CC BY
22
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 629.113.004.67
А.С. Денисов, Р.К. Галиев, А.Т. Кулаков
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АЗОТИРОВАННЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ
Аннотация. Для высокофорсированных дизелей КАМАЗ необходимо повышать усталостную прочность и износостойкость шеек коленчатого вала. Рассматривается применение объемного азотирования коленчатых валов из стали 42ХМФА. Представлены результаты исследований микротвердости коленчатых валов разных видов поверхностного упрочнения. Обоснованы основные направления повышения качества коленчатого вала. Обоснована необходимость внедрения и использования разработанных способов стабилизации геометрических параметров шатунных вкладышей с целью повышения ремонтопригодности коленчатых валов и продления ресурса двигателей.
Ключевые слова: коленчатый вал, усталостная прочность, сталь, азотирование, ресурс, долговечность
A.S. Denisov, R.K. Galiev, A.T. Kulakov PERFORMANCE ANALYSIS OF NITRIDED CRANKSHAFTS
Abstract. Increasing fatigue strength and wear resistance of crankshaft necks for highly accelerated KAMAZ diesel engines is of critical importance. The focus is made on volumetric nitrid-ing of crankshafts made of 42XMFA steel. The research results relating microhardness of crankshafts with various types of surface hardening are presented. The main directions for improving the crankshaft quality are substantiated. The need for introduction and application of the method developed to change the geometries of connecting rods with the purpose to increase the maintainability of crankshafts and extend the service life of engines has been proved.
Keywords: crankshaft, fatigue strength, steel, nitriding, service life, durability
ВВЕДЕНИЕ
Применяемая на двигателях КАМАЗ-740 для коленчатых валов (КВ) сталь 42ХМФА разработана для изготовления азотированных коленчатых валов. Однако на КАМАЗе при массовом производстве двигателей предпочтение было отдано упрочнению коленчатых валов индукционной закалкой. Индукционная закалка имеет ряд преимуществ: в производстве - простота и высокая производительность; в эксплуатации - хорошая ремонтопригодность. Однако для высокофорсированных дизелей КАМАЗ необходимо значительно повысить усталостную прочность и износостойкость шеек коленчатого вала. Этим требованиям отвечает применение объемного азотирования коленчатых валов из стали 42ХМФА.
Наиболее распространенным методом поверхностного пластического деформирования коленчатых валов является химико-термический (азотирование), обеспечивающий повышение износостойкости и предела выносливости. Физические основы азотирования - процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев шеек вала азотом. На рис. 1 показаны результаты исследований микротвердости коленчатых валов разных видов поверхностного упрочнения. В статье использованы результаты исследований ОАО «КАМАЗ» и ОАО «НИИТавтопром» [1, 2].
НУ_
800
600
453
400
200
0 0,5 1,0 1,5 к, мм
Рис. 9. Зависимость микротвердости от глубины упрочненного слоя: 1 - закалка ТВЧ; 2 - ионное азотирование, сердцевина 248 НВ 10/3000; 3 - карбонитрирование, сердцевина 255 НВ 5/750/10; 4 - карбонитрирование, сердцевина 341 НВ 5/750/10; 5 - комбинированное упрочнение (ТВЧ +отпуск при t = 600 ±10°С 4 часа + ионное азотирование), сердцевина 241 НВ 5/750/10
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Существует три принципиально разных способа азотирования коленчатых валов: газовое в аммиаке, ионное (в тлеющем разряде) и азотирование в жидких средах.
Замеры микротвердости выполнены по И¥0,3 по сечениям, перпендикулярным к исследуемым поверхностям. С точки зрения обеспечения ремонтопригодности минимальная допустимая твердость поверхности равна 453 И¥0,3 (45 ИКС). Это подтверждено испытаниями на надежность в объеме 1000 часов дизеля КАМАЗ-740.11-240 [1, 2].
Ионное азотирование имеет наименьшую глубину обработки. Коленчатые валы, подвергнутые ионному азотированию, могут быть восстановлены перешлифовыванием на категорию ремонтного размера 0,5 при естественном износе в эксплуатации. При задире пере-шлифовывание через ремонтный размер приводит к значительному снижению твердости (сырой металл).
Каталитическое азотирование (карбонитрирование) с твердостью сердцевины 255 НВ 5/750/10 обеспечивает минимально допустимую микротвердость на глубине около 0,4 мм, что выше, чем для ионного азотирования. Восстановление коленчатых валов в этом случае возможно на категории ремонтного размера 0,5^1 как при естественном износе, так и при задире вкладышей в эксплуатации.
Повышение твердости сердцевины до 341 НВ 5/750/10 увеличивает категорию ремонтного размера до 1,5. Наилучшие результаты по критерию ремонтопригодности обеспечивает комбинированное упрочнение (индукционная закалка + стабилизирующий отпуск при температуре 600^10°С в течение 4 часов + ионное азотирование) с твердостью сердцевины 241 НВ5/750/10. Перешлифовка допускается на категории ремонтного размера 0,5^3.
Коленчатые валы с радиусом кривошипа R65 и R60 подвергались ионному азотированию шеек. При этом твердость сердцевины равнялась НВ 321. Анализ выявил, что применение азотирования шеек для вала R60 увеличивает предел выносливости на 11%. Для вала с радиусом кривошипа R65 без грязеуловителей предел выносливости на кручение повышается на 21%. Запас прочности шатунной шейки на кручение для высоко форсированного дизеля КамАЗ-740.50-360 равен пкр = 3,9 [3].
Таким образом, основными направлениями повышения качества коленчатого вала является: выбор химического состава металла и способа его получения; вид и качество химико-термической обработки; снижение концентраций напряжений за счет улучшения механической обработки и конструкции элементов (галтели, масляные каналы); совершенствование методов усталостных испытаний; обеспечение ремонтопригодности в течение всего эксплуатационно-ремонтного цикла. Усталостные испытания коленчатого вала позволили обосновать и ввести ремонтные размеры Р6 и Р7.
Проведенные исследования [1] показывают, что отказ по задиру шеек коленчатого вала наступает задолго до выработки ресурса базовых деталей двигателя КАМАЗ-740 и в капитальный ремонт отправляются двигатели с невыработанным ресурсом даже по шейкам коленчатого вала. По данным [2] минимальный ресурс двигателя КАМАЗ -740, определенный в результате наблюдения в эксплуатационных условиях, составляет 223 тыс. км (до перешлифовывания шеек коленчатого вала, фактически определяющего необходимость выполнения капитального ремонта). Это значительно выше наработки двигателей, отправляемых в ремонт, - 125-153 тыс. км [2], 25% которых - из-за проворачивания шатунных вкладышей.
Относительно низкие наработки двигателей КАМАЗ-740 до отправки в ремонт вызваны устоявшейся системой эксплуатации и ремонтов в условиях АТП до предельного состояния. В силу указанных причин при назначенном заводом-изготовителем ресурсе (равном 300 тыс. км до капитального ремонта, а для 3-й категории условий эксплуатации составляющем 240 тыс. км), двигатель за указанный период (240 тыс. км) проходит фактически два ка-
питальных ремонта. Это приводит к дополнительным затратам на запасные части, а также к утрате остаточного ресурса базовых частей. Двигателям, которые выходят из строя по причине проворачивания шатунных вкладышей и задира шеек коленчатого вала (КВ), можно продлить срок эксплуатации до назначенного ресурса (240 тыс. км) за счет замены вкладышей с рекомендуемыми условиями монтажа или с предохранительными элементами и исключить практически один промежуточный капитальный ремонт. Дополнительный экономический эффект может быть получен от снижения простоев автомобиля из-за ремонта двигателей, повышения производительности автомобилей, снижения затрат на транспортировку двигателей на ремонтные заводы, уменьшения дорожных отказов автомобилей по техническим причинам.
Используя обоснованную наработку до замены вкладышей (предупредительный ремонт) и рекомендованную в работе [3] структуру эксплуатационно -ремонтного цикла двигателей КамАЗ-740 в третьей категории условий эксплуатации, в которой вторичный ресурс двигателей составляет в среднем 80 тыс. км, рассмотрим потребность на 100 автомобилей в год в коленчатых валах из-за их неремонтопригодности. При этом учтем, что при предупредительном ремонте (ПР) согласно [3] неремонтопригодными являются 5 % КВ, а при капитальном ремонте (КР) в соответствии с анализом дефектов КВ, приведенным в работе [3], - 16%. Из этого количества неремонтопригодных КВ по причине задира шеек (проворачивания вкладышей) при ПР - 1%, а при КР - 6%. Результаты расчетов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Расход КВ по наработке двигателей КамАЗ-740 из-за неремонтопригодности по четырем ремонтным размерам
Наработка, тыс. км Вид ремонта Номер Замена КВ, % Затраты, тыс. руб. Затраты суммарные,
рем. раз- всего по задиру всего по задиру тыс. руб.
мера КВ всего по задиру
120 ПР 0 5 1 3,5 0,7 3,5 0,7
200 КР 1 16 6 11,2 4,2 14,7 4,9
280 ПР 1 5 1 3,5 0,7 18,2 5,6
360 КР 2 16 6 11,2 4,2 29,4 9,8
440 ПР 2 5 1 3,5 0,7 32,9 10,5
520 КР 3 16 6 11,2 4,2 44,1 14,7
600 ПР 3 5 1 3,5 0,7 47,6 15,4
680 КР 4 16 6 11,2 4,2 58,8 19,6
760 ПР 4 5 1 3,5 0,7 62,3 20,3
840 СП - - - - - 62,3 20,3
Примечание: СП - списание; суммарные затраты - затраты нарастающим итогом.
В данных расчетах не учтено то, что при шлифовании КВ на ремонтный размер бывают случаи шлифования через ремонтный размер (перескок), особенно при задирах. Стоимость КВ принята согласно прейскуранту 70 тыс. рублей.
Как сказано ранее, одним из емких показателей ремонтопригодности является объединенная удельная оперативная стоимость технических обслуживаний и ремонтов. Повыше-
ние ремонтопригодности КВ происходит за счет сокращения их выбраковки по причине задира шеек. Поэтому рассмотрим только часть этого показателя, связанную с выбраковкой КВ, в том числе и по задирам.
Удельные затраты, связанные с общей выбраковкой КВ к концу его ресурс, составляют С=(Спр + Скр)Л = 62,3/840 = 0,074 руб./км.
Поскольку при рекомендуемой по результатам исследования [ 1] наработке до ремонта подшипников КВ вероятность отказа (проворачивания вкладышей, задира шеек) составляет 0,05, то снижение удельных затрат составит
ДС= 20,3 • 0,95/840 = 0,023 руб./км.
Относительное снижение удельных затрат из-за сокращения задиров составляет 31% (табл. 2).
Таблица 2
Удельные затраты из-за сокращения задиров шеек КВ
Наработка, тыс. км Вид ремонта № рем. размера КВ Замена КВ, % Затраты, тыс. руб. Затраты суммарные, тыс. руб.
145 ПР 0 5 3,5 3,5
270 КР 1 16 11,2 14,7
380 ПР 1 5 3,5 18,2
480 КР 0 100 70 88,2
600 ПР 0 5 3,5 91,7
700 КР 1 16 11,2 102,9
800 ПР 1 5 3,5 106,4
880 СП 1 - - 106,4
В работе [4] обоснована общая структура эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей КАМАЗ-ЕВРО в третьей категории условий эксплуатации следующая: 1 ПТР - 75 тыс. км; 1 ПР - 145 тыс. км; 2 ПТР - 205 тыс. км; КР - 270 тыс. км; 3 ПТР - 330 тыс. км; 2 ПР -380 тыс. км; 4 ПТР - 430 тыс. км; списание (СП) - 480 тыс. км.
Важно отметить, что исследования показали [4], что одним из основных факторов, обеспечивающих максимальную износостойкость трущейся поверхности, является пластичность поверхностной зоны. Однако если на поверхности трения имеется низкая пластичность, образованная при азотировании высокоазотными соединениями, это может привести к развитию усталостных трещин при упругом деформировании и к выкрашиванию поверхностного слоя. Износостойкость азотированного слоя определяется режимом азотирования и химическим составом материала трущейся поверхности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, внедрение и использование разработанных способов стабилизации геометрических параметров шатунных вкладышей позволяет повысить ремонтопригодность КВ и продлить ресурс двигателей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Обеспечение качества коленчатого вала автомобильного дизеля / В.Н. Никишин, А.Т. Кулаков, А.С. Денисов, А.А. Видинеев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. № 4. С. 69-76.
2. Исследование ремонтопригодности коленчатых валов двигателей КамАЗ. Технический отчет НТЦ «КамАЗ». Набережные Челны, 2004. 56 с.
3. Галиев Р.К. Обеспечение ремонтной технологичности азотированных коленчатых валов автомобильных двигателей: дис. ... канд. техн. наук: 05.22.10 / Галиев Рафис Кашфело-вич; [Место защиты: Оренбургский государственный университет]. Оренбург, 2015. 128 с.
4. Марьина Н.Л. Азотирование коленчатых валов дизель-генераторов // Перспективы развития науки (Perspektywy rozwoju nauki): материалы Междунар. науч. конф. Гданьск, 28-30 нояб. 2012 г. Гданьск / Gdansk, 2012. С. 38-42.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Денисов Александр Сергеевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Организация перевозок, безопасность движения и сервис автомобилей» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Aleksandr S. Denisov -
Dr. Sc. Tech., Professor, Department of Transportation, Traffic Safety and Car Service, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Галиев Рафис Кашфелович -
кандидат технических наук,
Rafis K. Galiev -
Ph.D. (Engineering), Director of PAO KAMAZ, Naberezhnye Chelny
директор ЗЗЧиК ПАО «КАМАЗ», г. Набережные Челны
Кулаков Александр Тихонович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой эксплуатации автомобильного транспорта Набережночелнинского института (филиала) Казанского федерального университета
Aleksandr T. Kulakov -
Dr. Sc. Tech., Professor, Head: Department of Motor Vehicles Operation, Naberezhnye Chelny Institute, (branch) of Kazan Federal University
Статья поступила в редакцию 15.06.20, принята к опубликованию 17.08.20
