Материал: Ремонт коленчатых валов

Отмеченные явления приводят к контактному изнашиванию «металл по металлу», при котором сначала происходит заполировывание поверхностного слоя, сопровождающееся ростом температур в зоне трения, затем размягчение антифрикционных сплавов, их утонение вследствие выдавливания, их оплавление и наволакивание на шейки вала.

Рис. 1.6. Адгезионный износ.

Фреттинг-коррозия выражается в выкрашивании частиц металла в зоне контакта под действием усталостных разрушений, вызываемых вибрациями и микроперемещениями контактирующих поверхностей. Одновременно с фреттингом возникает коррозия. Фретгинг происходит при достаточно малых скоростях скольжения, когда элементы длительное время находятся в контакте, что затрудняет унос продуктов износа из зоны контакта и, тем самым, способствует абразивному изнашиванию. Рост амплитуд микроперемещений сопровождается повышением интенсивности разрушения контактирующих поверхностей. Процесс фретгинг-коррозии можно условно разделить на следующие три этапа.

Рис. 1.7. Внешний вид фреттинг-коррозии

Первый этап характеризуется пластическими деформациями и упрочнением верхнего слоя в зоне контакта. Под действием колебательных нагрузок и микроперемещений в этом слое возникают усталостные напряжения. На глубине под поверхностью образуются зоны разрыхленного материала, затем происходит диспергирование верхнего слоя с образованием продуктов изнашивания.

Второй этап характеризуется дальнейшим и более активным процессом усталостного разрушения, сопровождаемого окислением продуктов изнашивания и образованием мелких каверн, в которых они концентрируются и, окисляясь, увеличиваются в объеме. Это приводит к росту внутреннего давления, под действием которого в поверхностном слое образуются микротрещины.

Третий этап завершает усталостные разрушения корродированных поверхностей. Отдельные каверны соединяются между собой и образуют в зонах контакта относительно обширные поврежденные площади, на которых отмечаются следы микросварки, точечного питтинга и коррозии. Эти явления были типичны для узлов сопряжения фланца втулки с блоком (старые модели 2-х тактных двигателей B&W, MAN), в ряде случаев происходил обрыв втулок цилиндров. В современных 4-х тактных двигателях питтинг происходит при ослаблении посадки тонкостенных вкладышей рамовых подшипников.

Характерными дефектами коленчатых валов двигателей являются износ и задиры шеек, деформации, трещины и поломки. Трещины и поломки валов возникают как в шейках в области галтелей, так и в щеках. Причиной трещин и поломок являются циклические напряжения, приводящие к возникновению усталостных трещин. В процессе эксплуатации предел выносливости коленчатых валов снижается на 25-30 %. Ресурс работы коленчатого вала зависит от его предела выносливости и износостойкости рабочих поверхностей [4, 39, 150].

Основной причиной отказов коленчатых валов большинства двигателей является износ шеек, который неравномерен как по окружности, так и по длине шейки. В результате изнашивания зазоры в паре трения «вкладыш - шейка коленчатого вала» и параметры шероховатости шеек возрастают, что приводит к разрыву смазочной пленки и задирам рабочих поверхностей. Задир шеек в свою очередь приводит к проворачиванию вкладышей, деформации вала и подплавлению антифрикционного слоя вкладышей.

Следует отметить, что скорость и коэффициент неравномерности изнашивания рамовых шеек больше, чем скорость и коэффициент неравномерности изнашивания вкладышей [88].

Преждевременный износ рабочих поверхностей коленчатых валов выше предельных значений ведет, как правило, не только к значительным затратам на ремонт или замену валов, но и к убыткам из-за простоя судна в ремонте, а выход из строя главного двигателя при поломке коленчатого вала может привести к аварии судна. Из-за повышенных скоростей изнашивания рабочих поверхностей коленчатые валы часто эксплуатируются шлифованными в последний ремонтный размер, или выбраковываются из-за износа выше предельных значений, не выработав при этом назначенного ресурса.

Выводы по теоретической части исследования

Обобщение и анализ исследований по проблеме отказов и дефектов коленчатых валов судовых дизелей позволяет сделать следующие выводы.

Основными причинами отказов коленчатых валов являются износ и задир шеек, а также деформации, трещины и поломки.

Нарушения технологии ковки и термической обработки являются причиной поломки коленчатых валов.

Также причиной поломки является усталость металла, объясняется образованием в наиболее «слабом» месте микроскопической трещины.

Происходящие в эксплуатации повреждения валов могут быть приведены к следующим видам: Усталостное, пластичное, хрупкое, абразивное, адегиозные, фреттингкорозия, контактные нагрузки.

В процессе эксплуатации предел выносливости коленчатых валов снижается на 25-30 %.

Следует отметить, что скорость и коэффициент не равномерности изнашивания рамовых шеек больше, чем скорость и коэффициент неравномерности изнашивания вкладышей.

Преждевременный износ рабочих поверхностей коленчатых валов выше предельных значений ведет, как правило, не только к значительным затратам на ремонт или замену валов, но и к убыткам из-за простоя судна в ремонте, а выход из строя главного двигателя при поломке коленчатого вала может привести к аварии судна.

Раздел 2. Практическая часть исследования по теме «Ремонт коленчатых валов»

.1 Технологические методы восстановления и повышения износа

Приобретать новые коленчатые валы взамен изношенных экономически нецелесообразно из-за их высокой стоимости. Решение проблемы ресурсосбережения требует применения прогрессивных и высокотехнологичных методов восстановления и упрочнения изношенных поверхностей коленчатых валов. Для восстановления коленчатых валов судовых дизелей применяют три технологические схемы:

шлифование шеек на ремонтный размер;

шлифование шеек на ремонтный размер с последующим упрочнением;

нанесение покрытия для восстановления номинального размера шеек с по следующим или одновременным упрочнением.

Коленчатые валы судовых дизелей, восстановленные, в основном, методом ремонтных размеров или различными способами нанесения металлопокрытий на изношенные поверхности шеек по надежности не отвечают требованиям нормативно-технической документации. Это связано с тем, что перед восстановлением коленчатого вала не выявляется уровень накопленных повреждений в процессе предыдущей эксплуатации и комплексно не оценивается его качество после восстановления. Поэтому разработка и использование эффективной технологии восстановления коленчатых валов судовых дизелей связано с оценкой долговечности, что является актуальной задачей ремонтного производства.

В настоящее время применяются или находятся на стадии промышленного внедрения следующие технологии восстановления и упрочнения изношенных поверхностей коленчатых валов транспортных дизелей:

нанесение гальванических покрытий: при износе до 0,5 мм хромированием, при износе свыше 0,5 мм никелированием с последующим хромированием толщиной 0,2-0,3 мм [152];

наплавка под слоем флюса с последующим упрочнением ППД для получения твердости до 62 HRC [94];

плазменная наплавка композиционными материалами [152];

электроннолучевая наплавка высоколегированных сплавов на основе Ni-Cr-B-Si [64];

плазменное напыление [29, 30, 40, 77] или плазменное напыление с одновременной ультразвуковой обработкой [152];

плазменное напыление самофлюсующимся порошком ПН73Х16С3Р3 с по следующим лазерным оплавлением покрытия [39];

сверхзвуковая электродуговая металлизация [121, 122];

приварка тонкостенных ремонтной полуколец к восстанавливаемой шейке вала [15];

лазерная закалка после шлифования шеек на ремонтный размер [39];

лазерное поверхностное легирование порошками ПС-12НВК-01 и Пр-Х23Н23М5С2Р2АФ после шлифования шеек на ремонтный размер [39];

поверхностное фрикционное модифицирование шеек медьсодержащими металлами (бронзой БрОФ4-0,25 [163], латунью Л63 [8]);

финишная обработка модифицирующими материалами СУРМ (содержит комплексные металлоорганические соединения на основе солей поливалентных металлов (цинк, олово, алюминий, сурьма и др.) и геомодификатором ТСК (основа - магнезиально-железистые силикаты (оливины и пироксены))

2.2 Основные технические требования

Несопрягаемые радиальные размеры обрабатываемых поверхностей выполнять по пятому классу точности, а линейные - по седьмому классу точности, прием допуск задавать всегда в тело.

Шероховатость поверхности шеек не менее: а) 0,32 (Rа) для диаметров до 100 мм; б) 0,63 (Ra) для рамовых шеек, монтируемых на подшипниках качения.

При составном коленчатом вале:

а) крепление шеек на шейках обеспечивать горячей посадкой с натягом, равным 0,0014-,0018 диаметра шейки вала; применение шрифтов и шпонок не допускается (Правила Регистра СССР);

б) Отдельные части вала центровать вставками и стягивать призонными болтами. Отверстия под вставки и болты выполнять с полем допуска А; пригонка индивидуальная: вставок с зазором0-0,003 мкм, а болтов с натягом 0,01-0, 02мм.

. Твердость шеек, подвергаемых поверхностной закалке, - не менее 52HRC для валов из легированных сталей; закаленная поверхность не должна распространяться на галтель.

. Выходы масляных каналов на наружную поверхность шеек должны быть плавными или иметь фаски с притупленными краями.

. Переходные кромки сопрягаемых поверхностей обрабатываемых ш щек должны иметь фаски или радиусы не менее 0,5 мм.

. Радиус кривошипа выполнять с допуском ±0,15 мм на 100 мм его длины.

. Нецилиндричность рамовых и мотылевых шеек не более:

,01 мм для диаметров до 100мм;

,02 мм для диаметров 101-260 мм;

,035 мм для диаметров 261-360 мм;

,04 мм для диаметров 361-500 мм;

,05 мм для диаметров свыше 500 мм.

. Биение рамовых шеек и шейки под распределительную шестерню относительно оси вала не более:

,03 мм для диаметров до 100 мм;

,04 мм для диаметров 101-180 мм;

,05 мм для диаметров 181-260 мм;

,06 мм для диаметров свыше 260 мм.

. Биение рамовых шеек и шейки под распределительную шестерню относительно оси азотированного вала не более:

,05 мм для диаметров до 100 мм;

,06 мм для диаметров 101-180 мм;

,07 мм для диаметров 181-500 мм.

. Относительное биение соседних рамовых шеек не более:

,02 мм для диаметров до 180 мм;

,03 для диаметров 181-360 мм;

,04 для диаметров 361-500 мм.

. Проверку вала на биение производить в центрах с помощью поддерживающих люнетов в количестве не более: 3 - при числе колен до 6; 5 - при числе колен от 7 до 10; 8 - при числе колен от 12 до 16.

. Биение центрующей поверхности фланцев (цилиндрической или конической):

а) при жестком соединении не более:

,02 мм для диаметров до 180 мм;

,03 мм для диаметров 181-260 мм;

,035 мм для диаметров 261-360 мм;

,05 мм для диаметров 361-500 мм;

б) при прочих соединениях не более:

,04 мм для диаметров до 180 мм;

,05 мм для диаметров 181-260 мм;

,06 мм для диаметров 261-360 мм;

,07 мм для диаметров 361-500 мм.

. Биение торца соединительных фланцев:

а) при жестком соединении не более 0,005 мм на 100 мм диаметра фланца; б) при прочих соединениях не более 0,03 мм на 100 мм диаметра фланца.

. Неплоскостность торцов фланцев: выпуклость не допускается; вогнутость не более 0,1 мм.

. Смещение углов между коленами кривошипа и угловое смещение оси шпоночного паза распределительной шестерни относительно оси кривошипа, по которому регулируется двигатель, не более ±30.

. Непараллельность образующих поверхностей мотылевых шеек относительно оси вала не более 0,03 мм на длине 100 мм; проверку производить в четырех положениях кривошипа при полном его повороте.

. Каждый вал должен быть динамически сбалансирован; одно - и двухколенные валы, а также валы с частотой вращения 1000 об/мин и менее разрешается балансировать статически по указанию в чертеже.

Таблица 3.2 - Допускаемые отклонения размеров шеек валов и диаметральных зазоров в рамовых и мотылевых подшипниках коленчатых валов.

2.3 Определение износов коленчатого вала

Рамовые и кривошипные шейки коленчатых валов валов изнашиваются неравномерно. В результате износа шейки приобретают эллиптическую и конусную форму. Поэтому, для установления характера износа замеры шеек необходимо производить в двух диаметрально противоположных положениях и по длине шейки в трех положениях. Замеры по диаметрам дают возможность установить эллиптичность, а замеры по длине шейки конусность. Замеры производятся микрометрической скобой, начиная с кормовой шейки вала (см. рис 1.16). Кривошипные шейки обмеряют при положении кривошипа в верхней мертвой точке. Обмеры, производимые в крайних сечениях каждой шейки делаются на расстоянии 10 - 80 мм от галтели.

Эллиптичность каждой шейки определяется как разность между максимальным и минимальным диаметрами шейки, т. е. разность между замерами (а, в, с) и (x, y, z) . В графу таблицы вносится наибольшая эллиптичность на трех замеров. Конусность определяется как разность между двумя крайними размерами шейки, т. е. между «а» и «с» и между «x» и «z». В графу вносится наибольшая конусность на двух замеров.

Эллиптичность определяют как разность диаметров в одном сечении: Э = Dmax - Dmin = a - x; в - y; c - z.

Конусообразность - как разность диаметров в одной плоскости: K = = Dmax - Dmin = a - c; x - z.

.4 Определение просадки и упругого прогиба коленчатого вала

коленчатый вал дефект износ

Упругий прогиб вала. При рассмотрении погнутости вала мы имели дело с прогибом вала, получавшимся в результате остаточной деформации. Однако при неправильной пригонке или неодинаковом износе рабочей поверхности нижних вкладышей рамовых подшипников вал может подвергаться во время работы упругим беспрерывным изгибам то в одну, то в другую сторону, приобретая по окончании действия изгибающих усилий свою первоначальную форму, зависящую только от статического действия сил. Длительное повторение упругих деформаций прогиба приводит к появлению усталости металла и в результате - к возникновению и развитию усталостных трещин, которые могут вызвать, в конце концов, поломку вала.