CC BY
36
3. Методика определения эффективности технологий и сельскохозяйственной техники [Текст] / ВНИИЭСХ. - М.: Минсельхоз РФ, 1996. - 219 с.
4. Бирман, В.Ф. Крупные хозяйства как основа эффективного развития зернопродуктового подкомплекса [Текст] / В.Ф. Бирман. - Ростов н/Д: Терра, 2003. - 720 с.
5. Липкович, И.Э. Человеко-машинные системы в агроинженерной сфере растениеводства: механико-эргономические основы создания и функционирования: монография [Текст] / И.Э. Липкович. - Ростов н/Д: Терра, 2004. - 612 с.
6. Липкович, Э.И. Организация машинно-технологических станций в условиях дефицита материально-технических средств [Текст] / Э.И. Липкович. - Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 1999. - 160 с.
Сведения об авторах
Петренко Надежда Владимировна - канд. техн. наук, ассистент кафедры «Безопасность технологических процессов и производств» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 35-6-71.
Information about the authors
Petrenko Nadezhda Vladimirovna - Candidate of Technical Sciences, assistant of the department of safety of technological processes and productions, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 35-6-71.
УДК 621.432.001.2
РАЗРАБОТКА МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЗАКАЛЕННЫХ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ
© 2010 г. Д.А. Тихонов, А.И. Сидашенко, Н.Г. Поздняков
Изнашивание цилиндров при трении в паре с поршневым кольцом происходит в результате многих одновременно протекающих процессов. Поэтому рабочая поверхность гильз должна иметь высокую твердость, что достигается поверхностной закалкой.
Ключевые слова: трактор, гильзы, цилиндры, контроль, качество, эксплуатация, металл.
Usually cylinders and cylinder rings degrade because of frictions during many simultaneous processes. That’s why working surfaces of cylinder liners must have high hardness, which is achieved by surface hardening.
Key words: tractor, liners, cylinder, control, quality, maintenance, metal.
Актуальность темы. Основной деталью двигателей тракторов является гильза цилиндров, от которой зависит ресурс машины в целом. Ее изготавливают из серого чугуна (СЧ20 ГОСТ 1412-85) с добавкой легирующих элементов и подвергают рабочую поверхность закалке ТВЧ.
В настоящее время контроль качества осуществляется путем разрушающих методов (оценка твердости, прочности, структуры) на специально вырезанных темпле-
тах по 1 шт. от партии до 80-100 штук каждой плавки. Такой контроль не обеспечивает надежность выпускаемой продукции как по качеству основного металла, так и термообработки.
Решение этой проблемы возможно только путем разработки неразрушающего контроля качества каждого изделия в различные периоды маршрута технологического процесса с оценкой свойств и уровня напряженного состояния как основного ме-
талла (соответствует наружной поверхности), так и закаленного слоя (внутренняя рабочая поверхность).
1. Характеристика производства и условий эксплуатации гильз цилиндров, особенности их износа
Интенсивность износа цилиндров зависит от условий трения пары цилиндр -поршневое кольцо, на которые влияют конструктивные особенности двигателя (мощность, число оборотов, степень сжатия, система охлаждения, а также подачи и сжигания топлива, система очистки воздуха и масла), качество применяемого топлива и масла, условия эксплуатации и износостойкость материала цилиндров.
Изнашивание цилиндров при трении в паре с поршневым кольцом во время работы двигателя происходит в результате сочетания многих одновременно протекающих процессов [1-5]: разрушения микровыступов трущихся поверхностей за счет многократного упругопластического деформирования при зацеплении, а также разрушения усталостного происхождения; схватывания материала микровыступов с последующим глубинным вырывом частиц металла при разрушении узла схватывания; накопления абразивных частиц, способствующих интенсификации износа; абразивного действия частиц пыли, продуктов взноса, твердых включений на поверхности трущихся тел; химической коррозии под влиянием высоких температур газообразных продуктов сгорания топлива; электрохимической коррозии от действия кислот, образующихся при растворении газообразных продуктов в сконденсированных на стенках цилиндров парах воды.
В зависимости от условий работы двигателя один из указанных процессов может быть превалирующим в изнашивании цилиндров.
В момент холодного пуска двигателя, когда на стенках цилиндров конденсируются кислоты, может преобладать коррозионное изнашивание. После накопления в масле продуктов взноса и пыли (особенно при неисправных масляных и воздушных фильтрах) может преобладать абразивное изнашивание.
Оценить удельное время преобладания каждого из процессов изнашивания в течение всей эксплуатации двигателя и тем более оценить долю износа при этом трудно даже для одного типа двигателя и для исходных условий эксплуатации. Именно этим объясняется различие мнений о преобладающем факторе в износе цилиндров.
Как было показано выше, гильзы цилиндров работают в тяжелых условиях. На них действуют как силы трения, так и знакопеременные нагрузки. Поэтому рабочая поверхность гильз должна иметь высокую твердость, что достигается поверхностной закалкой.
Этот способ предусматривает использование для их изготовления серого чугуна (различной степени легирования), а также термическую обработку с упрочнением только поверхностных слоев, в результате чего изменяется структура и повышается твердость. Как правило, гильзы цилиндров изготавливают центробежным методом литья, что обеспечивает формирование однородной структуры и свойств на рабочей поверхности.
В настоящее время при термообработке гильз довольно широко применяют индукционный метод закалки токами высокой частоты (ТВЧ).
После отработки режима индукционная поверхностная закалка обеспечивает высокое качество изделий и достаточно стабильные результаты по сравнению с другими методами обработки. Она способствует повышению сопротивления изнашиванию и усталостному разрушению, снижает возможность деформаций, не вызывает заметного окисления и обезуглероживания при обработке и эксплуатации. Кроме того, благодаря нагреву только поверхностных слоев уменьшаются затраты энергии на обработку.
Главным отличием индукционного нагрева от различных внешних источников тепла (в печах и других нагревательных устройствах) является выделение тепла непосредственно в самом металле. При индукционном нагреве реализуется возможность значительной концентрации электрической энергии в небольшом объеме
нагреваемого металла, что позволяет осуществлять нагрев с большой скоростью.
Суть индукционного нагрева заключается в следующем. По проводнику (индуктору) проходит переменный электрический ток высокой частоты. В это время вокруг индуктора образуется переменное электромагнитное поле, силовые линии которого пронизывают деталь, в поверхностном слое которой возникают вихревые токи (Фуко), обеспечивающие нагрев заданного по толщине слоя до высокой температуры.
Критические точки железоуглеродистых сплавов соответствуют температурам, при которых протекают превращения в условиях медленного нагрева и охлаждения.
При выборе температуры для скоростного индукционного нагрева, по сравнению с печным, вносятся поправки, так как ограниченное время нагрева может оказаться недостаточным для завершения фазовых превращений.
При индукционном нагреве чугуна выше критических точек в металлической основе растворяется как связанный, так и свободный углерод в виде графита и отдельных включений цементита. При повышенных температурах ускоряются диффузионные процессы, увеличивается содержание углерода и легирующих элементов в аустените и выравнивается его химический состав. Интенсивность и степень насыщения аустенита зависят от количества связанного углерода (перлита) и графитовых включений в исходной структуре чугуна, температуры и скорости индукционного нагрева [8]. При изготовлении и последующей термообработке в гильзах возможно возникновение различного рода дефектов (трещины, изменения в структуре, связанные с формированием неоднородных зон, а также слишком малых или больших значений глубины упрочненного слоя и др.).
2. Исследование влияния структуры и свойств материала гильзы цилиндра на уровень коэрцитивной силы
При разработке неразрушающего контроля качества провели статистические исследования 120 гильз цилиндров трак-
торных (70 шт.) и автомобильных (50 шт.) двигателей. При этом анализировали сдаточные характеристики, структуру, твердость, химический состав металла и сопоставляли их с показаниями коэрцитивной силы (Нс).
Поскольку замеряемая область Нс соответствует размеру щупов прибора, то оценку структуры, свойств производили по 10 зонам, характеризующим всю эту площадь, а затем показатели усредняли.
Установили, что коэрцитивная сила (Нс) изменяется в зависимости от кристаллизующихся форм, распределения и количества графита, доли карбидной фазы, количества феррита и свойств фаз матрицы (перлит, троостит, мартенсит). Доля остаточного аустенита мала. Поэтому в оценке ее не учитывали.
Анализировали связи: форма графита
- коэрцитивная сила; количество графита -коэрцитивная сила; доля фаз матрицы -коэрцитивная сила; микротвердость фаз -коэрцитивная сила. Кроме того, исследовали изменения в закаленном слое относительно основной матрицы, а также влияние матрицы на свойства и Нс.
Глубина проникновения импульсов тока в изделие ограничена и равна 3 мм, поэтому измерения производили с двух сторон гильзы (наружной и внутренней), так как импульсы охватывают как закаленную область, так и не термообработанную. Показано, что глубина закаленного слоя изменяется. Поэтому при измерениях захватывается и часть нетермообработанного слоя. Для выяснения влияния закалки на показания коэрцитивной силы анализировали слои: закаленный + сырой в сравнении с сырым.
Глубина упрочненного слоя не однородна, поэтому в задачу исследования входила оценка влияния и этого фактора на изменение величины коэрцитивной силы.
Такой методический подход и анализ перечисленных связей позволили оценить вклад структурного фактора, свойств, глубины закалки, а также толщины стенки на изменение уровня Нс. Это легло в основу разработки браковочных норм при оценке качества закаленных гильз цилиндров.
Измерение коэрцитивной силы показало разброс показаний в пределах от 13,7 до 16,2 А/см на поверхности, подвергнутой закалке ТВЧ и от 10,9 до 13 А/см на внешней - не обработанной.
Видно, что значения коэрцитивной силы на термоупрочненной поверхности несколько выше, чем на нетермоупрочнен-ной. Из этого следует, что показания коэр-цитиметра напрямую зависят от твердости.
Статистический анализ коэрцитивной силы и твёрдости позволил разделить гильзы на три выборки:
- первая - коэрцитивная сила имеет минимальные значения (<14,8 А/см), при этом уровень твёрдости также снижается до уровня нижнего предела допустимых значений по требованиям ТУ;
- вторая - значения твёрдости соответствуют средним значениям требований ТУ (40-42НКС) и коэрцитивной силе от 14,8 до 15,8 А/см;
- третья - значения коэрцитивной силы и твёрдости максимальные, соответствующие уровню ближе к верхнему пределу (60HRC - твердость; >15,8 и до 16,2 А/см - коэрцитивная сила).
Детально рассмотрели те выборки, которые имели отклонения по ТУ. Для этого по месту замера твердости сделали шлифы и оценили структуру.
На значения коэрцитивной силы и твердости гильзы, не подвергнутой термообработке, влияют различные факторы. Так, при изменении твердости могут быть вызваны ликвацией углерода и, как следствие, появлением грубого первичного графита. Также была выявлена повышенная пористость металла, что привело к снижению твердости. Увеличение твердости у нетермообработанных гильз выше требований ТУ (>269НВ) определяется скоплениями нитридов и карбонитридов титана, которые выделяются как в виде отдельных включений, так и скоплений. В последнем случае это приводит к появлению значений твердости, равных 277-295 НВ, что превышает требования ТУ. Наблюдаемое связано с ликвационными явлениями и может быть отнесено к нерав-
номерному распределению модификатора при производстве гильзы.
Как в первом, так и во втором случае коэрцитиметр отреагировал на показания твердости и выявил низкие и высокие значения.
Максимальное значение твердости закаленной поверхности при статистической обработке не превышает 53 НКС.
Колебания твердости приводят также к изменению уровня коэрцитивной силы.
Увеличение глубины закаленного слоя до 2,02 мм приводит к уменьшению твердости на 15% и уменьшению значений коэрцитивной силы до 18%.
У термообработанных гильз в местах расположения буртов разброс значений коэрцитивной силы превышает 20%. Оценка коэрцитивной силы по центру гильзы показала, что она однородна и интервал значений находится в пределах 13,7-16,2 А/см, что соответствует требуемой твёрдости по ТУ.
Эти показания могут быть приняты в качестве браковочных норм при оценке качества (однородности свойств) гильзы, подвергнутой термообработке.
Выводы
1. Выполнен статистический анализ качества закаленных гильз цилиндров, который позволил оценить уровень их качества (твердость, структуру, дефекты) на соответствие требованиям технических условий (ТУ).
2. На основе данных о качестве и свойствах таких гильз установили закономерности влияния различных факторов на показания коэрцитивной силы.
3. Изменение структуры влияет на уровень твердости, а следовательно, и коэрцитивной силы.
4. Показано, что отклонения в свойствах закаленных гильз цилиндров связаны со структурой и дефектами рабочей поверхности, а также маршрутом технологического процесса их производства.
5. Работу целесообразно продолжить в направлении установления браковочных норм неразрушающего контроля при ремонте, восстановлении, техническом обслуживании двигателя.
Литература
1. Крагельский, И.В. Трение и износ в машинах [Текст] / И.В. Крагельский. - М.: Машгиз, 1968. - 480 с.
2. Кугель, Р.В. Долговечность автомобиля [Текст] / Р.В. Кугель. - М.: Машгиз, 1961.
- 432 с.
3. Григорьев, М.А. Об износе цилиндров автомобильных двигателей [Текст] / М.А. Григорьев, Н.Н. Пономарев, Е.И. Шанин // Автомобильная промышленность. -1966. - № 3. - С. 3-5.
4. Григорьев, М.А. Снижение износа автомобильного двигателя путем улучшения защиты от пыли [Текст] / М.А. Григорьев и др. // Автомобильная промышленность. -1970. - № 10. - С. 7.
5. Лакедемонский, А.В. Характер износа цилиндров автомобильного двигателя [Текст] / А.В.Лакедемонский и др. // Автомобильная промышленность. - 1965. - № 4. -С. 14-17.
6. Лакедемонский, А.В. Износ гильз блока цилиндров [Текст] / А.В. Лакедемонский и др. // Автомобильная промышленность. - 1967. - № 2. - С. 8-9.
7. Рутенберг, Г.Б. О коррозионном износе цилиндров современных двигателей [Текст] / Г.Б. Рутенберг // Автомобильная промышленность. - 1971. - № 6. - С. 6-8.
8. Николаев, Е.Н. Термическая обработка металлов токами высокой частоты [Текст] / Е.Н. Николаев, И.М. Коротин. - М.: Высшая школа, 1977. - 214 с.
Сведения об авторах
Тихонов Дмитрий Александрович - студент Харьковского национального технического университета сельского хозяйства им. Петра Василенка (Украина).
Сидашенко Александр Иванович - канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологические системы ремонтного производства» Харьковского национального технического университета сельского хозяйства им. Петра Василенка (Украина).
Поздняков Николай Григорьевич - ассистент кафедры «Технологические системы ремонтного производства» Харьковского национального технического университета сельского хозяйства им. Петра Василенка (Украина). Тел. +380679574005.
Information about the authors
Tikhonov Dmitry Alexandrovitch - student of Kharkov National Technical Agriculture University named after P. Vasilenko (Ukraine).
Sidashenko Alexander Ivanovitch - Candidate of Technical Sciences, professor, head of the department of technological systems of repair works, Kharkov National Technical Agriculture University named after P. Vasilenko (Ukraine).
Pozdnyakov Nicolay Grigoryevitch - assistant of the department of technological systems of repair works, Kharkov National Technical Agriculture University named after P. Vasilenko (Ukraine). Phone: +380679574005.
