11. Повышение надежности прямых и коленчатых валов

Прямые и коленчатые валы являются весьма распространенными и ответственными деталями. От их надежности зависит надежность машин в целом. Разрушение валов в работающей машине почти неизбежно влечет за собой аварийную ситуацию. Поэтому к валам предъявляют высокие требования, в особенности, к сопротивлению усталости валов и правильности их геометрической формы.

Однако несмотря на большой опыт, накопленный отечественным и зарубежным машиностроением по расчету и конструированию валов, их изготовлению, эксплуатации и ремонту, в практике еще нередки случаи поломок валов в работающих машинах. Например, около половины двигателей ЗМЗ-53 отказывают в доремонтном периоде из-за дефектов коленчатых валов (КВ), причем 7% из них составляют поломки усталостного характера.

Большое число отказов двигателей ЯМЗ-240 происходит из-за поломок КВ. До 14% рекламаций двигателей СМД-62 поступает из-за усталостных поломок КВ. Поломки КВ двигателей ЯМЗ-240Б в 47% происходили по шатунным шейкам перпендикулярно оси в зоне галтелей. Анализ 52 случаев поломок стальных КВ двигателей Д-37М в эксплуатации показал, что около 70% поломок происходит за первую тысячу часов работы .

Исследование причин поломок КВ дизелей с рабочим объемом цилиндров 4,16 л показало, что 85,6% составляют поломки усталостного характера по галтелям с выходом на щеку или на шейку.

Изломы КВ наблюдаются у 2–9 % тракторных двигателей, поступивших в ремонт. Из-за усталостных трещин на шейках и галтелях выбраковывают от 3% до 20% КВ, поступивших в ремонт.

Проанализируем причины этих поломок.

11.1. Причины поломок валов в эксплуатации

Ниже рассматриваются, в основном, причины конструкторского и технологического характера.

Анализ литературных и производственных данных показывает, что в подавляющем большинстве случаев причиной поломок коленчатых валов является недостаточный запас сопротивления усталости в сечении галтелей коренных (КШ) и шатунных (ШШ) шеек, щеках, а также у радиальных отверстий в шейках валов. Минимальная допустимая величина коэффициента запаса сопротивления усталости в галтелях КВ составляет 1,5–3. Специалисты по ремонту и восстановлению КВ считают его недостаточным. По их мнению необходимо повысить запас сопротивления усталости новых КВ не менее, чем на 25%. Чаще всего прямые и коленчатые валы разрушаются по галтелям, что можно объяснить следующими причинами:

1) Галтели являются конструктивными концентраторами напряжений. Это хорошо видно из рисунка 11.1, а, где показано распределение напряжений в галтели шатунной шейки коленчатого вала по С. В. Серенсену.

2) Шейки валов часто подвергаются закалке с нагревом ТВЧ для увеличения их износостойкости. Галтель при этом из-за технологических трудностей остается сырой. Закаленный слой обрывается на границе галтели и цилиндрической части шейки. Зона обрыва закаленного слоя является областью возникновения остаточных напряжений растяжения (рис. 11.1,б,в), достигающих значительных (до 160–170 МПа) величин и снижающих предел выносливости коленчатых валов на 20–44 %.

3) Задиры на ШШ, возникающие из-за перегрузок двигателей в эксплуатации, снижают предел выносливости на 10–15%.

4) В условиях серийного и массового производства технологически трудно выдержать заданный радиус и форму галтели. Поэтому зачастую наблюдаются значительные отклонения радиусов галтелей от заданных. Например, поле рассеяния радиусов галтелей шатунных шеек коленчатого вала двигателя УД-2 находится в пределах 2–3,2 мм вместо 2,5–3 мм по техническим условиям. О большом рассеянии радиусов галтелей говорится в различных публикациях.

При перешлифовке шеек на третий – четвертый ремонтные размеры получить галтели правильной геометрической формы не удается. При перешлифовке КВ двигателей А-41М на ремонтный размер встречаются галтели с радиусом 1–2мм, т.е. происходит подрез галтелей.

Уменьшение радиуса галтели против заданного приводит к повышенной концентрации напряжений в галтели, шейке и щеке, в результате чего вероятность поломки коленчатых валов в эксплуатации увеличивается. Так, 60 % коленчатых валов двигателя СМД-62 с поломками щек имели радиус галтели 3,94 мм вместо 5_–0,5 мм по чертежу.

5) Шероховатость поверхности галтелей коленчатых валов обычно задается в пределах Ra=0,16–0,63 мкм по ГОСТ 2789-73. В производственных условиях, как правило, удается достичь только Ra=0,63–2,5 мкм. Увеличение шероховатости поверхности, как известно, ведет к снижению предела выносливости на 20–30% и поломкам валов.

Рис. 11.1. Распределение напряжений:

а) в галтели шатунной шейки (по С. В. Серенсену);

б) при обрыве закаленного слоя на цилиндре

(по И. В. Кудрявцеву);

в) при обрыве закаленного слоя у галтели

(по С. В. Серенсену).

6) Неблагоприятное расположение волокон металла с внутренней стороны кривошипа у исходной заготовки КВ (штамповки), в результате чего они могут подрезаться при формовании заготовки и при дальнейшей механообработке. (Фирма Шнейдер-Кредо разработала способ штамповки КВ гибкой с высадкой, при котором последующая механообработка не приводит к перерезанию волокон. Предел выносливости возрастает на 20–25%).

7) Предел выносливости предельно изношенных КВ снижается на 20–30% по сравнению с новым. У стальных КВ двигателей автомобилей ЗИЛ-130 с предельно изношенными шейками предел выносливости уменьшается на 26–30% по сравнению с новыми, а у чугунных КВ – на 7–10%.

8) В результате кратковременных перегрузок двигателя, неравномерной подачи топлива к цилиндрам, смещения опор блока и т. п. возникают ситуации, при которых КВ работает с перегрузками. При этом в опасных сечениях (в основном, в галтелях) накапливаются усталостные повреждения, снижающие предел выносливости. Так, для КВ двигателя СМД-14 он уменьшается на 25% по сравнению с новыми, для КВ двигателя Д-21 – на 14%.

9) Местами разрушения в автомобильных полуосях являются участки галтелей со стороны фланца и участки стержня со шлицевой нарезкой. В последнем случае развитие трещины начинается с галтелей шлиц.

Снижение сопротивления усталости валов ввиду вышеперечисленных причин можно учесть в какой-то степени при их расчете и конструировании, а также при изготовлении. Однако в полной мере это сделать затруднительно из-за сложной схемы нагружения валов, несовершенства существующих способов расчета, большого количества трудноучитываемых факторов, снижающих прочность валов. В частности, в одной из работ приведены данные об изгибающих и касательных напряжениях в стальных КВ некоторых дизелей по результатам тензометрирования. Фактические напряжения оказались значительно ниже пределов выносливости, однако, при испытаниях часть валов разрушается. Авторы делают вывод, что “… элементы КВ при работе дизелей имеют в своем спектре нагружения, которые не выявляются при расчетах и тензометрировании”. Поэтому приходится прибегать к дополнительным мерам для повышения сопротивления усталости валов.