CC BY
31УДК 62-252.6; 62-252.7
Рожков А.С., кандидат технических наук Калининградского филиала ФГБОУ ВПО СПбГ АУ
Федорищев А.А., кандидат технических наук ФГБОУ ВПО СПбГАУ
ПРОЧНОСТЬ ПРИВАРКИ ЗАКАЛЁННОЙ РЕМОНТНОЙ ВТУЛКИ К ВОССТАНАВЛИВАЕМОЙ ШЕЙКЕ КРУПНОГАБАРИТНОГО КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА
Аннотация: статья посвящена надежности фиксации ремонтной втулки на восстанавливаемой шейке крупногабаритного коленчатого вала, восстанавливаемого по технологии ПРВ (приварки ремонтной втулки). Автор технологии: д.т.н., профессор Анатолий Алексеевич Зуев.
Ключевые слова: прочность, приварка, технология ПРВ, ремонт коленчатого вала.
Выполнен расчет прочности фиксации тонкостенной ремонтной втулки на шейке коленчатого вала, подтверждающий невозможность ее проворачивания при работе двигателя на номинальных режимах и при возможной перегрузке. Описаны технологические приемы, которые исключают отрицательное воздействие на усталостную прочность восстановленного по предлагаемой технологии коленчатого вала.
Для продления срока службы коленчатые валы шлифуют в очередной ремонтный размер, а при аварийном или предельном износе -выбраковывают.
Продлить срок эксплуатации коленчатых валов можно только применением металлопокрытий, которые наносят на изношенные шейки.
Существует ряд способов нанесения металлопокрытий, в числе которых наплавка под слоем флюса АН-348А проволокой Нп-ЗОХГСА или проволокой Нп-80 с графитом и феррохромом, вибродуговая наплавка в струе воды проволокой ЭП-439, контактная приварка стальной ленты, плазменное напыление, электродуговая металлизация и др. Но все эти способы обладают серьезными недостатками, из-за которых перечисленные способы находят ограниченное применение. К недостаткам следует отнести: большую тепловую энергию, вносимую в вал, снижение усталостной прочности, большие термические напряжения, микротрещины в поверхностном слое из-за высоких остаточных сварочных напряжений, неравномерные физико-механические свойства восстановленной поверхности шейки, изменение геометрических размеров вала и т.п.
На кафедре технологии конструкционных материалов СПбГАУ разработана технология ПРВ. по которой на предварительно обработанные шейки коленчатого вала устанавливают разрезную ремонтную втулку (РВ) и приваривают её к шейке вала стыковым и двумя кольцевыми швами полуавтоматической дуговой сваркой в среде защитного газа. При этом затраты энергии, вносимой в восстанавливаемый вал снижаются в 3-5 раз в сравнении с известными способами, а рабочая поверхность шейки образуется на 85-90% предварительно закаленной поверхностью РВ, которая изготовлена из высококачественной стали с высокими механическими параметрами и повышенной износостойкостью. Материалами для РВ служили стали 65Г, 60С2А, 30ХГСА и др. с поверхностной твердостью соответствующей требованиям рабочего чертежа.
Материал электродной проволоки обеспечивал твердость сварных швов, близкую по твердости приваренной РВ.
На крупногабаритных коленчатых валах (более 1,8 м) на приваренную РВ устанавливали дополнительно электрозаклепки (рис.1)
Рис 1. Схема приварки РВ по технологии ПРВ 1-шейка коленчатого вала, 2-разрезная ремонтная втулка. 3-кольцевой сварной шов, 4-стыковой сварной шов. 5-электрозаклепки.
Для исключения снижения усталостной прочности восстановленного коленчатого вала по технологии ПРВ были использованы следующие технологические приемы:
- термическая обработка РВ до установки на шейку;
- материал РВ обладает более высокими механическими свойствами и износостойкостью, чем материал вала;
- электродная проволока изготовлена из того же материала что и РВ или по возможности близкого по своим свойствам;
- зона термического влияния минимальна и не превышает 1,5-2,5мм;
- твердость сварных швов практически не отличается от твердости приваренной РВ;
- сварные швы не проходят через опасные сечения вала, а выполнены по закаленной ТВЧ поверхности;
- галтели у шеек только полируют, а при необходимости переходную зону от галтели к сварному шву (2-4 мм) подвергают пластическому деформированию;
- круглое наружное шлифование заменено точением и шлифованием гибкими абразивными лентами;
- полирование восстанавливаемых шеек до шероховатости Яа=0,2 мкм.
При работе двигателя шейки коленчатого вала работают в сопряжении с вкладышами, образуя подшипники скольжения. Несмотря на огромные усилия, действующие на поршень в процессе сгорания рабочей смеси в цилиндре двигателя, в подшипнике скольжения в условиях масляного клина удельная нагрузка не может превышать расчетную критическую, в противном случае выплавляются вкладыши, рабочую поверхность которых образует баббитовый сплав.
Коленчатые валы судовых двигателей вращаются в баббитовых подшипниках, для которых принято критическое давление Р = 15,0/У
где Р - критическое давление, выдерживаемое баббитовыми подшипниками, МПа, V - окружные скорости вращения шеек коленчатого вала, м/с.
Для рассматриваемого коленчатого вала двигателя 6ЧН18/22 критические давления на шатунные и рамовые шейки вала не должны превышать значений
Рш = 15/5,02=2,99 МПа;
Рр = 15/5,65=2,65 МПа.
Предельное расчетное усилие F на подшипники коленчатого вала:
Fпр = P*d*l
где d - диаметр шейки, мм,
I - длина шейки, мм.
Тогда:
Fш =2,99*120*75=26910Н
Fp =2,65*135*70=25043H
Сила трения в баббитовом подшипнике:
Fпp = F*f
где Fпр — предельное расчетное усилие на подшипник, f - коэффициент трения.
В момент трогания коленчатого вала при запуске двигателя будет иметь место в сопряжении полусухое трение, вызванное наличием масляной
пленки на поверхности подшипника. Для этого случая f=0,1- 0,3. Принимаем для расчетов f=0,3. Эти расчеты показали, что в баббитовых подшипниках для рассматриваемого варианта будут действовать следующие моменты от силы трения:
MTp = Fпp*R
где R - радиус шейки вала, м Тогда на шатунную и рамовую шейки коленчатого вала при номинальной нагрузке будут действовать следующие моменты Мтр.ш=26910*0,3*0,06=484,4Н*м;
Мтр.р=25043*0,3*0.0675=507,1 Н*м
Рассмотрим усилия, действующие на РВ, приваренную к шейке вала. Проворачиванию приваренной РВ на шейке вала препятствуют натяг в образованном сопряжении, стыковой сварной шов, два кольцевых шва по наружным кромкам РВ.
В дополнение к указанным факторам применены электрозаклепки по образующей поверхности РВ.
В процессе сварки стыкового шва происходит оплавление кромок РВ, металла шейки вала и электродной проволоки. При остывании наблюдается усадка стыкового шва, которая сократит длину РВ по образующей, создавая натяг в образованном сопряжении шейка вала - ремонтная втулка.
Прочность фиксации РВ на восстанавливаемой шейке рассмотрим на примере вала двигателя 6ЧН 18/22. Экспериментальные исследования показали, что при наложении стыкового шва в сопряжении шейка вала -ремонтная втулка создается натяг в пределах 0,05-0.06 мм. Окончательная приварка РВ к шейке вала двумя кольцевыми швами только несколько увеличивает этот натяг. В последующих расчетах примем в сопряжении шейка вала - ремонтная втулка натяг N=0,05 мм.
Для проворачивания РВ на шейке вала при созданном усадкой стыкового сварного шва при натяге 0,05 мм, необходимо приложить крутящие моменты Мн.ш=277 Н*м; Мн.р=331 Н*м
Но при вращении коленчатого вала при номинальной нагрузке в сопряжении шейка вала - вкладыш действуют моменты Мтр, которые провернут установленную РВ на шейке вала, если она будет закреплена только с помощью натяга в сопряжении ремонтная втулка- шейка вала.
Неподвижность РВ на шейке вала тогда обеспечат стыковой шов и два кольцевых сварных шва по всей поверхности кромок РВ.
Чтобы РВ провернулась на шейке, необходимо действующими в сопряжении усилиями разорвать стыковой сварной шов. Стыковой сварной шов испытывает напряжения растяжения ор от созданного натяга в сопряжении шейка вала - ремонтная втулка ор.н и напряжение растяжения от силы трения в сопряжении шейка-подшипник Ор.тр.
^р.н+^р.тр
Расчеты показали, что при заданном натяге в сопряжении, ор.н =69 МПа, а от силы трения ортр = 125,7 МПа. суммарное растягивающее окружное напряжение, действующее на стыковой сварной шов: ор = 69+125,7=194,7 МПа.
Предел прочности материала закаленной РВ и продольного сварного шва значительно превосходит оров > ор.
Для закаленной стали 30ХГСА из которой изготовлена РВ и сварной шов, образованный проволокой Нп-ЗОХГСА имеет предел прочности ов=1470 МПа.
Кольцевые сварные швы и электрозаклепки создают дополнительный значительный запас прочности РВ, приваренной к шейке вала от проворачивания.
Таким образом, даже в экстремальном варианте при запуске двигателя РВ, приваренная к шейке вала стыковым, двумя кольцевыми швами и электрозаклепками по окружности, останется неподвижной и обеспечит надежную эксплуатацию восстановленного коленчатого вала.
