Совершенствование технологии ремонта деталей и сопряжений клапанной группы двигателей сельскохозяйственной и дорожно-строительной техники

На правах рукописи

ТРЕЛИН Александр Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ И СОПРЯЖЕНИЙ КЛАПАННОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ И ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка» (ГНУ ГОСНИТИ)

Научный руководитель - академик РАСХН, доктор технических наук,

профессор

Черноиванов Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Пучин Евгений Александрович;

кандидат технических наук,

Попов Владимир Петрович

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет »

Защита состоится 15 мая 2008г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 006.034.01 Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка» (ГНУ ГОСНИТИ) по адресу:

109428, г. Москва, 1-й Институтский пр., д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ГОСНИТИ по адресу: 109428, г. Москва, 1-й Институтский пр., д.1.

Автореферат разослан и опубликован на сайте http://gosniti.ru

14 апреля 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Соловьёв Р.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Стратегическим направлением технического сервиса агропромышленного комплекса РФ на период до 2010 г. является обеспечение работоспособности и продление сроков службы имеющегося машинно-тракторного парка за счет повышения качества и ресурса машин и агрегатов на основе освоения прогрессивных технологий их обслуживания и ремонта. Разработка новых ресурсосберегающих технологий с использованием современного оборудования является одной из приоритетных задач развития технического сервиса АПК.

Опыт эксплуатации показывает, что ресурс капитально отремонтированных двигателей тракторов, комбайнов и автомобилей составляет 50 – 60% ресурса новых. В этой связи повышение ресурса отремонтированных двигателей является первоочередной задачей.

Качество функционирования механизма газораспределения в значительной мере определяется герметичностью в сопряжении клапан – седло. Макрогеометрические отклонения, связанные с повышенным биением фаски клапана и седла, способствуют нарушению герметичности сопряжения. С точки зрения эксплуатационных показателей, нарушение герметичности сопряжения приводит к падению давления в цилиндрах, снижению мощности двигателя, повышению теплонапряженности клапана, повышенному расходу топлива, масла и др.

Операции, связанные с ремонтом деталей и сопряжений клапанной группы, являются необходимыми в 85…100% от общего количества поступающих в ремонт двигателей. Производители станочного оборудования предоставляют потребителю рекомендации по выполнению лишь отдельных операций. В решении вопроса повышения качества ремонта с учетом современных технологических возможностей деталей клапанной группы необходимо рассматривать как единую взаимосвязанную систему. Эффективное применение современного высокоточного оборудования и оснастки невозможно без внедрения научно обоснованного технологического процесса.

Цель работы - разработка комплекса технологических методов и средств контроля, направленных на повышение точности позиционирования деталей клапанной группы при ремонте, обеспечение герметичности сопряжения клапан – седло, повышение ресурса работы отремонтированных двигателей.

Объекты исследования. Детали механизма газораспределения двигателей Д-242, Д-245 (Белоруссия), Mielec SW-680 (Польша). Средства контроля и высокоточное технологическое оборудование для ремонта головок блока цилиндров.

Предмет исследования. Влияние основных технологических факторов на точность взаимного положения деталей клапанной группы, герметичность клапанных сопряжений при ремонте двигателя.

Методы исследования. Системный анализ и обобщение данных научно-технической литературы и научно-исследовательских разработок; математическое моделирование с применением ПК; экспериментальный метод исследования.

Научная новизна. Обоснована необходимость введения в технологический процесс ремонта дополнительных мероприятий, обеспечивающих снижение несбалансированного воздействия сил на клапан в механизме газораспределения при эксплуатации дизеля. Выявлено влияние динамических факторов на изменение герметичности сопряжения клапан – седло в процессе работы двигателя.

Определены количественные соотношения между параметрами точности базирования инструмента и герметичности клапанных сопряжений при ремонте.

Разработана математическая модель процесса обработки фаски седла клапана с использованием высокоточного станочного оборудования, позволяющая производить работы с требуемым качеством.

Достоверность и обоснованность научных положений работы обусловливаются метрологической оценкой погрешностей измерений, высокой сходимостью результатов расчетов и экспериментальных данных, использованием современных численных методов реализации математической модели, применением высокоточных сертифицированных средств измерений.

Практическую ценность работы представляют следующие результаты и разработки.

1. Усовершенствован метод и разработано техническое средство, обеспечивающее повышение точности контроля герметичности клапанных сопряжений при ремонте: универсальный вакуум-тестер на основе микропроцессорного комплекса КИ-28229-ГОСНИТИ.
2. Разработаны технологические рекомендации по повышению качества ремонта головок блока и деталей клапанной группы двигателей сельскохозяйственной и дорожно-строительной техники.
3. Разработан комплекс технологических методов и средств контроля, обеспечивающих повышение точности позиционирования деталей клапанной группы при ремонте: приборы для входного контроля геометрических параметров клапана и направляющей втулки КИ-28197-ГОСНИТИ, КИ-28198-ГОСНИТИ.

Реализация результатов исследований. Основные результаты исследования внедрены на предприятиях: ОАО «АРЕМЗ-1», Филиал ГУП «Мосгортранс» 2-й автобусный парк, ООО «Мотортехнология плюс», ООО «Карбюратор – сервис (Московский карбюраторный завод)», включены в методические рекомендации по изучению курсов «Технический сервис машин и оборудования в АПК» ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина, «Метрология и стандартизация» ГОУ ВПО МГУПБ и других ВУЗах страны.

Личное участие автора выражается в получении перечисленных выше результатов, имеющих научную новизну и практическую значимость.

Положения выносимые на защиту

- усовершенствованный технологический процесс ремонта деталей и сопряжений клапанной группы двигателей сельскохозяйственной и дорожно-строительной техники;

- метод определения комплексного показателя качества ремонта деталей и сопряжений клапанной группы дизеля;

- алгоритм обеспечения требуемой точности взаимного расположения деталей клапанной группы, результаты расчета оценки динамических факторов, действующих в механизме газораспределения.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях ГНУ ГОСНИТИ в 2003…2007 гг., ФГОУ ВПО РГАЗУ в 2007 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, в том числе 2 в изданиях, рецензируемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, библиографического списка и 6 приложений. Объем работы: 154 страницы машинописного текста, 54 рисунка, 26 таблиц. Библиографический список содержит 91 наименование, в том числе 8 иностранных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко изложены основные аспекты решаемой проблемы и обоснована ее актуальность, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен обзор исследований, посвященных оценке нагруженности, характера изнашивания клапанов и сопряженных с ними деталей; технологическим процессам и оборудованию для ремонта деталей клапанной группы.

Оценке динамических качеств привода клапана, исследованию условий посадки клапана на седло посвящены работы В.Н. Алимова, А.Н. Карева, Л.В. Корчемного, П.С. Макаревича, С.Н. Хрункова, R.Grunwald, E. Haas и др.

Работы М.А. Анфиногенова, Е.Д. Дейниченко, Л.А. Жолобова, В.П. Ускова, M. Boghe, Zhao Yuncai и др. посвящены исследованиям характера изнашивания клапанов и сопряженных с ними деталей, теплового состояния клапанов и головок блока.

Скорость изнашивания пары клапан – седло находится в зависимости от ускорения клапана при посадке на седло, на которое, в свою очередь, значительно влияет наличие перекоса клапана во втулке. Зависимости износа деталей клапанной группы от зазора в сопряжении клапан – направляющая втулка получены М.А. Анфиногеновым для двигателя Д-54. Недостаточно исследован вопрос изменения погрешности формы седла, появляющейся от направленного действия динамических нагрузок и оказывающей влияние на герметичность в сопряжении клапан – седло.

Совершенствованию технологии ремонта деталей клапанной группы, установлению предельных и допускаемых размеров при ремонте посвящены работы А.А. Захарова, П.М. Кривенко, П.А. Кулько, Г.Д. Межецкого, В.П. Силуянова, А.А. Слепова, Л.К. Челпана, И.А. Янсикене, M. Koichiro и др. Значительное количество работ посвящено технологиям упрочнения поверхностей и создания припуска на тарелках клапанов и клапанных седлах, исследованию теплонапряженного состояния головки блока и методам ремонта трещин.

Анализ существующего оборудования для ремонта головок блока и ГРМ позволяет отметить достаточную насыщенность мирового рынка специализированного станочного оборудования. Несмотря на то, что указанное оборудование характеризуется весьма высокими потребительскими качествами, существует необходимость в сравнительной оценке их параметров с целью выработки технологических требований и рекомендаций по эффективному использованию. Их выполнение должно обеспечить повышение качества и снижение трудоемкости ремонта двигателей.

Эффективность функционирования деталей клапанной группы после проведения ремонта зависит от точности их взаимного положения как взамосвязанной системы. Поэтому существует необходимость в разработке комплекса технологических методов, способствующих увеличению периода сохранения точности взаимного положения деталей и герметичности клапанных сопряжений.

На основе изложенного для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи исследования.

1. Проанализировать рабочую схему взаимодействия изношенных деталей клапанного механизма, учитывающую функциональные взаимодействия составляющих звеньев с целью определения направлений совершенствования технологии их ремонта.
2. Разработать комплект средств измерений для исследования параметров деталей и сопряжений клапанной группы.
3. Исследовать характерные особенности изнашивания деталей клапанной группы, оказывающих влияние на герметичность сопряжений клапан-седло, поступающих в ремонт головок блока на примере дизелей Д-242, Д-245, Mielec SW-680.
4. Экспериментально исследовать технологические параметры уровня качества ремонта основных деталей и сопряжений клапанной группы с учетом оптимальных показателей отремонтированных двигателей.
5. Разработать рекомендации по совершенствованию технологического процесса ремонта ГБЦ за счет повышения точности взаимного расположения деталей и дополнительных технологических мер.
6. Провести производственную проверку и технико-экономическую оценку результатов исследований.

Во второй главе «Программа и методика исследований» обосновываются основные этапы теоретических и экспериментальных исследований, в том числе: изучение степени и характера изнашивания деталей механизма газораспределения; сравнительный анализ технологических процессов, оборудования и оснастки, применяемого при ремонте головок блока; оценку факторов, обусловливающих направленный износ деталей механизма газораспределения; построение расчетной схемы точности взаимного расположения деталей клапанной группы, учитывающей действительные отклонения размеров деталей; анализ геометрической точности базирования для различных типов технологического оборудования; разработку и изготовление комплекса измерительных средств для исследования геометрических параметров деталей клапанной группы; обоснование вакуумметрического метода контроля качества ремонта; экспериментальное исследование и разработку математической модели обеспечения точности при обработке клапанных седел с применением современного специализированного станочного оборудования; разработку комплекса технологических средств, технологических рекомендаций, обеспечивающих высокую точность взаимного расположения деталей клапанной группы при ремонте двигателей сельскохозяйственной и дорожно-строительной техники применительно к реальным условиям технологического оснащения на ремонтных предприятиях страны; производственную проверку и технико-экономическую оценку результатов исследования.

Изложены методики экспериментальных исследований, расчёта количества наблюдений и обработки данных по методу многофакторного корреляционно-регрессионного анализа.

В третьей главе разрабатываются теоретические предпосылки совершенствования ремонта деталей клапанной группы.

Кинематическая схема привода клапана применяющихся в сельскохозяйственной технике двигателей предопределяет смещение линии контакта клапана с коромыслом. Относительному повороту клапана в направляющей втулке способствует пара сил Pe и сила трения Q, действующие на торец клапана со стороны коромысла (рис. 1). Обозначения на рисунке: Р – сила, действующая на торец клапана со стороны коромысла, е – смещение линии контакта клапана с коромыслом, Lвт – длина направляющей втулки; hтвт – расстояние от торца клапана до верхнего торца втулки; y – перемещение клапана Hк – максимальный подъем клапана; f1, f2 – коэффициенты трения скольжения в верхней и нижней части втулки; – коэффициент трения скольжения в сопряжении клапан – коромысло. Для оценки реакций втулки принято усредненное значение = 0,08…0,1.

Расчет сил реакции втулки проведен для выпускного сопряжения двигателя Д-245 при частоте вращения n = 2200 мин-1. Закон подъема толкателя задан в табличной форме. Расчет проведен без учета колебаний деталей привода. Результаты расчета графически представлены на рис. 1.

Рис. 1 Силы, вызывающие колебательные движения клапана в направляющей втулке, реакции и силы трения, возникающие на рабочей поверхности втулки (при подъеме клапана)

Пиковые значения сил реакции во втулке от действия силы трения в контакте коромысло – клапан и момента пары сил, примерно равны (достигают 200 Н), имеют место в первой половине подъема клапана и направлены противоположно. Силы трения и реакции втулки возрастают пропорционально смещению е и коэффициенту трения в этом сопряжении.

Неравномерность изнашивания отверстия втулки определяется балансом действующих сил, которые, в свою очередь, задаются отклонениями от оптимальных соотношений и е. С учетом сил трения, возникающих на поверхности втулки, из полученных графиков можно предположить, что изнашивание отверстия втулки будет происходить с поворотом ее оси в нижней части в сторону оси коромысла.

Взаимное положение торца клапана и оси коромысла при конструировании механизма газораспределения задается:

- величиной смещения е из условия jб min (где jб - величина минимально возможного бокового ускорения клапана);

- величиной h из условия Sm min (где Sm – суммарный теоретический путь скольжения коромысла по клапану). Это условие удовлетворяется при h=(1/2…1/3)Hк, где h – расстояние от торца клапана до оси коромысла, Hк – ход клапана.

В процессе капитального ремонта головок блока направляющие втулки заменяются на новые. При этом существует возможность появления погрешности установки направляющей втулки и отклонения оси отверстия от теоретической базовой оси вследствие:

- отклонений оси отверстия в головке для установки втулки,

- несоосности наружной и внутренней поверхностей втулки,

- смещения угла установки втулки при ремонте (повреждение поверхности отверстия в головке при распрессовке втулки, разнотолщинность втулки и др.).

Это повлечет с одной стороны, повышенный съем материала седла при обработке (уменьшение h и ресурса работы седла), с другой – отклонение положения торца клапана от оптимального заданного конструктивно (изменение е и нарушение равномерного контакта с коромыслом по линии).

Указанное ухудшает условия функционирования клапанного механизма, снижает ресурс работы деталей клапанной группы.

Исследование теоретических предпосылок совершенствования ремонта деталей клапанной группы проведено на основании расчета точности пространственного положения деталей клапанной группы с учетом погрешностей их формы и расположения по вероятностному методу.

При расчете учитываются следующие геометрические параметры:

1. Размеры деталей и геометрические соотношения между ними. Учитываются коэффициентом приведения Сi.
2. Погрешности формы отверстия в ГБЦ под втулку dб, emфб, tфб, фб, Кфб. В обозначениях dб, - размер, emi и ti - среднее отклонение (математическое ожидание) и допуск (дисперсия) i-го размера; i и Ki – коэффициенты относительной асимметрии и относительного рассеивания i-го размера.
3. Погрешности расположения оси и формы отверстия втулки dвт, emвт, tвт, вт, Квт, emфвт, tфвт, фвт, Кфвт.
4. Погрешности расположения оси и формы стебля клапана (центрирующего пилота инструмента) с учетом зазора во втулке d кл(и), emкл(и), t кл(и), кл(и), К кл(и), em фкл(и), t фкл(и), фкл(и), К фкл(и).
5. Погрешности расположения оси и формы седла с учетом зазора во втулке d с, emс, t с, с, К с, em фс, t фс, фс, К фс.
6. Погрешности базирования режущего инструмента с учетом зазора во втулке d ир, emир, t ир, ир, К ир.

Смещение оси центрирующего пилота инструмента относительно оси фаски седла

(1)

Допуск смещения оси центрирующего пилота

(2)