CC BY
8
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ФОРМЫ ОТВЕРСТИЙ ЦИЛИНДРОВ ПРИ СБОРКЕ ГРУППОВОГО РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ДИЗЕЛЯ
Яхьяев Н.Я., Вагабов Н.М.
Дагестанский государственный технический университет, г .Махачкала
В конструкциях большинства судовых дизелей (СДВС) втулки, головки с блоком цилиндров образуют групповые резьбовые соединения.
Технологический процесс сборки таких соединений предусматривает затяжку шпилек крепления расчетным, одинаковым для каждого цилиндра усилием на ключ и в строго определенной последовательности, как правило, начиная от средних шпилек к крайним [1].
Одним из показателей качества сборки дизелей является геометрическая точность их элементов и в первую очередь трущихся поверхностей таких ответственных деталей, как втулки цилиндров. Отклонения параметров точности рабочих поверхностей, такие, как овальность, конусо- и бочкообразность, вызванные неравномерными монтажными деформациями и превышающие значения, допускаемые по техническим условиям (ТУ) на сборку, являются фактором, ухудшающим технико-экономические показатели СДВС [2,3 и другие]. Одной из причин, вызывающих неравномерные деформации втулок цилиндров, наряду с технологическими ошибками механической обработки сопрягаемых опорных поверхностей, является неравномерная жесткость блок-картера в различных направлениях из-за сложности конструкции этой литой корпусной детали. Неравномерные деформации по периметру опорного бурта передаются на рабочую поверхность втулки цилиндра и приводят к ухудшению требуемых геометрических параметров точности зеркала цилиндра. Исследование топографии зеркала цилиндра малоразмерного СДВС типа 4ч9,5/11 показало, что ее макрогеометрия до и после сборки существенно отличаются (рис.1) [4]. Деформации втулок цилиндров при сборке носят неравномерный характер, как по высоте образующих, так и по периметру поперечных сечений.
Рис.1. Топография рабочей поверхности втулки цилиндра: а -развертка поперечного профиля по второму сечению втулки: 1 - до сборки; 2 -после сборки; б -топография втулки после сборки дизеля; в - топография втулки до установки в блок-картер.
Величины радиальных перемещений на различных участках рабочей поверхности втулки цилиндра относительно номинального диаметра 0 95 мм достигают значения от 0,01 мм (в направлении оси) до - 0,025 мм (в направлении противоположном оси цилиндра). Поступившая на сборку втулка цилиндров, имеющая первоначально незначительные отклонения от правильной цилиндрической формы после сборки дизеля приобретает существенные (иногда в несколько раз превышающие исходные) геометрические отклонения точности формы зеркала. Объяснить такое явление можно тем, что неравномерно жесткая верхняя опорная плита блок-картера, под воздействием сил затяжки резьбового соединения, передающихся через опорные бурты втулок,
деформируется неравномерно по периметру цилиндров. В сопряжении исходная жесткость деталей до сборки, может усилиться в результате сборки из-за дополнительных напряжений сжатия после затяжки группового резьбового соединения. Сборочный узел можно представить, как сложную пространственную систему (рис.2), имеющую неравномерный характер напряженного состояния по всему объему.
Рис.2. Схема группового резьбового соединения малоразмерного дизеля 4ч9,5/11 (показаны 3 и 4 цилиндры в разрезе)
Таблица 1
Номер зкспер Значения моментов затяжки М ат Н м для гайки с номером (рис.3) Наибольшая овальность
и- мента 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 втулок цилиндров, мм
1 75 75 75 75 75 75 175 175 175 175 175 75 0.021
2 95 95 95 95 95 95 195 195 195 195 195 95 0.026
3 15 15 15 15 15 15 215 215 215 215 215 15 0,035
4* 75 75 95 95 95 95 175 175 195 195 195 95 0.014
5 75 75 15 15 15 15 175 175 215 215 215 15 0,020
6 95 95 75 75 75 75 195 195 175 175 175 75 0,032
7** 15 15 75 75 75 75 215 215 175 175 175 75 0,038
8 15 15 95 95 95 95 215 215 195 195 195 95 0,038
9 95 95 75 95 95 75 195 195 175 195 195 75 0,033
10 15 15 75 15 15 75. 215 215 175 215 215 75 0.035
11 15 15 15 95 95 15 215 215 215 175 175 15 0,027
12 95 95 95 75 75 95 195 195 195 175 175 95 0,024
13 95 95 75 15 15 75 195 195 175 215 215 75 0,032
14 95 95 15 75 75 15 195 195 215 175 175 15 0,035
15 16 15 75 95 95 75 215 215 175 195 195 75 0.035
У судового малоразмерного дизеля 4ч9,5/11 двенадцать резьбовых шпилек крепления, в соответствии с требованиями технологического процесса затягиваются одинаковым моментом на ключ. Однако, сопряжение имеет в своем составе элементы с различной жесткостью контактных поверхностей. Поэтому, деформации, вызванные силовым взаимодействием деталей, могут носить неравномерный характер.
В связи с этим, практический интерес представляет исследование влияния различных вариантов усилий и последовательностей затяжки шпилек на изменение параметров геометрической точности втулок цилиндров в групповом резьбовом соединении при сборке судового малоразмерного дизеля. Это новый не стандартный подход к назначению режимов сборки групповых резьбовых соединений. Он оправдывает себя с учетом того обстоятельства, что теоретическая жесткость каждой детали, поступившей на сборку может существенно измениться в собранном узле из-за влияния на нее сопряженной с ней детали.
Для изучения влияния технологии сборки дизеля на геометрическую точность втулок цилиндров были испытаны четыре наиболее технологичных варианта последовательностей затяжки резьбовых шпилек, включая заводской вариант. Семы этих вариантов показаны на рисунке 3. Резьбовые шпильки затягивались по каждому варианту различными комбинациями значений моментов Мзат, которые показаны в таблице 1. В общей сложности было проведено 60 экспериментов [5].
- начало и
Рис. 3 Экспериментальные варианты последовательностей затяжки резьбовых шпилек при сборке дизеля 4ч9,5/11 : I -вариант затяжки по ТУ завода-изготовителя; II, Ш,1У - опытные варианты;
окончание процесса затяжки резьбовых шпилек.
Примечание: выделены в таблице и отмечены звездочками наилучший и наихудший результаты
измерения.
Оценка результативности экспериментальных режимов сборки проводилась с использованием визуальных методов и технических средств, выбор которых обусловлен простотой, доступностью, а так же возможностью получить достаточную для практических целей точность измерений. Визуальный метод применялся для качественного анализа равномерности распределения контактных давлений на поверхностях стыка головок, втулок и блок-картера. В последующем результаты анализа сопоставлялись с результатами измерения геометрических параметров точности цилиндров. Для сравнительной оценки геометрической точности втулок цилиндров использовались значения величин овальностей поперечных сечений цилиндров, измеренных после сборки дизеля. На рис. 4 показан пример полученных отпечатков на бумаге, характеризующих распределение контактных давлений на опорную поверхность после затяжки резьбы по двум схемам: I - первой заводской и II - второй экспериментальной (см. рис.3). Лучшей последовательностью затяжки была та, при которой отпечаток на бумаге получался с более равномерной интенсивностью
окраски по всей площади сопряжения, а отклонения от правильной цилиндрической формы рабочих поверхностей втулок по результатам измерения индикаторным нутромером оказывались минимальными.
Рис.4. Контактные отпечатки на бумаге в стыке блок-картера и головки третьего и четвертого цилиндров: а). - эксперимент №3 (таблица 1); б). - эксперимент №1
Примечание: *Каждый из 60 экспериментов повторялся трижды для уменьшения фактора случайной ошибки.
Измерения размеров отверстий осуществлялись с точностью 0.001мм (цена деления индикаторного нутромера) при снятом коленчатом вале.
Гайки завертывались динамометрическим тарированным ключом с регулируемым диапазоном моментов Мзат (0 ... 250 Н м.)
По каждой схеме (рис.3) моменты Мзат варьировались в пределах допускаемых значений по ТУ на сборку (т.е. Мзат от 173 до 216 Н м), при которых сохраняется требуемая плотность газового стыка. Причем проверяли влияние усилий затяжки на распределение контактных давлений в зоне стыка деталей и деформацию втулок цилиндров при затягивании резьбы как одинаковыми, так и различными моментами на ключе. Значения моментов затяжки Мзат гаек группового резьбового соединения дизеля 4Ч9,5/11 и наибольшие значения овальностей втулок цилиндров приведены и таблице 1. Результаты экспериментальных исследований позволили установить, что при затягивании гаек даже одинаковыми моментами Мзат возникают неравномерные контактные давления в стыке сопрягаемых деталей и значения овальностей втулок цилиндров в зоне верхних посадочных поясков возрастают по сравнению с исходными значениями. Например, до затяжки гаек значения овальностей втулок цилиндров, установленных в блок-картер не превышали 0,01 мм, а после затяжки по схеме IV (см. рис. 3) (Мзат=215 Н м) овальность возросла до 0,035 мм. Деформации втулок имели меньшие величины при затяжке гаек по схеме I (см. рис. 3) , овальность втулок не превышала допустимое по ТУ значение 0,03 мм.
С уменьшением момента Мзат с 215 до 175 Н м (в пределах значений, допускаемых ТУ на сборку) уменьшается овальность втулок в среднем на 15—20 % (см. таблицу 1). Отсюда следует, что для повышения геометрической точности формы рабочих поверхностей втулок цилиндров дизеля следует осуществлять сборку резьбового соединения по нижней границе допускаемых по ТУ значений Мзат (175 — 195 Н м). При этих значениях сохраняется требуемая плотность газового стыка.
Было установлено, что преднамеренное использование различных усилий затяжки шпилек в исследуемом групповом резьбовом соединении оправдывает себя и позволяет в определенных пределах управлять напряженно-деформированным состоянием сопряженных деталей и, тем самым влиять на повышение геометрической точности рабочих поверхностей втулок цилиндров после сборки. В общем случае, при затягивании гаек с номерами 1, 2, 7 и 8 (рис. 3) моментом примерно на 10 % меньше момента затяжки остальных восьми шпилек, контактные давления на плоскостях стыка были более равномерными, а геометрическая точность отверстий втулок цилиндров
повышалась. Например, затягивая шпильки моментами по эксперименту № 4 (см. таблицу 1), овальность втулок в зоне верхнего посадочного пояска уменьшилась более чем в 2 раза и не превысила 0,015 мм. При этом интенсивность окраски контактных отпечатков в плоскости разъема блок-картера, втулок и головок цилиндра была более равномерной по всей поверхности. Для конструкции дизеля 4ч9,5/11 лучшие результаты показала четвертая (см. рис. 3) схема затяжки резьбовых шпилек. Обратный эффект наблюдался когда гайки с номерами 1, 2, 7 и 8 затягивались с большими моментами, чем остальные гайки. Это можно объяснить меньшим сечением перегородок верхней плиты блок-картера между 1,2 и 3,4 цилиндрами по сравнению с другими перегородками. В этом случае, из-за неравномерной жесткости по периметру посадочных поверхностей блок-картера, контактные давления на опорном бурте втулки цилиндров имеют неравномерный характер, что в свою очередь, приводит к неравномерной деформации ее рабочей поверхности.
Таким образом, с помощью преднамеренного изменения значений моментов затяжки некоторых шпилек одного и того же группового резьбового соединения можно достигнуть более равномерного по всему сопряжению напряженно- деформированного состояния деталей. Это является предпосылкой для уменьшения неравномерных деформаций втулок цилиндров и повышения геометрической точности их отверстий.
Основные выводы по исследованию можно сформулировать следующим образом:
- одинаковые моменты затяжки шпилек в групповом резьбовом соединении малоразмерного дизеля не позволяют достигнуть равномерных контактных давлений по периметру опорного бурта втулки цилиндра из-за неравномерной жесткости верхней плиты блок-картера, на которую опираются втулки;
- неравномерные контактные давления на опорном бурте вызывают неравномерные сборочные деформации и, как следствие - отклонения геометрической точности рабочей поверхности втулки цилиндра;
- повышение геометрической точности рабочих поверхностей втулок цилиндров после сборки СДВС может быть достигнуто путем индивидуального подбора режимов затяжки шпилек группового резьбового соединения.
- даже без внесения изменений в конструкцию деталей можно существенно повысить точность формы отверстии втулок цилиндров путем выбора оптимальных режимов затяжки резьбовых связей конкретной марки дизеля, а следовательно улучшить качество сборки.
Данные рекомендации могут быть распространены на обширную группу других моделей высокооборотных и среднеоборотных судовых дизелей, имеющих в своих конструкциях подобные групповые резьбовые соединения деталей в узлах трения, у которых после сборки наблюдаются отклонения параметров геометрической точности рабочих поверхностей, превышающие требования ТУ на сборку.
Библиографический список:
1. Новиков М.П. Основы технологии сборки машин и механизмов. М.: Машиностроение. 1969. 632 с.
2. Билик Ш.М. Макрогеометрия деталей машин. М.: Машиностроение, 1973. 344 с.
3. Бочкарев В.Н. , Яхъяев Н.Я. Технологическая наследственность в управлении качеством судовых машин и механизмов. Монография. Дагестанский филиал АНСССР. Махачкала, 1990, 200 с.
4. Яхьяев Н.Я. Прогнозирование искажений формы рабочих поверхностей втулок цилиндров дизелей при сборке // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2002. № 5.С.72-77.
5. Яхъяев Н.Я. Влияние усилий и последовательности затяжки групповых резьбовых соединений на качество сборки дизелей.//Вестник машиностроения 1991. №4. С.27-28.
