CC BY
6
Особенности создания модели вала ротора ремонтируемого
турбокомпрессора
В. В. Власкин
Национальный исследовательский Мордовский государственный университет
им. Н.П. Огарева, г. Саранск
Аннотация: В настоящее время для проведения исследований в области техники широко применяются различные программные комплексы, позволяющие создавать математические модели реальных объектов. Однако, при их создании, не всегда имеются все необходимые данные. Поэтому необходимо проводить дополнительные исследования с реальными деталями. Для определения твердости материала вала ротора турбокомпрессора на различной глубине от поверхности, изготавливались специальные образцы из новых деталей. Далее определялась микротвердость материала вала в различных сечениях. В результате установлено, что от поверхности твердость уменьшается и на глубине 1 мм становится равной твердости незакаленного материала. После проведения исследований создается геометрическая модель вала ротора. Рабочая часть модели вала состоит из двух слоев - поверхностного с повышенной твердостью, толщиной 1 мм и внутреннего незакаленного. Данная модель используется при исследовании и разработке технологических процессов ремонта детали. Ключевые слова: программный комплекс, математическая модель, статический анализ, вал ротора, закалка, твердость, образец, глубина, поверхностный слой, ремонт
Одной из тенденций современных исследований в различных областях науки является применение специализированных компьютерных программ и комплексов, позволяющих строить математические модели, имитирующие объекты и процессы и проводить с ними различные расчеты. Это в полной мере относится к исследованиям в области техники [1-3].
Одним из таких программных комплексов, предназначенных для решения различных инженерных задач, является система SolidWorks. Ее широкое использование, как на промышленных предприятиях, так и в научно-исследовательских организациях, обусловлено простотой освоения и использования, а также наличием обширного набора средств инженерного анализа [4]. Для проведения расчетов конструкций часто применяется подпрограмма SolidWorks Simulation. Она представляет собой программное средство, позволяющее решать задачи механики деформируемого твёрдого тела. Обеспечивает возможность проведения расчетов по оптимизации
конструктивных
параметров
объекта
по
критериям
минимизации/максимизации массы, объёма, собственных частот колебаний и критической силы; имитировать деформацию конструкции с учётом нелинейности, проводить усталостный, прочностной расчет т.д. [5].
Такие возможности данной программы обеспечивают ее широкое применение, как при разработке новых конструкций машин и оптимизации существующих, так и при разработке технологических процессов ремонта агрегатов машин с применением методов восстановления изношенных деталей [6].
Использование данного комплекса позволяет смоделировать состояния узла отремонтированного различными способами. Они позволяют получить данные о напряженно-деформированном состоянии, усталости, запасе прочности, частотной и вибрационной устойчивости узла, дающие возможность оценивать его ресурс и долговечность.
При построении модели реальных объектов необходимо учитывать особенности технологических процессов, присущие различным методам термической обработки конкретных деталей.
Так, например, для различных валов необходимо учитывать, что твердость рабочих поверхностей вала достигается за счет поверхностной закалки, например, токами высокой частоты (ТВЧ). При этом закаливается только поверхностный слой детали на глубину, определенную при проведении конструкторских расчетов и зависящую от технологических режимов термообработки. Твердость и глубина закаливания указывается в рабочих чертежах деталей или технических требованиях на ремонт объектов [7]. Однако для многих агрегатов, устанавливаемых на современную технику в свободном доступе отсутствуют как конструкторская документация, так и технические требования на ремонт. Производители современной техники не всегда заинтересованы в публикации подобной информации.
В связи с этим, для определения величин твердости материала деталей на различной глубине необходимо проводить дополнительные исследования.
Для определения твердости валов роторов турбокомпрессоров семейства ТКР-6 был проведен комплекс исследований, включающий изготовление и подготовку образцов для определения твердости и ее последующее измерение. Для более точного определения толщины закаленного слоя проводились измерения микротвердости.
Образцы изготавливались из новых валов, установленных в агрегаты, а также, поставляемых в качестве запасных частей, предназначенных для установки в отремонтированные турбокомпрессоры.
Для проведения исследований из рабочей части каждого вала вырезались по 4 образца диаметром, равным диаметру вала и длиной 8 мм, по сечениям согласно схеме, представленной на рисунке 1.
Рис. 1 - Схема реза вала ротора После разрезания вала были подготовлены образцы для исследования. Образцы изготавливались с использованием комплекса для подготовки микрошлифов, состоящего из отрезного станка Discotom-6, пресса QtoPress-1, шлифовально-полировального станка TegraPol-21. Подготовка образцов заключалась: в горячей запрессовке в смолу MultiFast с последующим охлаждением водой; механической обработке поверхностей, включающей выравнивание (грубое шлифование), тонкое шлифование, два этапа полировки [8].
Внешний вид полученных образцов представлен на рис. 2а. Микротвердость каждого образца измерялась в двух перпендикулярных сечениях от поверхности к центру (рис. 2б) через 0,1 мм.
б) схема измерения микротвердости а) образцы запрессоваииые в см°лу по сечениям образца
Рис. 2. - Внешний вид образцов для измерения микротвердости и схема
измерения по сечениям Измерения заканчивались, когда значение микротвердости стабилизировались (в течение пяти измерений подряд значения отличались не более чем на 10%). Средние значения микротвердости по сечениям представлены в таблице №1.
Таблица № 1
Средние значения микротвердости НУ, кгс/мм исследуемых образцов по
сечениям
Расстояние от поверхности, мм Номер образца (сечения) Расстояние от поверхности, мм Номер образца (сечения)
1 2 3 4 1 2 3 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 570 539 536 532 1,1 353 388 355 382
0,1 572 542 532 544 1,2 349 384 358 377
0,2 568 543 526 544 1,3 343 380 359 372
0,3 563 514 510 525 1,4 340 379 355 368
0,4 554 508 496 520 1,5 342 377 345 366
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0,5 540 480 478 487 1,6 340 372 344 361
0,6 499 458 450 464 1,7 337 370 350 355
0,7 479 456 436 462 1,8 338 368 349 353
0,8 421 435 421 434 1,9 340 370 347 349
0,9 403 424 421 419 2 341 371 347 341
1,0 361 398 359 391
Графики изменения средней микротвердости в соответствующих сечениях по глубине от поверхности образцов представлены на рисунке 3.
Рис. 3. - Графики изменения средней микротвердости HV образцов по
глубине
С учетом данных значений была построена геометрическая модель вала ротора турбокомпрессора ТКР-6 (рис.4а).
Рабочая часть вала состоит из двух слоев (рис. 4б) - внутреннего - 1, имитирующего «вязкую» сердцевину и наружного - 2, толщиной 1 мм, имитирующего поверхностную закалку.
Созданная модель вала ротора, учитывающая глубину закаленного слоя, предоставляет возможность проводить расчеты различных характеристик детали, более точно соответствующих реальным значениям.
2
а) Геометрическая модель вала ротора
б) Вырезанный сектор модели рабочей части вала ротора
Рис. 4. - Геометрическая модель вала ротора турбокомпрессора ТКР-6 Проводимые расчеты позволят прогнозировать напряженно-деформированные состояния вала, а также другие характеристики, и, соответственно, долговечность детали при изменении размеров и твердости рабочих поверхностей. Таким образом, данная модель может быть использована при выборе и обосновании методов восстановления работоспособности деталей, применяемых в настоящее время [9,10]. На основе выбранных методов разрабатываются технологические процессы ремонта вышедших из строя деталей и агрегатов.
1. Osako, K., Yokoyama T., Yoshida T., Hoshi T. Development of twinscroll turbine for automotive turbochargers using unsteady numerical simulation // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. 2013. Vol. 50. № 1. pp. 23-30.
2. Nakhjiri, M., Pelz P. F., Matyschok B., Horn A., Dâubler L. Physical modeling of automotive turbocharger compressor: Analytical approach and validation // SAE International, Commercial Vehicle Engineering Congress,
Литература
Chicago, IL, USA. 2011. URL: yumpu.com/en/document/read/37963193/physical-modeling-of-automotive-turbocharger-compressor-.
3. Сенин П.В., Фомин А.И. Расчет прочностных параметров коленчатых валов при усталостных испытаниях с целью обеспечения их надежности // Инженерный вестник Дона. 2019. №1. URL ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5694.
4. Алямовский А.А. SolidWorks Simulation. Инженерный анализ для профессионалов: задачи, методы, рекомендации. ДМК пресс. 2014 г . 562 с.
5. Алямовский А.А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи. СПб.: БХВ-Петербург,2012. 562 с.
6. Борисов В.И., Мартынова Е.Г. Компьютерное моделирование напряженного состояния деталей делительного устройства тестоделительных машин вакуумно-поршневого типа // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы. Саранск: Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва, 2020. С. 541-549.
7. Турбокомпрессоры тракторных и комбайновых дизелей. Технические требования на капитальный ремонт. ТК 10-05.0001.003 - 86. Москва: ГОСНИТИ, 1988. 65 с.
8. Овчинников А.Ю., Власкин В.В. Исследование микротвердости валов турбокомпрессоров ТКР-6 // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы. Саранск: Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва, 2014. С. 315-321.
9. Сенин П.В., Давыдкин А.М., Червяков С.В. Выбор рациональных способов восстановления деталей насосов дозаторов и гидрорулей гидрообъемного рулевого управления // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2015. №3. С. 11-14.
10. Червяков С.В., Столяров А.В., Давыдкин А.М. Технологические рекомендации по ремонту рулевых механизмов автомобилей КАМАЗ // Инженерный вестник Дона, 2018. №4. URL:
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5275.
References
1. Osako, K., Yokoyama T., Yoshida T., Hoshi T. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. 2013. Vol. 50. № 1. pp. 23-30.
2. Nakhjiri, M., Pelz P. F., Matyschok B., Horn A., Däubler L. SAE International, Commercial Vehicle Engineering Congress, Chicago, IL, USA. 2011. URL: yumpu.com/en/document/read/37963193/physical-modeling-of-automotive-turbocharger-compressor-.
3. Senin P.V., Fomin A.I. Inzhenernyj vestnik Dona. 2019. №1. URL ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5694
4. Alyamovskij A.A. SolidWorks Simulation. Inzhenernyj analiz dlya professionalov: zadachi, metody, rekomendacii. [SolidWorks Simulation. Engineering analysis for professionals: tasks, methods, recommendations]. DMK press. 2014. 562 p.
5. Aljamovskij A.A. SolidWorks Simulation. Kak reshat' prakticheskie zadachi. [SolidWorks Simulation. How to solve practical problems]. SPb.: BHV-Peterburg, 2012. 562 p.
6. Borisov V.I., Martynova E.G. Jenergojeffektivnye i resursosberegajushhie tehnologii i sistemy. Saransk: Nacional'nyj issledovatel'skij Mordovskij gosudarstvennyj universitet im. N.P. Ogarjova, 2020. pp. 541-549.
7. Turbokompressory traktornyh i kombajnovyh dizelej. Tehnicheskie trebovanija na kapital'nyj remont. [Turbochargers of tractor and combine diesels. Technical requirements for major repairs]TK 10-05.0001.003 - 86. Moskva: GOSNITI, 1988. 65 p.
M Инженерный вестник Дона, №12 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2021/7373
8. Ovchinnikov A.Ju., Vlaskin V.V. Jenergojeffektivnye i resursosberegajushhie tehnologii i sistemy. Saransk: Nacional'nyj issledovatel'skij Mordovskij gosudarstvennyj universitet im. N.P. Ogarjova, 2014. pp. 315-321.
9. Senin P.V., Davydkin A.M., Chervyakov S.V. Remont, Vosstanovlenie, Modernizatsiya. 2015. №3. pp. 11-14.
10. Chervyakov S.V., Stolyrov A.V., Davydkin A.M. Inzhenernyj vestnik Dona. 2018. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5275.
