Введение к работе
Актуальность темы. Применительно к автомобильным деталям коленчатый вал является самой дорогой либо второй по величине стоимости деталью, особенно для крупногабаритного (грузовых автомобилей или сельскохозяйственной техники) дизельного двигателя. До 70% затрат на ремонт автомобильной и сельскохозяйственной техники приходится на приобретение новых запасных частей взамен предельно изношенных. Предельные износы 85% деталей не превышают 0,3 мм, причем многие из них имеют остаточные ресурсы 60% и более и только 20% деталей автомобилей и тракторов, поступающих в ремонт, подлежат окончательной выбраковке. Остальные можно восстановить, причем себестоимость восстановления составит 15...70% от себестоимости изготовления.
Малогабаритные коленчатые валы, как показывает практика, дешевле заменить на новые, а крупногабаритные экономичней восстанавливать, так как восстановление позволяет получить существенную экономию металла, материальных, производственных и трудовых ресурсов. Но здесь возникают сложности – технологические проблемы базирования и механической обработки. В связи с этим повышение технологического обеспечения качества восстановления коленчатого вала на основе комплексного изучения базовой операции металлопокрытия, служащей для формирования вторичной заготовки восстанавливаемой детали, и дальнейшей механической обработки явилось актуальной задачей.
Под качеством в данном случае понимается приближение характеристик восстановленного вала к новому валу посредством минимизации или отсутствия дефектов, оптимального по эксплуатационным характеристикам наплавочного материала или совокупности материалов, оптимального режима обработки металлопокрытия коленчатого вала, износостойкости на рабочих поверхностях и вязкости в галтелях как главных концентраторов напряжений.
Цель – повышение долговечности крупногабаритных коленчатых валов на основе анализа напряженно-деформированного состояния и совершенствования технологического обеспечения их восстановления.
Для достижения данной цели поставлены и решены следующие основные задачи:
-
Разработать математические модели для обоснования технологического обеспечения лезвийной обработки и формирования рабочих поверхностей коленчатого вала с учетом базирования шатунных шеек.
-
Разработать физическую и математическую модели коленчатого вала для определения внутренних напряжений на основе метода конечных элементов и метода фотоупругости для прогнозирования мест начала разрушения шеек вала.
-
Обосновать режим термической операции при нанесении наплавочного металлопокрытия для крупногабаритных коленчатых валов с учетом особенностей распределения температур с целью минимизации концентраторов напряжений.
-
Проанализировать изменение микротвердости по глубине металла коленчатого вала при нанесении различных наплавочных покрытий, что является основанием для формирования технологического процесса восстановления и обработки вала.
-
Выявить особенности макро- и микроструктуры металлопокрытий, на основе рентгенографических методов проанализировать остаточные внутренние напряжения второго рода.
-
Обосновать основные элементы режимов резания при обработке наплавленных слоев.
-
Разработать комплекс технологических операций, необходимых для достижения высокого качества восстановленных крупногабаритных коленчатых валов и дать технико-экономическую оценку повышения их долговечности.
Объект исследования – технологический процесс восстановления коленчатого вала двигателя КамАЗ-740, изготовленного из стали 42ХМФА ТУ 14-1-1296-75.
Предмет исследования – физические закономерности, происходящие при эксплуатации вала и реализации технологического процесса восстановления крупногабаритного коленчатого вала дизельного двигателя.
На защиту выносятся:
-
Математические модели технологической операции лезвийной обработки рабочих поверхностей шеек крупногабаритного коленчатого вала дизельного двигателя.
-
Методика прогнозирования мест разрушения в коленчатых валах с использованием метода конечных элементов.
-
Расчетный метод определения напряженно-деформированного состояния кривошипа с использованием стержневой системы.
-
Системный анализ результатов исследования: трещинообразования в коленчатых валах, изменения температур при нанесении наплавочных металлопокрытий, напряженно-деформированного состояния коленчатого вала методом фотоупругости, макро- и микроструктуры металлопокрытий, изменения микротвердости, рентгенографического, основных характеристик процесса резания при обработке наплавленных слоев лезвийным инструментом.
Научная новизна:
-
Разработано технологическое обеспечение для восстановления крупногабаритных коленчатых валов дизельных двигателей, обосновывающее режим резания лезвийным инструментом наплавленного материала и режим формирования наплавляемого покрытия на основе построения новых математических моделей.
-
Разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния крупногабаритных коленчатых валов посредством применения методов конечных элементов, фотоупругости и стержневых систем для прогнозирования мест разрушения.
-
Разработана экспериментально-аналитическая модель процесса резания, учитывающая силовые, температурные, износовые характеристики и позволяющая определить основные параметры рациональных режимов лезвийной обработки металлопокрытия.
-
Обосновано рациональное соотношение наплавочных материалов и режим предварительной термической обработки для получения покрытия с минимальным количеством концентраторов напряжений, обеспечивающее качество поверхностного слоя восстановленных крупногабаритных коленчатых валов.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработано технологическое обеспечение процесса восстановления крупногабаритных коленчатых валов дизельных двигателей, обеспечивающее ему высокое качество (износостойкость и усталостную прочность), близкое к новым валам, а также экономически выгодное по затратам в современных условиях. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также предложенное технологическое обеспечение процесса восстановления использовано в эксплуатационном и ремонтном производстве НТЦ «Механик-Т» (СГТУ) при ремонте и восстановлении коленчатых валов дизельных двигателей и подтверждено актом внедрения.
Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались:
1. На Международных научно-практических конференциях: «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности», Саратов, 2007; «Математические методы в технике и технологиях XXI МНК», Саратов, 2009; «Прогресс транспортных средств и систем – 2009», Волгоград, 2009.
2. На Межгосударственных научно-технических семинарах: «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания», Саратов, СГАУ, 2009, Саратов, СГАУ, 2010.
3. На Всероссийской научно-технической конференции «Совершенствование техники, технологий и управления в машиностроении» (СГТУ-2009) Саратов, 2009.
4. На конференции молодых ученых «Молодые ученые – науке и производству». Саратов, СГТУ, 2007.
5. На ежегодных конференциях кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» СГТУ: «Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин», Саратов, 2006 – 2010 гг. и кафедры «Технологии машиностроения», Саратов, 2010 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 23 работы в том числе 7 статей в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 187 страницах компьютерного текста и состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 123 наименования. В работе содержатся 109 рисунков и 19 таблиц, а так же приложение.
