CC BY
13
DOI: 10.47581/2021/SMTT/.6.38.12 СПОСОБ РЕМОНТА ИНДУКЦИОННЫМ УПРОЧНЕНИЕМ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО
СГОРАНИЯ Какорин Даниил Дмитриевич, студент (e-mail: kakorin0000@gmail.com) Лаврентьев Алексей Юрьевич, к.т.н., доцент (e-mail: lavr_ay@mail.ru)
Тверской государственный технический университет, г. Тверь, Россия
В данной статье описываются виды износа шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и причины его возникновения, рассматриваются известные способы ремонта изношенных шеек коленчатых валов, приводятся аналоги и раскрывается сущность предлагаемого способа ремонта, включающего индукционную закалку шеек коленчатого вала с дальнейшей их шлифовкой на ремонтные размеры и финишную обработку.
Ключевые слова: коленчатый вал, износ, ремонт и восстановление, упрочнение, индукционная закалка.
Постоянное увеличение количества техники, работающей на двигателях внутреннего сгорания (ДВС), приводит к развитию технологий восстановления изношенных деталей и механизмов, с целью продления их срока службы и повышения эффективности использования материалов.
Коленчатый вал является одной из наиболее ответственных деталей двигателя внутреннего сгорания и осуществляет преобразование прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней во вращательное с передачей крутящего момента к потребителям. Поскольку коленчатый вал испытывает высокие нагрузки в процессе работы двигателя его масса может составлять до 20% от массы всего двигателя, а стоимость до 30% стоимости силового агрегата.
В процессе передачи крутящего момента коленчатый вал воспринимает нагрузки, образующиеся под действием расширяющихся газов и инерции масс, движущихся вращательно и поступательно. При этом давление расширяющихся в камере сгорания газов определяет наличие действующих на коленчатый вал циклических сжимающих и растягивающих нагрузок, а также переменных изгибающих и скручивающих моментов. Изгибающий момент на валу возникает при нарушении соосности по причине неправильной установки подшипников скольжения на шатунных шейках или при посадке подшипников на шейки с большим износом. Помимо этого, на коленчатый вал действуют неуравновешенные силы и их моменты инерции поступательного и вращательного движения масс [1].
Состоит коленчатый вал из шатунных шеек 1, коренных шеек 2 (включая переднюю шейку и шейку отбора мощности), щек 3, противовесов 4, фланца маховика 5, носка 6, шейки под звезду привода вала газораспреде-
лительного механизма, а также отверстий, предназначенных для подвода масла к парам трения в коренных и шатунных шайках 7 (Рисунок 1). Коленчатые валы изготавливают методом литья или ковки из цельной металлической заготовки.
з /V
4 —\ / \
Рисунок 1 - Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания
Наибольший износ в конструкции коленчатого вала испытывают коренные и шатунные шейки (Рисунок 2), которые в процессе работы подвержены сразу нескольким видам износа [2].
Абразивный износ наиболее часто возникает вследствие попадания загрязняющих частиц в масло в процессе эксплуатации двигателя, а также при проведении работ по очистке двигателя после капитального или текущего ремонта. Под воздействием продуктов износа на шейках и рабочей поверхности вкладышей подшипников появляются риски, царапины, а иногда и глубокие борозды. В последнем случае поверхность имеет вид аналогичный поверхности при задирах из-за недостатка масло, чрезмерно высоких нагрузок или перегрева. Появление в масле абразивных частиц происходит по причине прорыва из цилиндров газов, которые несут в себе сажу и отслоившиеся частицы нагара. Большая часть этих частиц задерживается фильтром при его своевременной замене.
Адгезионный износ возникает, как правило, при недостаточном уровне и давлении масла в подшипниках скольжения, что чаще всего происходит при загрязнении масляных каналов. Еще одной причиной может являться снижение несущей способности масляного клина вследствие разжижения масла топливом или образования водомасляной эмульсии, а также увеличении масляного зазора при износе подшипника скольжения.
Описанные выше явления приводят к контактному изнашиванию, при котором сперва происходит заполировывание поверхности, которое сопровождается значительным увеличением температуры в зоне трения, а потом
размягчение антифрикционных вкладышей, их утонение вследствие выдавливания и наволакивания на шейки вала.
Фреттинг коррозия сопровождается выкрашиванием частиц металла в зоне контакта под действием усталостных разрушений, вызываемых вибрациями и микроперемещениями контактирующих поверхностей. Фреттинг происходит при относительно малых скоростях скольжения, когда элементы длительное время находятся в контакте, что затрудняет унос продуктов износа из зоны контакта и способствует абразивному изнашиванию.
Рисунок 2 - Изношенные шатунные (а) и коренные (б) шейки
коленчатого вала
В связи с этим были различные разработаны способы ремонта коренных и шатунных шеек коленчатых валов двигателя внутреннего сгорания.
Так, например, известен способ ремонта шеек коленчатого вала, заключающийся в том, что на изношенную поверхность шейки устанавливают основную кольцевую ленточную накладку с нанесенной на ее внутреннюю поверхность пастообразным припоем и фиксируют ее на шейке контактно-точечной импульсной пайкой, после чего на наружной стороне поверхности основной накладки последовательно размещают по меньшей мере одну дополнительную кольцевую ленточную накладку, так же с нанесенным на внутреннюю поверхность пастообразным припоем, фиксируемую контактно-импульсной пайкой, причем сумму толщин основной и дополнительной накладок выбирают из условия доведения диаметра изношенной шейки до номинального размера, используют основную и дополнительные накладки, толщина каждой из которых по меньшей мере равна глубине зоны термического влияния на шейку вала при пайке, а перед установкой каждой последующей накладки наружную поверхность предыдущей подвергают индукционной обработке [3].
У такого способа восстановления шеек коленчатого вала имеется недостаток, который заключается в низкой прочности и износостойкости зафиксированных контактно-точечной импульсной пайкой ленточных накладок.
Другой способ ремонта кривошипного механизма двигателя с изношенными шатунными и коренными шейками включает нанесение на изношенные шейки металлического покрытия, последующую их механическую обработку и комплектование с вкладышами подшипников, при котором покрытие наносят электродуговой металлизацией шеек, а вкладыши используют из ленты, выполненной из стали 45 [4].
В данном способе недостатком является высокая стоимость ремонтных работ и трудоемкость контрольных операций, что значительно ограничивает использование данного изобретения на производстве.
Наиболее актуальным является способ ремонта шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, который заключается в индукционной закалке шеек с их последующей механической обработкой шлифованием и финишной обработкой в установленные ремонтные размеры [5].
К недостатку данного способа восстановления следует отнести относительно низкие прочностные характеристики шеек вала вследствие возникновения среза вдоль образовавшихся волокон при действии нагрузок направленных перпендикулярно его оси, поскольку созданная индуктором текстура металла состоит из зерен, выросших в направлении действия теплового потока (перпендикулярно оси вала).
Таким образом, технической проблемой является разработка способа ремонта индукционным упрочнением коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, позволяющего увеличить предел выносливости и долговечности за счет формирования направленной текстуры материала вдоль оси вала.
Решение указанной проблемы достигается тем, что способ ремонта упрочненных индукционной закалкой коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания включает индукционную закалку шеек коленчатого вала с дальнейшей их шлифовкой на ремонтные размеры и финишную обработку. Согласно предложенному изобретению, перед индукционной закалкой поверхность шейки коленчатого вала предварительно нагревают на глубину от 0,5 до 1 мм, а индукционную закалку осуществляют путем перемещения индуктора параллельно оси вала со скоростью от 15 до 25 мм/с при зазоре между индуктором и поверхностью шейки коленчатого вала 5-10% от диаметра закаливаемой детали [6].
При этом предварительный нагрев шейки коленчатого вала необходим для устранения напряжений и облегчения обработки поверхности за счет предупреждения образования внешних и внутренних дефектов, что приводит к повышению сопротивления статическим и усталостным нагрузкам при изгибе коленчатого вала.
Перемещение индуктора в процессе индукционной закалки в направлении оси вала со скоростью от 15 до 25 мм/с в течении 2-3 сек позволяет
получить подвижным тепловым потоком горизонтально направленную текстуру поверхности шейки коленчатого вала с сохранением вязкой сердцевины из-за предотвращения образования остаточных растягивающих напряжений, что обеспечивает повышение предельных нагрузок, воспринимаемых коленчатым валом при работе двигателя внутреннего сгорания, а также износостойкость и одновременно высокую динамическую прочность детали. Кроме того, за счет формирования горизонтально направленной структуры поверхности шейки коленчатого вала происходит повышение надежности коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и продление срока их службы.
Следует отметить, что при перемещении индуктора параллельно оси вала со скоростью менее 15 мм/с на глубине проникновения токов высокой частоты не происходит направленный рост зерна металла, что не обеспечивает получение направленной текстуры поверхности шейки коленчатого вала, а при скорости перемещения индуктора более 25 мм/с ось зерна не успевает сформироваться в направлении оси вала.
При осуществлении индукционной закалки с зазором между индуктором и поверхностью шейки коленчатого вала менее 5% не формируется направленная текстура материала вдоль оси вала, а, следовательно, не происходит упрочнение коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания. При зазоре между индуктором и поверхностью шейки коленчатого вала более 10% от диаметра закаливаемой детали также не позволяет получить подвижным тепловым потоком горизонтально направленную текстуру поверхности шейки коленчатого вала.
Сущность изобретения можно проиллюстрировать следующим примером:
Коленчатый вал изготовлен из стали 40ХНМА имеющей химический состав, %: углерод 0,37-0,44; хром 0,6-0,9; медь 0,3; марганец 0,5-0,8; молибден 0,15-0,25; глубина упрочненного индукционной закалкой слоя составляет 2 мм.
Коленчатый вал помещают в переменное магнитное поле, создаваемое индуктором, где индуцировались вихревые токи, вызывающие нагрев поверхности шейки коленчатого вала. Для нагрева на глубину более 0.5 мм, используется ламповый генератор с частотой 50-10 Гц, мощностью 2 кВт/см. Форма индуктора соответствовала внешней форме шейки вала при постоянном зазоре между индуктором и поверхностью шейки.
После нагрева шейки вала в течении 2 секунд осуществляют перемещение индуктора вдоль оси вала со скоростью 20 мм/с.
Повышение прочности коленчатого вала происходит в процессе создания текстуры металла, направленной вдоль оси вала за счет роста кристаллов в направлении действия теплового поля, перемещающегося вдоль оси вала индуктора установки ТВЧ (токами высокой частоты), который позволит сформировать оси кристаллов перпендикулярно действию нагрузки на
вал. Завершающей операцией восстановления является финишная обработка и полирование.
Поверхностная закалка перемещающимся индуктором позволяет повысить прочность коленчатого вала при одновременном повышении сопротивления статическим и усталостным нагрузкам при изгибе коленчатого вала и высоких контактных напряжениях в опорах скольжения, создавая твердость 52-62 ИЯС. Кроме того, данное изобретение обеспечивает формирование направленной текстуры материала вдоль оси вала, повышая предел выносливости и долговечность в 3,8 раза за счет предотвращения образования остаточных растягивающих напряжений.
На основе проведенного анализа была сформулирована формула изобретения «Способ ремонта индукционным упрочнением коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания».
Способ ремонта индукционным упрочнением коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, включающий индукционную закалку шеек коленчатого вала с дальнейшей шлифовкой на ремонтные размеры и финишную обработку, отличающийся тем, что перед индукционной закалкой поверхность шейки коленчатого вала предварительно нагревают на глубину от 0,5 до 1 мм, а индукционную закалку осуществляют перемещением индуктора параллельно оси вала со скоростью от 15 до 25 мм/с при зазоре между индуктором и поверхностью шейки коленчатого вала 5-10% от диаметра закаливаемой детали.
Подготовлена заявка и получен патент на изобретение №2673900 зарегистрированный в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 03 декабря 2018 года [6].
Список литературы
1. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д. Н. Вырубов, С. И. Ефимов, Н. А. Иващенко и др.; Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - 384 с., ил.
2. Артамонов М. Д., Морин М. М., Скворцов Г. А. Основы теории и конструирования автотракторных двигателей. Учебник для вузов. - М.: Высш. школа, 1978. - 133 с., ил.
3. Пат. 2074802 Российская Федерация, МПК В 23 Р 6/00. Способ ремонта шеек коленчатого вала / Л. Б. Рогинский. Заявитель и патентообладатель Л. Б. Рогинский. - № 9494024097, 10.03.1997.
4. Пат. 2090332 Российская Федерация, МПК В 23 Р 6/00. Способ ремонта кривошипного механизма двигателя с изношенными шатунными и коренными шейками / Н. Ф. Тельнов, Д. Е. Карпов, И. Н. Крупков, Е. И. Соболев. Заявитель Н. Ф. Тельнов, Д. Е. Карпов, И. Н. Крупков, Е. И. Соболев, патентообладатель Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина. - № 95121851/02, заявл. 26.12.1995, опубл. 20.09.1997.
5. Пат. 2158191 Российская Федерация, МПК В 23 Р 6/00. Способ ремонта упрочненных индукционной закалкой коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания / Н. И. Светличный, З. А. Аюкин, В. И. Ищенко, С. М. Леонов. Заявитель и патентообла-
датель Открытое акционерное общество «КАМАЗ». - № 99116155/02, заявл. 22.07.1999, опубл. 27.10.1999, Бюл. № 30.
6. Пат. 2673900 Российская Федерация, МПК В 23 Р 6/00. Способ ремонта упрочненных индукционной закалкой коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания / Д. Д. Какорин. Заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тверской государственный технический университет». - № 2017146119, заявл. 26.12.2017, опубл. 03.12.2018, Бюл. № 34.
Kakorin Daniil Dmitrievich, student (e-mail: kakorin0000@gmail.com)
Lavrentiev Alexey Yurievich, Cand. Tech. Sci., associate professor
(e-mail: lavr_ay@mail.ru)
Tver State Technical University, Tver, Russia
METHOD OF REPAIR BY INDUCTION HARDENING OF CRANKSHAFTS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES
Abstract. This article describes the types of wear of crankshaft necks of internal combustion engines and the causes of its occurrence, discusses known methods of repairing worn crankshaft necks, provides analogues and reveals the essence of the proposed repair method, including induction hardening of crankshaft necks with their further grinding for repair dimensions and finishing.
Keywords: crankshaft, wear, repair and restoration, hardening, induction hardening.
