CC BY
24СТЕНДОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НАТУРНЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ НА УСТАЛОСТЬ
Целью работы является обзор существующего программно-аппаратного комплекса (стендового оборудования) для оценки усталостной прочности коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания с имитацией реальных циклов нагружения с возможностью последующей модернизации этого оборудования или разработки новых образцов. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: теоретически обосновать критерии усталостной прочности; определить параметры предельно допустимых значений уровня накопленных повреждений коленчатых валов; разработать методику испытаний на разрабатываемом стендовом оборудовании.
Коленчатый вал относится к наиболее нагруженным деталям кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания и в целом лимитирует его ресурс. В процессе эксплуатации коренные и шатунные шейки коленчатого вала воспринимают общие результирующие усилия от давления газов, сил инерции, возникающие знакопеременные крутящие и изгибающие моменты, трение. Представленные факторы способствуют износу рабочих поверхностей вала, образованию микротрещин и в конечном результате выходу из строя двигателя.
По своей конструкции коленчатые валы различаются в зависимости от типа двигателя (рис. 1).
На сегодняшний день в мировом автомобилестроении наиболее распространены полноопорные валы (коренных шеек здесь на одну больше чем шатунных) рядных, четырехцилиндровых двигателей с рабочим объемом от 1 до 3 л.
Ко.ИЧПШ Ы1Г ИЛ I
ошкшткж» дшшш
Ектнуинхтсцисии именитым
[и. 1Ч1Ш> лтц иК'И
Рис.1. Модификации коленчатых валов
Ввиду большей прочности коленчатого вала относительно рядного, у более нагруженных двигателей грузовых автотранспортных средств, эксплуатируемых при тяжёлых условиях, широко применяются У-образные двигатели с шестью цилиндрами.
Восстановление работоспособности коленчатого вала является сложной проблемой, поскольку требования, предъявляемые к качеству и геометрическим параметрам восстанавливаемых поверхностей достаточно высоки.
Первоначально опорные шейки восстанавливают перешлифовкой под ремонтные размеры (при наличии). Данный метод является наиболее доступным и сравнительно недорогим. Следует учитывать, что при выборе метода ремонтных размеров ресурс снижается. Это объясняется снятием наиболее твердого (износостойкого) слоя и общим уменьшением поверхности трения шейки (диаметр шейки становится меньше); также снижается несущая способность вала (усталостная прочность).
При отсутствии ремонтных размеров применяют методы нанесения металлопокрытия. Перспективным способом на сегодняшний день является электроконтактная приварка (ЭКП) [1]. Способ восстановления ЭКП, включает в себя подготовку восстанавливаемой поверхности коленчатого
вала и саму электроконтактную приварку материала (в виде ленты или проволоки) к поверхности без его расплавления импульсами тока. К достоинствам применяемого способа восстановления можно отнести малое термическое воздействие, не вызывающее изменение структуры материала коленчатого вала, коробление и относительно малое снижение усталостной прочности после восстановления.
Усталостная прочность - способность материала не разрушаться от действия повторно-поперечных нагрузок. Данный параметр является важнейшим показателем предельного состояния деталей машин, работающих под действием циклического нагружения. Стоит также отметить, что, согласно анализу работ [2, 3], разрушение коленчатых валов носит, как правило, усталостный характер с зарождением трещин в зоне галтель.
На сегодняшней день оценку усталостной прочности коленчатых валов производят расчетным (с помощью средств расчета и моделирования ANSYS/LS-DYNA) [3] и экспериментальным методом (разрушающие испытания). Однако, стоит отметить, что основным способом оценки по-прежнему являются разрушающие стендовые испытания для подтверждения расчетных результатов.
Для прогнозирования ресурса коленчатого вала по критерию усталости необходимо специализированное оборудование [4]. На сегодняшний день существуют единицы моделей подобного рода оборудования.
В технических обзорах и научных работах часто упоминается [5, 6], использование стендов для испытания цилиндрических образцов, идентичных по материалу исследуемому коленчатому валу, с определением предела выносливости методом Веллера. К одной из наиболее часто применяемых машин можно отнести стендовое оборудование типа МУИ-6000 и его зарубежные функциональные аналоги: Instro ElectroPuls; Instro R.R. Moore; Walter + Bai AG LFM-T; Time Group inc TNS-S и другие.
Однако, стоит отметить, что из-за характерных особенностей разрушения коленчатого вала, данная стратегия вносит колоссальную погрешность при определении усталостной прочности новых или восстановленных валов, ввиду различий в конструкции, а также (применительно к коленчатым валам, выведенным из эксплуатации) уровня накопленных повреждений.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что для повышения достоверности стендовых испытаний необходимо стендовое оборудование, конструкция которого позволяла бы проводить испытание натурных коленчатых валов. Однако отечественное стендовое оборудование подобного плана не выпускается.
Немецкий производитель SincoTec является лидером в производстве испытательного оборудования резонансного типа. Продукция данной фирмы внедрена в испытательные лаборатории ведущих автомобильных брендов: Volkswagen, Volvo, HYUNDAI и т.д. Согласно каталогам, на данный момент, компания поставляет на рынок оборудование двух систем (рис. 2).
а) б)
Рис. 2. Резонансные стенды производства SincoTec а) система POWER BENDING CAR / TRUCK б) система POWER TORQUE
Система типа POWER BENDING позволяет производить чистый повторно-переменный цикл нагружения изгибом. Данная модель задумана как электромагнитная резонансная система. С этой целью две рычажные массы монтируются на шейки коленчатого вала таким образом, что возникающие при работе изгибающие моменты оказывают уравновешивающее действие друг против друга. За счет пружинных опор обеспечивается развязка колебаний. Стоит отметить, что данное стендовое оборудование позволяет
производить испытание отдельных сегментов (подготовленный образец) коленчатого вала в диапазоне номинального момента изгиба до 10000 Нм.
Система типа POWER TORQUE, позволяет производить испытания натурных коленчатых валов с возможностью определения усталостной прочности при чистом повторно-переменном цикле нагружения кручением. Для реализации нагружения на шейки коленчатого вала монтируются две крутильные массы. При этом возникающие крутящие моменты оказывают уравновешивающее действие друг против друга. Развязка колебаний обеспечивается через абсорберы из эластомера. Согласно техническим характеристикам оборудования, максимальный момент кручения составляет ±6000 Нм.
С точки зрения имитации реальных циклов нагружения коленчатого вала заслуживает внимание отечественная разработка «Стенд для испытаний на усталостную прочность коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания» (патент SU 1603209) [7] (рис. 3).
Стенд позволяет за счет задания асимметрии и амплитуды циклов нагружения осуществлять динамические режимы нагружения, получать более достоверные сведения об усталостной прочности коленчатого вала.
7 5
Рис. 3 Стенд для испытаний на усталостную прочность коленчатого вала
двигателя внутреннего сгорания
1 - система смазки; 2 - плита; 3 - плита для размещения коренных опор; 4 -коленчатый вал; 5 - консольная балка; 6 - опора; 7 - механизм нагружения
Наибольший интерес представляет стенд отечественной разработки резонансного типа Л11-20 [8, 9]. Для обеспечения высокой точности результатов и автоматического режима работы данного типа резонансного стенда нами предлагается его модернизация с последующим созданием образца программно-аппаратного комплекса (стендового оборудования) с заданными техническими характеристиками.
Список использованных источников
1. Фомин А. И. Технология восстановления чугунных коленчатых валов электроконтактной приваркой стальной ленты // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы : сб. науч. трудов междунар. конф. Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2014. С. 301-306.
2. Фомин А. И. Совершенствование технологии восстановления чугунных коленчатых валов электроконтактной приваркой стальной ленты через промежуточный слой : дис. ... канд. техн. наук. Саранск, 2012. 141 с.
3. Костичев В. Э. Повышение сопротивления усталости коленчатых валов тепловых двигателей : дис. ... канд. техн. наук. Самара, 2017. 192 с.
4. Фомин А. И., Кудряков М. С., Кургузкин М. А. Анализ стендов для проведения усталостных испытаний коленчатых валов // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы : сб. науч. тр. / под общ. ред. П. В. Сенина. Саранск : Изд-во Мордов. унта, 2019. С. 417-421.
5. Бухтояров В. Н. Технология восстановления цилиндрических поверхностей валов плазменным напылением с одновременным оплавлением выносной модулируемой дугой (на примере коленчатого вала) : дис. канд. техн. наук. Воронеж, 2003. 153 с.
6. Муравьев А. И. Повышение долговечности восстановленных коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53 с учетом особенностей их
старения : дис. . канд. техн. наук. Кишинев, 1983. 207 с.
7. Стенд для испытания на усталостную прочность коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания : пат. 1603209 СССР, МПК G01M 13/00 / В. К. Фомин, А. Н. Гущин, Ю. К. Забегалов; 4479857, заявл. 25.08.1988; опубл. 30.10.1990. 6 с. : ил.
8. Устройство для контроля и оценки деформации коленчатого вала : пат. 101830 Рос. Федерация, МПК G 01 М 15/02 / П. В. Сенин, А. И. Фомин, Е. А. Школкин; — 2010136897/28, заявл. 02.09.2010; опубл. 27.01.2011, Бюл. № 3, ч. 4. 1 с.
9. Устройство для автоматического отключения питания резонансного стенда : пат. 110188 Рос. Федерация, МПК G 01 М 15/00 / П. В. Сенин, А. И. Фомин, Е. А. Школкин, М. Н. Горохова; — 2011121533/28, заявл. 27.05.2011; опубл. 10.11.2011. Бюл. № 31, ч. 4. -1 с.
Fomin Andrey
PhD in Technical science, associate Professor, Department Technical Service of Machines, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «National Research Ogarev Mordovia State University», Saransk
Kudryakov Maxim
master degree, Institute of Mechanics and Energy, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «<National Research Ogarev Mordovia State University», Saransk
Baranov Igor
bachelor, Institute of Mechanics and Energy, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «<National Research Ogarev Mordovia
State University», Saransk
Вaranov Аndrey
bachelor, Institute of Mechanics and Energy, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «National Research Ogarev Mordovia State University», Saransk
Tsyganov Denis
bachelor, Institute of Mechanics and Energy, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «<National Research Ogarev Mordovia State University», Saransk
BENCH EQUIPMENT FOR FATIGUE TESTING OF FULL-SCALE
CRANKSHAFTS
The article deals with bench equipment for testing full-scale (complete) crankshafts, which allows us to get objective information about the capabilities of parts and components of engines of foreign and domestic production.
Key words: crankshaft, connecting rod neck, root neck, endurance limit, bench tests.
© АНО СНОЛД «Партнёр», 2021 © Фомин А. И., 2021 © Кудряков М. С., 2021
© Баранов И. А., 2021 © Баранов А. Ю., 2021 © Цыганов Д. В., 2021
