книги из ГПНТБ / Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей

Тензометрирование коленчатого вала на работающем двигателе дает возможность определить характер распределения напряжений по его длине и выявить наличие дополнительных напряжений из-за возможных поперечных или продольных, а также крутиль­ ных колебаний. Особенно опасным с точки зрения возникновения колебательного процесса, приводящего к росту изгибных напря­ жений, является район первого колена вала, возможность разви­ тия колебательного процесса в котором обусловлена наличием значительной массы антивибратора крутильных колебаний, распо-

На рис. 74 показаны осциллограммы изменения напряжений на крайней (первой) галтели шатунной шейки первого колена двигателя 16ДН 23/30, записанные при резонансной частоте вращения двигателя и при устраненном резонансе колебаний и том же уровне рабочих нагрузок на вал от давления сгорания поочередно в двух цилиндрах (с углом развала 45°) и сил инерции кривошипно-шатунного механизма. Характерное повышение общего размаха переменных напряжений в этой галтели вала вследствие развития колебаний в зависимости от частоты вращения вала двигателя графически представлено на рис. 75. Аналогич­ ное, но меньшее увеличение напряжений при той же частоте вращения было отмечено во второй галтели шатунной шейки первого колена.

Расчетные оценки частот колебаний по возможным формам изгиба вала привели к следующей схеме колебательного процесса в районе первого колена. Первое колено с присоединенной массой

117

антивибратора является относительно самостоятельным колеба­ тельным контуром, собственная частота которого определяется

при частоте вращения вала 720 об/мин, которой соответствовал максимум изгибных напряжений в первой и второй галтелях ша­ тунной шейки вала.

Рис. 75. Изменение на­ пряжений изгиба в гал­ тели шатунной шейки пер­ вой щеки коленчатого вала двигателя 16ДН 23/30 в зависимости от частоты вращения при испыта­

ниях:

118

валу быстроходного дизеля с оценкой возможных дополнительных напряжений и учетом их значений в расчетах запасов прочности.

Одним из методов снижения нзгнбных колебаний передней части коленчатого вала является применение комбинированного антивибратора, в котором оси двух из шести маятников были повернуты на 90° по отношению к осям остальных маятников и колебания их совершались в плоскости первого колена. Испыта­ ния коленчатого вала с комбинированным антивибратором пока­ зали его эффективность (рис. 75).

Уровень переменных напряжений (по амплитуде) от вибра­ ционных нагрузок, вызываемых крутильными колебаниями, в литых чугунных валах дизелей КТЗ обычно не превышает

250—300 кгс/см2.

ВЛИЯНИЕ МАТЕРИАЛА КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА НА ЕГО УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Одним из основных направлений исследований в процессе доводки коленчатых валов на КТЗ явились работы по улучшению усталостных свойств материала вала и повышению показателей выносливости колен.

Испытания материалов проводились при симметричном цикле

испытательных машин типа МУИ-6000. Согласно ГОСТу 2860—65 выбран вариант нагружения образца по схеме чистого изгиба, имеющего на значительной длине участок равной напряженности, необходимый для достоверной оценки усталостных показателей материалов с повышенной неоднородностью свойств, к каким относится высокопрочный чугун, особенно в отливках крупных коленчатых валов. Испытания стандартных образцов для опре­ деления предела усталости материала в заданных условиях про­ изводства получили наибольшее распространение главным обра­ зом для высокопрочного чугуна, так как, кроме возможной неод­ нородности свойств, его показатели сопротивления нагрузкам относительно тех же показателей конструкционных легирован­ ных сталей понижены в среднем в 2 раза. Поэтому становятся очень важными поиски технологических возможностей повышения и стабилизации усталостной прочности материала литых чугунных валов, а также последующего их эффективного упрочнения.

Наличие включений свободного графита, т. е. исходная неод­ нородность (гетерогенность) общей структуры чугуна, приводит к более сложной зависимости его усталостных свойств от при­ нятой технологии изготовления. Если представить требуемые свойства в виде некоторой функции от структуры, то, в отличие от стали, для чугуна геометрия графитовых включений является новым независимым переменным параметром со значительным влиянием на получаемые свойства.

119

В частности, по этой причине у чугуна не имеется устойчивой прямой корреляционной связи между пределом выносливости и пределом прочности (временным сопротивлением), которая суще­ ствует у конструкционных сталей и помогает ориентироваться в выборе нужной структуры (и термообработки) по результатам статических испытаний образцов в качестве контролируемых параметров при изготовлении. Для высокопрочного чугуна по полученным высоким показателям статической прочности еще нельзя судить о пригодности такого материала к условиям работы при переменных нагрузках.

Значительное влияние формы графита (отклонение от глобуляр­ ное™) на выносливость по мере повышения предела прочности могут не дать в этих условиях ожидаемого прироста усталостного сопротивления. Это указывает на наличие для каждой структуры чугуна оптимума механических показателей (оп, ат и б), при которых достигается наибольший уровень усталостного сопро­ тивления.

Требуемые форма и размеры глобулярного графита образуются в чугуне при литье и не поддаются последующему исправлению; определяющее значение при этом имеют выбор модификатора под заданный состав чугуна и температура процесса.

Кроме формы и размеров графита существенное влияние на усталостную прочность оказывает состояние металлической основы (матрицы), структура которой для азотированных валов должна быть преимущественно перлитной (содержание феррита допускается не более 30%) и одновременно не содержать свобод­ ного цементита. Здесь определяющими являются скорости охла­ ждения отливки в форме, а также скорости охлаждения при по­ следующей термообработке (нормализации) отливки, достигаемые в требуемых пределах регулируемым принудительным охлажде­ нием заготовок валов.

Важным условием высокой сопротивляемости металлической основы является уменьшение в ней локальных повреждений, вызванных эффектом вторичной графитизации, наблюдаемой при пониженных скоростях охлаждения, а также при повторных высоких нагревах высокопрочного чугуна (при горячих правках вала). Характерным признаком вторичной графитизации служит наличие зон темного цвета в изломе образца при разрыве, что и было выбрано оценочным критерием приемки валов по шкале установленных эталонов с разной степенью полученной графити­ зации и потемнения.

Вследствие отмеченных особенностей высокопрочного чугуна необходимо проводить определение предела усталости материала для использования в последующих расчетах запасов прочности путем испытаний стандартных образцов, вырезаемых только из натурных коленчатых валов, выполненных по принятой (серийной) технологии изготовления. Образцы должны вырезаться из пери­

120

ферийной части шатунных шеек в зоне перекрытия (первого и последнего колеи по длине вала).

'После внесения улучшений предел выносливости ст_х при сим­ метричном изгибе материала вала после азотирования (ложное азотирование) для вырезаемых образцов был увеличен от 15 до 19 кгс/мм2. Для образцов, вырезанных из щек, эти показатели соответственно выше приблизительно на 10%. Вследствие того что при изгибе колена начало усталостной трещины всегда распо­ лагается в зоне галтели шатунной шейки, при уточненном опре­ делении предела выносливости материала в опасном участке пере­ крытия следует принимать среднее арифметическое нижних зна­ чений пределов выносливости, найденных для щеки и шейки.

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА. ЗАПАСЫ ПРОЧНОСТИ

Наиболее полные данные о характеристиках усталостной прочности вала могут быть получены при усталостных испытаниях натурных колен, вырезаемых из готовых валов, на универсальной испытательной машине ЦДМ-200тПу в специальных приспосо­ блениях при нагружении радиальными и осевыми усилиями (рис. 76). Нагружение элементов осевыми усилиями осуществля­ лось по симметричному циклу, а радиальными — по несимме­ тричному циклу с коэффициентом асимметрии г0 — 0,2.

При нагружении элементов радиальными усилиями исполь­ зуют приведенное выше приспособление, имеющее в качестве опор подшипники качения, что обеспечивает свободу осевых и угловых перемещений. В случае, когда создаваемые машиной переменные усилия меньше разрушающих, при испытаниях в лаборатории прочности КТЗ используют связанные с гидравлической системой машины специальные силовые цилиндры, диаметр поршня которых больше диаметра поршня испытательной машины.

Для определения характеристик усталостной прочности круп­ ных коленчатых валов был создан испытательный стенд, в котором использовались разработанные ранее силовые гидроцилиндры. Натурные колена нагружались радиальными усилиями при наи­ большем размахе переменной нагрузки 2Р„ = 180 Т. Стенд (рис. 77) имеет оригинальную конструкцию коренных опор, обла­ дающих высокой угловой и поперечной (изгибной) податливостью вследствие использования несвязанных гибких вертикальных стоек при их достаточной продольной жесткости и прочности в заданных пределах нагрузок. Достигнутая податливость несу­ щих стоек опор практически полностью исключает стеснение воз­ никающих упругих деформаций вала под нагрузкой, обеспечи­ вает статическую определимость, повышенную точность и стабиль­ ность силовой схемы как при статическом, так и при переменном (циклическом) действии нагрузки.

121

На стенде такой конструкции при диаметре силового цилиндра dlK— 450 мм в соединении с гндропульсаторами, насосной уста­ новкой II силонзмернтельными устройствами универсальной испытательной машины ЦДМ-200тПу были проведены натурные испытания стальных азотированных коленчатых валов двига­ теля 6ЧН 30/38 с достижением двойной перегрузки н определением запасов прочности.по уровню перегрузки и фактической долго­ вечности до разрушения. Частота циклов нагружения элементов

двусторонним действием силы при симметричном цикле нагру­

делить эффективность различных методов упрочнения и вариаций формы, а также обоснованно выработать требования к контролю материала и геометрии вала в условиях серийного производства. Испытаниями было установлено, что существующее азотирование коленчатых валов из высокопрочного чугуна повышает их уста­ лостную прочность на 20—25%. Некоторого повышения устало­ стной прочности азотированных коленчатых валов из высокопроч­ ного чугуна можно достичь наклепом их галтелей стальной дробью, что приводит к увеличению предела усталости колен дополнительно на 15—20%. Эффективным и значительно менее длительным процессом является изотермическая закалка в жид-

122

Рис. 77. Общий вид и основные узлы стенда для испытания на выносливость натурных колем вала по схеме радиальной нагрузки:

/ — испытываемый элемент; 2 — стопки-опоры; 3 —

кмх средах, которая позволяет полу­ чать предел выносливости вала выше предела выносливости азотированного вала на 30—35%. Кром того, такие валы имеют значительный резерв даль­ нейшего повышения усталостной проч­ ности на 25—30% последующей на­ каткой галтелей.

Оценки износа, проведенные на ма­ шине трения (типа ТР-1), азотирован­ ных и изотермически закаленных (в селитровой ванне) образцов из высоко­ прочного чугуна, показали практиче­ ски одинаковую износостойкость как коренных и шатунных шеек, так и вкладышей с антифрикционным слоем из свинцовистой бронзы [11].

Испытания натурных колен из вы­ сокопрочного чугуна показали, что осо­ бое внимание следует обращать на ли­ тейные дефекты, расположенные в зонах максимальной напряженности колен. Выходящие на поверхность галтели

шатунной шейки участки пористости в зоне наибольшей напря­ женности снижают их долговечность в 3—4 раза. Поэтому наличие видимых или близко расположенных к поверхности дефектов на

Своевременное установление годности отливок валов выпол­ няется контролем объема и расположения возможных внутрен­ них дефектов на участках шеек и щек, особенно в зоне перекрытия. Для чугунных валов с диаметром шеек 200—250 мм преимуще­ ственно применяют гаммаграфирование — просвечивание гаммалучами радиоактивных изотопов (обычно кобальта 60) с фотогра­ фированием на пленку выделенных участков каждого колена и оценкой дефектов по установленной шкале и эталонам. В послед­

123

нее время более удобным и эффективным при контроле валов становится ультразвуковой метод обнаружения дефектов, который находит по мере совершенствования методики и аппаратуры все большее распространение для проверки сплошности и качества металла ответственных деталей.

Знание действительных величин напряжений в опасных се­ чениях вала и наличие данных по усталостной прочности колен, полученных при их натурных усталостных испытаниях, позво­ ляет определить фактический запас прочности вала, минималь­ ная допустимая величина которого должна быть не менее 1,5 при наличии отлаженной технологии изготовления. Вследствие по­ вышенной неоднородности свойств и несколько большим разбро­ сом пределов выносливости высокопрочного чугуна относительно разброса пределов выносливости конструкционных легированных сталей, рациональные пределы запасов прочности, к которым нужно стремиться при проектировании чугунных коленчатых валов для современных транспортных двигателей, должны со­ ставлять 1,8—2,5.

ВЛИЯНИЕ КОРЕННЫХ п о д ш и п н и к о в

иНЕСООСНОСТИ ОПОР НА НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ

КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА

Вследствие высокого уровня напряженности и необходимости обеспечения длительной надежной работы коленчатых валов в эксплуатации необходимо сохранять имеющийся запас проч­ ности вала в процессе эксплуатации. Попытки решить эту задачу при низкой долговечности подшипников, в частности для двига­ теля 2ДЮ0, только последовательным увеличением прочности вала и повышением относительной изгибной податливости с целью снижения в нем темпов роста напряжений и повреждаемости в связи с взносами опор оказались бесперспективными. Для со­ хранения запаса прочности во времени основное значение при­ обретает высокая износостойкость подшипниковых узлов. Для высоконагруженных подшипников одним из примеров длительно работающей подшипниковой пары являются азотированный коленчатый вал и вкладыши, залитые свинцовистой бронзой с приработочным мягким покрытием. Износы шеек вала и вкла­ дышей при этом незначительны (0,03—0,05 мм через 5000—6000 ч работы).

При наличии износостойких подшипников, сварного несущего блока цилиндров и подвесного коленчатого вала к основным при­ чинам возникновения несоосности опор относится износ зубчатых поверхностей стыков подвесок при некачественном изготовлении или недостаточной затяжке болтов коренных опор, а также недо­ пустимо большое последующее коробление блока цилиндров из-за релаксации со временем высоких остаточных напряжений при недостаточно эффективном режиме термообработки после сварки.

124

Специально проведенные исследования на натурных корен­ ных подшипниковых узлах позволили установить, что для резкого снижения уровня дополнительных усилий при затяжке и дефор­ маций степень прилегания зубчатых поверхностей стыков (по краске) должна быть не меньше 70% геометрической поверхности контакта при проверке в свободном состоянии (при незатянутых болтах). Данное требование является также необходимым для сохранения исходной точности отверстия постели при длительной работе II периодических перезатяжках разъемного подшипника

вэксплуатации. Для достижения нужного прилегания поверхно­ стей разъемов была внедрена механическая притирка зубчатых поверхностей подвесок и опор подшипников в блоке.

Достаточный запас на нераскрытое стыков обеспечивается введением в чертежи расчетно обоснованных усилий комбинирован­ ной затяжки гаек болтов подвесок (вначале с контролем по мо­ менту до отправной точки и затем по заданному углу поворота гайки). При этом был существенно увеличен уровень напряжений

вболтах от затяжки.

Для устранения коробления блока цилиндров потребовалось внести изменение в первоначальный режим термообработки (вы­ сокого отпуска) блоков с увеличением максимальной температуры

и исключения причин, вызывающих несоосность опор вала, про­ блема сохранения начального запаса прочности коленчатого вала форсированных дизелей КТЗ в процессе длительной эксплуа­ тации была решена.

ОПЫТ СОЗДАНИЯ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ДВИГАТЕЛЯ 16ЧН 26/26

Опыт, полученный при доводке коленчатого вала двигателя 16ДН 23/30, позволил при создании нового вала для двигателя 16ЧН 26/26 уже в . процессе проектирования выбрать колено с более рациональной формой элементов. Колено этого вала (рис. 78) имеет близкие по величине диаметры коренной и шатун­

ной шеек, большое перекрытие шеек ( - j —= 0,4j, утолщенные

щеки с разгружающими выемками в средней части, развитые бочкообразные внутренние полости шеек; на крайних и с-редних щеках вала имеются противовесы, выполненные как одно целое с валом. Перед началом серийного производства были проведены исследования прочности и жесткости вала с целью улучшения формы его составляющих элементов, а также определение наиболее рациональных соотношений и размеров внутренних полостей.

125

При отсутствии выемки в щеках и относительно малом диаме­ тральном размере полости в смежной шейке при удалении ее от галтели создается характерное распределение напряжений по дуге в виде эпюры эллиптического типа с максимумом в плоскости колена (см. рис. 71).

Увеличение полости в смежной шейке и приближение ее к гал­ тели, разгружая центральную часть, приводит к седловидному характеру эпюры с двумя максимумами по обе стороны от отно­

сительного минимума в плоскости колена (рис. 79). Каждому виду распределения напряжений при усталостных испытаниях соответствует типичное образование очагов развития усталостных трещин — центральное единичное в первом случае и симметрич­ ное двойное— во втором. Наивыгоднейшая величина и располо­ жение полости должны обеспечить равные значения наибольших напряжений на участке дуги галтели, охватывающем все три максимума в двух представленных вариантах, т. е. на общей дуге ==»50°. В этом случае концентрация напряжений в сопряжении при прочих равных условиях будет наименьшей. Введение выемок в щеки заметно увеличивает разгрузочный эффект. При этом эпюра распределения напряжений имеет седловидный характер с двумя относительно повышенными максимумами по дуге галтели, расположенными приблизительно против кромок полости при выходе их в выемку. Поэтому, чтобы не повысить эффект нерав­ номерности распределения напряжений в зоне перекрытия, выемки должны делаться неглубокими и иметь плавные очертания в местах сопряжений с полостью шейки. В ряде случаев выемки оправданы

126