Підвищення довговічності гільз циліндрів дизельних двигунів реновацією їх робочої поверхні - Автореферат

Стає актуальним встановити, як більш раціонально проводити реновацію спрацьованої робочої поверхні (дзеркала) гільзи циліндра, підвищити її ресурс, зменшити матеріальні та трудові витрати на технічне обслуговування при експлуатації. Розглянуто ряд методів, які використовуються для підвищення довговічності гільз, основними з яких є: розточування спрацьованої робочої поверхні з послідуючим хонінгуванням або сумісним процесом розточування та поверхневого пластичного деформування до ремонтного розміру поршня та поршневих кілець; дугове наплавлення спрацьованої робочої поверхні або індукційне наплавлення порошковою шихтою з наступною механічною обробкою під розмір за кресленням (цей метод можливо використовувати лише для гільз зі сталі, та неможливо в разі виготовлення з чавуна); встановлення сталевої стрічки; хромування або осталення робочої поверхні та інші. Ефективним засобом реновації гільзи циліндра двигуна типу СМД може бути метод розточування спрацьованої робочої поверхні та встановлення (запресування) вилитої тонкостінної вставки, виготовленої зі зносостійкого легованого чавуна. Дослідження за темою дисертаційної роботи виконувались за держбюджетною тематикою у період 1995…2005 рр. згідно з тематичним планом університету, а також з регіональною програмою “Найважливіші проблеми АПК на 1996...2005 рр.” (тема “Розробка та впровадження у виробництво нових технологій відновлення деталей сільськогосподарської техніки”). Методологічно роботу виконано наступним чином: на основі вивчення особливостей зносу гільз циліндрів розробили ефективний матеріал для вставки при її реновації.Це призводить до підвищення динамічних навантажень на деталі, викликає вібрацію двигуна, що в свою чергу впливає на роботу блока циліндрів, циліндро-поршневу групу, клапанний механізм, колінчастий вал та шатунну групу. Виявлено, що строк роботи гільз циліндрів залежить, перш за все, від матеріалу та технології її виготовлення (метод отримання заготовки, механічна та термічна обробка, якість збирання), а також умов експлуатації. До теперішнього часу не досліджена можливість, доцільність та ефективність підвищення довговічності гільзи циліндра методом розточування зношеної робочої поверхні та встановлення литої тонкостінної вставки з низьколегованого чавуна, яка може забезпечити зниження витрат при ремонті, а також високі вимоги експлуатації до цієї деталі. До нового матеріалу, як найбільш твердому, можливо застосувати алмазне вигладжування робочої поверхні та замінити хонінгування, яке є досить складним та працеємким процесом. Метод може мати такі переваги: дозволить одержати гільзи, розмір робочої поверхні (дзеркала) яких вийшов за межі дозволених.Тому стають актуальними розробки, які спрямовані на пошук нових, ефективних методів підвищення довговічності однієї з основних деталей цієї групи - гільзи циліндру. Виконано аналіз, досліджені причини, характер, величина зносу гільз циліндрів поточного виробництва з низьколегованого сірого чавуна після експлуатації. Встановлено, що максимальний знос гільзи відповідає зоні, розташованій на відстані 202...204 мм від її нижньої точки (тобто в зоні, що відповідає положенню компресійного кільця у верхній мертвій точці). Запропоновано метод реновації гільзи циліндру встановленням тонкостінної вставки, яка компенсує знос. Резервом підвищення пластичності сплавів є циклічна термічна обробка, що рекомендується, по режиму: І цикл - 180 0С, ІІ цикл - 250 0С (відповідає інтервалові температур області магнітного перетворення цементиту, враховує відхилення в хімічному складі сплаву і спрямована на формування фазових напруг), ІІІ цикл - 500 0С (забезпечує формування блокової структури та подрібнення голок вторинного цементиту ).

Основний зміст роботи

1. У теперішній час дизельний двигун залишається найбільш економічним у експлуатації транспортних засобів. його робота суттєво залежить від надійності та довговічності циліндро-поршневої групи. Тому стають актуальними розробки, які спрямовані на пошук нових, ефективних методів підвищення довговічності однієї з основних деталей цієї групи - гільзи циліндру.

Основним методом комплексної реновації цієї деталі є розточування на наступний ремонтний розмір зі збільшенням внутрішнього діаметра, що вимагає виготовлення нових деталей, які сполучаються.

2. Виконано аналіз, досліджені причини, характер, величина зносу гільз циліндрів поточного виробництва з низьколегованого сірого чавуна після експлуатації. Встановлено, що максимальний знос гільзи відповідає зоні, розташованій на відстані 202...204 мм від її нижньої точки (тобто в зоні, що відповідає положенню компресійного кільця у верхній мертвій точці). Це звязано з розвитком більш високих температур у цій зоні, різким тиском газів на поршень після згоряння палива, внаслідок чого кільця притискаються до стінок гільзи, і відбувається інтенсивне її зношування.

Розкид значень зносу досягає 22%. Для зони з максимальним зносом характерно і зміцнення, що підтверджується підвищенням (на 23%) рівня твердості робочої поверхні гільзи.

У процесі експлуатації на поверхні тертя формується розвинутий мікрорельєф та зона зміцнення (величина 0,20...0,35 мм). При цьому відбувається розчинення графітових включень і виділення карбідів тертя.

3. Запропоновано метод реновації гільзи циліндру встановленням тонкостінної вставки, яка компенсує знос. Для вибору базового матеріалу такої вставки двигуна типу СМД досліджені ливарний і передільний чавуни. Порівняльним аналізом цих чавунів рекомендовано до застосування передільний, що має більш високу концентрацію нікелю (? 0,90%) і знижену - кремнію (0,45...0,52%). Це забезпечує твердість з мінімальним її розкидом.

4. В лабораторних умовах досліджені різні системи сплавів, що виявило вплив хімічного складу на частку і побудову ледебуриту. Ця структурна складова знижує рівень міцності і пластичності сплаву.

Кількість ледебуритної складової визначається концентрацією хрому і його варто обмежувати 0,8%. Одночасно, концентрація вуглецю в сплаві не повинна перевищувати 3,0%. Нікель не впливає на частку ледебуриту, що кристалізується, однак збільшує стовпчастість побудови тонкостінної вставки. У звязку з цим для роздріблювання зерна і зменшення стовпчастості структури рекомендується мікролегування сплаву ванадієм.

Оцінено вплив структури сплавів на рівень їхніх властивостей. Найбільш високу міцність мають сплави з мінімальною часткою евтектики. Зі збільшенням кількості ледебуриту до ?32% твердість перевищує вимоги ТУ.

5. Резервом підвищення пластичності сплавів є циклічна термічна обробка, що рекомендується, по режиму: І цикл - 180 0С, ІІ цикл - 250 0С (відповідає інтервалові температур області магнітного перетворення цементиту, враховує відхилення в хімічному складі сплаву і спрямована на формування фазових напруг), ІІІ цикл - 500 0С (забезпечує формування блокової структури та подрібнення голок вторинного цементиту ).

6. Вивчено вплив легуючих добавок - нікелю, міді і ванадію, які вводяться у передільний чавун. На основі досліджень запропоновано новий матеріал, технологія виготовлення і встановлення відцентрововилитої вставки в гільзу циліндра при її реновації.

Дослідженнями фізико-механічних та експлуатаційних властивостей рекомендовано матеріал для виготовлення вставки, який має такий хімічний склад, %: до 3,0 C; 0,4...0,7 Si; 0,4…0,7 Mn; 0,6...0,8 Cr; 2,8...3,2 Ni; 0,9...1,1 Cu и до 0,25 V. Таке сполучення цих компонентів сприяє підвищенню розчинності міді і структурно вільному її виділенню. Введення міді в кількості, що рекомендується, забезпечує підвищення зносостійкості за рахунок природного змащення поверхні тертя.

Встановлення вставки з натягом вимагає забезпечення необхідної пластичності. Цю характеристику оцінювали по граничному ступеню деформації зсуву лр до руйнування чавуна. Показано, що максимальну пластичність мають сплави без евтектики, потім чавуни з евтектикою пластинчастої побудови, а найменша у сотової. Суттєвий вплив на зниження пластичності чавуна мають шкідливі домішки S та Р.

7. Встановлено, що необхідна товщина виливка для вставки з легованого матеріалу на основі передільного чавуна повинна бути 12...13 мм. Вона кристалізується протягом 3...4 хв із покриттям ливарної форми товщиною 1,2...1,5 мм.

Зроблено розрахунок елементів зєднання (гільза - вставка) на міцність. Визначено найменший натяг зєднання (др = 42,6 мкм); припустимі і дійсні напруги для вставки ¦уф1 ст.¦ = 109,13107 Па, ¦уф2 розт.¦ = 16,363107 Па, уф1 ст = 31,363107 Па, уф2 розт = 7,93107 Па, відповідно, а також температура нагрівання гільзи при запресуванні вставки повинна бути Т ? 160 0С.

8. Експериментально визначені параметри зміцнення методом алмазного вигладжування для фінішної обробки вставки гільзи циліндра. Оцінено формування мікрорельєфу при різних видах обробки. Визначено вплив зусилля, подачі, швидкості вигладжування, числа робочих ходів і радіуса поверхні інструмента на формування шорсткості оброблюваної поверхні і надані рекомендації з обробки: P = 150…180 H; S = 0,035…0,07 мм/об; V = 1,2...1,8 м/с; K = 1,0...2,0; R = 1,6…2,0 мм, відповідно. Встановлено, що така обробка на 30% скорочує період приробляння деталі і зменшує її знос у цей період (на 10%) і процесу, що триває (на 30%). Це досягається зміцненням структури. Мікротвердість фаз зростає на 10...35%. Мінімальний ступінь зміцнення характерний для цементиту, а максимальний - відповідає перліту.

9. Розроблено комплексну технологію реновації гільз циліндрів двигунів, що включає її розточування, виготовлення та встановлення компенсаційної тонкостінної відцентрововилитої вставки з високостійкого легованого матеріалу на основі передільного чавуна з наступною термічною і механічною обробкою, а також поверхневого зміцнення.

Фактичний економічний ефект від впровадження нового матеріалу і методу відновлення гільзи циліндра, одержаний на Балтському та Старосалтівському РТП, а також на ЛДНВВК дорівнює 51,1 тис грн.

При росширенні обємів впровадження в розмірі 1000 шт. економічний ефект додатково складе 35 тис. грн. гільза циліндр дизельний двигун

1. Іващенко Г.О., іващенко С.Г. Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство. Частина 1. Обробка матеріалів різанням та металорізальні інструменти. Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів. УМЦ ХДТУСГ. -Харків: 2003. -151с. (Автор виконав дослідження з впливу параметрів механічної обробки на якість та шорсткість деталей з нового матеріалу).

2. Иващенко С.Г., Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Иващенко Г.А. Восстановление гильз цилиндров дизельных двигателей. Монография. УМЦ ХНТУСХ. -Харьков: 2005. -181с. (Автор дослідив характер зносу гільз циліндрів, розробив матеріал вставки, вибрав параметри технології відновлення гільзи методом встановлення вставки, що компенсує знос).

3. Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Иващенко С.Г., Иванов В.И. Разработка материала для гильзы цилиндра /Сб. научн. тр. ХГТУСХ “Вопросы механизации сельского хозяйства”. -Харьков: 1996. -С. 152...156. (Автор проводив експериментальні дослідження впливу хімічних елементів на якість металу для гільзи циліндру).

4. Иващенко С.Г. Разработка технологических параметров центробежного литья вставок и гильз цилиндров дизельных двигателей /Сб. научн. тр. ХГТУСХ “Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин”. арьков: 1997. -С. 158...162.

5. Иващенко С.Г., Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Шержуков И.Г., Тридуб А.Г. Анализ качества и износа гильз цилиндров дизелей зарубежного производства Механизация и электрификация сельского хозяйства”. -М.: 1997, № 7. -С. 29...30. (Автор виконав аналіз структурних змін зношених гільз).

6. Иващенко С.Г. Выбор инструментального материала и параметров режущей части резцов для токарной обработки литой вставки и гильзы цилиндра /Сб. научн. тр. ХГТУСГ “Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин”. - Харьков: 1999. -С. 88...93.

7. Иващенко С.Г., Скобло Т.С., Иващенко Г.А. Режимы обработки вставок и гильз цилиндров автотракторных двигателей /Сб. научн. тр. ХГТУСГ “Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин”. - Харьков: 1999. -С. 93...98. (автор проводив експериментальні дослідження впливу режимів обробки на якість гільзи циліндру).

8. Иващенко С.Г., Скобло Т.С. Выбор параметров и результаты алмазного выглаживания рабочей поверхности гильзы цилиндра со вставкой //Сб. научн. тр. СОФ МИСИС “Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве”. - Старый Оскол: 1999. -С. 40...42. (автор досліджував вплив параметрів зміцнення на якість поверхні гільзи циліндру).

9. Иващенко С.Г., Скобло Т.С. Разработка технологии восстановления зеркала гильзы цилиндра двигателя СМД-62 путем постановки компенсационной вставки /Сб. научн. тр. КГТУ “Конструювання виробництво, та експлуатація сільськогосподарських машин”. -Кировоград: 2000. -С. 21…24. (Автор розробив рекомендації з вибору параметрів нової технології відновлення гільзи циліндру).

10. Иващенко С.Г. Исследование особенностей износа гильзы цилиндра двигателей типа СМД и ее восстановление с использованием вставки/ Вісник ХДТУСГ “Підвищення надійності відновлюємих деталей машин”. Вип. 8, том 1. -Харків: 2001. -С. 160…164.

11. Иващенко С.Г., Скобло Т.С., Иващенко Г.А. Повышение эффективности и качества обработки рабочих поверхностей деталей типа “втулка” /Вісник ХДТУСГ “Підвищення надійності відновлюємих деталей машин”. Вип. 8, том 1. -Харків: 2001. -С. 240…243. (Автор встановив оптимальні параметри механічної обробки деталей типу “втулка”).

12. іващенко С.Г., Скобло Т.С. Вибір шихтового матеріалу чавуна для виготовлення вставки гільзи циліндра. /Труды Междунар. конф. “ФЭД” “Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве” -Харьков: 2002. -С. 391…396. (Автор дослідив та зробив вибір базового чавуну для розробки нового чавуна для виготовлення вставки гільзи циліндра, а також визначив вплив V, Ni, Cu на властивості матеріалу вставки).

13. іващенко С.Г., Скобло Т.С., Іващенко Г.О. Вплив мастильно-охолоджувальної рідини на знос різців і шорсткість поверхні при токарній обробці вставки гільзи циліндра двигуна СМД-62. /Вісник ХДТУСГ “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” -Харків: 2004. -С. 185…189. (Автор оцінив плив ЗОР на показники обробки нового матеріалу, дав рекомендації щодо використання найбільш ефективної рідини).

14. Иващенко Г.А., Скобло Т.С., Иващенко С.Г. Повышение долговечности гильз цилиндров дизельных двигателей. Вісник ХНТУСГ, Вип. 39, 2005. -С. 7…12. (Автор запропонував структурно-технологічну схему відновлення гільз циліндрів дизельних двигунів).

15. Иващенко С.Г. Влияние доли карбидной фазы, ледебурита и вредных примесей на пластичность сплава. Вісник ХНТУСГ “Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні”. Вип. 46, Харків: 2006. -С. 190…192.