ВОССТАНОВЛЕНИЕ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ В

Всероссийский научно-исследовательский институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ)

На правах рукописи

КОСТЮКОВ Александр Юрьевич

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ В МАТРИЦЕ

Специальность 05.20.03 – Технология и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГНУ ГОСНИТИ)

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Лялякин Валентин Павлович.
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Астахов Михаил Владимирович кандидат технических наук Денисов Вячеслав Александрович
Ведущая организация:	Институт механики и энергетики Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва

Защита диссертации состоится «16_ » __февраля_2007г. в 10_час. на

заседании диссертационного совета Д 006.034.01 при ГНУ ГОСНИТИ по адресу: 109428, Москва, 1-й Институтский проезд, д.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ГОСНИТИ по адресу:

109428, Москва, 1-й Институтский проезд, д.1

Автореферат разослан «10_» января 2006г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук Соловьев Р.Ю

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ресурс двигателя, в первую очередь, зависит от износостойкости деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ), которые при капитальном ремонте двигателя заменяются на новые или восстановленные.

Основным способом восстановления изношенных гильз цилиндров является расточка под ремонтный размер, что влечет за собой снижение твердости внутренней поверхности и необходимость организации производства поршней и поршневых колец ремонтного размера. Способы восстановления гильз цилиндров в номинальный размер не нашли широкого применения из–за того, что не соответствуют требованиям стандарта по качеству и имеют высокую себестоимость.

В связи с этим, разработка метода восстановления гильз цилиндров в номинальный размер, отвечающих требованиям стандартов, является актуальной задачей ремонтного производства.

Целью исследований является разработка и внедрение в ремонтное производство новой технологии восстановления гильз цилиндров дизельных двигателей способом термопластической деформации (ТПД), обеспечивающая 100 процентный послеремонтный ресурс.

Объекты исследования это гильзы цилиндров, наиболее распространенных в сельском хозяйстве дизелей, СМД-14, Д-50, А-41, КамАЗ-740, СМД-60.

Предметом исследования являются значения напряженно-деформированного состояния, количественные показатели физико-механических свойств восстанавливаемых гильз цилиндров в процессе воздействия на них переменного градиента температуры, как по радиусу, так и вдоль оси, а также воздействия жесткой охлаждаемой матрицы.

Методы исследования. Процесс ТПД в матрице рассматривали на основе механики деформируемого твердого тела. Экспериментальные исследования проводили с применением теории планирования экспериментов, с использованием современных приборов и оборудования, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей механизма обжатия изношенных гильз цилиндров методом ТПД в матрице из различных марок чугунов, в том числе закаленных гильз цилиндров КамАЗ-740 и СМД-60, а также в разработке установки ТПД, позволяющей восстанавливать широкую номенклатуру гильз цилиндров автотракторных двигателей на номинальный размер.

Научная новизна работы подтверждена Патентом Р.Ф.№ 2181649 «Способ восстановления закаленных гильз цилиндров Б.И. №12, 27.04.2002 и Патентом Р.Ф.№2182932 «Установка для термической обработки полых цилиндрических изделий»

Практическая ценность работы. Оптимизированы параметры технологических процессов восстановления внутренних и наружных цилиндрических поверхностей гильз цилиндров ТПД в матрице. На основе полученных результатов разработан новый технологический процесс и установка для восстановления на номинальный размер гильз цилиндров методом ТПД в матрице, обеспечивающие 100 процентный послеремонтный ресурс.

Реализация результатов исследования. Результаты выполненных исследований внедрены на предприятиях «Щекиноагросервис» г.Щекино, Тульской области и АО «Выгоничиагроремонт» п.Выгоничи, Брянской области при восстановлении гильз двигателя цилиндров ТПД в матрице в виде технологии и оборудования для ее осуществления с экономическим эффектом около 300 тыс. руб. ( в ценах 2005г.)

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на:

-научно-технических советах и конференциях ВНИИТУВИД «Ремдеталь», г. Москва 1991-2003г.

- научно-технических конференциях ГОСНИТИ в г. Москва, 1991-1993 г;

- международной научно-практической конференции "Состояние и перспективы восстановления, упрочнения и изготовления деталей" г. Москва 1999 г;

- международной научно-практической конференции «Инженерно техническое обеспечение АПК и машино-технологические станции в условиях реформирования» г. Орел, 2000г;

- международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию МГАУ, г. Москва 2000г.

- заседании кафедры ремонта и надежности машин МГАУ имени В.П. Горячкина, г Москва, 2001 г

• Научно-техническом семинаре « Восстановление и упрочнение деталей – современный высокоэффективный способ повышения надежности машин» г. Москва, 2003г.
• заседании кафедры технического сервиса, института механики и энергетики МГУ им. Н.П. Огарева, г. Саранск, 2006г.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 12 печатных работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений, изложена на 237 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 30 таблиц, библиографию из 92 наименований, 3 приложения.

На защиту выносятся:

- закономерности механизма обжатия изношенных гильз цилиндров дизелей, которые протекают при различных режимах и способах ТПД в матрице;

-результаты экспериментальных оценок напряженно-деформиро-ванного состояния, физико-механических и эксплуатационных свойств гильз цилиндров, обжатых ТПД в матрице;

- новая технология восстановления гильз цилиндров дизельных двигателей на номинальный размер термопластической деформацией в матрице, обеспечивающая 100 процентный послеремонтный ресурс, новизна которой защищена патентами Российской Федерации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы.

В первой главе изучено состояние вопроса, поставлена цель и определены задачи исследования. Установлено, что основным дефектом гильз цилиндров, отработавших межремонтный ресурс, является износ внутренней поверхности. Износ внутренней поверхности гильзы является сложным трехступенчатым процессом, включающим в себя адгезию, коррозию и абразивный износ. Трещины, сколы, забоины и задиры гильз являются результатом неправильной сборки или разборки двигателей, хранения или транспортировки ремфонда, а также аварийным состоянием ЦПГ. Такие гильзы 100% бракуются. Наибольший износ гильзы, как правило, находится в сечении, соответствующем положению верхнего компрессионного кольца в мертвой точке и является определяющим с точки зрения ремонтопригодности.

Геометрические параметры и химический состав гильз цилиндров автотракторных двигателей по химическому составу и размерам гильзы незначительно отличаются друг от друга и представляют собой тонкостенные полые цилиндры переменного сечения. Относительная толщина стенки гильзы

= (D – d)/ D 0,1…0,14, (1.)

где D и d - соответственно наружный и внутренний диаметры гильзы цилиндров.

В настоящее время разработано несколько способов восстановления и упрочнения внутренней поверхности гильз цилиндров автотракторных двигателей, которые по своей технологии делятся на расточку под ремонтный размер и восстановление до номинального размера. Для восстановления гильз цилиндров в номинальной размер применяются такие способы: металлизация, гальванические способы, запрессовка износостойких пластин, наплавка на внутреннюю поверхность износостойких порошков, восстановление нагревом и т.д.

Основными характерными недостатками приведенных выше способов, в следствии которых они не получили широкого распространения в ремонтном производстве, являются:

металлизация – низкая адгезионная прочность, использование дорогих материалов, сложность мехобработки и высокий уровень шума;

осталивание – низкая износостойкость, сложность мехобработки, высокая трудоемкость;

хромирование – низкая производительность, высокая стоимость процесса, недостаточная смачиваемость и прирабатываемость поверхности;

пластинирование – высокая степень точности всех операций, повышенный износ поршневых колец и угар масла, нарушение теплообмена в стенках гильзы;

центробежное напекание – значительные деформации, высокая стоимость материалов, сложность мехобработки.

Кроме того, практически все эти способы оказывают неблагоприятное влияние на экологию.

Исследования и сравнительные испытания, проведенные во ВНИИТУВИД «Ремдеталь», в Хабаровском ГТУ и других организациях, показали, а практика ремонтного производства подтвердила, что из известных способов восстановления гильз цилиндров автотракторных двигателей наиболее перспективным является способ ТПД. Преимуществами этого способа являются: простота технологии, сохранение первоначальных триботехнических условий для сопряжения гильза – поршневое кольцо, минимальный припуск на мехобработку, высокая производительность и экологическая чистота процесса. Но данный способ требует дополнительных исследований в части управляемости процесса обжатия, получения требуемой усадки за один проход и повышение износостойкости до уровня новой гильзы цилиндров.

Все способы можно разделить на два типа: ТПД гильз в жесткой охлаждаемой матрице (рисунок 1. г, д) и без матрицы, (рисунок 1. а, б, в). Сравнивая способы обжатия гильзы без матрицы, видим, что они отличаются друг от друга взаимным расположением индуктора и охлаждающего спрейера относительно гильзы. Обжатие гильзы происходит при непрерывно-последовательном быстром нагреве и охлаждении локального кольца всего ее участка, в результате действия высокого подвижного градиента температуры (ГТ). Взаимное расположение и движение индуктора и спрейера относительно восстанавливаемой гильзы непосредственно влияют на величину деформации и коробления детали, изменение ее микроструктуры, твердости поверхности, характера и значения остаточных напряжений, образование трещин, производительность процесса и себестоимость восстановления. К общим недостаткам способов ТПД без матрицы следует отнести высокие знакопеременные напряжения, возникающие при нагреве – охлаждении, которые способствуют трещинообразованию, и остаточные напряжения, вызывающие деформацию гильзы. Каждый из этих способов имеет свои конструктивные преимущества и недостатки, но способ обжатия гильзы в матрице имеет значительные преимущества по сравнению со способами восстановления гильз без матрицы, в том числе:

• достигается наибольшая усадка гильз за один цикл Ur = 07…1,1мм;
• отсутствие значительных остаточных напряжений, короблений и трещин;
• высокая точность геометрии внутренней поверхности гильзы (отклонение от цилиндричности не более 0,1мм;)

а) б) в)

Без матрицы, а) – индуктор и спрейер расположены снаружи гильзы, б) – индуктор и спрейер расположены внутри гильзы, в) - индуктор расположен снаружи, а спрейер внутри гильзы: 1 – гильза цилиндра, 2 – индуктор, 3 – спрейер, 4 – центрирующая оправка.

г) д)

В охлаждаемой матрице, г) – незакаливаемых гильз из легированного чугуна д) – закаливаемых гильз: 1 – гильза цилиндра, 2 – индуктор, 3 – спрейер охлаждающий, 4 – матрица, 5 – спрейер закалочный.

Рисунок 1. Схемы способов восстановления внутренней цилиндрической поверхности гильз цилиндров термопластическим деформированием (ТПД)

Для восстановления легированных гильз цилиндров предложенный способ осуществлялся по схеме, представленной на рисунке 1.г. Гильза при нагревании свободно расширяется до контакта с матрицей, при дальнейшем нагревании матрица препятствует свободному расширению материала гильзы, что приводит к её пластической деформации, т.е. перераспределению металла внутрь, по толщине стенки. После процесса ТПД величина остаточной деформации гильзы компенсирует их износ, возникающее коробление гильзы и припуск на механическую обработку.

При ТПД процесс уменьшения внутреннего диаметра происходит за счет пластической деформации материала гильзы. С целью равномерного нагрева гильзы по диаметру и высоте в процессе обжатия необходимо предусмотреть вращение и продольное перемещение гильзы.

Основными параметрами режима восстановления являются: температура нагрева, скорость нагрева, скорость охлаждения, скорость вращения детали, зазор между матрицей и деталью и некоторые другие, которые оказывают существенное влияние на процесс пластической деформации, а следовательно, и на величину уменьшения внутреннего диаметра гильзы.

Температура нагрева, скорость нагрева и скорость охлаждения так же определяют структуру металла восстановленной гильзы. При восстановлении закаленных гильз цилиндров типа СМД-60 необходимо одновременно решить три взаимосвязанные задачи: получить необходимую усадку, закаленную поверхность HRCэ 40…42 и бездефектную внутреннюю поверхность (трещины не допускаются). Усадка определяется пластичностью металла, а твердость его хрупкостью, быстрый нагрев и охлаждение детали вызывают возникновение высоких напряжений, которые приводят к образованию трещин. Для решения задачи ТПД закаленных гильз предложен комбинированный способ восстановления гильз цилиндров, рис.1д.

Исходя из проведенного анализа литературных данных и статистической обработки износов гильз цилиндров, в работе поставлены следующие задачи исследований:

1. Провести анализ существующих способов восстановления, определить потребности и объёмы восстановления гильз цилиндров.
2. Изучить характер и величину износа гильз цилиндров дизелей сельскохозяйственного назначения.
3. Исследовать напряженно-деформированное состояние и определить режимы восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров ТПД.
4. Исследовать физико-механические и эксплуатационные свойства гильз цилиндров дизелей восстановленных ТПД в матрице;
5. Исследовать свойства покрытий, и отработать режимы восстановления наружных посадочных поясков гильз цилиндров различными способами.
6. Провести лабораторные и эксплуатационные испытания гильз цилиндров восстановленных ТПД в матрице;
7. Разработать техническое задание на проектирование установки способом ТПД в матрице.

Вторая глава содержит программу и методику экспериментальных исследований. Предметом исследования являются числовые значения напряженно-деформированного состояния, количественные показатели физико-механических и эксплуатационных свойств восстанавливаемых гильз цилиндров в процессе воздействия на них переменного градиента температуры как по радиусу, так и вдоль оси, а также воздействия жесткой охлаждаемой матрицы.

Исследования величин и характера износов рабочих поверхностей проводились путём микрометрирования с последующей статистической обработкой данных микрометража. Изношенные гильзы цилиндров измерялись на ремонтных предприятиях, в дальнейшем эти данные использовались для определения границ применяемости разрабатываемого способа восстановления.

Исследования процесса ТПД проводили с применением ТВЧ марки ВЧИ-1-60/0,066 на установке, предназначенной для термопластической деформации гильз цилиндров.

Величина усадки гильзы определялась микрометражом внутреннего диаметра до и после термопластического обжатия в двух плоскостях и 4-х сечениях. За среднюю величину усадки Ur принималось среднее арифметическое значение полученных результатов по всем четырем сечениям.

Ur = di / n (2.)

где: d – среднее значение усадки в сечении гильзы, мм;

n =8 – число измерений усадки.

Исследования по оптимизации всех параметров, влияющих на процесс ТПД, определены экспериментально и уточнены при помощи теории планирования многофакторного эксперимента. Изменение температуры нагрева осуществлялось варьированием скорости перемещения гильзы относительно индуктора. Скорость нагрева регулировалась изменением подводимой мощности установки Q = 0,3…4,0 х 10 Вт/м102; Скорость охлаждения регулировалась путем изменения расхода воды через спрейеры в единицу времени. Частота вращения и скорость перемещения гильзы определялись расчетным путем. Измерение твердости внутренней поверхности гильз цилиндров проводилось на приборе 2018ТР.

Исследование температурного поля гильзы во время ТПД выполняли с помощью хромель-алюмелевых термопар, устанавливаемых в гильзе. Сигнал от термопар регистрировался с помощью светолучевого осциллографа

Н-117/1. Для исследования остаточных напряжений в гильзе, восстановленной ТПД, вырезались кольцевые образцы. Остаточные напряжения первого рода на кольцевых образцах определялись методом последовательного удаления слоев. Относительные деформации определялись с помощью тензорезисторов. Микроструктура гильзы,

восстановленной ТПД, исследовалась на микроскопе МИМ-8 при увеличении в 100 и 500 раз.

Ускоренные испытания двигателей проведены на стенде КИ- 5274 с искусственным введением в него элементоорганической присадки АЛП-4Д(ТУ38.101369-73) к топливу с концентрацией 2% (по весу).

Полевые эксплуатационные сравнительные испытания проводились в хозяйствах Калужской области.

Износостойкость гильз в процессе эксплуатации оценивалась отношением изменения линейных размеров (до и после испытаний ) внутренней поверхности гильз восстановленных к новым гильзам.

Для получения достоверных результатов восстановления гильз цилиндров ТПД в матрице определялась партия деталей, достаточная для проведения исследований при заданной величине доверительной вероятности 0= 0,95 и относительной ошибке = 10 %.