CC BY
49
УДК 629.12.004.67
Ю. В. Чеботарёв
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕФОРМИРОВАННЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПРАВКОЙ НА ОСНОВЕ ПОЛЗУЧЕСТИ
Yu. V. Chebotaryov
RESTORATION OF DEFORMED CRANKSHAFTS OF SHIP INTERNAL COMBUSTION ENGINES BY MEANS OF THERMO-MECHANICAL TRIMMING ON THE BASIS OF CREEPING
Представлены теоретические основы термомеханической правки на основе ползучести и результаты экспериментальных исследований образцов, подвергнутых правке этим способом, на усталостные характеристики при симметричном цикле изменения напряжений консольным изгибом. Анализ экспериментальных данных показал практическую неизменность усталостных характеристик круглых образцов, подвергнутых правке.
Ключевые слова: коленчатый вал, ремонт, термомеханическая правка, ползучесть, усталость.
Theoretical bases of thermo-mechanical trimming on the basis of creeping and results of experimental research of the samples subjected to trimming by this way are given in the paper. They are investigated on fatigue characteristics at a symmetric cycle of tension changes by means of cantilevered bending. The analysis of the received experimental data shows a practical invariance of fatigue characteristics of the round samples subjected to trimming.
Key words: crankshaft, repair, thermo-mechanical trimming, creeping, fatigue.
Коленчатые валы являются одной из самых сложнонагруженных и особо ответственных деталей судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). К ним предъявляются высокие требования по надежности и долговечности в процессе изготовления, эксплуатации и ремонта.
Во время эксплуатации коленчатых валов в них возникают различные дефекты, в том числе остаточные деформации в виде искривления оси. Как показывает опыт, величины деформаций часто превышают предельные нормы, при которых техническое использование коленчатых валов недопустимо [1]. Высокая стоимость изготовления коленчатых валов делает актуальной проблему восстановления их работоспособности.
На ремонтных предприятиях крупногабаритные коленчатые валы правят разными способами и по технологиям, разработанным на основе производственного опыта, поэтому отремонтированные коленчатые валы имеют низкую усталостную прочность, нестабильную форму и трещины на шейках.
В наших исследованиях использовался способ термомеханической правки валов на основе явления ползучести. Правка этим способом заключается в том, что вал устанавливается на опоры и на участке его максимального искривления подвергается нагреву по всей окружности до температуры 600...650 °С. Затем при помощи нажимного приспособления создается упругий прогиб в сторону, противоположную имеющемуся искривлению, с последующей выдержкой в нагруженном состоянии. Количество нажимов определяется результатом первого нажима. При создаваемой нагрузке на вал в процессе правки и повышенной температуре в течение некоторого времени часть упругой деформации переходит в пластическую. Какая величина упругой деформации перейдет в пластическую, зависит от релаксационных характеристик материала вала, которые косвенно учитывают явление ползучести - пластической деформации во времени, являющейся первоосновой процесса выправления вала.
Для установления аналитической зависимости между параметрами правки с учетом ползучести, такими как стрелка прогиба, температура нагрева, величина нагрузки, и коэффициентами жаропрочности материала коленчатого вала при заданной температуре, использована теория ползучести - теория упрочнения. В теории упрочнения предполагается, что при фиксированной температуре существует зависимость между деформацией ползучести, ее скоростью и напряжением. Основное уравнение в степенной форме выглядит следующим образом:
єпа d еп = Y•abdt
(1)
где а, в, у - коэффициенты, определяемые с помощью кривых ползучести.
При условии, когда напряжение и температура постоянны во времени, выражение (1) имеет вид
Єп =
(1 + а)-у-сь • t
і
1+а
(2)
Коленчатый вал представляет собой пространственную статически неопределимую систему на упругих опорах с различной жёсткостью таких участков, как рамовые и шатунные шейки, щёки, имеющие различные моменты инерции. Поэтому при расчёте коленчатого вала необходимо использовать эквивалентный момент инерции, зная который можно рассмотреть коленчатый вал как балку постоянного сечения.
С помощью интеграла Мора вычисляется эквивалентный момент инерции при рассмотрении одного колена коленчатого вала, расчётная схема которого представлена на рис. 1:
J = -
0,86 (F + Ql + 0,5 • Q2)
1 1 ч 0,42Q1 + 0,525 • Q2 + 0,84F ’
(3)
Ql + 0,5 • Q2 + F (- +
24 • I
)+
где F - сила, приложенная к щеке, равная весу щеки; Q1 = q1l1; Q2 = q2l2, где q1, q2 - равномерно распределённые нагрузки по длине рамовой и шатунной шеек соответственно; 11, 12 - длины ра-мовой и шатунной шеек соответственно; 11, !2, 13 - моменты инерции рамовой и шатунной шеек и щеки соответственно.
Рис. 1. Расчётная схема колена
Определив эквивалентный момент инерции, можно рассмотреть коленчатый вал как балку постоянного сечения.
Максимальное значение начального прогиба, согласно расчетной схеме правки вала (рис. 2), вычисляется по формуле
f =
P • Ь • г 6 • Е • J • і
(г2 _і2 + ь2)-
Р •( г - а) 6 • Е • J
(4)
где Р - усилие, создаваемое при правке; а - расстояние от левой опоры до точки приложения нагрузки; Ь - расстояние от правой опоры до точки приложения нагрузки; Е - модуль упругости материала вала при температуре правки; J - эквивалентный момент инерции сечения вала в месте максимального прогиба; г - расстояние от левой опоры до места максимального прогиба вала; I - длина вала.
2
3
Рис. 2. Схема правки коленчатого вала как балки постоянного сечения
В произвольный момент времени (ґ > 0) прогиб будет складываться из упругого прогиба и прогиба, обусловленного ползучестью материала:
/ (г, * ) = / (г,0) + (г, *).
Прогиб, вызванный ползучестью коленчатого вала, описывается уравнением
^ / Р л—
/п = А • 7пр1+«- *1+«. В | — 11+“х
(5)
х
с __________
(I — г)в — г • М+а (а2 + Ь2 )-
I
лР _±_
А • ./пр1+а • ґ1+а • С • I (1 +1)
лЬ _1_
А • /пр1+а • ґ 1+а • С • I (I — 1) + а
(6)
й
2 1+а+Р
гДе /пр = 4 • | х Р 4 0 '
— | — х2 • —х - «обобщенный» момент инерции поперечного сечения вала;
? - диаметр вала; г - время выдержки под нагрузкой в процессе правки,
А = [(1 + а) • у] 1+а, В =
(1 + а)
С = -
1 + а
(1 + а + Р)-(2 + 2 а + Р) 1 + а + Р
Аналитическая зависимость (5) между стрелкой прогиба от усилия, создаваемого при правке с учетом явления ползучести - пластической деформации во времени, при постоянных значениях температурного режима, и создаваемой нагрузкой в зависимости от геометрических параметров коленчатого вала, позволяет определить величину выправления коленчатого вала за счет ползучести при заданном времени правки.
Для построения экспериментальных кривых ползучести и определения коэффициентов жаропрочности а, в, у, входящих в уравнение теории упрочнения (1), была проведена правка экспериментальных образцов. Конструкция и размеры образцов были выбраны с учетом последующих испытаний на изгибную выносливость [2]. Исходными заготовками является прокат круглый сталь 35 по ГОСТ 1050-88. Поковки изготовлены в соответствии с ГОСТ 8536-79. Механические свойства поковок соответствуют категории прочности КМ 28, IV группа.
На основании экспериментальных данных построены экспериментальные кривые ползучести в координатах стрелка прогиба/от времени г (рис. 3), с помощью которых определены коэффициенты жаропрочности: а = 5,31; в = 6,05 и у = 10-71,89 [3].
На основе формулы (2), с применением полученных коэффициентов, построены теоретические кривые ползучести, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными, представленными на рис. 3.
Р
■ - о = 78 МПа, • - о = 39 МПа
Рис. 3. Кривые ползучести образцов: экспериментальные кривые - сплошные; расчетные кривые - штриховые
Выражение для определения прогиба в процессе правки, вызванного ползучестью при температуре 650 °С, было получено с использованием значений коэффициентов а, в, у и зависимости (6)
/ = 9,35 • 10-13 • J ~0’96t°,17 — X
х
(I _ г)2,96 _ гй°,96 (а2 + Ъ2)
]
1 +]
] +-----------------------------а
2,77-10_12 • ^ -°,^0Д7]
пр
(7)
Зависимость (7) позволила разработать режимы и провести опытную правку четырёх серий образцов (по 24 в каждой серии) со стрелками прогиба 1, 3, 4 и 5 мм. Анализ результатов опытной правки образцов показал, что расчетные значения прогиба, устраняемого в процессе правки, полученные на основании вышеприведенных аналитических зависимостей, хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Основной эксплуатационной характеристикой, обеспечивающей надежность валов при эксплуатации, является изгибная усталостная прочность. В связи с этим были проведены сравнительные усталостные испытания серий контрольных (недеформированных) образцов и образцов, выправленных данным способом, со стрелками прогиба 1, 3, 4 и 5 мм (по 24 в каждой серии). Образцы испытывались по симметричному циклу изменения напряжений консольным изгибом на базе 10 млн циклов. Определение пределов выносливости образцов произведено методом «лестницы».
Кривые усталости недеформированных (контрольных) и выправленных образцов с различными стрелками прогиба представлены на рис. 4. Зависимость средних значений пределов выносливости при симметричном цикле от стрелки прогиба представлена на рис. 5.
Г
Л
Рис. 4. Кривые усталости образцов: 1 - недеформированных (контрольных); 2 - со стрелкой прогиба 1 мм; 3 - со стрелкой прогиба 3 мм; 4 - со стрелкой прогиба 4 мм; 5 - со стрелкой прогиба 5 мм
0-1,
МПа
270
245
220
0 1 2 3 4 5 I, мм
Рис. 5. Зависимость пределов выносливости экспериментальных образцов от стрелки прогиба
Для выправленных образцов со стрелками прогиба 1, 3, 4 и 5 мм отмечается небольшое снижение пределов выносливости - на 0,3, 1,2, 1,4 и 2,6 % соответственно, что практически незначительно.
Анализ экспериментальных данных показал практическую неизменность усталостных характеристик образцов, подвергнутых термомеханической правке на основе ползучести, по режимам, определенным с помощью представленных выше аналитических зависимостей. Результаты исследований позволили разработать технологию термомеханической правки на основе ползучести натурных коленчатых валов судовых ДВС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чеботарёв Ю. В., Мамонтов В. А., Куличкин Н. В. Результаты статистического анализа прогибов коленчатых валов дизелей марки 6ЧН 31,8/33 // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: в 2 ч. Ч. 1: Материалы 12-й Междунар. практ. конф. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. - С. 421-425.
2. Куличкин Н. В., Чеботарёв Ю. В., Уксусов С. С. Экспериментальные образцы для определения влияния термомеханической правки методом релаксации напряжений судовых валов на изгибную выносливость // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2005. - № 2 (25). - С. 63-65.
3. Куличкин Н. В., Чеботарёв Ю. В., Куличкина М. В. Применение теории упрочнения для восстановления работоспособности валов // Разведка и освоение нефтяных и газоконденсатных месторождений: науч. тр. АстраханьНИПИгаз. - 2004. - № 5. - С. 107-109.
Статья поступила в редакцию 25.11.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Чеботарёв Юрий Валерьевич - Астраханский тепловозоремонтный завод, филиал ОАО «Желдор-реммаш»; главный инженер; atrz@astranet.ru.
Chebotaryov Yury Valerievich - Astrakhan Diesel Locomotive Repair Plant, Branch of the Public Corporation "Zheldorremmash"; Chief Engineer; atrz@astranet.ru.
