В статье изложено обоснование комплексного критерия прочности в качестве отклика фрикционно-упрочняющей обработки шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания с целью обеспечения заданной износостойкости трибосопряжения «шейка коленчатого вала — вкладыш», а также циклической долговечности коленчатого вала.
Ключевые слова: трибосопряжение, коленчатый вал, долговечность, фрикционно-упрочняющая обработка, оптимизация, критерий, отклик, износостойкость, циклическая долговечность.
Надёжность тепловозов и другой маневровой техники (рис. 1) в значительной степени определяется безотказностью и долговечностью двигателя (рис. 2), на который приходится до 40 % всех отказов этих машины. Существенными причинами снижения долговечности двигателей является износ трибосопряжения кривошипно-шатунного механизма «шейка коленчатого вала — вкладыш», а также усталостные поломки коленчатых валов (рис. 3).
|
|
|
|
|
Рис. 1 — Общий вид тепловоза |
Рис. 2 — Общий вид двигателя тепловоза |
Рис. 3 — Общий вид коленчатого вала |
Около 40 % отказов двигателей при длительной эксплуатации обусловлены изнашиванием пары трения «шейка — вкладыш», при этом основным элементом, лимитирующим долговечность сопряжения, является коленчатый вал, который относится к группе деталей, подлежащих восстановлению при капитальном ремонте двигателей.
Известные технологические методы повышения долговечности не получили широкого распространения при восстановлении коленчатых валов вследствие объективных трудностей при их внедрении и использовании. В связи с этим актуальной научно-технической задачей является разработка способа упрочнения, который позволяет с минимальными затратами существенно повысить износостойкость и усталостную прочность в процессе восстановления.
Одним из наиболее эффективных способов упрочнения является формирование на поверхности трения детали белого слоя, резко отличающегося по физико-механическим свойствам и структуре от основного металла. В настоящей статье рассматривается способ фрикционно-упрочняющей обработки (ФРУО), обеспечивающий формирование белых слоев на поверхности железоуглеродистых сплавов.
Решение этой задачи обусловлено оптимизацией режима фрикционно-упрочняющей обработки шеек коленчатого вала. Повышение износостойкости и усталостной прочности основано на определении максимума целевой функции, объективно характеризующей качественные параметры упрочненных шеек коленчатого вала и являющейся откликом на воздействие технологических факторов ФРУО. В связи с этим оптимизация фрикционно-упрочняющей обработки включает определение её отклика, технологических факторов и разработку математической модели [1, 2].
В настоящей статье представлено обоснование отклика фрикционного упрочнения в виде комплексного критерия прочности как критерия оптимизации технологических факторов режима упрочнения шеек коленчатого вала. Комплексный характер заключается в том, что учитываются условия трения сопряжения «шейка вала — вкладыш» и условия знакопеременного нагружения коленчатого вала.
Критерий оптимизации ФРУО должен объективно оценивать изменение состояния элементов фрикционной пары, работающей в заданных условиях трения, следовательно, его выбор связан с определением основной характеристики процесса изнашивания.
Долговечность сопряжения «шейка вала — вкладыш» лимитирована предельным состоянием, которому соответствует максимально допустимый зазор между деталями. На максимальное значение допустимого зазора при длительной эксплуатации главным образом оказывает влияние изменение линейных размеров элементов узла трения, которое характеризуется линейными износами деталей и определяется интенсивностью их линейного изнашивания.
Интенсивность линейного изнашивания Ihi каждого из элементов фрикционной пары определяется по формуле [3]:
(1)
гдеΔHi — линейный износ шейки вала (ΔH1) и вкладыша — (ΔH2);
Lтр — длина пути трения, на котором произошло изнашивание.
Кроме рассмотренной характеристики процесса изнашивания в некоторых случаях (для расчетов) целесообразно пользоваться интенсивностью изнашивания по массе:
(2)
гдеIgi — интенсивность изнашивания элементов сопряжения по массе, кг/м;
ΔGi — масса изношенного элемента: ΔG1 (шейки) и ΔG2 (вкладыша), кг.
Связь интенсивности линейного изнашивания элементов трибосопряжения с интенсивностью их изнашивания по массе определяется зависимостью:
(3)
гдеρi — плотность изнашиваемого материала, кг/м3;
Аа — номинальная площадь контакта, м2;
χi — отношение номинальной площади контакта детали к площади поверхности трения [3]:
(4)
гдеAmi — площадь поверхности трения: шейки вала (Am1) и вкладыша (Am2), м2.
Интенсивность линейного изнашивания IhΣ сопряжения определяется суммой [4]:
. (5)
Износостойкость детали по соответствующей наработке (пути или времени трения) оценивается величиной обратной интенсивности изнашивания [5]:
, (6)
гдеИh — износостойкость по пути трения.
Тогда с учетом формулы (5) износостойкость сопряжения по пути трения ИhΣ можно определить из отношения:
(7)
Для сравнительной оценки триботехнических свойств материалов используется такой показатель, как относительная износостойкость [5], определяющая отношение интенсивности изнашивания одного материала к интенсивности изнашивания другого в одинаковых условиях. При этом один из материалов принимается за эталон. В связи с этим относительную износостойкость пары трения, элементы которой подвергались какому-либо виду упрочнения, можно оценить формулой
(8)
где
— относительная износостойкость трибосопряжения;
IhΣ — интенсивность изнашивания трибосопряжения с неупрочнёнными элементами;
— интенсивность изнашивания трибосопряжения с упрочнёнными элементами;
— износостойкость трибосопряжения с упрочнёнными элементами;
ИhΣ — износостойкость трибосопряжения с неупрочнёнными элементами.
Износостойкость, как свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, рассматривают как триботехническую характеристику материалов фрикционной пары [4]. Износостойкость по пути трения (в дальнейшем — износостойкость) элементов фрикционной пары является комплексным и наиболее универсальным показателем их триботехнического качества. Этот параметр изнашивания является регламентированным и используется для объективного контроля и прогнозирования состояния трибосопряжений различных типов, работающих в конкретных условиях трения. На практике применяется специальная классификация износостойкости деталей различных фрикционных пар [4, 6]. Так, значения износостойкости коленчатых валов и вкладышей автомобильных двигателей соответствуют 12–11 классу.
Таким образом, износостойкость трибосопряжения следует рассматривать как одну из составляющих отклика на воздействие факторов, обуславливающих процесс фрикционно-упрочняющей обработки, который в полной мере удовлетворяет комплексу требований, предъявляемым к критерию оптимизации [1]:
- является эффективной с точки зрения достижения цели;
- является универсальной,
- имеет однозначную количественную оценку;
- существует при всех возможных состояниях исследуемого процесса трения.
Анализ разрушений коленчатых валов показывает, что большей частью изломы имеют усталостный характер [7, 8]. Разрушение начинается от зон наибольших концентраций напряжений, расположенных у краев отверстий для смазывания в шатунных и коренных шейках и у галтелей щек и шеек.
Переменные крутящие моменты, нагружающие шейки, вызывают трещины у краев отверстий. Влияние изгибающих моментов в данном случае менее значительно. Трещины в щеках начинаются в галтелях — в зоне середины длинной стороны щеки. Их вызывают переменные изгибающие моменты, действующие в средней плоскости колена. Разрушения по галтели с выходом на щеку или шейку, вызванные переменным изгибающим моментом, составляют более 85 % от общего числа поломок коленчатых валов.
С учетом анализа поломок коленчатых валов при циклических нагрузках, основными характеристиками прочности валов следует рассматривать предел выносливости при изгибе изг и циклическую долговечность N-1.
Таким образом, для оценки долговечности упрочнённого восстановленного коленчатого вала и оптимизации факторов фрикционно-упрочняющей обработки с учетом рекомендаций [1] в качестве отклика впервые выбран комплексный критерий прочности К:
, (9)
где
— относительная износостойкость трибосопряжения «шейка упрочненного вала — вкладыш»;
N-1 — циклическая долговечность упрочнённого коленчатого вала.
Предлагаемый критерий является безразмерной величиной и удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к критерию оптимизации. Он объективно отражает результаты изнашивания исследуемого трибосопряжения в заданных условиях трения, а также учитывает долговечность упрочнённого вала до его усталостного разрушения и в дальнейшем рассматривается как отклик процесса фрикционного упрочнения коленчатого вала.
Литература:
- Адлер, Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст]. — М.: Наука, 1976. — 280 с.
- Решетов, Д. Н. Надёжность машин [Текст]. — М.: Высшая школа. 1988. — 238 c.
- Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ [Текст] / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, B. C. Комбалов. — М.: Машиностроение. 1977. — 526 с.
- Справочник по триботехнике: в 3 т. T. I. Теоретические основы [Текст] / под общ. ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. — М.: Машиностроение. 1989. — 400 с.
- Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения [Текст]: ГОСТ 27674–88. — М.: Изд-во стандартов. 1988. — 20 с.
- Трение, изнашивание и смазка. Справочник: в 2-х кн. Кн.1. [Текст] / под ред. И. В. Крагельского, В. В. Алисина. — М.: Машиностроение. 1978. — 400 с.
- Бокштейн, З. С. Диффузия и структура металлов [Текст] / З. С. Бокштейн // Успехи современного металловедения. — М.: Металлургия, 1973. — С. 129–196.
- Борисов, Е. В. К вопросу об изучении диффузии в металлах в поле напряжений [Текст] / Е. В. Борисов, Н. Е. Гарбузова, П. Л. Грузин // Пробл. металловедения и физики металлов. 1968. Вып. 59. — С. 36–41.
