Способ восстановления коленчатых валов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 792817 А 1 19) ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(5 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ енное й "Ре.Лельшкоц и ЛЕ вигате- восстаючает новре- галте 6 цевыхразмете 1(56) Авторское свидетепвство СССРВ 1442355, кл. В 23 Р 6/00, 1986.(54 СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОЧАТЫХ ВАЛОВ(57 Исполваование: при ремонте длеи. Сущность изобретения: способновления .коленчатых валов вклмеханическую обработку шеск с одменой обработкой дополнительныхлей, закрепление на шейках полукольнакладок. При этом стыки накладок Изобретение касается ремонта доигателеи и предназначено, в частности, для обеспечения восстановления коленчать 1 х валов, изошенных сверх предельных ремонтных размеров,Известен способ восстановления изношенных шеек коленчатого вала (КВ), включающий механическую обработку шеек и галтелей сверх предельных ремонтных размеров с последующей приваркой стальных полуколец по их стыкам, расположенньм в зоне минимального износа шеек.Однако предварительная механическая обработка коленчатого вала под постановку полуколец требуемой толщины (4.5 мм) 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) Я; 1 =1- 2 д; г = (0,91,5) Я; ОЙ=0,0030,05, где д - диметр шейки вала;1 - длина механически обработанной части шейки под установку накладок; Я - радиус исходной галтели, г - радиус дополнительной галтели; а- расстояние начала дополнительной галтели от соответствующего края шейки; Ь - толщина накладки; 1 - ширина накладки; д - зазор между торцом акладки и поверхностью дополнительной галтели. 3 з.п. Ф-лы, 3 табл., 3 ил. производится дополнительным шлифованием шеек и галтелей сверх предельных ремонтных размеров на 2,53,5 мм по диаметру, что ведет к падению остаточной усталостной прочности коленчатого ва.".а минимум на 20 оу(7, а остаточной усталостной долговечности о 510 раэ, Поэтому такой способ не эффективен для восстановления оалов изношенных сверх ремонтных раэмероо. Кроме того, расположение сть,ков полуколец в зоне минимального износа неоптимально, 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- к восстановлению таких 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 по- перехода,а радиусдополнительйой галтеливерхности полуколец из-за их упругой де" равен половине радиуса исходной (основ .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 шейием (прототипом) является способ в сварных швах, которыми полукольца привосстановления шеек коленчатых валов, 40 вариваются к шейкам и соединяются между изношенных сверх пределов ремонтных . собой, В связи с этим в околошавной зоне размеров, при которомосуществляютмеха- и по сварным швам возникают трещины,ническую обработку шеек с технологическим усталости, ведущие к разрушению соединезаглублением в тело восстанавливаемой по- ния шейка-полукольца. Производительноеверхностисодновременнойобработкойдо- % 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 общемтайных -шейках компенсйрующего износа случае минимальные напряжения от дейст- слоя материала, например, полукольцевых 50 вующих нагрузок не совпадают с зонаминакладок,с последующим шлифованием в минимального износа.номинальный размер. Между торцами полуколец и дополниИ звестн ый способвосстановления котельным галтельным переходом возникают ленчатых валов, изношенныхсверх 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 накладок, но и еет следующие недостат- усталостной долговечности и прочности коки; ленчатого вала. 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 Этот процесс приводит.к йовышейию веронитьостаточнуюпрочностьиостаточныйре- ятйости отказа КВ по критерию заедания, сурс коленчатого вала при механической провороту вкладышей иснижению сопрообработке в ремонтный размер. Однако для . тивления усталости.восстановления коленчатого вала, иэно- .В связи с неплотным прилеганием полшенйого сверх ремонтых размеров посред-. 2 б уколец к шейкам и упругими деформациями ством приварки, например полукольцевых . их, возникает так называемый "насосный накладок, параметры, предварительной ме- эффект", вйражающийся в подсасывании хайицеской обработки шеек указаннйе в смазки между шейкой и полукольцами со формуле не правомерны для обеспечения сливомегочерез.зазоры вторцевыхсеченинеобходимой:долговечности коленчатого. З 0 ях, что приводит к "маслянному голоданию" вала после восстановления. Эти параметры, в сопряжениях шейка-вкладыш и, как след-.а именно: радиус дополнительной галтели и Ствие; 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 З 5 В связи с неплотным прилеганием полЦелью изобретения является повышение долговечности коленчатых валов путемустранения указанных выше недостатков.Указанная цель достигается тем, что вспособе восстановления коленчатых валов,изношенных сверх пределов ремонтныхразмеров, при котором осуществлгцот механиЧескую обработку шеек с техническим заглублением в тело восстанавливаемойповерхности с одновременной обработкойдополнительных галтелей, лвляющихся продолжением обработанной цилиндрическойповерхности, закрепление на обработанны шейках компенсирующего слоя материалй,например, полукольцевых накладок, си офледующим шлифованием в номинал ьныл размер, по предложению, стыки полуколец размещают в лестах, наиболееудаленных от зон концентрации напряжений от иЗгиба и кручения, а их торцы, выполняют с профилем соответствующимпрофилю прилегающей дополнительнойгалтели, причем параметры каждой накладки находятсл с параметрами соответствующе механически обработанной шейки валав сЬедующих соотношениях:а =(0,81,1) Я; Е.=1-2 дф г = (0,91,5) В; д/Ь = 0,030,05;где б - диаметр соответствующей шейкивайа;- длина л 1 еханически обработанной части шейки под установку накладок;В - радиус исходной необработаннойгалтели;г - радиус дополнительной галтели после механической обработки шейки;а - расстояние начала дополнительнойгалдели на исходном галтельцол переходеот соответствующего крал шейки;Ь - толщина накладки пЬсле окончательной механической обработки;- ширина наружцой поверхности наклацки;д - зазор между накладки и поверхность 1 о прилегающей дополнительной галтели,Причем на шейках, в местах их сопряжения со щеками, выполнены профилированцые лыски, расположенныеперпендикуллрцо плоскости, проходлщейчерез оси симметрии смежных коренных иша 1 унных шеек.При этом в случае клеевого соединенилнакладок с шейками, после отвержденияклея в соединении производят механическую разделку стыков полукольцевых накладок, внесение в разделку износостойкойклеевой композиции с последующим ее отверждением,В случае клеесварного закрепления накладок осуществляют термический отпусксоединения с одновременным отверждением клея при температуре отпуска, равной5 температуре отверждения клея в течение2,53,5 ч,Благодаря выполнению стыков накладок, вместах наиболее удаленных от зонконцентрации напряжений от изгиба и кру 10 чения, повышается долговечность коленчатых валов.Это пояСняет фиг.2 и фиг.З. Какизвестно, на кривошип коленчатого валавоздействуют переменные нагрузки в видеизгибающего и крутящего моментов, Макси 15 мальные напряжения от изгибных нагрузоквозникают в зоне перекрытия шатуцйьгх икоренных шеек (в зоне выполнения лысок- фиг.2, точка а). Следовательно, стыкиполукольцевых накладок должны быть20 максимально удалены от зоны (фиг,З) соответствующей расположению точки а нафиг,2. С другой стороны максимальные напряжения от крутящего момента возникают "на кромках маслоподводящих отверстий в25 шейках фиг, 3, точки Ь), от которых такжедолжны быть максимально удаленыстыки(линия стыка) накладок. Поэтому оптимальное расположение стыков (фиг.З) на равномудалении от точек а и Ь.30 Оптимизация укаэанных в формуле со-отношений между параметрами накладок ипараметрами соответствующих механически обработанных шеек вала позволяет цаосцовацйи результатов эксйериментов,35 приведенных в табл. 1-3, а также повыситьдолговечность коленчатых валов, применительно к случаю износа валов сверх пре-.дельных ремоцтных размеров.Многочисленные лабораторные испы 40 танил показали, что для максимального повышения долговечности КВ, изношенныхсверх предельных ремонтных размеров,и восстановленных клеевым или клеесварцым соединением накладок, величину45 радиуса дополнительных галтелей необходимо увеличить по сравнению с рекомендуемым в прототипе г = 0,58 до г ==(0,91.5) В.Результаты испытаний приведены в50 табл,1.Выявлено также, что оптимальное значение параметра а составляет а=(0,80,1,10)В, Результаты испытаний приведены в табл. 2.55 Экспериментальные исследования показали, что оптимальное отношение толщины накладки к диаметру соответствующейшейки вала находится в диапазоне значений Ь/а = (0,03-0,05).5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 испытания, максимальная ширина лыски составляет не менее радиуса исходной галтели. Ее глубина для чугунных (не закаленных валов) должна быть не менее 1/ЗВ, а для стальных валов (закаленных) не более 0,100,20 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 2,53 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-Б на фиг. 1,Способ осуществляется следующим образом. Шлифование шеек 1 вала для созданиятехнологического заглубления под установку накладок производится отступая от щек 2(фиг.1) на величину а = (0,81,1)В, Этим сохраняет исходную геометрию галтели в зонемаксимальной концентрации напряжений,где зарождаются усталостные разрушения,не внося в нее дополнительные концентраторы от механической обработки и не исключая чистоту поверхности. Заглублениепроизводят с образованием дополнительной галтели с радиусом г = (0,9-1,5)В на глубину по диаметру шейки Ь = (0,030,05)В,считая от номинального размера диаметрашеек вала.Если вал уже подвергался до восстанов;ления перешлифовкам на ремонтные размеры, то сначала восстанавливают проектную,то есть предусмотренную чертежом, геометрию галтельного перехода, потом произво-.дят технологическое заглубление шеек.Далее наносят профилированные лыскив опасных сечениях вала, расположенныеперпендикулярно плоскости, проходящейчерез оси симметрии смежных коренных ишатунных шеек. Основные размеры лысокприменительно к чугунным (незакаленным)валам составляют; глВ; е 1/ЗВ, Применительно, к стальным (закаленным) валамразмеры лысок составляют: глВ, е ==(0,030,04)В. 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 материалаь.= ь+Дгде Ь - припуск на обработку. Их изготавливают штамповкой с последующей сверловкой маслоподводящих отверстий,расточкой по внутренней поверхности сплавным закруглением торцов с внутреннейповерхности, обеспечением необходимойширины полуколец и закалкой с целью обеспечения оптимальной твердости по наружной поверхности. Длина накладки понаружной поверхности . = - 2 д, где д -зазор между торцами накладки и поверхностью прилегающих дополнительных галтелейд = 0,2.0,3 мм).Далее полукольца 3 по внутренней поверхности и шейки вала подвергаются очи- .стке и обезжириванию. На подготовленныеповерхности наносят слой клея 4 и производят сборку соединений с использованиемспециальных струбцин. После этого при необходимости, производят приварку накладок продольными швами 5 к шейкам имежду собой.1792817 10 Отверждение клея 4 ведут в печи с одновременным отпуском при температуре 250300 С, равной температуре отверждения клея (клей берут из класса клеев горячего отверждения).П р и м е р, Восстановление шатунных шек коленчатого вала двигателя ЗМЗиз ковкого чугуна ВЧ(б = 60 мм - диаметр швейки вала, В = 2 мм (радиус исходной галтели),Шлифование шеек вала для создания технологического заглубления производитсяотступая от щек на величину а = 1,6 мм, чт составляет 0,8 В,Заглубление производят с образованием дополнительной галтели радиусом г = 2 мм (В = г), на глубину Ь = 2 мм по диаметру шейки вала, считая от номинального размера, чтосоставляет при б = 60 мм; Ь/б = 0,033,Профилированные лыски выполняются профильной цилиндрической фрезой с обеспечением радиуса лыски гл =3 мм; а глубины лыски= 1 мм, что составляет= 1/2 В, Полукольцевые накладки изготавливаются штамповкой из листового материала толщинои Ь, = 2,2 мм с припуском на окончатель- нуЬ обработку Ь = 0,2 мм. Далее пр изводятся сверление маслоподводящих отверстий, расточка полукольцевых накладок 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=- 2 д. Для рассматриваемого частного Формула изооретения 1, Способ восстановления коленчатых валов, изношенных сверх предельных ремонтных размеров, при котором осуществляют механическую обработку шеек с технологическим заглублением в тело восстанавливаемой поверхности с одновременной обработкой дополнительных галтелей, являющихся продолжением обработанной цилиндрической поверхности, закрепление на обработанных шейках полукольцевых накладок, с последующим шлифованием в номинальный размер, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения долговечности коленчатых валов, восстанавливаемых клеевым или клеесварным соединением полукольцевых накладок, стыслучая= 26,2 + 0,1 мм. При этом обеспечивается средний зазос д = 0,2 мм мекдуторцом накладки и поверхностью галтельного перехода. После ,оответствующей5 подготовки накладок производят их приклеивание к шейкам. Далее накладки допг лнительно крепят к шейк ч и между собойпродольными сварными ивами по стыкамдля сохранения в зоне предельных стыков10 необходимого уровня износостойкостиблизкого к уровню износостойкости поверхности накладок.При отказе от использования сварки испытывались соединения, в которых после15 отверждения клея производилась расчисткастыков от наплывов клея (механическая разделка) с последующим внесением в зонустыков антифрикционной износостойкойкомпозиции, например на базе анаэробных20 материалов (клеев) и т.д с наполнителямив виде медных, железных и алюминиевыхпорошков,Отверждение клея ведут в печи с одновременным отпуском при температуре25 250.300 С, равной температуре отверждения клея. Клей выбирают из класса клеевгорячего отверждения, После отвержденияклея производят окончатель ую механическую обработку шлифование шеек в номи 30 нальный размер.Восстановление коренны: шеек коленчатых валов производится аналогично.Коленчатые валы, восстановленныепредлагаемым способом, обл-:дают в два35 раза большей усталостной дол вечностьюпо сравнению с коленчатыми , лами, восстановленными по способу-про.типу,ки последних размещают в местах наиболее 45 удаленных от зон концентрации напряжений от изгиба и кручения, а торцы накладок выполняют с профилем, соответствующим профилю прилегающей дополнительной галтели, причем параметры каждой наклад ки находятся с параметрами соответствующей механически обработанной шейки вала в следующих соотношениях: а = (ОЯ,1)В, 3 = 3 - 2 д;55 г = (0,9-1,5)В;Ь/сl = 0,03-0,05,где О - диаметр соответствующей шейки вала;1-длина механически обработанной части шейки под установку накладок;; д= 0,4 б бли р и м е ч а н и е. Испытания проведены при г=В; Ь=0,04 с 3 В - радиус исходной необработанной галтели;г - радиус дополнительной галтели после механической обработки шейки;а - расстояние начала дополнительной галтели на исходном галтельном переходе от соответствующего края шейки;Ь -толщина накладки после окончательной механической обработки;- ширина наружной поверхности накладки;д - зазор между торцом накладки и поверхностью прилегающей дополнительной галтели.2, Способпо п.1, отличающийся 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, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что после отверждения клея в соединении производят механическую разделку стыков полукольцевых накладок, внесение в разделку износостойкой композиции с по следующим ее отверждением.4, Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что в случае клеесварного закрепления накладок осуществляют термический отпуск соединения с одновременным отверждени ем клея при температуре отпуска, равной1792817 13 Таблица 3 Ь 0,030 П р и м е ц а н и е. Испытания проведены при г=й; а=О,ЗОВ,Ь=О,ОЗО Ь=0,040 Ь=0,05 с Ь 0,050 Показатели изностойкости, зэдиростойкости и усталостной прочности соединенияВозникают остаточные напряжения в накладках, ведущие к росту волнистости наружной поверхности и как следствие, к снижению изностойкости и задиростойкости Все показатели удовлетворяют требованиями Снижается усталостная прочность1792817: Фиг,5Составитель Ф. БурумкуловТехред М. Моргентал едактор С. Кулаков тор М. Шарош Производственно-издательский комбинат "Патент город, ул.Гагарина, 101 аэ 474 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5