CC BY
27
УДК 621822 А. А. шАрГАЁВ
н. г. макаренко
с. А. МАМЕй
е. н. шитаков
Омский автобронетанковый инженерный институт, г. Омск
Тюменское высшее военно-инженерное командное училище, г. Тюмень
Войсковая часть 72154, г. Юрга
методика повышения долговечности опор качения двигателя внутреннего сгорания электрохимикомеханической обработкой
В статье предложена методика повышения долговечности опор качения электрохимикомеханической обработкой с бесконтактным электрическим компонентом. Анализ надежности опор качения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) показал, что при наработке 75—80 % ресурса радиальный зазор в сопряжении ролик—опора превышает допустимые значения, в результате чего снижается долговечность двигателя. Цель работы — увеличение ресурса опор качения путем нанесения защитных покрытий на рабочие поверхности, которое позволяет уменьшить зазор в сопряжении ролик—опора. Выполнена обработка подшипников качения, представлены результаты, подтверждающие увеличение ресурса. Данная методика может быть использована для повышения долговечности подшипников качения в ДВС.
Ключевые слова: методика, надежность, двигатель внутреннего сгорания, подшипник качения (ПК), износ, электрохимикомеханическая обработка (ЭХМО).
Транспортные средства специального назначения (ТССН) являются наиболее массовым видом техники Сухопутных войск и в силу своей универсальности определяют боевой потенциал Вооруженных сил страны. В настоящее время накоплен большой опыт эксплуатации данных образцов их узлов и агрегатов, который позволяет выполнять доработки и модернизацию ресурсоопределяющих деталей, главным образом — подшипников коленчатого вала ДВС. Подшипники коленчатого вала значительным образом определяют надежность всего двигателя.
Анализ эксплуатации ТССН показывает, что основная нагрузка на технику приходится, как правило, весной и осенью в сезонную распутицу. Данная техника используется, как правило, 10 месяцев в году, за исключением 2-х месяцев подготовительного периода и времени на сезонное обслуживание.
Проведенные исследования ТССН позволяют выявить, что наибольшее количество отказов приходится на двигатель. Отказы двигателя могут возникать из-за отказа обслуживающих его систем или нарушения условий эксплуатации, несовершенства конструкции и различных видов изнашивания. Изнашивание происходит в основном в период обкатки (приработки) дизеля, пуска — остановки,
в холодное время года, при обводнении, загрязнении абразивом смазки, а также окислительного изнашивания, которое возникает при взаимодействии картерных газов со смазкой и топливом и ряда других причин. Износ поверхностей подшипников коленчатого вала оказывает решающее влияние на долговечность двигателя [1, 2].
На ТССН широко применяется дизельный двигатель, УТД-20, конструктивной особенностью которого является установка коленчатого вала на роликовых подшипниках качения (рис. 1) [3].
Коленчатый вал 4 изготавливается из высококачественной легированной стали 18Х2Н4МА-Ш методом горячей штамповки. Так как коленчатый вал сопряжен с подшипниками качения, твердость, точность и расчетные нагрузки коренных шеек коленчатого вала, которые являются дорожками качения, должны быть такими же, как и у подшипниковых колец. Согласно требованиям ГОСТ 5377 — 79, твердость дорожки качения вала должна быть в пределах 59 — 65 ИЯС, параметр шероховатости Яа дорожки качения вала должен быть не более 0,32 мкм.
В качестве опор шеек коленчатого вала применяют подшипники качения двух типов 292228МТ, 30-92224ЛМТ, 6-го класса точности производства
Рис. 1. коленчатый вал:
1 — вал уравновешивающего механизма; 2 — противовес коленчатого вала; 3 — коленчатый вал; 4 — стакан упорного роликоподшипника; 5 — упорный роликоподшипник; 6 — роликоподшипник; 9 — шестерня привода; 10 — кольца стопорные
ОАО «ЕПК Самара». Материал для изготовления подшипников качения — сталь ШХ15 [4].
Основными видами изнашивания опор качения в двигателе УТД-20 является: абразивное, усталостное, окислительное и др. [1, 2].
Работа опор качения в кривошипно-шатунном механизме данного двигателя характеризуется большими динамическими нагрузками 12—14 МПа, при высоких частотах вращения 700 — 2800 мин-1, в условиях граничной или смешанной смазок и присутствии механических примесей в моторном масле. При воздействии данных факторов на сопряженные поверхности опор качения происходит деформирование и пластические сдвиги поверхностного слоя, которые приводят к изменению его триботехнических свойств и образованию частиц износа. Вследствие изменения структуры поверхностного слоя подшипников его механические свойства, микротвердость, шероховатость, и др. изменяются, что приводит к увеличению радиального зазора в сопряжении ролик-опора. При увеличении зазоров в сопряжении подшипников качения выше допустимых на высоких частотах вращения коленчатого вала возникают ударные нагрузки, которые могут привести к разрушению деталей двигателя, его дорогостоящему ремонту и простоям машин. Предельно допустимый зазор в сопряжении ролик — опора не более 0,2 мм.
Проведенные исследования ТССН в сложных условиях эксплуатации показали, что при наработке двигателей 75 — 80 % ресурса до капитального ремонта радиальный зазор в сопряжении ролик — опора коленчатого вала составляет 0,22 — 0,24 мм, что превышает допустимые требования и снижает долговечность ДВС. Повышение износной долговечности опор качения коленчатого вала путем нанесения защитных покрытий на рабочие поверхности позволит уменьшить зазор в сопряжении ролик — опора снизить нагрузки и увеличить ресурс.
Анализ методов повышения долговечности показал, что традиционные методы повышения безотказности работы подшипников качения сводятся к разработке новых конструкционных материалов,
процессов их термообработки, к оптимизации конструктивных форм деталей, к выбору числа тел качения, конструкции сепараторов, величины посадок, к снижению волнистости и шероховатости контактирующих поверхностей, а также разнораз-мерности тел качения, использованию эффективных смазочных материалов, различных способов разгрузки подшипников, способов уплотнения и т.п.
Наиболее прогрессивными являются методы, в которых совмещены несколько способов, позволяющие повысить эффективность процесса механического взаимодействия трущихся поверхностей за счет воздействия электрической, химической и других энергий. Одним из таких является метод электрохимикомеханической обработки. Преимущества электрохимико-механического воздействия для выравнивания поверхностей сопряженных деталей широко используется в США и Китае [5 — 7]. Применение совмещённых процессов позволяет получать высокоточные профили поверхностей на твердосплавных деталях или там, где требуется высокая точность геометрической формы. Разработке и изучению ЭХМО посвящены работы отечественных и зарубежных ученых (И. А. Кравец, Т. Н. Замота, А. Н. Деркач, Н. Г Макаренко и др.). Ими установлено, что применение ЭХМО эффективно для приработки различных сопряжений деталей машин, для нанесения на трущиеся сопряжения пластичных металлов с целью упрочнения, компенсации износа и реализации избирательного переноса.
Принцип предлагаемой обработки заключается в следующем: деталь или подшипник качения, имеющий перемещение относительно инструмента — анода, подключена к «минусу» источника постоянного тока, а инструмент — анод — к «плюсу». Во время обработки в зону трения подается ионо-образующая жидкость (ИОЖ)-электролит, содержащая необходимые компоненты, и обеспечивается необходимое усилие контакта анода и детали или усилия на подшипнике (рис. 2).
Наиболее важными факторами, оказывающими влияние на качество обработки поверхности, явля-
о
го >
1 2 3 4 5 6 7 3 9
Рис. 3. схема устройства для электрохимикомеханической обработки подшипника качения: 1 — токарно-винторезный станок; 2 — трехкулачковый патрон; 3 — нагрузочный вал устройства; 4 — манжета; 5 — корпус устройства; 6 — испытываемый подшипник качения — образец; 7 — крышка устройства; 8 — шпиндель задней бабки; 9 — задняя бабка; 10 — сменный анод; 11 — резцодержатель; 12 — пружинящая державка; 13, 14 — трубопроводы подачи электролита (РЖ); 15 — бак с насосом для подачи электролита; 16 — источник постоянного тока
ются состояние детали для обработки, геометрическая характеристика поверхности; материал анода, усилие на подшипнике, состав ИОЖ, плотность тока, время обработки.
Основу процесса составляет электрохимическое растворение металла анода и осаждение ионов на поверхности детали с одновременным механическим воздействием на обрабатываемую поверхность, в результате чего микронеровности заполняются материалом анода и компонентами рабочей жидкости, повышающими триботехнические показатели детали.
Для проведения электрохимикомеханической обработки с бесконтактным электрическим компонентом подшипников качения в лабораторных условиях была разработана методика и изготовлено экспериментальное устройство.
Электрохимикомеханическая обработка с бесконтактным электрическим компонентом подшипников качения проводилась на дооборудованном токарно-винторезном станка ИТ-1М. Устройство
(рис. 3) состоит из корпуса 5, крышки 7, нагрузочного вала 3, испытываемого подшипника (радиального подшипника качения) — образца 6, станка 1, патрона 2, трубопроводов 13, 14, подачи электролита, сменного анода 10, источника постоянного тока 16, бака с насосом для подачи электролита 15, пружинящей державки 12, шпинделя и задней бабки 8, 9. На установке обрабатываются поверхности дорожек качения подшипника — образца 6, наружное кольцо которого запрессовано в корпус устройства 5, а внутреннее кольцо запрессовано на нагрузочный вал 3 устройства.
Радиальную нагрузку подшипнику 6 через корпус 5 устанавливают пружинящей державкой 12 суппортом поперечной подачи станка. Бак с насосом 15 прокачивает электролит (РЖ) по трубопроводам 13, 14, через полости устройства. Анод 10 через изолятор болтом с гайкой закреплен в крышке 7 устройства. Источник тока 16 подключен минусом к корпусу устройства, а плюсом — через болт с гайкой к аноду 10.
Рис. 4. Шлиф поверхностного слоя образцов, обработанных ЭХМО (анод — медь), увеличение слева х50, справа х200
02 0.4 0.6 0.S
~Т7ШШТТГТПТГй
Parameters calculated on the profile Shlif_13-07-
17 > ... > Form removed : Polynomial of order 15
* Parameters calculated by mean of all the
sampling lengthes.
* A microroughness filtering is used, with a
cutof£ of 2.5 pm.
Roughness parameters, Gaussian filter, 0.8 mm
Ra = 0.119 1
Rq = 0.1S2 1
Rp = 0.449 pm
Rv = 0.388 pm
Rt = 0.994 pm
Rsk = -0.136
Rku = 3.39
Rz = 0.837 pa
RTp (1 pm under the highest
peak)
RHTp = 0.243 pm (204-80%)
Рис. 5. Профилографирование поверхностного слоя образцов, обработанных ЭХМО (анод — медь)
Перед работой на установке проводят тарировку нагрузки, которую прикладывают к устройству 5 с помощью динамометра ДОСМ-3-0,2. Для этого динамометр устанавливают между устройством 5 и пружинящей державкой 12. Нагрузку на динамометр устанавливают рукояткой поперечного перемещения суппорта станка. После этого строят тари-ровочные графики.
Аноды 10, которые устанавливались в крышке устройства 7 (рис. 3), изготавливались из различных материалов, таких как цинк, медь, олово.
В качестве объекта исследований был выбран радиальный однорядный с короткими цилиндрическими роликами подшипник № 30-92224ЛМТ по ГОСТ 8328-75.
Методика электрохимикомеханической обработки подшипников качения — образцов с бесконтактным электрическим компонентом включает следующие операции (рис. 3): 1) подшипник качения — образец 6, напрессовать нагрузочный вал 3 и в корпус 5; 2) установить анод 10 в крышку устройства 7; 3) установить и прикрутить крышку 7 на корпус устройства 5; 4) установить устройство 5 на станину станка, нагрузочный вал 3 зажать в патроне 2, а шпиндель 8 задней бабки 9 упереть
в крышку устройства 7 и зафиксировать, подключить провода источника питания 16 к корпусу и аноду 10; 5) подключить трубопроводы 13,14 к устройству 5; 6) включить насос подачи электролита 15 и установить расчетную радиальную нагрузку; 7) включить привод станка и источником питания 16 установить расчетный ток в цепи анода 10; 8) выдержать необходимую расчетную продолжительность обработки; 9) перед окончанием обработки отключить источник тока 16, привод станка и насос подачи электролита 15; 10) снять радиальную нагрузку, создаваемую пружинящей державкой 12; 11) отключить провода питания, трубопроводы 13, 14, снять устройство 5 и слить электролит (РЖ); 12) разобрать устройство 5, снять крышку 7, снять обработанный подшипник качения — образец 6.
Технологические параметры электрохимикоме-ханической обработки с бесконтактным электрическим компонентом: материал анода — медь; рабочая жидкость — ПГВ, с добавлением присадки в виде серпентина дисперсностью 10-40 мкм концентрацией 20 г/л, ток в цепи — 0,5-1 А, г — 60-80 °С,
1 ' 1 ' ' иож '
частота вращения — 500 об/мин, радиальная нагрузка — 250 Н. Время обработки 2,5 часа.
о
го >
Рис. 6. Оже-спектрометрия поверхностного слоя образцов, обработанных ЭХМО (анод — медь)
Нагрузку и частоту вращения устанавливают согласно ориентировочным расчетным параметрам статической грузоподъемности и предельной частоты вращения п мин-1 на жидком смазочном материале, подшипников качения из справочника [8]. Нагрузка может составлять Р = С0(0,05...0,8), частота вращения п = (0,01...0,07)п , время обработки составляет 2 — 4 часа в зависимости от размера и типа подшипника.
Оценка ресурса и свойств, обработанных и серийных подшипников, проводилась следующими диагностическими методами: анализа спектра огибающей сигнала виброускорения; трехмерной бесконтактной профилометрии; оже-спектрометрии.
Вибродиагностирование групп подшипников проводили на стенде вибрационного контроля подшипников качения СВК-А. Результаты вибродиагностирования представлены в работе [9]. Трехмерную бесконтактную профилометрию образцов выполняли прибором «МГСЯОМЕАБиКЕ 3Б81аИоп». Оже-спектрометрию образцов выполняли прибором «Шхуна-2».
Для исследования геометрических характеристик покрытия на образце в обработанной поверхности качения выполнялся сферический шлиф, изображение которого представлено на рис. 4.
Проведенные исследования на профилографе подтверждают улучшение шероховатости поверхностного слоя с исходного Яа = 0,32 до полученного в результате обработки Яа = 0,12, а также позволил получить результаты геометрических характеристик нанесенного антифрикционного слоя, толщина которого от 4 до 5 мкм. Результаты представлены на рис. 5.
В результате проведенного анализа оже-спек-трометрии было установлено, что глубина диффузии меди составила 4 — 5 мкм, а концентрация на глубине от 2 до 5 мкм составляет 25 — 30 %. Результаты оже-спектрометрии представлены на рис. 6.
Разработанная методика и устройство электро-химикомеханической обработки с бесконтактным электрическим компонентом обеспечивает насыщение медью поверхностного слоя подшипника, позволяет реализовать избирательный перенос, который уменьшает момент трения, температуру трения, компенсирует износ, повышает износостойкость и увеличивает ресурс.
Библиографический список
1. Исаков П. П. Теория и конструкция танка. М.: Машиностроение, 1985. 267 с.
2. Буров С. С. Конструкция и расчет танков. М.: Академия БТ войск, 1973. 602 с.
3. Боевая машина пехоты БМП-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. В 2 ч. М.: Военное издательство, 1988. Ч. 2. 325 с.
4. ГОСТ 520 — 2011. Подшипники качения. Общие технические условия. Введ. 2012 — 07 — 01. М.: Стандартинформ, 2012. 65 с.
5. Макаренко Н. Г. Электрохимическое упрочнение и восстановление деталей трибосистем. Омск: Омск. науч. вестник,
2004. 248 с. ISBN 5-8149-0201-9.
6. Brown A. S. Flat, Cheap, and Under Control [Electrochemical Mechanical Planarization] // IEEE Spectrum. Vol. 42, Issue 1.
2005. P. 40-45. DOI: 10.1109/MSPEC.2005.1377874.
7. Wu Yu.-F., Tsai T.-H. Effect of Organic Acids on Copper Chemical Mechanical Polishing // Microelectronic Engineering. 2007. P. 1-9. DOI: 10.1016/j.mee.2007.01.123.
8. Череменский О. Н., Федотов Н. Н. Подшипники качения: справ.-каталог. М.: Машиностроение, 2003. 576 с.
9. Шаргаёв А. А., Макаренко Н. Г. Электрохимикомехани-ческое упрочнение дорожек качения подшипника // Омский научный вестник. 2017. № 1 (151). С. 40-44.
ШАРГАЁВ Алексей Александрович, адъюнкт кафедры эксплуатации (бронетанковой и автомобильной техники) Омского автобронетанкового инженерного института.
МАКАРЕНКО Николай Григорьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры эксплуатации (бронетанковой и автомобильной техники) Омского автобронетанкового инженерного института.
МАМЕй Сергей Александрович, начальник службы отдела материально-технического обеспечения Тюменского высшего военно-инженерного командного училища.
ШИТАКОВ Евгений Николаевич, начальник оперативного отдела войсковой части 72154, г. Юрга. Адрес для переписки: al.shargaev@mail.ru
Статья поступила в редакцию 06.11.2017 г. © А. А. Шаргаёв, Н. Г. Макаренко, С. А. Мамей, Е. Н. Шитаков
