Повышение эксплуатационной надежности шатунов высокоформированных дизелей технологическими методами

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — самые массовые и мобильные источники энергии. Ими оснащены автомобили, колесные и гусеничные машины сельскохозяйственного, дорожного и специального назначения. Естественно, для этой цели нужны ДВС соответствующей мощности, причем в соответствии с требованиями научно-технического прогресса с более высокими удельными показателями, то есть с меньшими материалоемкостью, габаритными размерами и т. д. Отсюда — тенденция создания ДВС, форсированных по частоте вращения коленчатого вала и по параметрам термодинамического цикла, в том числе автомобильных комбинированных дизелей. Задача, как видим, сложная, с противоречивыми условиями. Тем не менее она решается на высокофорсированных автомобильных дизелях типа ЧН 21/21, например, путем применения рядом стоящих шатунов с относительно узкими шатунными подшипниками. Узкий шатун позволяет снизить инерционные нагрузки в кривошипно-шатунном механизме за счет уменьшения металлоемкости шатуна с одновременным упрощением конструкции последнего и снижением его стоимости изготовления. Кроме того, размещение двух рядом стоящих на одной шатунной шейке шатунов автомобильного V-образного дизеля является залогом минимальной длины последнего.

Непрерывный рост цилиндровых и агрегатных мощностей автомобильных дизелей автомобильного и сельскохозяйственного назначения приводит к возрастанию нагрузок, действующих в элементах кривошипно-шатунного механизма. Для снижения нагрузки в шатунных подшипниках и для повышения жесткости коленчатых валов шейки последние стремятся делать возможно большего диаметра. Ограничения, накладываемые на размеры кривошипной головки необходимостью демонтажа шатунов через цилиндровые втулки, приводят к тому, что с увеличением диаметра шатунной шейки уменьшается длина стыков кривошипной головки. Это существенно ухудшает работу стыкового соединения и делает стык одним из самых опасных элементов кривошипно-шатунного механизма. Увеличить площадь поверхности стыка в этом случае возможно применением косого разъема. Вместе с тем, анализируя векторную диаграмму нагрузок на шатунный подшипник, следует отметить, что с возрастанием угла разъема стыка к оси кривошипной головки увеличивается величина перерезывающей силы, передаваемой разъемом. Указанное обстоятельство вынудило обратиться к использованию шлицевых или зубчатых стыков, которые в настоящее время нашли широкое распространение в отечественном и зарубежном автомобильном дизелестроении. Главным достоинством зубчатого стыка является его способность передавать значительные перерезывающие нагрузки и повышать жесткость упругого контура корпуса подшипника, хотя технологическая обработка зубчатых поверхностей стыков представляет значительные технологические трудности, связанные с жесткими допусками на точность изготовления зубца и площади контактирования. Кроме того, шатун с косым разъемом менее технологичен и требует более жесткого контроля усилия затяжки резьбового соединения и качества монтажа вкладышей подшипников. При этом в кривошипной головке с косым разъемом затруднено оптимальное и рациональное размещение металла, обеспечивающее требуемую жесткость кривошипной головки с точки зрения улучшенной гидродинамики масляного слоя подшипника скольжения. К тому же в условиях эксплуатации зубчатого стыка, как показывает отечественный и зарубежный опыт, его поверхностный слой менее способен противостоять усталости из-за природной склонности к концентрации напряжений, возникновению и развитию усталостных трещин, износу, коррозии и т. д. Изложенное позволяет констатировать, что к сложной проблеме повышения эксплуатационной надежности элементов кривошипно-шатунных механизмов сельскохозяйственных и автомобильных дизелей требуются принципиально новые подходы.

Моторесурс кривошипной головки шатуна таких ДВС дизеля в большей степени зависит от качества сборки ответственных резьбовых соединений шатунных болтов. Прочность последних должна рассматриваться одновременно с прочностью и жесткостью всего шатуна с обеспечением гарантированной замкнутости стыка кривошипной головки. Потеря затяжки приводит к нарушению замкнутости стыка, к выходу из строя шатунного болта и к аварийному разрушению всего дизеля. К тому же задача обеспечения надежности и долговечности шатунных болтов на этапе проектирования не может быть решена полностью. Анализ характера поломок шатунных болтов показывает, что 20% из них носят усталостный характер, а это доказывает: шатунный болт является сложной и труднодоступной для исследования деталью. Этим и объясняется поиск новых путей решений с целью повышения эксплуатационной надежности высоконагруженного резьбового соединения шатуна.

Важное значение в решении задачи повышения эффективности машиностроения имеет проблема повышения коэффициента использования металла при изготовлении элементов кривошипно-шатунных механизмов. Об актуальности этой проблемы в производстве, например, шатунов для автомобильных дизелей типа ЧН 21/21 ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» говорит тот факт, что коэффициент использования металла в них составляет 0,280,40, что является нерациональным. В лучших зарубежных аналогах шатунов фирм «Крупп», СКЛ (Германия), «Вяртсила» (Финляндия) и др. он достигает 0,85−0,95. В связи с этим возникает необходимость изыскания и обоснования перспективных технологий получения заданных эксплуатационных свойств конструкций при сокращении затрат материала. Нет сомнения в актуальности проблем, связанных с разработкой и реализацией мероприятий по повышению указанного критерия. Для их осуществления необходимо знание основ науки о поверхностном пластическом деформировании, включающей оценку параметров и свойств дефектного слоя, получаемого при точной штамповке шатунов, оценку его влияния на прочностные свойства и разработку технологии упрочнения поверхностного слоя, обеспечивающей соответственно компенсацию его негативного влияния.

Изложенное позволяет констатировать, что проблемы повышения эксплуатационной надежности элементов кривошипно-шатуиных механизмов автомобильных и сельскохозяйственных дизелей технологическими и конструкторскими методами актуальны, и последние еще больше возрастают в связи с разработкой и освоением на ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» нового семейства дизелей типа ЧН 21/21 рядной и V-образной модификаций для стационарной и передвижной энергетики: дизелей 6ДМ-21А для дизель-генераторов сельскохозяйственных установок по программе «Малая энергетика», дизелей 6ЧН 21/21 для маневровых тепловозов ТГМ-4А, силовых агрегатов СА-10 для буровых установок, автомобильных дизелей ДМ-21А для автосамосвалов БелАЗ. Научные и практические результаты работы выполнены в соответствии с грантом Президента Российской Федерации № НШ-2064.2003.8 и использованы в плановых научно-исследовательских работах в 2000;2003 г, г.

Цель исследования: Повышение эксплуатационной надежности элементов шатунов дизелей технологическими методами с использованием поверхностного пластического деформирования.

Объект исследования: шатуны высокофорсированных дизелей 6ЧН 21/21 (6ДМ-21А).

Предмет исследования: технологический метод повышения эксплуатационной надежности шатунов автомобильного дизеля.

Методы н средства исследований. Поставленные задачи требовали параллельного применения теоретических и экспериментальных методов исследования. Теоретические исследования были проведены с использованием расчетно-аналитических методов теории упругости, строительной механики стержневых систем, сопротивления материалов и метода конечных элементов.

Экспериментальные методы исследований базировались: на электротензометрии, механических методах и приборе «Stresscan — 500» при исследовании начальных остаточных напряжений после дифференцированной гидродробеструйной обработки шатунов и образцов-свидетелей.

Научная новизна. Развиты и решены поставленные практикой задачи теории напряженного состояния шатунов высокофорсированных V-образпых автомобильных дизелей на основе метода конечных элементов. Применением метода конечных элементов в сочетании с контактным конечным элементом смоделирован процесс проскальзывания и раскрытия стыка кривошипной головки шатуна, а с учетом изгибных напряжений проанализирована силовая схема работы шатунного болта.

Разработан и апробован на практике метод поверхностного пластического деформирования шатуна и образцов-свидетелей дифференцированным гидродробеструйным упрочнением. Теоретически оценены начальные остаточные напряжения в поверхностном слое высоконагруженных элементов шатунов после поверхностного пластического деформирования.

Практическая ценность. Предложенный метод дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности шатунов повышает эксплуатационную надежность путем снижения неравномерности результирующих напряжений и повышает коэффициент использования металла.

Конструкционно-технологическое решение шатунного болта снижает концентрацию напряжений и составляющую инерционного нагружения, чем повышается эксплуатационная надежность болтового соединения кривошипной головки шатуна и дизеля в целом.

Реализация результатов работы. На основании разработанных комплексных методов были выявлены недостатки шатунов, ограничивающие надежность в эксплуатации, определены пути активного совершенствования шатунов, выявлены имеющиеся резервы и направления по снижению металлоемкости и повышения коэффициента использования металла технологическими методами. В ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» и других организациях серийно внедрен комплекс мероприятий по повышению эксплуатационной надежности высокофорсированных дизелей малоотходными технологическими методами.

Результаты выполненных в работе исследований и разработок нашли отражение в нормативных материалах по автомобильному дизелестроению, в технологических отчетах ЗАО «Волжский дизель им. Маминых». По мере разработки они были применены при проектировании, совершенствовании и эксплуатации нескольких поколений автомобильных высокофорсированных дизелей, созданных в ЗАО «Волжский дизель им. Маминых», в каждом из которых был достигнут высокий технологический уровень и эксплуатационная надежность, включая модификации, отмеченные государственными премиями, аттестованы на высшую категорию качества и поставленные в ряд зарубежных стран (Иран, Ирак, Алжир, Куба, Йемен, Эфиопия и др.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на V Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (БИБиУ, Балаково, 2002 г.) — на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы технического сервиса в агропромышленном комплексе» (Москва, 2002 г.) — на Межгосударственных научно-технических семинарах «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ» (СГАУ Саратов, 2001;2003г.) — на VI Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2003 г.) — на VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза, 2003 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ в центральной печати и сборниках научных трудов, в том числе патент РФ на изобретение. Объем публикаций составляет 4,89 п.л., в том числе только автору принадлежит 1,74 п.л.

Структура п объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 15 таблиц, список литературы содержит 100 источников.

2. Результаты исследования напряженного состояния в эксплуатационных условиях знакопеременного циклического нагружения с применением МКЭ позволяют более верно судить об эксплуатационной надежности конструкции по критерию усталостной прочности. Показано, что использование ККЭ в решении задачи стыкового соединения кривошипной головки шатуна более достоверно моделирует нагружение шатунного болта в предварительно затянутом соединении кривошипной головки. Расчетная методика МКЭ по определению напряжений в шатунных болтах, сохраняя единую схему идеализации упругой системы «шатун-болт» позволяет определить уровень изгибных напряжений в стержне болта, являющихся следствием сложной деформации кривошипной головки шатуна.

3. Для проверки достоверности расчета напряженного состояния шатуна и его элементов, а также определения среднего напряжения цикла с целью назначения начальных остаточных напряжений при ППД проведена экспериментальная оценка. Сопоставление расчетных напряжений с экспериментальными данными показывает, что разность значений напряжений, полученная тем и другим способами, не превышает 10%, то есть точность расчета МКЭ лежит в пределах погрешности эксперимента.

4. Разработан и освоен на практике малоотходный метод дифференцированного гидродробеструйного упрочнения шатунов, позволяющий активно управлять ППД различных участков поверхности конструкции, что дает возможность существенно повысить неравномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность конструкции при усталостном нагружении. Предполагаемая технология позволяет снизить материалоемкость процесса до 50%, довести коэффициент использования материала до К0,8−0,9, снизить трудоемкость изготовления шатуна на 3−4 н.ч., освободить 11−12 фрезерных станков и рабочих, их обслуживающих. Изучены и показаны пути повышения эксплуатационной надежности шатунных болтов и зубчатых стыков (патент РФ № 2 219 043) шатунов конструкторско-технологическими методами. Гидродробеструйным упрочнением шатунных болтов снижается уровень концентрации напряжений на 27%, что выходит за пределы погрешности измерений и обеспечивает повышение предела усталостной прочности и работоспособности шатунных болтов высокофорсированных дизелей.

5. Проведена теоретическая оценка начальных остаточных напряжений в поверхностном слое высоконагруженных элементов шатунов после поверхностного пластического деформирования. Сравнительный анализ начальных остаточных напряжений на примере зубчатого стыка шатуна показывает удовлетворительную сходимость результатов расчета с экспериментальными данными. Анализ эпюр показывает, что при дифференцированном ППД гидродробеструйной обработкой неравномерность распределения результирующих напряжений по отдельным сечениям шатуна снижается в 5−5,5 раз и, соответственно, повышается равнопрочность и эксплуатационная надежность конструкции по критерию «усталостная прочность».

6. Анализ технического состояния деталей и узлов дизеля устанавливает возможность их повторного использования.

Введение

в ремонтную технологию ГДО позволяет нейтрализовать дефектный слой, образованный в процессе работы дизеля, снижающий эксплуатационные характеристики шатунов, а так же повысить предел усталостной прочности в областях подверженных усталостному разрушению. Снижение удельных затрат на ремонт составило 145,6%.

7. Результаты диссертационной работы внедрены в производство и народное хозяйство с годовым экономическим эффектом 2000,75 тыс. руб.

РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. В результате разработки теории и практики внедрения поверхностного пластического деформирования дифференцированной гидродробеструйной обработкой шатунов были обеспечены повышение долговечности и надежная эксплуатация шатунов в серийно изготавливаемых высокофорсированных автомобильных дизелях, что является подтверждением важности народнохозяйственного значения выполненной работы. Разработанные технологические методы повышения эксплуатационной надежности шатунов рекомендуются для широкого внедрения в отечественном и зарубежном автомобильном и сельскохозяйственном дизеле-строении.

2. В результате сравнительной оценки расчетных и экспериментальных исследований начальных остаточных напряжений в зубчатом стыке шатуна после ППД установлено несоответствие в 13%, что позволяет рекомендовать разработанную методику с приемлемой точностью для расчета начальных остаточных напряжений в деталях разнородной упругости.

3. Разработаны новая конструкция и технологический процесс ППД шатунных болтов высокофорсированных автомобильных дизелей, повышающие в 2,4 раза эксплуатационную надежность шатунного болта и снижающие эффективный коэффициент концентрации напряжений в 1,94 раза. Конструкторско-технологические методы повышения эксплуатационной надежности шатунных болтов рекомендуются для внедрения в отечественном и зарубежном дизелестроении. Принимая во внимание, что возникновение и развитие усталостной трещины в шатунном болте является событием случайным и независимым, представляется целесообразным изучить этот вопрос с учетом ППД в вероятностном аспекте.

4. Технологический метод повышения коррозионной прочности зубчатого стыка кривошипной головки шатуна ППД гидродробеструйным упрочнением ликвидирует начальные остаточные растягивающие напряжения, заменяя их начальными остаточными напряжениями сжатия. Полученные положительные результаты позволяют применять ППД как окончательную финишную операцию обработки зубчатых стыков шатунов без влияния на чистоту поверхности и размеры зуба.

5. Из-за отсутствия данных по усталостным характеристикам материала шатуна после ППД заключительное суждение о живучести шатуна может быть сделано по результатам статистической серии испытаний натуральных однотипных конструкций. Дальнейшее развитие метода расчета живучести конструкций ППД дифференцированным гидродробеструйным упрочнением основано на вероятностных представлениях, позволяющих обосновать допустимый запас усталостной прочности с необходимой достоверностью и определить ресурс в связи с вероятностью отказа. Зная же с допустимой вероятностью отказа ресурс шатунов, предоставляется возможность прогнозировать живучесть проектируемых и эксплуатируемых шатунов, планировать для них потребность в запасных частях для ремонта.