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 38 гостей онлайн
Влияние финишной обработки шеек вала на антифрикционные свойства поверхности (СПбГАУ)

УДК 621.9: 658.5

Влияние режима финишной обработки шеек коленчатого вала на антифрикционные свойства поверхности
(СПбГАУ, 2019)

В.Я. Сковородин, д-р техн. наук, профессор Санкт-Петербургский ГАУ
А.В. Антипов, соискатель, Санкт-Петербургский ГАУ

Введение

Основным способом восстановления работоспособности изношенных коленчатых валов автотракторных двигателей является обработка шеек на ремонтные размеры. Однако технологические возможности ремонтных предприятий не позволяют обеспечить качество поверхности на уровне заводов изготовителей. В результате ресурс кривошипно-шатунных узлов отремонтированных двигателей снижается. Важнейшую роль в повышении ресурса сопряжений вал-вкладыш имеют антифрикционные свойства рабочих поверхностей шеек вала.

С целью повышения антифрикционных свойств разработано большое количество различных технологических процессов финишной обработки [1]. Однако в силу различных причин в практике ремонта двигателей они применяются довольно редко. Одним из вариантов обеспечения высоких антифрикционных свойств рабочих поверхностей шеек при восстановлении работоспособности валов является финишная отделочно-антифрикционная обработка [2]. Сущность обработки заключается в алмазном выглаживании поверхности в среде геомодификатора трения с созданием антифрикционных плёнок. Качество поверхности при такой обработке существенно зависит от режима обработки.

Цель исследований – исследование влияния режима отделочной антифрикционной обработки на антифрикционные свойства обработанной поверхности шеек коленчатых валов автотракторных двигателей.

Объект и методика исследований

Исследования проводились на примере коленчатого вала двигателей Д-240, Д-260 как наиболее используемых на тракторах среднего класса. Испытания проводились на машине для испытания материалов на трение и износ 2070 СМТ-1 по схеме «вал-втулка» при 100% проскальзывании.

В качестве «вала» применялись ролики из стали 45Х, изготовленные по технологическим стандартам на изготовление коленчатых валов. Рабочая поверхность после закалки обрабатывалась черновым шлифованием с шероховатостью 8-го класса. Окончательная обработка проводилась алмазным выглаживанием в среде геомодификатора ТСК-СМ (антифрикционная многофункциональная добавка к смазочным материалам общетехнического назначения, ТУ 0257-006-13830045-2016, производства ООО "НЭСК") инструментом с радиусом рабочей части 4 мм на различных технологических режимах. Шероховатость после окончательной обработки соответствовала 9-му классу.

В качестве «втулки» применялись фрагменты вкладышей подшипников коленчатого вала с размерами, обеспечивающими максимально возможное давление в подшипниках коленчатого вала автотракторных двигателей.

Результаты исследований

Антифрикционные характеристики поверхности проявляются в двух периодах работы сопряжений – в период приработки и в период установившегося изнашивания. Установившейся процесс изнашивания также тесно связан с процессом приработки. Основным показателем процесса трения и изнашивания является коэффициент трения.

На рис. 1 показано изменение коэффициента трения в сопряжении вал-вкладыш по мере приработки с постепенным повышением нагрузки при обработке поверхности вала на разных режимах. Из графика видно, что режим отделочно-антифрикционной обработки вала (давление индентора и кратность силового воздействия) существенно влияет на процессы приработки.

Рис. 1. Зависимость коэффициента трения в сопряжении вал-вкладыш от времени приработки при ступенчатом повышении давления для разных режимов обработки поверхности вала

Для оценки влияния технологических параметров и обоснования оптимального режима отделочно-антифрикционной обработки вала по процессу приработки выполнен двухфакторный эксперимент второго порядка. В качестве изменяемых факторов приняты сила давления индентора и кратность силового воздействия (кратность деформирования материала вала). Выполненные исследования [3,4] показали, что эти два параметра являются основными, определяющими процесс формирования профиля поверхности. Скорость выглаживания оставалась неизменной и составляла 1,75 м/сек.

В качестве функции отклика принята скорость уменьшения коэффициента трения в процессе приработки. Оценка адекватности различных видов функций для аппроксимации зависимостей коэффициента трения от времени приработки показала. что наиболее подходящей моделью является логарифмическая функция вида:

где:
a и c – коэффициенты;
t – время.

Тогда скорость изменения (уменьшения) коэффициента трения в процессе приработки будет равна:

Так как функции скорости снижения коэффициента трения имеют одинаковый вид для всех опытов, оценку влияния режима отделочно-антифрикционной обработки вала на процесс приработки можно провести по величине коэффициента a уравнения (2).

План эксперимента и значение функции отклика приведены в таблице 1.

Таблица 1. План и результаты двухфакторного эксперимента влияния режима отделочной антифрикционной обработки на прирабатываемость сопряжения вал-вкладыш

На рис. 2 показана зависимость скорости снижения коэффициента трения от величины силы давления индентора и кратности приложения нагрузки.

Рис. 2. Зависимость скорости снижения коэффициента трения от величины силы давления индентора и кратности приложения нагрузки

Из графика видно, что процесс приработки сокращается как с увеличением силы давления индентора, так и кратности силового воздействия. Причём, увеличение кратности силового воздействия более существенно, чем увеличение силы давления индентора. Это объясняется образованием более устойчивой антифрикционной плёнки в соответствии с увеличением пути трения. С увеличением силы давления индентора приработочные свойства поверхностисначала увеличиваются, а затем практически стабилизируются.

На рис. 3 показан график уровней скорости снижения коэффициента трения в процессе приработки сопряжения вал-вкладыш в зависимости от величины давления индентора и кратности силового воздействия на поверхность вала.

Рис. 3. График уровней скорости снижения коэффициента трения в процессе приработки сопряжения вал-вкладыш в зависимости от величины давления индентора и кратности силового воздействия на поверхность вала

Из графика следует, что оптимальное значение силы давления индентора находится в диапазоне 195 … 205 Н. С целью сокращения времени приработки необходимо увеличивать кратность силового воздействия. Оптимальная величина кратности силового воздействия выходит за пределы исследованного диапазона изменения этого фактора и превышает 20-ти кратное значение.

Эти режимы обработки являются оптимальными только в период приработки, которая кратковременна по сравнению с ресурсом двигателя. Для оценки свойств поверхности в процессе стабилизации изнашивания проведён двухфакторный эксперимент второго порядка, при котором в качестве функции отклика принято значение коэффициента трения в процессе работы сопряжения после окончания приработки. Диапазон изменяемых факторов принят аналогичным эксперименту на прирабатываемость. План и результаты двухфакторного эксперимента влияния режима отделочной антифрикционной обработки на прирабатываемость сопряжения вал-вкладыш приведены в таблице 1.

На рис. 4 показано изменение коэффициента трения в процессе длительной работы после окончания процесса приработки. Как следует из графика, изменения величины коэффициента трения по мере длительной работы не наблюдается. Процессы трения для сопряжений вал-вкладыш с поверхностями, обработанными на разных технологических режимах, хотя и отличаются по абсолютной величине, но достаточно стабильны. Рассеивание значений укладывается в погрешность измерений и кратковременными изменениями процесса трения при остановках стенда.

Тенденция дальнейшего снижения величины коэффициента трения также укладывается в погрешность измерений.

Рис. 4. Зависимость коэффициента трения от времени для установившегося процесса изнашивания сопряжения вал-вкладыш

На рис. 5 показана поверхность зависимости установившегося коэффициента трения сопряжения вал-вкладыш от величины силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия процесса обработки вала.

Рис. 5. Зависимость установившегося коэффициента трения сопряжения вал-вкладыш от величины силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия процесса обработки вала

Коэффициент трения незначительно зависит от изменения силы давления индентора и более существенно от увеличения кратности приложения силового воздействия. Модель второго порядка зависимости коэффициента трения от величины силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия имеет вид:

f = 0,0000019P2 + 0,00012K2 – 0,00026P – 0,00454 + 0,0000066PK + 0,12, (3)

где:
P – сила давления индентора (150Н < P < 250Н);
K – кратность приложения силового воздействия (2 < K < 20).

Оценка адекватности модели проводилась на основе дисперсионного анализа. Результаты дисперсионного анализа приведены в таблице 2.

Таблица 2. Дисперсионный анализ модели зависимости коэффициента трения от режима антифрикционной обработки

Статистически значимый эффект по критерию Фишера при уровне значимости 0,05 имеет только линейный член. Остальные члены уравнения (3) имеют меньшую значимость. В целом адекватность модели (3) оценивается коэффициентом детерминации равном 0,76, что можно признать удовлетворительной и провести оптимизацию функции на минимум.

На рис. 6 показан график уровней установившегося коэффициента трения в процессе изнашивания сопряжения вал-вкладыш в зависимости от величины давления индентора и кратности силового воздействия на поверхность вала.

Рис. 6. График уровней установившегося коэффициента трения в процессе изнашивания сопряжения вал-вкладыш в зависимости от величины давления индентора и кратности силового воздействия на поверхность вала

Решение уравнения (3) на минимум коэффициента трения даёт величину оптимального давления индентора 200 Н и 12-тикратное силовое воздействие.

Выводы

Применение для финишной обработки шеек при восстановлении работоспособности коленчатых валов отделочно-антифрикционной обработки в среде геомодификатора трения ТСК позволяет улучшить антифрикционные свойства рабочих поверхностей.

Наилучшие приработочные свойства имеет поверхность, обработанная при силе давления индентора диаметром 4 мм в диапазоне 195 … 205 Н и возможно большей кратностью силового воздействия. Для установившегося процесса изнашивания сопряжения вал-вкладыш оптимальным режимом антифрикционной обработки является режим обработки при силе давления индентора 200 Н и 12-тикратном силовом воздействии.

Для стандартного ряда подач токарных станков, имеющихся в мастерских сельскохозяйственных предприятий, для диаметра индентора 4 мм оптимальный режим обеспечивается при продольной подаче инструмента 0,08 мм/оборот и трёх проходах инструмента.

Литература

  1. Гаркунов Д.Н. Триботехника: учебное пособие /Д.Н. Гаркунов, Э.Л. Мельников, В.С. Гаврилюк. – Москва: КНОРУС, 2011. – 408 с.
  2. Сковородин В.Я. Исследование влияния финишной антифрикционной обработки шеек на работоспособность подшипников коленчатого вала / В.Я. Сковородин, А.В. Антипов, К.А. Меньшиков // Известия Международной академии аграрного образования – 2017. – Том.1, Выпуск № 35. – С. 117-122.
  3. Сковородин В.Я. Влияние режима отделочно-антифрикционной обработки шеек коленчатого вала на параметры шероховатости поверхности / В.Я. Cковородин, А.В. Антипов //Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. – 2017. – № 4(49). – С. 245–252.
  4. Сковородин В.Я. Влияние кратности силового воздействия при финишной отделочно-антифрикционной обработке шеек коленчатых валов / В.Я. Cковородин, А.В. Антипов // Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозамещения: сборник научных трудов международной научно-практической конференции. – Ч. I / СПбГАУ. – СПб., 2018 (Санкт-Петербург–Пушкин, 25–27 января 2018 года). – С.382 - 387.