Способ восстановления шеек коленчатых валов ДВС

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДВС(71) Заявитель Институт надежности машин Национальной Академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Институт надежности машин Национальной Академии наук Беларуси(57) Способ восстановления шеек коленчатых валов ДВС, включающий подготовку поверхности шеек, нанесение износостойкого покрытия газотермическим напылением и последующую механическую обработку,отличающийся тем, что газотермическое напыление осуществляют, исходя из требуемого значения прочности сцепления покрытия с поверхностью восстанавливаемой шейки коленчатого вала, которое определяют из соотношения где- прочность сцепления на отрыв, МПа А - сумма размеров ширины щеки вала, половины длины коренной и шатунной шеек, м- усредненный диаметр шеек вала, м- расстояние между осями шатунной и коренной шеек, м, где- диаметр поршня, м 4- максимальное давление газов на поршень, Н/м 2 при этом коэффициент запаса прочности выбирают из диапазона 1,15 - 1,3.(56) Сахнович В.Т. и др. Разработка технологий восстановления автомобильных деталей газопламенным напылением и наплавкой Сб. Защитные покрытия при изготовлении деталей машин и их ремонте. - Мн.,1992. - С. 20.1754396 1, 1992.2007287 1, 1994. Изобретение относится к ремонтному производству, в частности к способам восстановления изношенных шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) нанесением износостойких покрытий. Может быть использовано при реставрации коленчатых валов двигателей автотранспорта, судов, локомотивов,компрессоров. Известен способ восстановления шеек коленчатых валов ДВС (Молодык Н.В., Зенкин А.С. Восстановление деталей машин. - М. Машиностроение, 1089. - С. 419-427), заключающийся в электродуговой наплавке в среде углекислого газа покрытий проволочными материалами на подготовленные поверхности шеек с последующей механической обработкой. Недостатком известного способа является высокая температура на 4840 1 грева поверхностных слоев шеек, обуславливающая значительные термические деформации валов, рост усталостных трещин, вызывающих разрушение валов после непродолжительного периода их эксплуатации. Наиболее близким по технической сущности заявляемому способу является способ восстановления шеек коленчатых валов ДВС (Сахнович В.Т., Полупан Ю.В., Чагаев В.А. Разработка технологий восстановления автомобильных деталей газопламенным напылением и наплавкой Сб. Защитные покрытия при изготовлении деталей машин и их ремонт. - Мн., 1992. - С. 20), принятый за прототип, включающий выбор того метода восстановления газотермическим напылением слоев, который обеспечивает при данном наносимом материале покрытия максимальные значения прочности сцепления с основой вала. Однако с развитием техники газотермического напыления возрастают максимально возможные значения прочности сцепления при значительном увеличении стоимости технологий и оборудования. Диапазон значений адгезии газотермических покрытий на сегодняшний день составляет 1221 - МПа, а методы, обеспечивающие наиболее высокие показатели (более 100 МПа), очень энергоемки (себестоимость напыления более 5 долларов США/кг без стоимости материала) и малопроизводительны (например, детонационное напыление - менее 3 кг/ч). Задачей является снижение энергозатрат и упрощение реализации способа путем определения наиболее рационального диапазона использования любого метода газотермического напыления в практике восстановления коленчатых валов. Для решения поставленной задачи в способе восстановления шеек коленчатых валов ДВС, включающем подготовку поверхности шеек, нанесение износостойкого покрытия газотермическим напылением и последующую механическую обработку, согласно изобретению, газотермическое напыление осуществляют, исходя из требуемого значения прочности сцепления покрытия с поверхностью восстанавливаемой шейки коленчатого вала, которое определяют из соотношения где- прочность сцепления на отрыв, МПа- сумма размеров ширины щеки вала половины длины коренной и шатунной шеек, м- коэффициент запаса прочности- расстояние между осями шатунной и коренной шеек, м/, где М - максимальный крутящий момент, Нм 2/4, где- диаметр поршня, м- максимальное давление газов на поршень, Н/м 2,при этом коэффициент запаса прочности выбирают из диапазона 1,151,3. Значения коэффициента запаса прочности были взяты из работ, посвященных экспериментальным исследованиям долговечности восстановленных коленчатых валов (Барановский В.Э. Применение активированной металлизации при восстановлении тяжелонагруженных коленчатых валов В сб. Современные материалы и оборудование для упрочнения деталей. - Новополоцк. - С. 65). Коэффициент запаса прочностидля двигателей мощностью до 100 кВт составляет 1,15 для двигателей от 100 до 300 кВт - 1,201,25 для двигателей более 300 кВт - 1,301,35. Снижение энергозатрат при реализации предлагаемого способа, по сравнению с известным, обусловлено использованием не того энергоемкого метода напыления, который обеспечит максимально возможную прочность сцепления, а метода, выбранного с учетом динамических параметров двигателя, реализация которого требует значительно меньших затрат. Так, для всех известных марок бензиновых четырехтактных двигателей автомобилей грузоподъемностью до 3 т прочность сцепления, определенная по заявляемому способу, не может превышать 40 МПа, что достигается относительно дешевыми технологиями газопламенного напыления и электрометаллизации. Для оценки возможности использования различных методов газотермического напыления при восстановлении коленчатых валов были рассчитаны максимальные напряжения, возникающие в поверхностном слое шеек, и полученные величины сравнены со значениями механических характеристик покрытий, нанесенных на конкретном оборудовании. При расчете учитывались самые неблагоприятные условия работы вала - режим максимального движущего момента при частоте вращения, равной 0,40,6 номинальной, когда давление газов в процессе их сгорания достигает наибольшего значения. Рассчитанные максимальные напряжения, возникающие в точках наиболее опасных сечений коренной и шатунной шеек, должны быть меньше величины прочности сцепления покрытий с основой вала. Таким образом, определив величину напряжений,можно выбрать способ газотермического напыления со значениями адгезии покрытий, близкими к этой величине. 4840 1 Пример 1. Три шейки коленчатого вала двигателя МеМЗ-245 (автомобиль ЗАЗ-1102) восстанавливали по прототипу плазменным напылением порошкового материала марки ПТ-19 Н-01 на установке Плазма-Техник (Швейцария). Для выбора метода восстановления остальных шеек использовали заявляемый способ. При этом учитывались следующие характеристики двигателя крутящий момент - 80 Нм давление газов на поршень - 3,4 МПа диаметр поршня - 0,072 м расстояние между осями шатунной и коренной шеек - 0,034 м диаметр шеек - 0,05 м длина шеек - 0,028 м ширина щеки вала - 0,01 м. Используя выражение (1), определили, что прочность сцепления покрытия с поверхностью шеек данного вала должна составлять 2223 МПа. Эти показатели обеспечивает газопламенное порошковое напыление (25 МПа). В табл. 1 приведены свойства покрытий, нанесенных по прототипу и методом, выбранным по заявляемому способу, а также их экономические показатели. Относительную износостойкость определяли методом искусственных баз после пробега 30 тыс. км. за единицу взят износ нового коленчатого вала после аналогичного пробега. Таблица 1 Прочность Стоимость Твердость по- Относит. износоМетод восстанов- Материал посцепления,восстан. одной ления крытия крытия, э стойкость МПа шейки,Плазменное напы- порошок ПТ 38 0,88 4,30 4749 ление (прототип) 19 Н-01 Газопламенное порошок ПТ 38 0,90 2,98 2425 напыление 19 Н-01 Пример 2. Четыре шейки коленчатого вала четырехтактного дизеля Д-240 мощностью 85 л.с. восстанавливали по прототипу плазменным напылением порошкового материала ПТ-19 Н-01 на установке Плазма-Техник. Для выбора метода восстановления остальных шеек использовали заявляемый способ, учитывая, что максимальный крутящий момент 274 Нм давление газов на поршень 5,8106 Н/м 2 диаметр поршня 0,11 м расстояние между осями шатунной и коренной шеек 0,063 м диаметр шеек 0,075 м длина шеек 0,045 м. Используя условие (1), определили, что прочность сцепления покрытия с поверхностью шеек данного вала должна составлять 4041 МПа. Эти показатели обеспечиваются газопламенным проволочным напылением (45 МПа). В табл. 2 приведены свойства покрытий и экономические показатели прототипа и заявляемого метода. Таблица 2 Прочность Стоимость Метод восстанов- Материал поТвердость по- Относит. износосцепления,восстан. одной ления крытия крытия, э стойкость МПа шейки,Плазменное на- порошок ПТ 38 0,88 4,96 4749 пыление (прото 19 Н-01 тип) Проволока 42 44 1,03 1,19 Газопламенное напыление прово 4013 локой, установка ТЕРКО Таким образом, предложенный способ восстановления коленчатых валов ДВС существенно отличается от известного, позволяет значительно снизить материальные затраты и упростить реализацию, определить аналитическим путем наиболее оптимальный метод восстановления коленчатого вала любого типа двигателя внутреннего сгорания. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 3