Анализ способов восстановления шеек коленчатого вала

Аннотация: В статье рассмотрен анализ способов восстановления шеек коленчатых валов. Коленчатый вал является одной из дорогостоящих деталей двигателя, в значительной степени определяющей его ресурс. Ресурс собственно коленчатого вала определяется двумя факторами: износостойкостью и сопротивлением усталостным нагрузкам.

Восстановление деталей – это комплекс операций по устранению основных дефектов, обеспечивающих возобновление их работоспособности и установленных в нормативно-технической документации параметров.

Коленчатый вал является одной из дорогостоящих деталей двигателя, в значительной степени определяющей его ресурс. Ресурс собственно коленчатого вала определяется двумя факторами: износостойкостью и сопротивлением усталостным нагрузкам. В процессе эксплуатации двигателя изнашиваются трущиеся части вала, а в наиболее опасных зонах накапливаются усталостные повреждения, в результате чего происходит снижение его прочности и, в частности, сопротивления усталостным нагружениям [1].

Выбор способа восстановления зависит от конструктивно-технологических особенностей и от условий работы детали, ее износа, долговечности отремонтированной детали, от стоимости восстановления.

Выбор процесса восстановления существенно зависит от вида дефекта и причин его возникновения [2].

Основными критериями при выборе способа восстановления являются следующие:

• применяемость,
• долговечность,
• технико-экономическая обоснованность.

Шлифование под ремонтный размер – один из наиболее часто применяемых способов восстановления работоспособности коленчатых валов. Шлифование под ремонтный размер выполняют в одну операцию. Ремонтные размеры определяются размерами вкладышей, выпускаемых промышленностью. Одноименные шейки (шатунные или коренные) шлифуют на один размер. Приступать к шлифованию необходимо после устранения всех дефектов. Сначала шлифуют коренные шейки и другие поверхности, находящиеся на одной с ними оси, а затем шатунные шейки.

Шлифование шатунных шеек выполняют, закрепляя крайние коренные шейки коленчатого вала в патронах центросместителей шлифовального станка, предварительно устанавливаемых на требуемый радиус кривошипа, что обеспечивает погрешность базирования не более 0,03 мм [3, 4].

Восстановление шеек электродуговой металлизацией – преимуществом способа электродуговой металлизацией является малое термическое воздействие (60…80 ºС) на деталь, однако коленчатые валы, восстановленные таким методом, плохо противостоят циклическим нагрузкам. Технологический процесс восстановления изношенных шеек коленчатых валов включает в себя следующие операции [5]:

1. Очистка вала от загрязнений и гидроочистка масляных каналов.
2. Выявление трещин методом магнитной дефектоскопии с использованием магнитного порошка.
3. Предварительное шлифование шеек с целью устранения задиров, искажений геометрии, снятие фасок 1х45º с острых кромок масляных каналов. Установка в масляные каналы пробок из термостойкой резины.
4. Струйно-абразивная обработка шеек вала корундовым порошком для повышения прочности сцепления металлизационного покрытия.
5. Нанесение на поверхности, не подлежащие восстановлению, силикатного клея.
6. Металлизация.
7. Удаление защитного слоя с поверхности, не подвергающейся металлизации в дробеструйной камере.
8. Удаление пробок из масляных каналов.
9. Шлифование шеек.
10. Продувка масляных каналов сжатым воздухом.
11. Полирование шеек.
12. Суперфинишная обработка шеек.

Наплавка под слоем флюса – предельно изношенные шейки коленчатых валов восстанавливают проволокой Нп-30ХГСА диаметром 1,6 мм под слоем легирующего флюса АН-348А (2,5 части графита, 2 части феррохрома № 6 и 0,25 частей жидкого стекла), наплавляя только цилиндрическую часть шеек, галтели.

Перед наплавкой необходимо подогреть шейки до 200…250 ºС, а при наплавке легированными проволоками под флюсом необходимо применять термообработку. Так как коленчатые валы правят по коренным шейкам, сначала наплавляют шатунные шейки. При наплавке шеек вала отверстия масленых каналов для предохранения их от заплавки замазывают специальной пастой, содержащей графит (85 %) и жидкое стекло [5, 6].

Наплавка под слоем легирующего флюса получила наибольшее распространение в ремонтной практике. Износостойкость коленчатых валов, восстановленных этим методом, не уступает износостойкости шеек новых деталей.

Однако способ электродуговой наплавки под слоем флюса снижает усталостную прочность восстановленных коленчатых валов на 30…50 %.

Плазменная наплавка – сущность этого способа заключается в нанесении металлопокрытий с использованием плазменной струи в качестве источника тепловой энергии.

Наплавку порошковыми металлическими материалами осуществляют плазмотронами, в которых предусмотрены три отдельных газовых потока: плазмообразующие, транспортирующие и защитный (рабочий газ – аргон). В качестве наплавочного материала для плазменной наплавки рекомендуется порошковый сплав ПГСРЗ или ПГСР4 грануляцией 200…600 мкм и проволока Св-08Г2С или 15ГСТЮЦА (для чугунных валов).

Просеянный на виброситах порошок должен быть предварительно просушен в течение часа при температуре 200 ºС в сушильном шкафу.

При плазменной наплавке основной металл коленчатого вала при восстановлении шеек испытывает меньшие термические воздействия, сам вал не деформируется и обладает достаточной износостойкостью и усталостной прочностью [5, 7].

Установка дополнительной ремонтной детали – технология восстановления коленчатых валов приваркой стальных закаленных полуколец предусматривает:

• предварительную шлифовку шеек;
• подготовку, закалку и механическую обработку полуколец;
• постановку и приварку полуколец;
• шлифование и полирование шеек.

Предлагаемая технология обеспечивает высокую несущую способность, прирабатываемость, задиростойкость и сопротивление усталости коленчатых валов.

Недостатком данной технологии является плохое прилегание полуколец к шейкам вала, в связи с их жесткостью.

Приварка стальной ленты – включает следующие операции: подготовку деталей и ленты, приварку ленты, обработку деталей после приварки к ней ленты.

Подготовка заключается в правке центровых фасок центровочной зенковкой или резцом на токарном станке и шлифовании на круглошлифовальном станке шеек валов до диаметра не менее номинального на 0,3...0,5 мм. Шероховатость обработанной поверхности должна быть не ниже Ra 1,25…0,63 мкм. Заготовки для приварки нарезают из ленты толщиной 0,3...1,0 мм, ширина их должна быть равна ширине восстанавливаемого участка, а длина – его периметру. Зазор в месте стыка ленты более 0,5 мм не допускается. Материал ленты подбирают с учетом твердости, которую необходимо получить на восстановленном участке детали. Поверхность ленты должна быть очищена от следов коррозии, грязи, масляной пленки [8].

Ленту приваривают в два приема: сначала ее «прихватывают», а затем приваривают окончательно. Предварительно устанавливают требуемый режим приварки (скорость вращения детали, подачу сварочных клещей, усилие сжатия электродов, силу сварочного тока, продолжительность сварки и паузы). Затем деталь закрепляют в патроне установки и подводят электроды к ее поверхности в средней части восстанавливаемого участка. Включив привод вращения детали, подают/ленту из механизма подачи под нижний электрод. В момент касания электрода и ленты включают кнопку «Сварка» и «прихватывают» ее коротким швом к поверхности детали, без подачи сварочных клещей.

Окончательно приваривают ленту, включив подачу сварочных клещей. Усилие сжатия сварочных электродов должно быть 1300…1500 Н, диаметр сварочных роликов 160 мм, ширина их рабочей части 5 мм. Расход охлаждающей жидкости составляет 1,6 л/мин. Приваренный слой металла обрабатывают шлифованием.

Износостойкость восстановленных поверхностей валов приваркой стальной ленты соответствует износостойкости новых. Преимуществами восстановления деталей контактной приваркой стальной ленты являются: не отсутствие деформации в результате незначительного нагрева, регулирование твердости восстанавливаемых деталей без применения термической обработки путем подбора материала ленты, снижение расхода наплавочных материалов в два-три раза, уменьшение трудоемкости процесса и повышение культуры производства по сравнению с электродуговой наплавкой [9, 10].

Основная причина, вызывающая потребность в восстановлении шеек коленчатых валов – это их аварийный износ или выработка валом установленного ресурса.

Но, несмотря на большое многообразие способов нанесения металлопокрытий на изношенные шейки коленчатого вала, проблема их восстановления, особенно в условиях мелкосерийного ремонтного производства, остается актуальной.

Значительного повышения износостойкости и долговечности коленчатых валов, экономии металла и снижения трудозатрат можно достичь применением приварки стальных полуколец, обеспечивающей высокую прочность сцепления колец с основной поверхностью и минимальный припуск на механическую обработку.

Список литературы

1. Технология ремонта машин : учебник для вузов / В. С. Новиков, Н. А. Очковский, В. М. Корнеев и др. М. : КолосС, 2007. 447 с.
2. Подготовка поверхностей деталей для нанесения упрочняющих покрытий / И. Н. Кравченко, Ю. В. Катаев, В. А. Сиротов, Я. В. Тарлаков // Сельский механизатор. 2017. № 8, С. 36-38.
3. Управление формой поршневых колец ДВС при плазменном напылении / И. Н. Кравченко, А. Ф. Пузряков, Ю. В. Катаев, Т. А. Чеха // Труды ГОСНИТИ. 2017. Том 126. С. 196-203.
4. Оценка остаточных напряжений и прочности покрытий повышенной толщины при послойном их формировании / И. Н. Кравченко, О. В. Закарчевский, Ю. В. Катаев, А. А. Коломейченко // Труды ГОСНИТИ. 2017. Том 127. С. 171-175.
5. Кравченко И.Н. Применение плазменно-напыленных ферроокислов для поршневых колец автотракторных двигателей / И. Н. Кравченко, А. А. Пузряков, Ю. В. Катаев, И. Е. Пупавцев, Д. Г. Гречко // Труды ГОСНИТИ. 2016. Том 122. С. 188-193.
6. Малыха Е. Ф., Катаев Ю. В. Тенденции развития инженерно-технической системы агропромышленного комплекса Российской Федерации // Наука без границ. 2017. № 7 (12). С. 21-25.
7. Конкин Ю. А., Малыха Е. Ф. Методические подходы к оценке износа и остаточной стоимости машин // Международный технико-экономический журнал. 2011. № 2. С. 5-12.
8. Корнеев В. М., Катаев Ю. В., Вялых Д. Г. Обеспечение работоспособности техники в гарантийный период эксплуатации // Сельский механизатор. 2017. № 4. С. 39-40.
9. Технический сервис как основная составляющая инженерно-технического обеспечения агропромышленного комплекса / А. С. Дорохов, В. М. Корнеев, Ю. В. Катаев, Д. Г. Вялых и др. // Управление рисками в АПК. 2016. № 4. С. 46-57.
10. Катаев Ю. В., Малыха Е. Ф. К вопросу технической оснащенности агропромышленного комплекса Российской Федерации сельскохозяйственной техникой // Труды VI Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной году экологии в России «Перспективы развития науки и образования в современных экологических условиях». Соленое Займище : ФГБНУ «ПНИИАЗ», 2017. С. 666-676.

 

Материал поступил в редакцию 20.12.2017
© Степанов М. В., Трушина Л. Н., 2018