CC BY
18УДК 62-252.6; 62-252.7
Рожков А.С., кандидат технических наук Калининградского филиала
ФГБОУ ВПО СПбГАУ
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ
Аннотация: статья посвящена энергосберегающей технологии
восстановления коленчатых валов. Автор технологии: д.т.н., профессор Анатолий Алексеевич Зуев.
Ключевые слова: энергосберегающая технология, технология ПРВ, ремонт коленчатого вала.
В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ КОЛЕНЧАТЫЕ ВАЛЫ ИЗНАШИВАЮТСЯ. ЗАВОДАМИ-ИЗГОТОВИТЕЛЯМИ ПРЕДУСМАТРИВАЕТСЯ, ДЛЯ ПРОДЛЕНИЯ СРОКА ЭКСПЛУАТАЦИИ, ПЕРЕШЛИФОВКА ШЕЕК В РЕМОНТНЫЕ РАЗМЕРЫ. НО ПОСЛЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА С ПОСЛЕДНИМ РЕМОНТНЫМ РАЗМЕРОМ ОН ДОЛЖЕН БЫТЬ ВЫБРАКОВАН. В РЯДЕ СЛУЧАЕВ, ПРИ НАРУШЕНИИ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ, НАБЛЮДАЕТСЯ АВАРИЙНЫЙ ИЗНОС ОТДЕЛЬНЫХ ШЕЕК С ИХ ВЫРАЖЕННЫМ ПЕРЕГРЕВОМ. ТАКИЕ ВАЛЫ ТАКЖЕ ВЫБРАКОВЫВАЮТСЯ. ВОССТАНОВИТЬ КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ МОЖНО ТОЛЬКО НАНЕСЕНИЕМ МЕТАЛЛОПОКРЫТИЯ НА ИЗНОШЕННЫЕ ШЕЙКИ.
Разработаны многочисленные способы восстановления шеек коленчатых валов и описаны технологии их использования, однако в практике ремонтных предприятий их применение ограничено из -за существенных недостатков. К ним следует отнести значительное коробление вала, наличие трещин и пор, снижение усталостной прочности, низкую обрабатываемость металлопокрытий, высокие энергетические затраты на нанесение металлических покрытий. Последний недостаток убедительно иллюстрирует диаграмма на рис. 1.
Рис.1. Удельная энергия, затрачиваемая на металлопокрытие условной шейки коленчатого вала при различных способах восстановления:
1 - наплавка под слоем флюса АН-348А проволокой Нп-ЗОХГСА, закалка ТВЧ; 2 - наплавка под слоем флюса АН-348А проволокой Нп-80, графит, феррохром; 3- вибродуговая наплавка в струе воды, проволока ЭП-439; 4 - контактная приварка стальной ленты; 5 - плазменное напыление, 6 - сверхзвуковая электродуговая металлизация (газотермическое напыление); 7 - технология ПРВ с применением полуавтоматической сварки в среде защитного газа.
На кафедре технологии конструкционных материалов СПбГАУ разработан способ восстановления шеек коленчатых валов с применением локальной приварки разрезной ремонтной втулки (технология ПРВ). Принципиальное отличие этой технологии ПРВ состоит в том, что на предварительно обработанную восстанавливаемую шейку коленчатого вала в расчётный размер устанавливают тонкостенную стальную ремонтную втулку, а затем приваривают к шейке с
применением дуговой плазменной или полуавтоматической сварки с плавящимся электродом в среде защитного газа.
Технология ПРВ с применением полуавтоматической приварки разрезной ремонтной втулки реализована на специализированном модульном комплексе (СМК), показанном на рис. 2.
СМК оснащён следующим оборудованием и приборами: универсальным токарным станком «Шкода», дефектоскопом 245 МД и трещиномером 281 М, профилометром Б1-201Р, комплектом измерительных устройств, резцами повышенной жёсткости и установочными технологическими кольцами под люнет.
Рис.2. Общий вид специализированного модульного комплекса (СМК) для восстановления шеек коленчатых валов.
На рис. 3 дана принципиальная схема предлагаемой фиксации ремонтной втулки.
1 я / Г
•
\ /
£V'*>/ **гГТТ ‘ V "* * ЇГ, М~.-г ?п” * • "1Т~У 4V ^ ^^ ^VI*А 'М
*
і.-*-
• г
Ї1 .1 ч
Рис. 3. Схемы реализации технологии ПРВ:
а - установка разрезной ремонтной втулки; б - сварка стыкового шва; в - установка электрозаклёпок; г - сварка кольцевых швов.
1 - шейка коленчатого вала; 2 - разрезная ремонтная втулка;
3, 5, 6 - стыковые сварные швы; 4 - электрозаклёпки; 7 - кольцевые сварные швы.
Качество восстановленной поверхности шейки вала в значительной степени зависит от материала ремонтной втулки и от распределения твёрдости в сварных швах и в зонах термического влияния. На рис. 5 при -ведена эпюра распределения твёрдости в сечении стыкового сварного шва с использованием ремонтной втулки из стали 60С2А при плазменной сварке в
среде аргона присадочной проволокой 12Х18Н9. Термообработанная ремонтная втулка на всей поверхности имеет стабильную твёрдость 52...56 ИЯС, а зона термического влияния в области вторичной закалки 58...62 ИЯС, а в области отпуска - 30 - 50 БЕС.
Использование для ремонтной втулки стали ЗОХГСА, электродной проволоки Нп-ЗОХГСА и полуавтоматической сварки в среде С02 позволило получить более благоприятное распределение твёрдости в сварном стыковом шве и в зонах термического влияния (рис. 6).
Рис. 4. Схема полей припусков и допусков на обработку резанием восстанавливаемой шейки коленчатого вала на специализированном модульном комплексе (СМК):
d5, - соответственно номинальный, расчётный и нарощенный диаметры;
2ерр - припуск на ремонтные размеры; Аизн - износ коленчатого вала на последнем ремонтном размере; 7ост - остаточная толщина ремонтной втулки; 7ітіп, 72тіп,..., 24тіт- соответственно минимальные припуски на обработку
восстанавливаемой шейки точением (черновое и чистовое), шлифованием и полированием; Т^ - допуски на соответствующие диаметры dr, 7Ерр, ZvZpT-соответственно ремонтный, технологический и ремонтно-технологический припуски.
УС>
20
^I
Рис. 5. Эпюра распределения твердости в сечении стыкового шва: і - шейка вала, 2 - сварной стыковой шов, 3 - ремонтная втулка, 4 - зона термического влияния.
Рис. 6. Схема полей твёрдости в зонах стыковых швов при приварке ремонтной втулки ЗОХГСА проволокой Нп-ЗОХГСА:
і - ремонтная втулка, 2 - шейка, 3 - стыковой сварной шов, 4 - поверхность стыкового шва, 5 - зона вторичной закалки, 6 - зона отпуска, 7 - поверхность ремонтной втулки.
Выполненные исследования показали, что при необходимости по техническим требованиям получения твёрдости шейки вала в пределах 55...60 ИЯС следует выбирать материал ремонтной втулки 60С2, а при твёрдости 45...50 ИЯС - материал ЗОХГСА.
Для термообработки целесообразно использовать изотермический способ закалки разрезной ремонтной втулки, который заключается в нагреве ремонтной втулки до заданной температуры закалки (выше точки Ас1) и охлаждением в изотермической среде до 250...27СГС, что несколько превышает температуру мартенситного превращения аустенита. В качестве
закалочной среды был принят соляной раствор состава 50% NN03 и 50% ККо3. Выдержка в этой закалочной среде способствует превращению аустенита в игольчатый троостит. После соответствующей выдержки производится охлаждение на воздухе.
Для обеспечения высокой прилегаемости ремонтной втулки к поверхности восстанавливаемой шейки необходимо шейку обработать по шестому квалитету точности с шероховатостью Яа = 0,4...0,2 мкм. С этой целью производили обработку резанием шеек в расчётный размер ёр. Эта обработка включала черновое и чистовое точение, шлифование и полирование лентами различной зернистости (Р120 и Р320). При образовании поверхности шейки диаметром ёр в ней сохраняется высокая твёрдость 50..55 НЯС. На подготовленную шейку коленчатого вала одевали разрезную ремонтную втулку и производили её фиксацию локальной приваркой к шейке стыковым и двумя кольцевыми швами. При наложении сварных швов в зоне электрической дуги возникает температура, обеспечивающая оплавление кромок ремонтной втулки и основного металла. Одновременно нагреваются до высоких температур и зоны, прилегающие к сварному шву, в которых проходят структурные превращения под действием этих температур.
На рис. 7 показан стыковой шов на шейке вала и зоны термического влияния вдоль шва, которые хорошо выделяются после чернового точения приваренной ремонтной втулки. В зоне термического влияния можно выделить зоны повторной закалки (блестящие полосы) и зоны отпуска (светлые полосы).
При обработке резанием на токарном станке восстанавливаемых шеек коленчатого вала возникли большие трудности, которые были связаны с обеспечением высокой жёсткости системы СПИД.
Станок «Шкода» имел жёсткость в пределах 200 КН/мм. Державке резцовых пластинок при большом вылете была обеспечена также высокая жёсткость. Жёсткость коленчатого вала была повышена установкой
специального люнета. Шейки коленчатого вала имели твёрдость 54...58 ИЯС при наличии отверстий для подвода смазки.
При точении восстанавливаемых шеек в расчётный размер, а затем приваренных к ним ремонтных втулок в номинальный (ремонтный) размер наилучшие результаты показали резцы фирмы «Сандвик» с пластинами RCMW0803MO на режимах резания: Ур = 20 м/мин; 1 = 0,3 мм; Б = 0,2
мм/об.
Рис.7. Стыковой сварной шов и ЗТВ.
Резцы, оснащённые гексанитом-р, при прохождении отверстий и сварных швов, особенно в зонах термического влияния, имели сколы на вершине
и, соответственно, низкую стойкость.
Резцы фирмы «Сандвик» при чистовом точении обеспечивали шероховатость Яа = 0,9... 1,4 мкм, а резцы с гексанитом-р - Яа = 2,0...2,8 мкм.
При чистовом точении шеек в расчётный размер, а затем приваренных к шейкам втулок была получена точность размера по 6 квалитету.
Для получения необходимой по техническим требованиям шероховатости поверхности на токарном станке была использована установка для абразивного шлифования со скоростью резания Ур = 25 м/с. Последовательно использовались абразивные ленты Р-180 и Р-320. Последняя обеспечивала получение шероховатости восстанавливаемой поверхности шеек в пределах Яа = 0,2 мкм (рис. 8).
Предложенная технология ПРВ восстановления шеек крупногабаритных коленчатых валов позволила на модернизированном токарном станке «Шкода» получить необходимую точность обработки шеек, их шероховатость и твёрдость поверхности.
•1,0
-1,5
•2.0
0.5 1.0 15 Н
Рис. 8. Профилограмма шероховатости восстановленной поверхности шейки коленчатого вала двигателя 6ЧН 18/22.
