виявлений підшар, який відрізняється від основного металу за хімічним складом та мікротвердістю (2 на рис. 3). Визначення глибини “підшару” за результатами виміру мікротвердості і за даними мікрорентгеноспектрального аналізу показали, що він знаходиться у межах 25–70 мкм.

Комплексний аналіз результатів металографічних і мікрорентгено-спектральних досліджень зразків дозволив установити, що дискретне зміцнення приводить до локальної зміни хімічного складу матеріалу, що викликає підвищення механічних властивостей поверхневих шарів як чавуну, так і сталі. При цьому слід підкреслити, що зміцнені зони з високою твердістю чергуються з м’якими областями, що сприяє зниженню коефіцієнта тертя.

Для визначення впливу дискретного зміцнення на втомну міцність високоміцного чавуну з кулястим графітом, модифікованого Mg, який застосовується для виготовлення колінчастих валів двигунів типу Д80, було виготовлено і випробувано чотири серії зразків.

Результати іспитів по визначенню границі витривалості залежно від стану зразків наведені в табл. 2 і на рис. 4.

Згідно з отриманими даними встановлено, що границя витривалості для чавунних зразків після нормалізації з високим відпуском без наявних дефектів ливарного походження (серія 1), дорівнює у_= 200 МПа. Наявність на поверхні зразків точкових ливарних дефектів (серія 2) знижує опір втомі до 140 МПа.

Результати, отримані для чавунних зразків серії 1, збігаються з характеристиками втомної міцності для зразків аналогічного хімічного складу і термічної обробки, дослідження яких проведені раніше (рис. 4, крива 5, у_1 = 170 МПа).

Таблиця 2

Результати випробувань чавунних зразків на втомну міцність

№ серії | Спосіб обробки зразків | Якість поверхні після полірування | Границя витривалості у_1, МПа

1 | Нормалізація з високим відпуском | без дефектів | 200

2 | точкові ливарні дефекти | 140

3 | Нормалізація з високим відпуском та дискретним зміцненням | без дефектів | 190

4 | грубі дефекти

(глибина до 0,12 мм) | 120

Зразки з дискретним зміцненням без ливарних дефектів (серія 3) мають границю витривалості, що знаходиться в полі розсіювання результатів для чавунних зразків без дискретного зміцнення (рис. 4, крива 3, у_ =  МПа). Наявність на поверхні грубих дефектів, не виведених фінішною обробкою (серія 4), призводить до зниження втомної міцності зразків з дискретним зміцненням (рис. 4, крива 4, у_=120 МПа).

Важливим фактором є місце руйнування при випробуваннях зразків на втому. Експерименти показали, що після дискретного зміцнення руйнування в жодному випадку не відбулося по межі зміцненої зони з основним металом, а в усіх випадках розвивалося по частині зразка на відстані приблизно 1 мм від межі цієї зони. Таким чином, отриманий результат дає підставу стверджувати, що межа між зміцненим шаром і основним матеріалом не є технологічним концентратором напружень, що може знижувати втомну міцність при дискретному зміцненні. Тому даний спосіб можна рекомендувати для зміцнення інших виробів і матеріалів.

Дослідження впливу дискретного зміцнення на триботехнічні характеристики зразків з високоміцного легованого чавуну з кулястим графітом, модифікованого Mg, показали, що воно приводить до суттєвого, приблизно в 8–10 разів, зменшення зносу в порівнянні з нормалізованими зразками й у 1,3–1,5 рази в порівнянні із зразками, загартованими СВЧ. Для зразків зі сталі 42ХМФА після цього ж виду зміцнення зниження зносу сягає 1,5–3,5 рази у порівнянні з азотованими.

Результати іспитів по визначенню залежності коефіцієнта тертя від навантаження також свідчать про те, що зразки з дискретним зміцненням мають нижчі значення коефіцієнта тертя, ніж зразки, зміцнені за стандартними технологіми (рис. 5, 6).

Рис. 5. Зміна коефіцієнта тертя від навантаження зразків з високоміцного легованого чавуну:

1 – після нормалізації;

2 – після гартування СВЧ;

3, 4 – зразки після дискретного

зміцнення

Рис. 4. Залежність напруження руйнуваня від числа циклів навантаження:

1, 2, 3, 4 – серії зразків (табл. 2);

5 – результати досліджень, проведених раніше

Рис. 6. Зміна коефіцієнта тертя від навантаження зразків зі сталі 42ХМФА:

1 – після азотування;

2, 3 – після дискретного зміцнення

Крім того, встановлено, що збільшення навантаження приводить до зниження коефіцієнтів тертя у зразків з дискретним зміцненням, тоді як у чавунних зразків, зміцнених після нормалізації гартуванням СВЧ, і сталевих після азотування подібна тенденція відсутня. Це свідчить про високу задиростійкість зразків з дискретним зміцненням у порівнянні з контрольними зразками.

Випробування зразків з дискретним зміцненням на абразивну зносостійкість свідчать про істотне, приблизно в 3 рази, підвищення зносостійкості зразків з дискретним зміцненням, у порівнянні зі зразками, зміцненими за стандартними технологіями. При цьому встановлено, що знос контртіла при роботі з дискретно зміцненими зразками у 2 рази менший, ніж при роботі з іншими зразками.

Таким чином, дослідження триботехнічних характеристик зразків, виготовлених з високоміцного легованого чавуну і сталі 42ХМФА, показали, що дискретне зміцнення забезпечує високі триботехнічні характеристики трибосистеми шийка колінчастого вала – вкладиш підшипника ковзання.

У п'ятому розділі представлені результати технологічної адаптації і впровадження дискретного зміцнення у виробництво при виготовленні і ремонті колінчастих валів двигунів КамАЗ–740, 5Д49 і типу Д80.

З метою технологічної адаптації способу дискретного зміцнення у виробництво для зміцнення корінних і шатунних шийок колінчастих валів для цих двигунів і визначення впливу масштабного фактора на якість зміцнення були виконані додаткові дослідження.

Проведені дослідження зміцнених зон на шийках колінчастих валів показали, що: – 

твердість зміцненої зони (плями) знаходиться в межах 600–700 НV (54–60 HRC) при твердості серцевини (основного металу) 255–302 НV (25–30; – 

глибина зміцнення відповідала 0,25–0,39 мм.

Аналіз виконаних робіт свідчить, що масштабний фактор на процес і якість дискретного зміцнення деталей практично не впливає.

Упровадження процесу дискретного зміцнення при ремонті колінчастих валів було здійснено на ДП МОУ “ХАРЗ–110” і на ДП “Завод імені Малишева”.

Експлуатаційні випробування двигунів, оснащених колінчастими валами з дискретним зміцненням, були проведені на Південній залізниці, ВАТ “Харківський завод тракторних самохідних шасі”, ОП “Добропольская автобаза”, ДП “Добропольеуголь” і показали високі стабільні результати, що відповідають вимогам ГОСТ 23465–79.

У шостому розділі проводиться оцінка економічного ефекту від впровадження у виробництво дискретного зміцнення колінчастих валів при удосконаленні ремонту двигунів транспортних засобів.

ВИСНОВКИ

1. Реальний ресурс двигунів транспортної техніки після ремонту в даний час в Україні складає, в порівнянні з новими двигунами, 30–50хоча має бути не нижче 80(ГОСТ 23465–79). Існуючі технології виготовлення і ремонту колінчастих валів і застосовувані способи зміцнення їх робочих поверхонь (корінних і шатунних шийок) не забезпечують необхідного ресурсу і ремонтопридатності даної деталі.

2. На підставі проведених досліджень вперше науково обґрунтована й експериментально підтверджена можливість удосконалення технології ремонту транспортної техніки за рахунок застосування запропонованого нового способу обробки – дискретного зміцнення робочих поверхонь шийок колінчастих валів, виготовлених з чавуну і сталей, що підвищує їх зносостійкість і ремонтопридатність. Установлено, що основними технологічними факторами дискретного зміцнення, що визначають триботехнічні властивості матеріалів і експлуатаційні характеристики деталей, є дискретність зміцнення (%), величина струму розряду Iр (А), товщина і матеріал електрода S (мм).

3. Виконані дослідження процесу дозволили установити оптимальні режими дискретного зміцнення трибосистем шийка колінчастого вала – вкладиш підшипника ковзання: величина дискретності = 50–70; величина струму розряду Iр = 60–70 А; товщина електрода (сталь 08Х18Н10Т) S = 1 мм. При обробці виробу на даних режимах забезпечується найвищий рівень зносостійкості робочої поверхні шийок колінчастих валів при ремонті (виготовленні) двигунів транспортних засобів.

4. Запропонований спосіб дискретного зміцнення корінних і шатунних шийок колінчастих валів забезпечує (у порівнянні зі стандартними способами зміцнення): – 

зміцнений шар (у плямі) глибиною 250–400 мкм з твердістю в межах 500–1000 МПа; – 

достатньо високу втомну міцність чавунного колінчастого вала на рівні у–1 ? 190 МПа, при цьому встановлено, що межа між зміцненим шаром і основним металом не є технологічним концентратором напружень і не знижує втомну міцність; – 

підвищення зносостійкості чавунних колінчастих валів у 8–10 разів в порівнянні з нормалізованими і у 1,3–1,5 рази в порівнянні з загартованими СВЧ, а сталевих – у 1,5–3,5 рази в порівнянні з азотованими. При цьому коефіцієнт тертя в трибосистемі шийка колінчастого вала – вкладиш підшипника ковзання знижується до f = 0,012; – 

збільшення задиростійкості поверхні шийок колінчастого вала до значень, що перевищують 2,0 кН (максимально можливе в реальних умовах); – 

спрощення процесу відновлення працездатності колінчастих валів і виключення шкідливих енерговитратних технологій виробництва.

5. Установлено, що дискретне зміцнення колінчастого вала не призводить до зниження його втомної міцності, а напруження від крутильних коливань у колінчастому валі нижчі припустимих у 1,9_,5 рази. При цьому забезпечується зниження трудомісткості робіт з обробки виробу в порівнянні зі стандартними видами зміцнення колінчастих валів мінімум на 30

6. Для впровадження процесу дискретного зміцнення колінчастих валів при виготовленні і ремонті двигунів на ДП “Завод імені Малишева”, ПЗ і ДП МОУ “ХАРЗ–110” були розроблені і впроваджені на ПЗ “Укрзалізниця” технічні умови (ТУ У 29.1–22615920–001:2005) на ремонт колінчастих валів, спроектоване і виготовлене устаткування і технологічне оснащення, що дозволяє виконувати зміцнення як корінних, так і шатунних шийок. Крім цих підприємств технологія дискретного зміцнення деталей була апробована на ВАТ “Харківський завод самохідних шасі” при ремонті двигунів Д120, ОП “Добропольская автобаза” і ДП “Добропольеуголь” при ремонті двигунів КрАЗ і КамАЗ.

7. Економічний ефект від упровадження дискретного зміцнення при ремонті колінчастих валів двигунів 5Д49, експлуатованих на ПЗ, за 2005 рік склав 4,5 млн грн., а для ДП МОУ “ХАРЗ–110” при ремонті двигуна КамАЗ–740 – 21116 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1  Гончаров В.Г., Савченков Б.В. Исследование износостойкости стальных коленчатых валов.// Вісник ХДТУСГ. – Харків: Изд–во ХДТУСГ. – 2003. – Випуск 17 – С. 71–76. Автором проведений огляд існуючого стану в області зносостійкості транспортних засобів, а також запропонований спосіб підвищення надійності роботи трибосистем методом дискретного зміцнення.

2. Подригало М.А., Гончаров В.Г., Савченков Б.В. Повышение надежности коленчатых валов дизельных двигателей нанесением дискретных покрытий. // Вестник НТУ “ХПИ” – Харьков: Изд–во НТУ “ХПИ”. – 2003. – № 4 – С. 115–123. Автором проведені теоретичні дослідження методів підвищення зносостійкості елементів трибосистем, а також їхніх недоліків. Обґрунтовано необхідність розробки альтернатив-ного способу підвищення зносостійкості деталей, дискретним зміцненням.

3. Гончаров В.Г., Савченков Б.В. Повышение износостойкости трибосистем. // Автомобильный транспорт. – Харьков: Изд–во ХНАДУ, 2004 – Выпуск 13. – С. 117–119. Автору належить обґрунтування переваг дискретного зміцнення перед суцільними зносостійкими покриттями при ремонті деталей машин.

4. Савченков Б.В., Гончаров В.Г., Александров Н.Г., Самсоник А.Л. Влияние режимов дискретного упрочнения на эксплуатационные свойства деталей автомобилей. // Автомобильный транспорт. – Харьков: Изд–во ХНАДУ, 2005 – Выпуск 16 – С. 83–85. Автор провів дослідження впливу дискретного зміцнення на структуру, фазовий склад і зносостійкість чавуну, а також аналіз триботехнічних характеристик.

5. Гончаров В.Г. Математическое планирование оптимизации коэффициента трения при дискретном упрочнении элементов трибосистем. // Вестник ХНАДУ. – Харьков: Изд–во ХНАДУ. – 2005. – Выпуск 30 – С. _. На підставі аналізу технології дискретного зміцнення, результатів попередніх досліджень автором виконане математичне планування експерименту, що дозволило визначити основні технологічні параметри (дискретність зміцнення – ц, величина струму – Ір, товщина електрода – Ѕ).

6. Подригало М.А., Гончаров В.Г., Савченков Б.В. Методы упрочнения дискретными покрытиями шеек коленчатых валов автомобилей для повышения ресурса их работы. // Мир техники и технологии. – 2004. – № 10 – С. 52–55. Автор провів дослідження триботехнічних властивостей сталі 42ХМФА з дискретним зміцненням.

7. Дьяченко С.С., Савченков Б.В., Гончаров В.Г., Понамаренко И.В., Аксенова С.И., Сапожников В.М. Исследования ремонтопригодности тепловозного коленчатого вала. // Локомотив – информ. – 2007. – август – С. –17. Автору належить обґрунтування необхідності заміни повторного азотування шийок колінчастих валів на дискретне зміцнення.

8. Спосіб формування зносостійкої поверхні металевих виробів. Патент на винахід № 79336 Україна, МПК Е 21 Д 21/00, В 23 Н 9/00/ В.Г. Гончаров, О.П. Клімова (Україна), – № 200505863; Заявлено 14.06.05, Опубл.17.10.05. Бюл. № 10 – 17 с. Автору належить розробка способу формування зносостійкої поверхні металевих виробів.

9. Гончаров В.Г., Савченков Б.В., Александров Н.Г. Дискретные покрытия – эффективный способ упрочнения деталей автомобилей. // Сб. докл. Девета научно – техническа конференция с международно участие. “Транспорт, экология – устойчиво развитие” – Варна: Изд. ТУ – Варна, – 2003. – С. 282–289. Автору належить обґрунтування необхідності впровадження у виробництво альтернативних методів зміцнення чавунних деталей, що використовуються в транспортній техніці. Проведено експериментальні роботи й аналіз їхніх результатів.

10. Гончаров В.Г., Олейник А.К., Гринченко Г.Г. Исследование изменения характеристик трения по глубине дискретного слоя // Зб. наук. пр. ІХ Міжнародної науково–технічної конференції “Нові конструкційні сталі та стапи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів” – Запоріжжя: ЗНТУ, – 2003. – С. 100–101. Автор провів дослідження з визначення зміни параметрів тертя і зношування по глибині зміцненого шару.

АНОТАЦІЯ

Гончаров В.Г. Підвищення ресурсу транспортної техніки удосконаленням технології ремонту колінчастих валів. – 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, 2008 р.

Дисертація спрямована на удосконалення технології ремонту колінчастих валів двигунів транспортних засобів. Для цих деталей, робочі поверхні яких у даний час при виготовленні і ремонті піддаються азотуванню або гартуванню СВЧ, запропонована і науково обґрунтована як альтернативна нова технологія обробки – дискретне зміцнення.

З використанням методів математичного планування експерименту встановлені режими дискретного зміцнення, оптимізовані й апробовані в лабораторних і виробничих умовах. Оптимальні режими дискретного зміцнення трибосистеми шийка колінчастого вала – вкладиш підшипника ковзання такі: величина дискретності  –70; величина струму розряду Iр = 60–70 А; товщина електрода (сталь 08Х18Н10Т) S = 1,0 (мм).За допомогою стандартних і спеціальних методик досліджені структурні зміни зміцненої поверхні металу, глибина зміцненого шару (у плямі), механічні властивості, втомна міцність і триботехнічні характеристики (коефіцієнт тертя, зносостійкість і ін.). Виконані дослідження дозволили установити

Для впровадження способу формування зносостійких поверхонь металевих виробів (Патент на винахід № ) у виробництво при ремонті (виготовленні) колінчастих валів двигунів транспортної техніки розроблені технічні умови ТУ У 29.1–22615920–00:2005, спроектоване і виготовлене технологічне оснащення, що дозволяє виконувати зміцнення як корінних, так і шатунних шийок.

Технологія дискретного зміцнення колінчастих валів впроваджена на ДП МОУ “ХАРЗ–110”, ДП “Завод імені Малишева”, що дало вагомий економічний ефект при забезпеченні виконання вимоги діючого ГОСТ 23465–79.

Ключові слова: ремонт, ресурс, триботехнічні характеристики, дискретне зміцнення, чавун, сталь, ремонтопридатність, колінчастий вал.

АННОТАЦИЯ

Гончаров В.Г. Повышение ресурса транспортной техники совершенствованием технологии ремонта коленчатых валов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 – Эксплуатация и ремонт средств транспорта. Харьковский национальный автомобильно–дорожный университет, Харьков, 2008 г.

Диссертация направлена на совершенствование технологии ремонта коленчатых валов, двигателей транспортных средств. Для этих деталей, рабочие поверхности которых в настоящее время при изготовлении и ремонте подвергаются азотированию или закалке ТВЧ, предложена и научно обоснована в качестве альтернативной новая технология обработки – дискретное упрочнение.

С использованием методов математического планирования эксперимента установлены режимы дискретного упрочнения, которые оптимизированы и апробированы в лабораторных и производственных условиях. Оптимальные режимы дискретного упрочнения трибосистемы шейка коленчатого вала – вкладыш подшипника скольжения такие: величина дискретности ц = 50–70 %; величина тока разряда Iр = 60–70 А; толщина электрода (сталь 08Х18Н10Т) S=1,0 мм. С помощью стандартных и специальных методик исследованы структурные изменения упрочненной поверхности металла, глубина упрочненного слоя (в пятне), механические свойства, усталостная прочность и триботехнические характеристики (коэффициент трения, износостойкость и др.).

Для внедрения