Eng
Главная Испытания стендовые
Последний документ


Патент № 2415176


Научное руководство



Зуев Валерий Владимирович

Доктор геол.-минер. наук, академик РАЕН, автор четырех научных открытий, в которых выявлены новые энергетические подходы к объяснению и предсказанию физико-химических свойств минеральных и других кристаллических веществ

Рекомендательное письмо...


Кто на сайте
Сейчас 12 гостей онлайн
Влияние режима обработки шеек коленчатого вала на несущую способность подшипников (СПбГАУ)

УДК 621.9: 658.5

Влияние режима отделочно-антифрикционной обработки шеек коленчатого вала на несущую способность подшипников
(СПбГАУ, 2019)

В.Я. Сковородин, доктор техн. наук
А.В. Антипов, аспирант

Введение

Подшипники коленчатых валов автотракторных двигателей работают в условиях граничной, полужидкостной и гидродинамической смазок. Большую часть времени подшипники работают при гидродинамической смазке. Однако режимы работы автотракторных двигателей очень многообразны и подшипники коленчатого вала могут работать и в условиях граничной и полужидкостной смазки.

В условиях граничной смазки подшипники работают в моменты пуска двигателя, условия полужидкостной смазки возникают при работе двигателя на режимах с максимальными нагрузками в сочетании с низкой частотой вращения коленчатого вала. В условиях граничной смазки подшипники работают при обкатке двигателей после ремонта. В этом случае трение и изнашивание поверхностей определяются не только свойствами смазочного материала, но и антифрикционными свойствами трущихся поверхностей. При недостаточной несущей способности рабочей поверхности шеек вала увеличивается коэффициент трения, происходит повышение температуры, заедание трущихся поверхностей и разрушение подшипника.

Одним из перспективных методов повышения антифрикционных свойств восстановленных шеек коленчатых валов является финишная комбинированная отделочно-антифрикционная обработка рабочей поверхности шеек алмазным выглаживанием в среде геомодификаторов трения [1]. Эта операция может производиться на разных режимах, от которых зависят антифрикционные свойства поверхности.

Цель исследований – исследование влияния режима отделочной антифрикционной обработки шеек коленчатых валов автотракторных двигателей на несущую способность подшипников.

Объект и методика исследований

Исследования с целью определения антизадирных свойств рабочей поверхности шеек коленчатого вала проводились на машине для испытания материалов на трение и износ 2070 СМТ-1. Испытания проводились по схеме «вал-втулка» при 100% проскальзывании на образцах с поверхностями трения, близкими по своим физико-химическим свойствам к поверхностям шейки коленчатого вала и подшипника скольжения.

В качестве «вала» применялись ролики из стали 45Х диаметром 50 мм, изготовленные по технологическим стандартам на изготовление коленчатых валов с последующей термической обработкой. Рабочая поверхность после закалки обрабатывалась черновым шлифованием с шероховатостью 8-го класса. Окончательная обработка проводилась алмазным выглаживанием в среде геомодификатора ТСК-СМ (ТУ 0257-006-13830045-2016, производства ООО "НЭСК"), который был нанесен на обрабатываемую поверхность посредством применения масляной композиции НЭС СТО (ТУ 13830045-001-2016, разработка ООО "НЭСК") инструментом с радиусом рабочей части 4 мм при скорости выглаживания 1,75 м/сек. Шероховатость после окончательной обработки соответствовала 9-му классу. В качестве элемента «колодка» применялись фрагменты вкладышей.

В качестве «втулки» применялись фрагменты вкладышей подшипников коленчатого вала с размерами, обеспечивающими максимально возможное давление в подшипниках коленчатого вала автотракторных двигателей.

Методика проведения экспериментов предусматривала работу сопряжения вал-вкладыш в условиях граничного трения при постепенном увеличение нагрузки. Нагрузка увеличивалась ступенчато на величину 1 МПа через каждые 20минут работы до момента начала процесса схватывания поверхностей, который определялся резким повышением момента трения и температуры.

Результаты исследований

Типичные зависимости коэффициента трения и температуры в зоне трения от времени испытаний при постепенном повышении нагрузки для разных поверхностей показаны на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость коэффициента трения и температуры в зоне трения сопряжения вал-вкладыш от времени испытаний при постепенном повышении нагрузки и разных режимах финишной обработки вала: 1 – алмазное выглаживание при давлении индентора 130 Н и 9-ти кратном силовом воздействии, 2 – при давлении индентора 200 Н и 9-ти кратном силовом воздействии

По мере работы сопряжения коэффициент трения в начальный период в процессе приработки несколько снижается, затем стабилизируется до начала процесса схватывания. Температура в зоне трения монотонно повышается в следствии непрерывного тепловыделения, но по абсолютной величине не высокая для изменения свойств смазочного масла и нарушения процесса трения. Резкий рост температуры наблюдается к моменту начала заедания сопряжения.

Моменты повышения температуры и коэффициента трения совпадают по времени испытаний, что даёт возможность точно определить нагрузку заедания подшипника. Из рис. 1 видно, что режим обработки существенно влияет на несущую способность сопряжения. Для определения оптимальных параметров режима отделочной антифрикционной обработки выполнено исследование по центрально-композиционному плану второго порядка. Изменяемыми переменными являлись параметрамы технологического процесса отделочно– антифрикционной обработки – сила прижатия индентора к детали и кратность силового воздействия.

Диапазон изменения факторов выбран на основе выполненных ранее исследований [2,3,4] из условий обеспечения требований шероховатости поверхности. Величина радиальной силы изменялась в пределах 150 – 270 Н, кратность приложения нагрузки – 1 … 20. В качестве функции отклика принята несущая способность сопряжения – максимальная нагрузка, которую выдерживает сопряжение.

План эксперимента и результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1. План и результаты многофакторных испытаний режима отделочной антифрикционной обработки на несущую способность сопряжения вал-вкладыш

На рис. 2 показана поверхность функции зависимости несущей способности сопряжения вал-вкладыш от величины силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия.

Рис. 2. Зависимость несущей способности сопряжения вал-вкладыш от величины силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия

Несущая способность увеличивается как с увеличением силы давления индентора, так и с увеличением кратности приложения силового воздействия. Однако после определённых значений этих параметров несущая способность снова уменьшается с увеличением силы давления индентора и количества силовых воздействий.

Модель второго порядка зависимости несущей способности сопряжения вал-вкладыш от величины силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия имеет вид:

Pсхв. = –0,00089P2 – 0,032K2 + 0,38P + 0,99K – 0,0015PK – 25,74, (1)

где:
P – сила давления индентора (150Н < P < 250Н);
K – кратность приложения силового воздействия (2 < K < 20).

Оценка адекватности модели проводилась на основе дисперсионного анализа, приведённого в таблице 2.

Таблица 2. Дисперсионный анализ модели зависимости нагрузки заедания от режима антифрикционной обработки

Рис. 3. Диаграмма Парето модели зависимости нагрузки заедания от режима антифрикционной обработки

Общая оценка модели по величине коэффициента детерминации, равного 0,96, показывает её адекватность рассматриваемому процессу. Статистически значимые эффекты по критерию Фишера имеют квадратичные члены величины силы давления индентора и кратности приложения нагрузки (уровень значимости равен 0,001-0,006) и линейный член кратности приложения нагрузки (уровень значимости равен 0,018).

Значимость отдельных коэффициентов уравнения (1) показана на рис. 3. Это свидетельствует о возможности применения приведённой модели для оптимизации режима финишной обработки шеек коленчатого вала. Зона оптимальных значений параметров режима финишной обработки показана на рис. 4.

Рис. 4. График уровней давления схватывания сопряжения вал-вкладыш в зависимости от величины давления индентора и кратности приложения нагрузки

Наибольшая несущая способность сопряжения вал-вкладыш обеспечивается при отделочной обработке с силой давления индентора 200 Н …210 Н и кратности приложения нагрузки 10 … 12.

Рис. 5. Зависимость наибольшей высоты профиля от кратности приложения нагрузки при давлении индентора силой 200 Н

Исследование зависимости параметров шероховатости поверхности вала от параметров обработки показало, что обработка на режиме, соответствующем наибольшей несущей способности сопряжения вал-вкладыш, обеспечивает наилучшее качество поверхности вала [2].

На рис. 5 показана зависимость наибольшей высоты профиля от кратности приложения нагрузки при давлении индентора силой 200 Н. Из графика следует, что минимальную высоту выступов профиля обработанная поверхность имеет при кратности приложения нагрузки 10–14 раз.

При заданной силе давления и размере индентора (от величины силы и размера индентора зависит величина контакта индентора по длине вала) кратность приложения нагрузки обеспечивается величиной продольной подачи инструмента (индентора) и числа проходов.

На рис.6 показано изменение параметров шероховатости от числа проходов индентора для наиболее распространённой для токарных станков минимальной продольной подаче 0,08 мм/ оборот.

Рис. 6. Зависимость среднеарифметического отклонения профиля от числа проходов индентора при продольной подаче 0,08 мм/ оборот

Минимальная шероховатость обеспечивается при трёх проходах инструмента. Это соответствует 12-ти кратному силовому воздействию.

Выводы

Несущая способность сопряжения вал-вкладыш при финишной обработке вала алмазным выглаживанием в среде геомодификатора трения ТСК существенно зависит от режима обработки. Наибольшее влияние оказывает кратность приложения нагрузки деформирования. В диапазоне изменения параметров режима, обеспечивающим требования по шероховатости поверхности, оптимальным режимом обработки следует считать давление индентора диаметром 4 мм силой 200 Н …210 Н и кратности приложения нагрузки деформирования 10 … 12. Это обеспечивается проведением обработки при продольной подаче 0,08 мм/оборот и трёх проходах инструмента.

Литература

  1. Сковородин В.Я. Исследование влияния финишной антифрикционной обработки шеек на работоспособность подшипников коленчатого вала / В.Я. Сковородин, А.В. Антипов, К.А. Меньшиков // Известия Международной академии аграрного образования – 2017. – Том.1, Выпуск № 35. – С. 117-122.
  2. Сковородин В.Я. Влияние режима отделочно-антифрикционной обработки шеек коленчатого вала на параметры шероховатости поверхности / В.Я. Cковородин, А.В. Антипов //Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. – 2017. – № 4(49). – С. 245–252.
  3. Сковородин В.Я. Влияние кратности силового воздействия при финишной отделочно-антифрикционной обработке шеек коленчатых валов / В.Я. Cковородин, А.В. Антипов // Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозамещения: сборник научных трудов международной научно-практической конференции. – Ч. I / СПбГАУ. – СПб., 2018 (Санкт-Петербург–Пушкин, 25–27 января 2018 года). – С.382 - 387.
  4. Сковородин В.Я. Влияние финишной отделочно-антифрикционной обработки валов на амплитудные параметры шероховатости поверхности / В.Я. Cковородин, А.В. Антипов // Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозамещения: сборник научных трудов международной научно-практической конференции. – Ч. I / СПбГАУ. – СПб., 2018 (Санкт-Петербург–Пушкин, 25–27 января 2018 года). – С.387 - 392.