Способ восстановления коленчатых валов

 

Использование: при ремонте двигателей . Сущность изобретения: способ восстановления .коленчатых валов включает механическую обработку шеек с одновременной обработкой дополнительных галтелей , закрепление на шейках полукольцевых накладок. При этом стыки накладок разме 2 щают в местах, наиболее удаленных от зон концентрации напряжений изгиба и кручения , а их торцы выполняют с профилем, соответствующим профилю прилегающей дополнительной галтели. Параметры каждой накладки находятся с параметрами соответствующей механически обработанной шейки вала в следующих соотношениях: а « -- (0,8-1,1) R; L I - 2 д ; г (0.9...1,5) R; D/d - 0,003...0,05, где d - диметр шейки вала; I - длина механически обработанной части шейки под установку накладок; R - радиус исходной галтели, г - радиус дополнительной галтели; а - расстояние начала дополнительной галтели от соответствующего края шейки; и - толщина накладки; L - ширина накладки; д -зазор между торцом накладки и поверхностью дополнительной галтели. 3 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 ил. ел с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

1(si)s В 23 P 6/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4933654/27 (22) 30.04.91 (46) 07.02.93. Бюл, (ч2 5 (71) Всесоюзное научно-производственное обьединение восстановления деталей "Ремде(тал ьи (72) Ф.Х.Бурумкупов, А.T.ÊóëàêoB, Л.M.Ëåëbчук, В.А.Денисов, В.E.Áëoõ, В.В.10шков и

А.Г7Степанов (66) Авторское свидетельство СССР

N 1442355, кл. В 23 P 6/00, 1906. (54) СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ (67 Р(спольаование: при ремонте двигателеи. Сущность изобретения: способ восстановления .коленчатых валов включает ( механическую обработку шеск с одновременной обработкой дополнительных галтеneh, закрепление на шейках полукольцевых накладок. При этом стыки накладок размеИзобретение касается ремонта двигателеи и предназначено, в частности, для oGecС печения восстановления коленчатых валов, из (ошенных сверх предельных ремонтных размеров, Известен способ восстановления изношенных шеек коленчатого вала (КВ), включаю14ий механическую обработку шеек и гантелей сверх предельных ремонтных размеров с последующей приваркой стальных полуколец по их стыкам, расположенным в зоне минимального износа шеек.

Однако предварительная механическая обработка коленчатого вала под постановку полуколец требуемой толщины (4.„5 мм) Ж, 1792817 А1

2 щают в местах, наиболее удаленных от зонконцентрации напряжений изгиба и круче. ния, а их торцы выполняют с профилем, соответствующим профилю прилегающей дополнительной галтели, Параметры каждой накладки находятся с параметрами соответствующей механически обработанной шейки вала в следующих соотношениях: а- (0,0-1,1) R; (=1- 2 д; r = (0,9...1,5) R; О/0=0,003...0,05, где d — диметр шейки вала; I— длина механически обработанной части шейки под установку накладок; R — радиус исходной галтели, r — радиус дополнительной галтели; а — расстояние начала дополнительной галтели от соответствующего края шейки; Ь â€”; l — ширина накладки; д — зазор между торцом ((акладки Б и поверхностью дополнительной галтели. 3 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 ил. л производится дополнительным шлифованием шеек и галтелей сверх предельных ремонтных размеров на 2,5...3,5 MM no диаметру, что ведет к падению остаточной 4 усталостной прочности коленчатого ва.".а минимУм llа 207г. а Остатоннои Усталоотной долговечности в 5... l0 раз. Поэтому такой способ не эффективен для восстановления валов изношенных сверх ремонтных размеров. Кроме того, расположение сть;ков полуколец в зоне минимального износа не оптимально, так как в общем случае эти зоны не совпадают с зонами минимальных напряжений от изгибающих и крутящих моментов.

1792817

Известен способ восстановления 1)указан лишь общий принцип подхода коленчатых валов, включающий меха- квосстановлениютаких валов, Не проведеническую обработку цилиндрической на оптимизация соотношений параметров поверхности изношенных шеек вала накладок и параметров соответствующих доремонтых размеров с одновременной 5 механически обработанных шеек валов, что обработкой части галтельного перехода и в конечном счете приводит к снижению.долобразованием дополнительной галтели яв- говечности восстанавливаемых валов; ляющейся продолжением обработанной ци- 2) прйварка полуколец без их приклелиндрической поверхности, причем начало ивания к поверхности шеек вызывает додополнительной.галтели находится на гал- "0 полнительные трудности, связанные с тельном переходе на расстоянии отсоответ- . обеспечением плотного прилегания полуколец к шейкам вала. ствующего края шейки.не менее половины величины радиуса исходного галтельного . Возникает волнистость наружной Iloперехода,а радиусдополнительйой галтели верхности полуколец из-за их упругой де" равен половине радиуса исходной (основ- 1б формации под воздействием циклической ной) галтели динамической нагрузки и движения центра и требуют дополнительной оптимизации на,уколец к шейкам возрастают напряжения в основании испытаний и экспериментов.. сварных швах, которыми полукольца приваНаиболее близким техническим ре- риваютсякшейкамвозрастаютнапряжения шением (прототипом) является способ восстановления шеек коленчатых валов, 10 в сварных швах, которыми полукольца привариваются к шейкам и соединяются между йзношенных сверх пределов ремонтных собой. В связи сэтим в околошавной зоне размеров, при котором осуществляютмеха-.. и по сварным швам возникают трещины, ническую обработку шеек с технологическим усталости, ведущие к разрушению соединезаглублением в тело восстанавливаемой по- ния шейка-полукольца. Производительное верхности с одновременной обработкой до- <5 расположение стыков полукольцевых на полнительных галтелей, являющихся кладок или в зоне минимального износа (см.аналог) приводит к снижению усталостйродолжением обработанной цилиндрической поверхности. закрепление на обрабо-, ной долговечности валов, так как в общем тайных -шейках компенсйрующего износа случае минимальные напряжения от дейстслоя материала, например, полукольцевых 5î вующих нагрузок не совпадают с зонами накладок, с последующим шлифованием в минимального износа. номинальный размер. Между торцами полуколец и дополниИ звестн ый способ восстановления котельным галтельным переходом возникают ленчатых валов, изношенных сверх ремонт-:краевые эффекты в виде фриттинг-коррозии ных размеров, предусматривает выполнение в 55 в связи контактом и упругими микроперемепроцессе механической обработки на шей- щениями полуколец относительно шеек КВ.

Это ведет к росту концентрации напряжений в галтельных переходах и снижению ках дополнительных галтелей под постановку и приварку компенсирующих износ усталостной долговечности и прочности коленчатого вала. накладок, но и еет следующие недостатки:

Благодаря выполнению дойолнитель- масс (КВ; полукольца, вкладыш, шатун), ной галтели и сохранению исходной галтели .вследствие чего инициируемая фриттинг(частично) известный способ восстановления коррозия по цилйндрйческой части шейки. по сравнению с аналогом позволяет сохра- 20 Этот процесс приводит.к йовышейию веронитьостаточнуюпрочностьиостаточныйре- ятйости отказа КВ по критерию заедания, сурс коленчатого вала при механической провороту вкладышей и снижению сопрообработке в ремонтный размер. Однако для . тивления усталости. восстановления коленчатого вала, иэно- . В связи с неплотным прилеганием полшенйого сверх ремонтых размеров посред-. 25 уколец к шейкам и упругими деформациями ством приварки, например полукольцевых . их, возникает так называемый "насосный накладок, параметры, предварительной ме- эффект", вйражающийся в подсасывании хайической обработки шеек указаннйе в смазки между шейкой и полукольцами со формуле не правомерны для обеспечения сливомегочерез.зазоры вторцевыхсечениггеобходимой:долговечности коленчатого. 80 ях, что приводит к "маслянному голоданию" вала после восстановления. Эти параметры, в сопряжениях шейка-вкладыш и, как след-. а именно: радиус дополнительной галтели и латвие; к повышению вероятности отказа КВ

": расстояние от края шейки до начала дойол- . по критерию заедания и провороту вкладынительной галтели, справедливы лишь для. шей. валов, изношенных до ремонтйых размеров З5 В связи с неплотным прилеганием пол1792817

Целью изобретения является повышение долговечности коленчатых валов путем устранения указанных выше недостатков.

Указанная цель достигается тем, что в способе восстановления коленчатых валов, изношенных сверх пределов ремонтных размеров, при котором осуществляют механическую обработку шеек с техническим заглублением в тело восстанавливаемой поверхности с одновременной обработкой дополнительных галтелей, лвляющихся продолжением обработанной цилиндрической поверхности, закрепление1 на обработан-! ны < шейках компенсирующего слоя материал4, например, полукольцевых накладок, с последующим шлифованием в номинальныл размер, по предложению, стыки полуколец размещают в местах, наиболее удаленных от зон концентрации напряжений от изгиба и кручения, а их торцы, выполняют с профилем соответствующим профилю прилегающей дополнительной галтели, причем параметры каждой накладки находятсл с параметрами соответствую ще механически обработанной шейки вала в сЬедующих соотношениях: а =(0,8...1.1) R; L= I -2 д r = (0,9...1,5) R; d/Ü = 0,03...0,05; где d — диаметр соответствующей шейки вала; ! — длина механически обработанной части шейки под установку накладок;

R — радиус исходной необработанйой галтели; ! r — радиус дополнительной галтели после механической обработки шейки; а — расстояние начала дополнительной

ranrenn на исходном галтельном переходе от соответствующего крал шейки;

Ь вЂ” толщина накладки пЬсле окончательной механической обработки; ! — ширина наружной поверхности накладки; д — зазор между накладки и поверхность1о прилегающей дополнительной галтели.

Причем на шейках, в местах их сопряжения со щеками, выполнены профилироаанные лыски, расположенные перпендикуллрно плоскости, проходлщей через оси симметрии смежных коренных и ша1унных шеек.

При этом в случае клеевого соединенил накладок с шейками, после отверждения клея в соединении производят механическую разделку стыков полукольцевых накладок, внесение в разделку износостойкой клеевой композиции с последующим ее отверждением.

В случае клеесварного закрепления накладок осуществляют термический отпуск соединения с одновременным отверждением клея при температуре отпуска, равной

5 температуре отверждения клея в течение

2,5..,3,5 ч.

Благодаря выполнению стыков накладок, в местах наиболее удаленных от зон концентрации напряжений от изгиба и кру10 чения, повышается долговечность коленчатых валов.Это пояСняет фиг.2 и фиг.3. Как известно, на кривошип коленчатого вала воздействуют переменные нагрузки в виде изгибающего и крутящего моментов, Макси15 мальные напряжения от изгибных нагрузок возникают в зоне перекрытия шатунньгх и коренных шеек (в зоне выполнения лысок — фиг.2, точка а). Следовательно, стыки полукольцевых накладок долм<ны быть

20 максимально удалены от зоны (фиг.3) соответствующей расположению точки а на фиг,2. С другой стороны максимальные напряжения от крутящего момента возникают " на кромках маслоподводящих отверстий в

25 шейках (фиг. 3, точки Ь), от которых также должны быть максимально удалены стыки (линия стыка) накладок. Поэтому оптимальное расположение стыков (фиг.3) на равном удалении от точек а и b.

30 Оптимизация укаэанных в формуле со- отношений между параметрами накладок и параметрами соответствующих механически обработанных шеек вала позволяет на основанйи результатов эксйериментов, 35 приведенных в табл. 1-3, а такм<е повысить долговечность коленчатых валов, применительно к случаю износа валов сверх пре-. дельных ремонтных размеров.

Многочисленные лабораторные испы40. танил показали, что для максимального повышения долговечности КВ, изношенных сверх предельных ремонтных размеров, и восстановленных клеевым или клеесварным соединением накладок, величину

45 радиуса дополнительных галтелей необходимо увеличить по сравнению с рекомендуемым в прототипе r = 0,5R до r =

=(0,9...1.5) R.

Результаты испытаний приведены в

50 табл. I.

Выявлено также, что оптимальное значение параметра а составляет а

=(0,80...1,10)R. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

55 Экспериментальные исследования показали, что оптимальное отношение толщины накладки к диаметру соответствующей шейки вала находится в диапазоне значений b/à = (0,03-0,05).

1792817

Результаты экспериментов приведены в табл. 3.

Выполнение торцов накладок, примыкающих в дополнительным галтелям с профилем, соответствующим профилю прилегающей галтели, с обеспечением необходимого оптимального зазора между ними равного обеспечить максимально возможное увеличение длины накладок при одновременном исключением трения торцов накладок с поверхностью прилегающих галтелей.

Выполнение пункта 2 предложенной формулы позволяет повысить надежность работы коленчатого вала за счет снижения пика напряжений в опасных сечениях вала на шейках в местах их сопряжения со щеками.

Следует добавить, что исключаются эффекты в виде фреттинг-коррозии в опасных сечениях за счет исключения упругих микроперемещений полуколец относительно шеек, Это уменьшает концентрацию напряжений в галтельных переходах и повышает усталостную долговечность вала в целом. При этом, как показали испь|тания, максимальная ширина лыски составляет не менее радиуса исходной галтели. Ее глубина для чугунных (не закаленных валов) должна быть не менее 1/3R, а для стальных валов (закаленных) не более 0,10...0,20 мм, Только для исключения фреттинг-коррозии в стыке между торцами полуколец и галтельными переходами шеек.

Осуществление термического отпуска клеесварного соединения накладок одновременно с отверждением клея при температуре отпуска, равной температуре отверждению клея в течение 2,5..,3,5 ч позволяют повысить не только надежность соединения, но и производительность процесса восстановления в целом.

Использование клеесварного соединения накладок в отличие от прототипа, где используется только сварка, позволяет гарантированно обеспечить плотное прилегание накладок к поверхности цилиндрической части шеек и в галтельных переходах, что позволяет исключить все вышеуказанные недостатки, связанные с неплотным прилеганием накладок в соединениях.

На фиг. 1 изображена шейка вала, восстановленная клеесварным (клеевым) соединением полукольцевых накладок, общий вид: на фиг, 2 — сечение А — А на фиг. 1; на фиг, 3 — сечение Б-5 на фиг. 1.

Способ осуществляется следующим образом.

Шлифование шеек 1 вала для создания технологического заглубления под установку накладок производится отступая от щек 2 (фиг.1) на величину а = (0,8...1,1)R, Этим сохраняет исходную геометрию галтели в зоне максимальной концентрации напряжений, где зарождаются усталостные разрушения, не внося в нее дополнительные концентраторы от механической обработки и не исключая чистоту поверхности. Заглубление производят с образованием дополнительной галтели с радиусом r = (0,9-1,5)R на глубину по диаметру шейки b = (0,03...0 05)R, считая от номинального размера диаметра шеек вала.

Если вал уже подвергался до восстанов-. ления перешлифовкам на ремонтные размеры, то сначала восстанавливают проектную, то есть предусмотренную чертежом, геометрию галтельного перехода, потом производят технологическое заглубление шеек.

Далее наносят профилированные лыски в опасных сечениях вала, расположенные перпендикулярно плоСкости, проходящей через оси симметрии смежных коренных и шатунных шеек. Основные размеры лысок применительно к чугунным (незакаленным) валам составляют; r R; е 1/3R. Применительно, к стальным (закаленным) валам размеры лысок составляют: rn > R, e =

=(0,03...0,04)R. При этом необходимо обесиечить плавные переходы от щеки к лыске, На этом заканчивается подготовка шеек вала под установку накладок.

Полукольцевые накладки 3 выполняют .из листового материала

b,=Ь+Д где Л вЂ” припуск на обработку. Их изготавливают штамповкой с последующей сверловкой маслоподводящих отверстий, расточкой по внутренней поверхности с плавным закруглением торцов с внутренней поверхности, обеспечением необходимой ширины полуколец и закалкой с целью обеспечения оптимальной твердости по наружной поверхности. Длина накладки по наружной поверхности L =! - 2 д, где д— зазор между торцами накладки и поверхностью прилегающих дополнительных галтелей (д = 0,2...0,3 мм).

Далее полукольца 3 по внутренней поверхности и шейки вала подвергаются очистке и обезжириванию. На подготовленные поверхности наносят слой клея 4 и производят сборку соединений с использованием специальных струбцин. После этого при необходимости, производят приварку накладок продольными швами 5 к шейкам и между собой.

1792817

1

Отверждение клея 4 ведут в печи с одновременным отпуском при температуре

250...300 С, равной температуре отверждения клея (клей берут из класса клеев горячего отверждения).

Пример. Восстановление шатунных ш ек коленчатого вала двигателя ЗМЗ-53 из

K0BK0ãо чугуна ВЧ-50 (d = 60 мм — диаметр швейки вала, R = 2 мм (радиус исходной галте1и), Шлифование шеек вала для создания технологического заглубления производится отступая от щек на величину а = 1,6 мм, чт составляет 0,8 R, Заглубление производят с образованием дополнительной галтели радиусом r = 2

I мм (R = r), на глубину Ь = 2 мм по диаметру шейки вала, считая от номинального размера, чтосоставляет при d = 60 мм; Ь/d = 0,033.

Профилированные лыски выполняются профильной цилиндрической фрезой с обесI печением радиуса лыски г =3 мм; а глубины лыски (= 1 мм, что составллет I 1/2 R, Пойукольцевые накладки изготавливаются штамповкой из листового материала толщинои Ь,> = 2,2 мм с припуском на окончательну1о обработку Л = 0,2 мм. Далее пр изводятсл сверление маслоподводящих отверстий, расточка полукольценых накла док в специальном патроне по внутренней стороне поверхности до толщины Ь = 2 мм,. плавное закругление торцов накладок, прилегающих к дополнительным галтелям с профилем, соответствующим профилю дополнительной галтели, выдерживая ширину наружной поверхности полукольца, равную

L = t - 2 д. Длл рассматриваемого частного

Формула изооретения

1. Способ носстановленил коленчатых валбв, изношенных сверх предельных ремонтных размеров. при котором осуществляют механическую обработку шеек с технологическим заглублением в тело носстанавлинаемой поверхности с одновременной обработкой дополнительных галтелей, являющихся продолжением обработанной цилиндрической поверхности, закрейление на обработанных шейках полукольцевых накладок, с последующим шлифованием в номинальный размер, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения долговечности коленчатых валов, восстанавливаемых клеевым или клееснарным соединением полукольценых накладок, стыслучая L = 26,2 + 0,1 мм. При этом обеспечиваетсл средний зазос д = 0,2 мм ме>кду торцом накладки и поверхностью галтельного перехода. После .оответствующей

5 подготовки накладок производят их приклеивание к шейкам. Далее накладки доп . лнительно крепят к шей1:,1ч и между собой продольными сварными 11вами по стыкам для сохранения в зоне предельных стыков

10 необходимого уровня износостойкости близкого к уровню износостойкости поверхности накладок.

При отказе от использования сварки испытывались соединения, в которых после

15 отверждения клея производилась расчистка стыков от наплывов клея (механическая разделка) с последующим вн сением в зону стыков антифрикционной износостойкой композиции, например на базе анаэробных

20 материалов (клеев) и т.д,, с 11аполнителями н виде медных, железных и алюминиевых порошков, Отверждение клея ведут в печи с одновременным отпуском при температуре

25 250...300OC, равной темпера.уре отверждения клея. Клей выбирают из класса клеев горячего отверждения. После отверждения клея производят окончатель у1о механическу1о обработку шлифование шеек н номи30 нальный размер.

Восстановление коренны>: шеек коленчатых валов производится анало;ично.

Коленчатые валы, восст,1новленные предлагаемым способом, обл-:дают н дна

35 раза большей усталостной дол >вечностью по сравнению с коленчатыми i, лами, восстановленными по способу-про- типу. ки последних размещают н местах наиболее

45 удаленных от зон концентрации напряжений от изгиба и кручения, а торцы накладок выполняют с профилем, соответствующим профилю прилега1ощей дополнительной галтели, причем параметры каждой наклад50 ки находятсл с параметрами соответствующей механически обработанной шейки вала в следующих соотношениях: а =(ОЯ-1,1)Я, 1 = I-2д;

55 r = (0,9-1,5) R;

Ь/d = 0,03-0,05, где d — диаметр соответствующей шейки вала;

1-длина механически обработанной части шейки под установку накладок;

1792817

Таблица 1

П р и м е ч а н и е. Испытания проведены при a=0,9R; д = 0.4 d.

Таблица 2

П р и м е ч а н и е. Испытания проведены при r=R; b=0,04d

R — радиус исходной необработанной галтели;

r — радиус дополнительной галтели после механической обработки шейки; а — расстояние начала дополнительной галтели на исходном галтельном переходе от соответствующего края шейки;

Ь вЂ” толщина накладки после окончательной механической обработки;

l — ширина наружной поверхности накладки; д — зазор между торцом накладки и поверхностью прилегающей дополнительной галтели.

2. Способ по п.1, о т л и ч а.ю шийся тем, что на шейках в местах их сопряжения со щекаМи выполняют профилированные лыски, расположенные перпендикулярно плоскости, проходящей через оси симметрии смежных коренных и шатунных шеек.

5 3, Способ по п.1, отличающийся тем, что после отверждения клея в соединении производят механическую разделку стыков полукольцевых накладок, внесение в разделку износостойкой композиции с по10 следующим ее отверждением.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае клеесварного закрепления накладок осуществляют термический отпуск соединения с одновременным отверждени15 ем клея при температуре отпуска, равной

:температуре отверждения клея в течение

2,5-3,5 ч.

1792817

Таблица 3

b<0,03d

П р и м е ч а н и е. Испытания проведены при г=й; а=0,308, b=0,030

Ь=0,040

b=0,05d

b>0,05d

Показатели изностойкости, задиростойкости и усталостной прочности соедине.! èÿ

Возникают остаточные напряжения в накладках, ведущие к росту волнистости наружной поверхности и как следствие, к снижению изностойкости и задиростойкости

Все показатели удовлетворяют требованиям и

Снижается усталостная прочность

1792017:

Фиг,5

Составитель Ф. Бурумкулов

Техред M. Моргентал Корректор M. Шароши

Редактор С. Кулакова

Заказ 474 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101