Ключевые слова: сопротивление усталости, усталостные испытания, коленчатый вал, повышение ресурса, надежность.
магистрант, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва», г. Саранск
Баранов Андрей Юрьевич
бакалавр, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва», г. Саранск
Фомин Андрей Иванович
Кандидат технических наук, доцент, кафедра технического сервиса машин, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва», г. Саранск
Работа выполнена в соответствии с договором № 16970ГУ /2021 от 17.06.2021 г. по теме «Разработка программно-аппаратного комплекса для проведения усталостных испытаний коленчатых валов», финансируемый Фондом содействия инновациям (программа «УМНИК»).
Коленчатый вал является одной из основных деталей сложной формы двигателя внутреннего сгорания, который вместе с деталями шатунно-поршневой группы определяет его ресурс. Коленчатые валы эксплуатируются в сложных условиях переменных нагрузок. В процессе горения топлива в камере сгорания образуется сила давления газов, действующая на поршень, поршневой палец, и через шатун передается на коленчатый вал двигателя, что в дальнейшем (особенно при неисправной системе) вызывает естественное изнашивание рабочих поверхностей шатунных и коренных шеек вала, а также в некоторых случаях его разрушение (рис. 1).
При непосредственной эксплуатации, в процессе циклического нагружения, наблюдается накопление коленчатым валом микродефектов, что ведет к изменению его прочностных показателей. Анализ научных работ [1, 2, 3] свидетельствует о том, что во время эксплуатации автотранспортного средства усталостная прочность (как одна из важнейших характеристик деталей, работающих в условиях циклического нагружения) коленчатого вала может быть снижена на 25–30%.
Рис. 1. Характерные дефекты коленчатых валов
В настоящее время существует множество способов восстановления изношенных деталей, в том числе, коленчатых валов. Однако основным методом восстановления, составляющим 70–75% от общего объема, является ремонтное шлифование, и лишь оставшиеся 20–25% составляет восстановление рабочих поверхностей нанесением металлопокрытий [4].
Большинство изученных способов восстановления коленчатых валов снижают предел выносливости и тем самым не обеспечивают его нормативный ресурс (0,85), следовательно, для выбора оптимального способа восстановления, применительно к марке двигателя, необходимо провести исследование влияния способов восстановления на усталостную прочность коленчатых валов [5].
В качестве объекта исследования нами принят двигатель ЗМЗ-402 с коленчатым валом 24-1005011-20 в связи с массовостью его производства и хорошей ремонтопригодностью.
Средний предел выносливости новых валов 24-1005011-20 составляет порядка 103 Мпа. Стоит также отметить, что при первом ремонтном воздействии (шлифование на ремонтный размер) исследуемые валы требуют проведения упрочняющей обработки в связи с снижением предела выносливости ниже 0,85. Средний предел выносливости изношенного коленчатого вала (уже подвергавшегося ремонтной шлифовке), не подвергавшегося восстановлению шеек металлопокрытиями, составляет порядка 52 МПа (около 50% от прочности нового). В значительной степени снижается остаточный ресурс восстановленных коленчатых валов (не только в процессе ремонтного шлифования, но и при последующим нанесении металлопокрытия) и повышается вероятность усталостного разрушения вала в процессе эксплуатации. Средний предел выносливости коленчатых валов, восстановленных нанесением металлопокрытий составляет около 50–65 МПа.
В работе [6] дан полный анализ способов восстановления и продемонстрированы результаты усталостных испытаний коленчатых валов, восстановленных по различным методикам. Сравнительная диаграмма относительного предела выносливости восстановленных коленчатых валов в интервале значений представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Сравнительная диаграмма относительного предела выносливости восстановленных коленчатых валов в интервале значений
На территории Республики Мордовия активно развивается способ электроконтактной приварки (ЭКП) [7]. Для исследуемых валов 24-1005011-20 предел выносливости при данном способе составляет порядка 55 МПа, а с упрочнением в виде разгружающих выточек [8] 92 Мпа.
Применимость данного способа для коленчатых валов других марок не имеет каких-либо подтверждений по критерию усталости. При этом ремонтные организации используют ЭКП для всех типов валов, не давая никакой гарантии.
В связи с вышеизложенным для оценки остаточного сопротивления усталости изношенных и восстановленных разными способами коленчатых валов двигателей различной конструкции на сегодняшний день необходимо развивать оборудование для проведения усталостных испытаний.
В соответствии с договором № 16970ГУ /2021 от 17.06.2021 г. по теме «Разработка программно-аппаратного комплекса для проведения усталостных испытаний коленчатых валов», финансируемым Фондом содействия инновациям (программа «УМНИК»), нами разрабатывается комплекс, который будет представлять собой стенд резонансного типа.
Новизна комплекса будет заключаться в возможности одновременного нагружения переменным симметричным циклом изгиба в плоскости кривошипа с постоянной амплитудой напряжения и возбуждения колебаний, при которых испытуемый вал будет скручивается.
Список использованных источников
- Применение карбонитрации для повышения предела выносливости чугунных коленчатых валов / Е. А. Школкин, А. И. Фомин, С. Г. Цих, В. А. Денисов // Труды ГОСНИТИ. 2011. № 2. С. 80–84.
- Токликишвили А. Г. Cовершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей формированием износостойких покрытий : дис. … канд техн. наук : 05.08.04. Владивосток, 2013. 186 с.
- Завистовский С. Э., Завистовский В. Э. Остаточный ресурс восстановленных коленчатых валов // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия В: Промышленность. Прикладные науки. 2015. № 3. С. 34–38.
- Воробьев Е. А. Повышение качества восстановления коленчатых валов двигателей автомобилей плазменно-порошковой наплавкой : дис. … канд. техн. наук : 05.22.10. Курск, 2017. 158 с.
- Фомин А. И., Нуянзин Е. А. Ускоренные испытания на надежность коленчатых валов // Сельский механизатор. 2016. № 9. С. 38–-40.
- Оценка усталостной прочности чугунных коленчатых валов / А. И. Фомин, И. А. Абрамов, И. Ф. Фомина, И. В. Возмилов // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы : межвуз. сб. науч. тр. Саранск, 2017. С. 526–530.
- Перспективы применения метода электроконтактной приварки для восстановления деталей типа «вал» широкого диапазона размеров / А. И. Фомин, В. В. Власкин, А. Н. Зозин, В. А. Кузьмин // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы : межвуз. сб. науч. тр. Саранск : Изд-во Мордов. гос. ун-та, 2016. С. 368–371.
- Фомин А. И. Совершенствование технологии восстановления чугунных коленчатых валов электроконтактной приваркой стальной ленты через промежуточный слой : дис. … канд. техн. наук : 05.20.03. Саранск, 2012. 141 с.
Kudryakov Maxim
master degree, National Research N. P. Ogarev Mordovian State University, Saransk
Вaranov Аndrey
bachelor degree, National Research N. P. Ogarev Mordovian State University, Saransk
Fomin Andrey
PhD in Technical science, associate Professor, Department of Technical service machines, National Research N. P. Ogarev Mordovian State University, Saransk
RESEARCH OF THE FATIGUE STRENGTH OF NEW USED AND REMOVED CRANKSHAFTS
Abstract: The article provides an assessment of the fatigue resistance of new engine crankshafts. The sufficient fatigue resistance of the engine crankshafts, which were worn out and then restored in various ways, was analyzed.
Key words: fatigue resistance, fatigue testing, crankshaft, life extension, reliability.
© АНО СНОЛД «Партнёр», 2021
© Кудряков М. С., 2021
© Баранов А. Ю., 2021
© Фомин А. И., 2021