Eng
Главная Испытания стендовые
Последний документ


Патент № 2415176


Научное руководство



Зуев Валерий Владимирович

Доктор геол.-минер. наук, академик РАЕН, автор четырех научных открытий, в которых выявлены новые энергетические подходы к объяснению и предсказанию физико-химических свойств минеральных и других кристаллических веществ

Рекомендательное письмо...


Кто на сайте
Сейчас 27 гостей онлайн
Исследование влияния финишной антифрикционной обработки шеек на работоспособность подшипников коленчатого вала (СПбГАУ)

УДК 621.891.2

Исследование влияния финишной антифрикционной обработки шеек
на работоспособность подшипников коленчатого вала
(СПбГАУ, 2017)

В.Я. Сковородин, доктор тех. наук, доцент
А.В. Антипов, аспирант
К.А. Меньшиков, магистрант

Введение

Ресурс автотракторных двигателей до капитального ремонта зависит в большей мере от состояния кривошипно-шатунного механизма, а коленчатый вал – основное звено этого механизма. Коленчатые валы должны соответствовать высоким требованиям механической прочности и эксплуатируются в условиях переменных нагрузок. Шейки вала подвергаются трению при высоких удельных давлениях и больших скоростях. Коленчатый вал – одна из важных дорогостоящих деталей двигателя (его стоимость составляет более 10% стоимости всего двигателя) – в значительной степени определяет его ресурс.

Работоспособность восстановленных шеек коленчатых валов автотракторных двигателей во многом определяет финишный процесс обработки.

Одним из перспективных методов повышения качества восстановленных шеек коленчатых валов является комбинированная отделочно-антифрикционная обработка рабочей поверхности. В качестве отделочной операции предлагается операция алмазного выглаживания в среде геомодификаторов трения. Применение алмазного выглаживания, как одного из составляющих комбинированного технологического процесса финишной обработки, обеспечивает тепловые режимы, необходимые для получения на рабочей поверхности антифрикционных износостойких плёнок.

Цель исследования – оценка влияния финишной антифрикционной обработки шеек на работоспособность подшипников коленчатого вала.

Объект и методика исследований

Исследования проводились на примере восстановления шеек коленчатых валов двигателей семейства Д-240, восстановленных путём обработки под ремонтный размер. Исследования проводились на детали типа вал. Данный вал был изготовлен из стали, аналогичной коленчатому валу (сталь 45) был закален и обработан шлифованием на режиме, соответствующему режиму обработки коленчатого вала Д-240 на ремонтный размер. Исследованию подвергались валы, обработанные по двум вариантам финишных операций. В первом варианте использовалась типовая технология чистового шлифования. Твёрдость поверхности 52…62 HRC, шероховатость поверхности после финишной обработки составила Ra = 0,32…0,16 мкм.

Во втором варианте в качестве финишной обработки проводилась отделочно-упрочняющая обработка в среде геомодификаторов трения, которая представляет собой комбинированную технологию алмазного выглаживания с одновременным применением модифицирующего материала. Данная обработка производилась после операции шлифования. На поверхность образцов наносился геомодификатор ТСК-СМ, смешанный с масляной композицией НЭС СТО 138300045-001-2016 в пропорции 3 к 1. Далее производилось алмазноевыглаживание алмазным наконечником марки ИС 290.00.15 (10х6х22) с радиусом закругления алмаза 4 мм. Выглаживание проводилось в 3 прохода, с нанесением модифицирующего состава перед каждым проходом. Первый проход осуществлялся с силой прижатия индентора к поверхности равной 100 Н, а два последующих с силой 300 Н. Скорость обработки оставалась неизменной и составляла 174 об/мин. Продольная подача была принята равной 0,08 мм/об.

Исследования проводились на машине трения СМТ Ивановского завода испытательных приборов по схеме «колодка (элемент втулки) – ролик (элемент вала)». Исходя из анализа пары трения подшипников коленчатого вала для проведения исследований в качестве элемента «ролик» применялись образцы, изготовленные по технологическим стандартам на изготовление коленчатых валов с последующей термической обработкой. В качестве элемента «колодка» применялись фрагменты подшипников скольжения (размер стандартный ВК-2101-1000102-01 производства ОАО «Заволжский моторный завод»), рабочей поверхностью которых является антифрикционный сплав АСМ (3,5-4,5% – сурьма, 0,5-0,7% – магния, остальное – алюминий).

Смазка поверхностей трения производилась смачиванием маслом, залитым в испытательную камеру. В ходе исследования применялось масло «Лукойл Авангард» SAE 15W-40 APICF-4/SG на минеральной основе, масло этого типа рекомендовано для бензиновых и среднефорсированных автотракторных дизелей.

В процессе проведения исследований измерялись следующие параметры:

  1. Момент трения. Измерение производилось с помощью цифрового вольтметра (Мультиметр DT-830B) по величине выходного напряжения измерительного датчика машины трения с последующим расчётом момента трения с точностью 0,1 Нм. Данный прибор предназначен для следующих основных измерений: значений электрического тока; напряжения между 2 точками в электрической цепи; сопротивления.
  2. Температура в зоне трения. Измерение производились контрольно-измерительным комплексом, состоящим из термопары ТХК (хромель-капель) и измерителя DT-8835 фирмы «ОВЕН». Точность измерениясоставляла 0,1ºС. Выбор был остановлен на пирометре DT-8835, так как он позволяет бесконтактно измерить температуру поверхности различных объектов, в том числе сильно нагретых или находящихся в труднодоступном месте. Оптическое разрешение DT-8835 – 30:1 – позволяет минимизировать рабочую площадь устройства, а регулируемый коэффициент излучения (от 0,1 до 1,00) помогает максимально точно произвести измерение температуры поверхности любых материалов.
  3. Площадь фактического контакта в сопряжении. Площадь определялась измерением штангенциркулем границ контакта и расчётом площади в кв. мм.
  4. Параметры шероховатости рабочей поверхности ролика по ГОСТ 25142-82 и ISO 4287-1997. Параметры шероховатости определялись прибором MITUTOYO " Surftest SJ-301".Профилометр был подключен к персональному компьютеру через интерфейс RS-232C (СОМ-порт). Для этого на персональном компьютере было установлено программное обеспечение Surfpak SJ для обработки и анализа профиля и MeasurLinkReal-TimePlus для статистической обработки данных.

Результаты исследований

Оценка влияния финишной антифрикционной обработки шеек на работоспособность подшипников коленчатого валаоценивалось по двум параметрам – коэффициенту трения и несущей способности сопряжения трения. На рисунке 1 показана сравнительная характеристика изменения коэффициента трения в паре «сталь 45 – сплав АСМ» по мере приработки и повышения контурного давления.

Рис. 1. Изменение коэффициента трения в паре трения «Сталь 45 – сплав АСМ» по мере приработки и повышения контурного давления

Из графика видно, что особое влияние антифрикционной обработки сказывается при больших контурных давлениях, при которых пара трения при шлифованной поверхности вообще не работает.

Несущая способность сопряжений трения скольжения определяется диапазоном давлений, при которых не происходит заедания. На рисунке 2 показано изменение коэффициента трения в паре «сталь 45 – сплав АСМ» по мере приработки и повышения контурного давления.

Рис. 2. Зависимость коэффициента трения в паре трения «Сталь 45 – сплав АСМ» в зависимости от величины контурного давления

Известно, что для конкретных трущихся поверхностей после приработки формируется так называемая равновесная шероховатость [2]. Её параметры зависят от условий работы – материала деталей, свойств смазочного материала, контурного давления и многих других.

На рисунке 3 показано изменение параметров шероховатости поверхности вала по мере приработки и увеличения контурного давления.

Рис. 3. Зависимость среднеарифметического отклонения профиля шероховатости поверхности вала (Ra) от контурного давления в процессе приработки и последующего увеличения контурного давления

Рис. 4. Зависимость высоты неровностей профиля шероховатости поверхности вала по десяти точкам (Rz) от контурного давления в процессе приработки и последующего увеличения контурного давления

Таблица 1. Профили рабочей поверхности валов при различной финишной обработке

Изменение всех высотных параметров шероховатости поверхности ролика показывает, что без применения отделочно-упрочняющей обработки равновесная шероховатость существенно изменяется в зависимости от давления. Причём значения всех параметров увеличиваются.

Так, среднеарифметическое отклонение профиля – Ra при начальном значении в среднем 0,39 мкм увеличилось до 0,96 мкм (до начала заедания). Применение отделочно-упрочняющей обработки существенно изменяет процесс приработки и формирования равновесной шероховатости. Для опытов с начальной шероховатостью 0,11 мкм это значение Ra незначительно изменяется на всём диапазоне нагрузок и достигает значения 0,24 мкм.

Аналогичные зависимости характерны и для других высотных параметров. Высота неровностей профиля по десяти точкам – Rz увеличивается с начальных 1,7 мкм до 2,7 мкм (начало заедания) при работе без комбинированной обработки. В то же время при трении после проведения отделочно-упрочняющей Rz с начального значения 2,75 мкм снизилась до 2,48 мкм.

Результаты испытаний показывают, что применение комбинированной антифрикционной обработки позволяет поддерживать значение фактической опорной площади, соответствующей равновесной шероховатости практически неизменном во всём диапазоне выдерживаемых нагрузок. В то время как при работе без неё это наблюдается только при небольших нагрузках.

Выводы

Применение антифрикционной комбинированной обработки существенно повышает работоспособность сопряжений пар трения скольжения. Давление начала заедания трущихся поверностей в паре трения «Сталь 45 – сплав АСМ» при применении обработки в среде геомодификатора увеличивается в 1,3 раза.

Поверхность после обработки обладает хорошими антифрикционными свойствами. В условиях, имитирующих работу подшипников коленчатого вала двигателей внутреннего сгорания, соответствующих граничному трению, коэффициент трения по отношению к работе сопряжения обработанного по общепринятой технологии в зависимости от нагрузки снижается до 10%.

Поверхность трения после обработки обладает хорошими приработочными свойствами. В случае начальной шероховатости, соответствующей равновесной эксплуатационной высотные параметры не увеличиваются на всём диапазоне нагрузок.

Отделочно-упрочняющая обработка в среде геомодификатора трения формирует равновесную шероховатость, способствующую снижению интенсивности изнашивания трущихся поверхностей. Для пары трения «Сталь 45 – сплав АСМ» среднеарифметическое отклонение профиля – Ra уменьшается до 2,5 раз (в зависимости от давления), высота неровностей профиля по десяти точкам – Rz до 2,7 раз (в зависимости от давления), наибольшая высота неровностей – Rt до 2,5 раз ( в зависимости от давления).

Литература

  1. Гаркунов, Д.Н. Триботехника: Учебник. – М.: Издательство МСХА, 2001. – 616 с.
  2. Введение в природу использования слоистыхгидросиликатов в трибосопряжениях / Телух Д.М., Кузьмин В.Н., Усачёв В.В. // Интернет-журнал «Трения, износ, смазка». – 2009. – №3, – С. 47-59.
  3. ГОСТ 25142-82. Шероховатость поверхности. – Введ. 01.01.1983. – М.: Изд-во стандартов, 1982. – 20 с.
  4. ГОСТ 27674-88. Трение, изнашивание, смазка. – Введ. 01.01.1988. – М.: Изд-во стандартов, 1982. – 20 с.