Способ дагиса восстановления изношенных шеек валов

 

Использование: в ремонтном производстве при восстановлении изношенных шеек валов, преимущественно коренных и шатунных шеек коленчатых валов, имеющих перекрытие коренных и шатунных шеек. Сущность изобретения: производят неполную обработку изношенных шеек по исходной ширине с образованием дополнительных галтельных переходов, установку и закрепление на обработанных шейках ремонтных деталей, компенсирующих износ, и механическую обработку на заданные размеры. Для определения оптимального расстояния от торцовой поверхности шейки до начала дополнительной галтели применяют графический или графо-аналитический способы. За оптимальную величину выбирают ту, которую определяют из условия обеспечения равенства минимальных сечений коленчатого вала по плоскостям, проходящим через линии, являющиеся кратчайшими расстояниями, соответственно, между исходными галтелями шатунных и коренных шеек вала и дополнительными галтелями упомянутых шеек. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к способам восстановления изношенных шеек валов различного назначения, включающим установку и закрепление на изношенных и поврежденных шейках дополнительных технологических (ремонтных) деталей, например, тонкостенных составных технологических деталей, выполненных в виде полуколец.

В частности, изобретение предназначено для восстановления работоспособности изношенных шеек, например, коленчатых валов автотракторных двигателей, компрессоров, вакуумных насосов и других поршневых машин на ремонтных предприятиях, путем установки и закрепления на шейках технологических (ремонтных) полуколец.

Известен способ-аналог восстановления шеек валов, включающий установку и закрепление технологических деталей на шейках [1] Согласно способу-аналогу [1] шейки изношенных чугунных коленчатых валов шлифуют на всю их исходную ширину, устанавливают и закрепляют на них тонкостенные закаленные технологические полукольца, изготовленные из листовой стали. Толщина технологических деталей, например, на коренных шейках после их обработки на номинальные размеры составляет 2,8% от номинального размера. В стыках технологические полукольца крепят друг с другом и присоединяют к шейкам электросваркой.

Известен способ-аналог восстановления шеек коленчатых валов, при котором работоспособность изношенных шеек восстанавливают закреплением на шейках составных технологических (ремонтных) деталей [2] По способу-аналогу [2] изношенные шейки коленчатых валов обрабатывают под технологические детали на всю их исходную ширину. На обработанную шейку устанавливают и закрепляют две технологические детали (полукольца), одно из которых толще другого. В стыках создают зазор и изготавливают фаски. Технологические полукольца поджимают к шейкам и в стыках их сваривают между собой. Толщина технологического полукольца составляет 10,6% от номинального диаметра шейки.

Основными недостатками способов-аналогов является обработка изношенных восстанавливаемых шеек на всю их исходную ширину (длину). Обработка коренных и шатунных шеек коленчатых валов на всю их исходную ширину под технологические (ремонтные) детали сопровождается существенным уменьшением наименьшего сечения коленчатого вала в плоскости, проходящей через линию, представляющую кратчайшее расстояние между галтелями шатунных и коренных шеек после их обработки под технологические детали по сравнению с сечением по плоскости, проходящей через линию, представляющую кратчайшее расстояние между исходными галтелями шатунных и коренных шеек коленчатых валов.

В результате уменьшается циклическая прочность галтельных переходов надежности восстановленных валов и увеличивается частота поломок в плоскости, проходящей по кратчайшей линии между галтелями шатунных и коренных шеек.

Известен способ восстановления шеек валов, преимущественно, коренных и шатунных шеек коленчатых валов, имеющих перекрытие коренных и шатунных шеек, включающий неполную обработку изношенных шеек по исходной ширине с образованием дополнительных галтельных переходов, установку и закрепление на обработанных шейках ремонтных деталей, компенсирующих износ, и механическую обработку на заданные размеры [3] В способе [3] отсутствуют какие-либо рекомендации и обоснование рационального расстояния от торцовой поверхности шейки до начала дополнительной галтели.

В результате при обработке изношенных шеек с образованием двойных галтелей под технологические (ремонтные) детали допускаются ошибки, что снижает эффективность и технологичность способа восстановления коленчатых валов путем установки и закрепления на изношенных шейках технологических (ремонтных) деталей.

В способе [3] не регламентирована зона (пределы участка) выбора рационального расположения начала дополнительной галтели от торцовой поверхности.

Целью изобретения является повышение надежности и циклической прочности галтельных переходов и валов за счет выбора рационального расстояния от торцовой поверхности до начала дополнительной галтели при восстановлении работоспособности шеек валов.

Технический результат достигается тем, что в способе восстановления изношенных шеек коленчатых валов, включающем неполную обработку изношенных шеек по исходной ширине с образованием дополнительных галтельных переходов, установку и закрепление на обработанных шейках технологических (ремонтных) деталей, компенсирующих износ и механическую обработку на заданные размеры, изношенные шейки обрабатывают по ширине перед установкой ремонтных деталей для шеек с двумя галтелями на величину, определяемую из следующих соотношений: A_ц=А_н-2а; a=f±25% где A_ц ширина обрабатываемой части шейки вала; A_н номинальная ширина шейки по рабочим чертежам; a наименьшее расстояние от торцовой поверхности шейки до начала дополнительной галтели; f величина, определяемая из условия обеспечения равенства минимальных сечений коленчатого вала по плоскостям, проходящим через линии, являющиеся кратчайшими расстояниями, соответственно, между исходными галтелями шатунных и коренных шеек вала и дополнительными галтелями упомянутых шеек.

В случае изготовления дополнительной галтели с радиусом по величине, равным или близким к радиусу исходной галтели по рабочим чертежам, расстояние a выбирают по соотношению a (0,3-0,8)R где R радиус исходной галтели шейки по рабочим чертежам.

На фиг. 1 и 2 показаны продольные сечения шеек: фиг.1 шейка перед установкой ремонтных деталей, обработанная на всю исходную ширину; фиг.2 - шейка обработана с применением дополнительных галтелей; на фиг.3 поперечное сечение технологического (ремонтного) полукольца, имеющего на внутренней поверхности двойные фаски, уменьшающие концентрацию напряжений от натяга; на фиг. 4 и 5 продольное сечение шейки с технологическими (ремонтными) полукольцами, поясняющее конструктивные элементы технологических (ремонтных) полуколец и шеек по ширине; на фиг.6 схема сечения шеек для теоретического (расчетного) объяснения выбора рационального расстояния f от торцовой поверхности шейки до начала дополнительной галтели.

В тексте и на чертежах приняты следующие обозначения.

A_н номинальная ширина шейки по рабочим чертежам; обрабатываемая ширина шейки при образовании дополнительных галтелей;
A_ц ширина цилиндрической части шейки при обработке ее на всю ширину;
ширина цилиндрической части шейки при обработке ее с образованием дополнительных галтелей;
R₁ исходный радиус галтели;
R₂ радиус дополнительной галтели;
T торцовая поверхность шейки;
a расстояние между торцовой поверхностью шейки и началом дополнительной галтели;
d₂ внутренний диаметр технологического (ремонтного) полукольца в свободном состоянии;
h зазор в стыке составных технологических (ремонтных) деталей (полуколец);
α угол основной фаски приблизительно 45^o;
b угол разгружающей галтели приблизительно 8-150^o;
l ширина основной фаски;
K ширина дополнительной, разгружающей фаски;
a' общая ширина фасок на внутренней поверхности технологических (ремонтных) деталей;
A_ок ширина внутренней опорной поверхности технологической (ремонтной) детали;
ширина внутренней опорной поверхности технологической (ремонтной) детали при обработке шеек с образованием дополнительных галтелей;
A_нк ширина наружной поверхности технологической (ремонтной) детали;
ширина наружной поверхности технологической (ремонтной) детали при обработке шеек с образованием дополнительных галтелей;
S₁ и S₂ зазоры между торцами шеек и торцами технологических (ремонтных) деталей с противоположных сторон;
зазоры между началом дополнительной галтели и торцами технологических (ремонтных) деталей с противоположных сторон;
исходный диаметр изношенной шейки перед обработкой;
3 коренная шейка коленчатого вала;
4 щека кривошипа;
5 шатунная шейка коленчатого вала;
A и A' точки, характеризующие линию кратчайшего расстояния между исходными галтелями смежных коренных и шатунных шеек;
B и B' точки, характеризующие линию кратчайшего расстояния между галтелями коренных и шатунных шеек при обработке их на всю исходную ширину;
C и C' точки, характеризующие линию кратчайшего расстояния между дополнительными галтелями смежных коренных и шатунных шеек.

Способ восстановления шеек коленчатых валов включает следующую совокупность основных и вспомогательных операций, которые желательно выполнять в указанной ниже последовательности.

Перед обработкой шеек под технологические детали с образованием дополнительных галтелей находят ширину обрабатываемой части (фиг.2) по следующему соотношению: , где обрабатываемая часть шейки под технологическую (ремонтную) деталь; A_н ширина шейки по рабочим чертежам на вал; a расстояние от торцовой поверхности шейки до начала дополнительной галтели, a f±25%
Величину f определяют исходя из условия обеспечения равенства наименьшего сечения коленчатого вала по плоскостям, проходящим через линии, представляющие собой кратчайшие расстояния соответственно между исходными галтелями шатунных и коренных шеек вала и дополнительными галтелями упомянутых шеек.

Для определения величины f по рабочим чертежам коленчатого вала изготавливают схему, изображенную на фиг.4, и по ней графическим путем находят величину расстояния f.

Определяют ширину рабочей зоны на восстанавливаемой шейке A_раб (фиг.1).

Определяют величину расстояния b от рабочей зоны шейки до торцовой поверхности T по соотношению:
для шеек с двумя галтелями

где b расстояние от рабочей поверхности шейки до торцовой поверхности;
A_н ширина шейки по рабочему чертежу;
A_раб ширина рабочей части шейки.

Сравнивают найденные величины f и b между собой. Если величина расстояния f больше величины расстояния b, то начало дополнительной галтели располагают от торцовой поверхности шейки на расстоянии b или принимают ее меньше величины b.

Если же величина расстояния f меньше величины b, то начало дополнительной галтели располагают от торцовой поверхности на расстоянии f или назначают несколько больше f, но меньше b.

Обрабатывают изношенные шейки коленчатых валов до диаметра d₁. Устанавливают коленвал на стенд-кантователь, предназначенный для сборки коленвала с технологическими деталями. На шейке коленвала устанавливают закаленные стальные технологические полукольца, изготовленные из среднеуглеродистой стали.

Применяют технологические (ремонтные) полукольца, внутренний диаметр которых изготовлен меньше диаметра шеек на 0,5-2,5 мм.

В этом случае упрощается процесс сборки и крепления технологических (ремонтных) полуколец на шейках. Поджимают технологические полукольца к шейкам. Выравнивают зазоры в стыках. Размещают технологические полукольца в средней части шеек.

В период ориентации и сборки технологические полукольца на шейках удерживаются за счет трения от сил упругости технологических полуколец.

Стыки технологических полуколец размещают в зоне наименьшего износа шеек. Поджимают технологические детали к шейке при помощи приспособления с заданным усилием. В одном из стыков ремонтные полукольца электросваркой прихватывают к шейкам. Снимают нажимное приспособление с шеек и коленвал со стенда. Нагревают коленчатые валы до заданной температуры в сборе с технологическими деталями.

Устанавливают коленвал вторично на стенд-кантователь, поджимают технологические (ремонтные) полукольца к шейкам при помощи приспособления и сваривают один стык технологических (ремонтных) деталей между собой и приваривают к шейке окончательно. После сварки первого стыка технологических полуколец на всех шейках переустанавливают подвижное приспособление, прижимают технологические полукольца к шейке с заданным усилием и сваривают второй стык.

Снимают коленвал с закрепленными технологическими полукольцами со стенда-кантователя. Медленно охлаждают до заданной температуры и направляют коленвал в сборе с технологическими полукольцами на обработку шеек.

Согласно изобретению для получения наибольшей надежности восстановленных коленчатых валов как с применением дополнительных галтелей (фиг.2, 5 и 6), так и при обработке шеек на всю их исходную ширину (фиг.1, 4) контактные поверхности шеек и технологических (ремонтных) полуколец (фиг.3) должны удовлетворять следующим техническим требованиям.

1. Внутренняя опорная поверхность технологических (ремонтных) полуколец должна контактировать не менее чем на 90% с цилиндрической поверхностью шеек. Не допускается зависания технологических (ремонтных) полуколец на галтельных переходах.

2. Зазоры между торцовой поверхностью шеек и торцами технологических (ремонтных) полуколец по ширине должны быть минимальными и достаточными для свободной сборки технологических деталей с шейками (0,2-0,8 мм). Внутренние поверхности технологических (ремонтных) деталей должны иметь фаски с плавными переходами от внутренней цилиндрической поверхности к торцовой поверхности таким образом, чтобы при посадке технологических (ремонтных) полуколец на шейку с натягом местные напряжения в зоне окончания контакта цилиндрической поверхности технологической детали с шейкой были минимальными.

Технически более удобно на внутренних цилиндрических поверхностях изготовить две фаски с различными углами α и β, как это показано на фиг.3. Например, a=45^o, а b=8-15^o.

Для теоретического обоснования оптимального расстояния от торцовой поверхности до начала дополнительной галтели f рассмотрим схему сечения смежных коренной 3 и шатунной 5 шеек коленчатого вала, имеющих перекрытие, как это показано на схеме (фиг.6). На схеме позиция 4 показывает на щеку кривошипа.

Исходные диаметры шеек на фигурах обозначены , а диаметры шеек после их обработки под технологические детали d₁. Нами принимается условие, что радиусы R₁ и R₂ могут существенно отличаться. Согласно изобретению в частном случае R₁ и R₂ могут совпадать или быть близкими между собой.

Точки A и A' на фиг.6 изображают кратчайшее расстояние между исходными галтелями шатунных и коренных шеек коленчатых валов, а линия, проходящая через точки A и A', является кратчайшей между исходными галтелями.

Принимаем условие, что прочность вала в галтельном переходе определяется площадью сечения плоскости, проходящей по линии A-A', и длина линии A-A' пропорциональна площади сечения.

При обработке изношенных коренных и шатунных шеек на всю их исходную ширину точки B и B' изображают кратчайшее расстояние между галтелями при обработке шеек на всю их исходную ширину. Точки B-B' изображают начало и конец кратчайшего расстояния между галтелями. Площадь сечения плоскости, проходящей через линию B-B', определяет прочность коленчатого вала в сечении B-B', т.е. в наименьшем сечении вала после обработки шеек на всю их исходную ширину.

При условии обработки изношенных коренных и шатунных шеек не на всю их исходную ширину происходит образование дополнительных галтелей с радиусами R₂. Точками C и C', находящиеся на дополнительных галтелях, изображают начало и конец кратчайшего расстояния между дополнительными галтелями. Линия C-C' является кратчайшей линией между дополнительными галтелями. Площадь сечения плоскости, проходящей через линию C-C', определяет прочность в наименьшем сечении между дополнительными галтелями.

Принимаем, что площадь сечения по кратчайшим линиям между галтелями пропорциональна длине кратчайших линий.

Сравним фактические длины отрезков A-A'; B-B' и C-C'.

Кратчайшее расстояние A-A' между исходными галтелями существенно больше кратчайшего расстояния B-B' между галтелями шеек, обработанных по всей исходной ширине. Следовательно, площадь сечения вала по линии B-B' будет существенно меньше сечения по линии A-A'. Поэтому усталостная прочность вала после шлифования коренных и шатунных шеек на всю исходную ширину будет существенно меньше по сравнению с исходной. Это подтверждают испытания валов на циклическую прочность.

Сравним кратчайшую линию C-C' между дополнительными галтелями, которые образуются при обработке шеек не на всю исходную ширину с отрезками B-B'. Сравнение показывает, что отрезок C-C' существенно больше отрезка B-B'. В связи с этим можно ожидать, что при шлифовании шеек не на всю исходную ширину (при образовании двойных галтелей) прочность галтельных переходов должна быть больше по сравнению с той, которую мы получаем при шлифовании шеек на всю их исходную ширину. Это подтверждают результаты испытаний валов на усталостную прочность.

Если же кратчайшие линии между галтелями A-A' и C-C' будут по своей величине равны или близки друг к другу, то и площади сечения, проходящие через линии A-A' и C-C', будут по своей величине равны или близки между собой. Можно ожидать, что усталостная прочность галтельных переходов после шлифования шеек возрастает и станет равной исходной.

Однако, экспериментальные испытания коленчатых валов на прочность с коренными и шатунными шейками показывают, что при условии равенства кратчайших расстояний между галтелями A-A' и C-C' наблюдается наибольшее приращение усталостной прочности галтельных переходов. При условии A-A'приблизительно равно C-C' наблюдается повышение циклической прочности галтельных переходов примерно на 15-20% по сравнению с исходной усталостной прочностью. Возникает дополнительный положительный эффект.

В нашем изобретении величина расстояния дополнительной галтели a от торцовой поверхности шейки, при котором наименьшее расстояние между дополнительными галтелями коренных и шатунных шеек C-C' равно расстоянию A-A' этих же шеек в нашем изобретении, считается оптимальной.

Однако при восстановлении изношенных шеек коленваловоптимальную величину a не всегда удается применять, так как необходимо величину a изменять, уточнять и согласовывать с фактической шириной рабочей поверхности шеек.

В нашем изобретении оптимальная величина a является всего лишь центром зоны, в которой будет варьировать фактическая величина расстояния от торцовой поверхности T до начала дополнительной галтели.

В нашем изобретении применяют величину зоны варьирования расстояния a, которая находится в пределах a f±25%
При условии, когда радиус дополнительной галтели R₂ равен или близок к радиусу исходной галтели R, величину расстояния a выбирают по соотношению
a (0,03-0,8)R₁
Теоретические исследования и экспериментальные испытания показывают, что по мере увеличения фактической величины расстояния от торцовой поверхности шейки до оптимальной величины циклическая прочность галтельных переходов возрастает и достигает наименьшей величины при оптимальной величине. Увеличение расстояния a свыше оптимального значения приводит к уменьшению усталостной прочности и в пределе усталостная прочность стабилизируется на уровне исходной усталостной прочности галтельных переходов.

Если фактическое расстояние от начала дополнительной галтели до торцовой поверхности меньше оптимальной величины, то при испытаниях коленчатые валы разрушаются по дополнительной галтели, если же расстояние начала дополнительной галтели от торцовой поверхности больше оптимальной величины, коленчатые валы при испытаниях разрушаются по исходной галтели.

Пример.

Требуется восстановить исходные размеры изношенной шатунной шейки чугунного коленчатого вала автомобильного двигателя ЭМЗ-53 путем установки и закрепления на шейке технологических (ремонтных) деталей (полуколец), Шатунная шейка имеет две галтели. Номинальный диаметр шатунных шеек d_н 60 мм, номинальный диаметр коренных шеек d_н 70 мм. Ширина шатунных шеек по чертежу A_н 52 мм, коренных A_н 31 мм. Радиус галтели по чертежу R₁ 1,5 мм. Ширина рабочей части шатунной шейки A_раб 46 мм, а коренной A_раб 28 мм.

Применяем технологические детали (полукольца), изготовленные из листовой стали марки 45 ГОСТ 1050-88. Принимаем толщину технологических деталей на восстановленных шейках равной t 2 мм. Находим диаметр шатунной шейки, обработанной под технологические (ремонтные) полукольца.

d₁ d_н- 2t 60-2x2 56 мм
Диаметр коренных шеек, обработанных под технологические (ремонтные) полукольца
d₁ d_н-2t 70-2x2 66 мм
Принимаем радиусы исходной R₁ и дополнительной R₂ галтелей равными между собой R₁= R₂. При этом условии, согласно изобретению, для определения расстояния от торцовой поверхности до начала галтели воспользуемся соотношением a (0,3-0,8)R₁.

Принимаем расстояние a, близкое к оптимальной величине, равное
a 0,7·R=0,7·1,5=1,05 мм
Определим расстояние b от рабочей поверхности шейки до ее торцовой поверхности для случая, когда шейка имеет две галтели

В нашем примере величина a (1,05 мм) меньше величины b (3 мм). Поэтому можем принять фактическое расстояние начала дополнительной галтели R₂ от торцовой поверхности, равной величине a, или задать несколько больше.

С целью получения наибольшей усталостной прочности галтельного перехода принимаем a=1,2 мм.

Шатунную шейку перед установкой технологических деталей (полуколец) обрабатывают по ширине, равной

Аналогично подсчитывают величину для коренной шейки (28,6 мм).

Шлифуют шатунные и коренные шейки до диаметров 56 и 66 мм. Шатунную шейку шлифуют (обрабатывают) симметрично с образованием двойных галтелей на ширину 49,6 мм, а коренную шейку на ширину 28,6 мм.

Устанавливают коленчатый вал в стенд-кантователь. Устанавливают технологические полукольца на шатунные шейки, ориентируют их на шейках и вручную поджимают к шейкам. Поджимают технологические (ремонтные) полукольца к шейке при помощи прижимного приспособления с заданным усилием и прихватывают к шейке электросваркой. После прихватки технологических деталей на всех шейках электросваркой снимают вал со стенда-кантователя и подвергают коленвал в сборе с технологическими деталями нагреву до заданной температуры. Устанавливают нагретый коленвал в стенд-кантователь. Поджимают технологические детали к шейке с заданным усилием и приваривают технологические детали в одном стыке к шейке и сваривают между собой окончательно. Осуществляют переход для сварки одного стыка технологических деталей на следующей шейке и т.д. После приварки одного стыка технологических деталей ко всем шейкам переходят к сварке второго стыка технологических деталей окончательно. Для этого переустанавливают поджимные приспособления на шейках, поджимают технологические детали к шейкам с заданным усилием и сваривают второй стык технологических деталей между собой и приваривает их к шейке.

После сварки всех стыков технологических (ремонтных) деталей на шейках снимают коленчатый вал со стенда и отправляют его на медленное охлаждение.

Температура окружающей среды при сварке не должна быть менее 15^oC. Сварку стыков производят полуавтоматически в среде защитного углекислого газа. Применяют сварочную проволоку Св08Г2С ГОСТ 2240-70, диаметр сварочной проволоки 1,2 мм, сварочный ток 120-140 А, напряжение в процессе сварки 21-23 В. После охлаждения коленвал в сборе с технологическими деталями направляют на обработку шеек на заданные размеры.

Способ восстановления изношенных шеек валов обладает следующими технико-экономическими преимуществами:
1. Применение изобретения обеспечивает повышение циклической прочности и надежности галтельных переходов шеек при восстановлении деталей с использованием двойных галтелей.

2. Изобретение исключает возможность применения технологических деталей с необоснованной шириной.

3. Изобретение увеличивает технологические возможности способа восстановления шеек, в котором применяют технологические (ремонтные) детали.

Формула изобретения

1. Способ восстановления шеек валов, преимущественно коренных и шатунных шеек коленчатых валов, имеющих перекрытие коренных и шатунных шеек, включающий неполную обработку изношенных шеек по исходной ширине с образованием дополнительных галтельных переходов, установку и закрепление на обработанных шейках ремонтных деталей, компенсирующих износ, и механическую обработку на заданные размеры, отличающийся тем, что изношенные шейки обрабатывают по ширине для шеек с двумя галтелями на величину, определяемую из следующих соотношений:
А_ц А_н 2а;
а f ± 25
где А_ц ширина обрабатываемой части шейки вала;
А_н номинальная ширина шейки по рабочим чертежам;
а наименьшее расстояние от торцевой поверхности шейки до начала дополнительной галтели;
f величина, определяемая из условия обеспечения равенства минимальных сечений коленчатого вала по плоскостям, проходящим через линии, являющиеся кратчайшими расстояниями соответственно между исходными галтелями шатунных и коренных шеек вала и дополнительными галтелями упомянутых шеек.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выполнении дополнительных галтелей вала радиусом, равным или близким по величине радиусу исходных галтелей по рабочим чертежам, величину наименьшего расстояния от торцевой поверхности шейки до начала дополнительной галтели выбирают в диапазоне 0,3 - 0,8 радиуса исходных галтелей по рабочим чертежам.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6