книги из ГПНТБ / Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей

(сталь 20), можно предположить, что причиной появления тре­ щин являлась высокая концентрация напряжений, вызванная неудовлетворительным качеством швов.

Описанные дефекты были устранены после введения ряда кон­ структивных и технологических изменений. В качестве первого примера можно привести врезное соединение бокового листа и вертикальной силовой стойки (рис. 6). В существующих ранее конструкциях имел место неполный провар в соединении и, кроме того, в нем возникали напряжения от неудовлетворитель­ ного качества сварного шва, особенно в верхней части выхода стойки из бокового листа. Трещины, появляющиеся в этом месте

всварном шве, обычно распространялись на вертикальную стойку.

Вкачестве второго примера можно привести соединения бу­ геля, вертикальной стойки и лапы блока. Из рис. 6 видно, что

зона А соединения является местом пересечения трех швов, а именно: приварки бугеля к стойке (стыковой), приварки стойки к лапе (угловой шов) и приварки бугеля к лапе (стыковой шов

содносторонней разделкой). При этом конструктивном решении весьма трудно было выполнить сварные швы качественными, особенно в зоне А. Конструктивные изменения этого узла позво­ лили улучшить условия сварки и снизить деформации лапы в го­ ризонтальной плоскости от изгибающего момента сил инерции вращающихся масс кривошипно-шатунного механизма. В исход­ ной конструкции блока вследствие наличия повышенных дефор­ маций лап и блока прочность масляной ванны, жестко связанной

сблоком, уменьшалась, а также появлялась течь в местах стыка. Конструктивные изменения заключались в следующем. Лапа блока была выполнена в виде балки коробчатого сечения и при­ варивалась к бугелю с помощью электрошлаковой сварки, шов был смещен в сторону лапы блока, что позволило избежать пере­ сечения трех швов и значительно усилить все соединение. Из-за некоторого увеличения наклона бокового листа ликвидировано прорезное соединение его со стойкой.

Одновременно вводились категории ответственности для всех сварных швов блока с необходимым контролем.

к л а с с и ф и к а ц и я и м етоды КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОСТОВОВ

Опыт создания ответственных сварных конструкций в раз­ личных отраслях машиностроения, а также опыт изготовления напряженных сварных блоков турбопоршневых двигателей позво­ ляют сделать вывод, что обеспечение высокого качества наиболее напряженных и ответственных сварных швов практически невоз­ можно без введения таких методов контроля, как гаммаграфирование и ультразвуковой контроль.

В связи с тем что не все швы блока могут считаться одинаково

2 Е. А. Никитин

каждого шва по качеству с точки зрения допустимых дефектов и способов контроля'. Отнесение швов блока к той или иной кате­ гории производится на основании достаточно приближенного расчета, по результатам опытных исследований с помощью тензометрирования или на основании изучения швов аналогичных конструкций.

К швам I категории относят обычно наиболее нагруженные стыковые швы (например, соединение бугеля с вертикальной си­ ловой стойкой) и некоторые угловые швы (соединение вертикаль­ ных стоек с опорными лапами блока).

К швам II категории относят швы так называемой этажерки блока-каркаса, состоящего из вертикальных стоек с бугелями и горизонтальных плит, несущих опорные пояса для втулок цилиндров.

К швам III категории относят все неответственные швы блока, которые могут иметь непровар. Швы III категории контролируют только внешним осмотром.

На КТЗ приняты следующие требования к швам в зависимости от категории ответственности.

Швы I категории.

1. Непровары, трещины, подрезы по границам шва, кратеры, зашлакованные участки, поры, неполное заполнение разделки кромок не допускать.

2.Выступание шва над плоскостью деталей в стыковых со­ единениях должно быть не более 2 мм, а в наиболее напряженных соединениях выступание шва не допускать.

3.Качество швов проверять рентгеноили гаммаграфнрованием с последующей оценкой путем сравнения снимков со сним­ ками эталонов рентгеноили гаммаграмм швов.

4.Проверке подвергать 100% швов по всей их длине. Дефект­

ные места исправлять по специальной инструкции до термообра­

2.Выступание шва в стыковых соединениях допускать до 3 мм.

3.Проверке подвергать выборочно 50% швов.

Для швов I и II категорий необходимо выполнять кромки опре­ деленной формы под сварку с минимальным притуплением у кро­ мок и обеспечением зазора между свариваемыми деталями.

Полный провар в соединении обеспечивается удалением корня шва с противоположной от места сварки стороны соединения.

Форму разделки под шов выбирают в зависимости от толщины свариваемых деталей, однако там, где это возможно, предпочтение отдают так называемой рюмочной односторонней или двусторон­ ней разделке. Хотя этот вид разделки более сложен по профилю, он имеет ряд преимуществ по сравнению с разделкой с прямым скосом кромок под сварку: уменьшается (особенно для деталей

18

толщиной свыше 16—20 мм) количество наплавляемого металла, что способствует уменьшению тепловых деформаций от разогрева элементов при сварке, и облегчается удаление корня шва.

На рис. 7, а, б показаны сварные соединения I и II категорий: шов между вертикальной силовой стойкой и бугелем и угловое соединение стойки и горизонтальной плиты блока двигателя Д42. В обоих случаях свариваемые элементы устанавливают перед сваркой с зазором для обеспечения провара и минимального коли­ чества шлаков в металле шва. На рис. 7, б видно, что для лучшей передачи усилий от вертикальной стойки сварной шов вытянут в направлении стойки.

благоприятную для распределения силового потока плавную форму. Получение такой формы швов возможно при сварке блока в кантователях.

За рубежом получила распространение сварка наиболее ответ­ ственных швов электродами двух марок, при помощи которых разделка заполняется сначала материалом электрода, обеспечи­ вающего получение шва достаточной прочности. Электрод этой марки аналогичен электродам типа УОНИ 13/45 и УОНИ 13/55. Последний отделочный проход делают электродом, содержащим в обмазке соединения, увеличивающие жидкотекучесть металла при сварке. В результате получается сварной шов плавной вогну­ той формы с гладкой поверхностью. Подобным образом, в част­ ности, сваривается блок двигателя 12LDA28 фирмы Зульцер.

Известные прочностные преимущества стыковых швов с пол­ ным проваром достигаются в случае удаления выступания («уси­ ления») шва. На рис. 8, по данным Навроцкого Д. И., показано влияние подрезов и выступания стыкового шва на распределение в нем напряжении.

Вследствие увеличения выступания и уменьшения радиуса

На КТЗ поверхностному наклепу подвергают такие швы, которые из-за малых размеров отсеков трудно выполнить высокого качества по обеспечению плавности в переходных зонах. Эффектив­ ным для этой цели оказалось использование обдува стальной дробью, обработка шва пневматическими многобойковымн упрочнителями конструкции ЦНИИТМАШа.

Для устранения ослабляющего действия швов на вертикаль­ ных стойках в местах соединения последних с поперечными листами в конструкциях блоков КТЗ нашли применение специаль­ ные защитные выступы (рис. 9).

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОНСТРУИРОВАНИЮ СВАРНЫХ БЛОКОВ

Многолетний опыт создания сварных блоков и, в частности, опыт КТЗ показывает, что имеются общие условия, которые следует выполнять при конструировании сварного блока, чтобы полностью использовать все его преимущества.

1.Необходимо создавать блок из простых по форме элементов

сшироким применением проката, штамповок или отливок с не­ сложной механической обработкой под сварку.

2.Необходимо обеспечивать рациональное распределение си­

лового потока по наиболее прочным и жестким элементам кон­ струкции с целью разгрузки других элементов, имеющих менее выгодное расположение сечений и швов. При этом в наиболее нагруженных (особенно подвергнутых растяжению) элементах

20

следует избегать выполнения отверстий относительно небольших размеров. При наличии подобных отверстий чистота их обработки должна быть не ниже 6-го класса точности и выходные кромки должны быть тщательно скруглены.

3. Конструкция отдельных элементов пли участков блока должна быть, по возможности, замкнутого коробчатого сечения. Следует избегать применения в ответственных местах различного рода ребер, прорезных соединений и других «открытых» профилей, вызывающих наличие швов с повышенной склонностью к концен­ трации напряжений вследствие трудностей качественного выпол­ нения таких швов.

Кроме того, незамкнутые профили, обладая неодинаковой жесткостью в различных направлениях, затрудняют равномерную передачу усилий на соседние элементы блока.

4.Изменение размеров и формы силовых сечений должно быть плавным. Направление силового потока должно в наиболее ответственных элементах совпадать с направлением волокон проката.

5.Следует избегать сварных соединений более чем двух элементов, расположенных по различным пространственным осям. Такие соединения трудно выполнимы качественно и являются концентраторами напряжений.

6.Конструкция блока должна обеспечивать простоту сборки

исварки. С этой целью следует предусмотреть возможность сварки отдельных узлов блока до его общей сборки, что помогает значительно улучшить качество ответственных швов. Должно быть обращено особое внимание на возможность использования автоматической и полуавтоматической сварки, для чего следует избегать большого количества коротких и неудобно расположен­ ных швов.

7.Необходимо ограничивать количество швов, расположенных перпендикулярно действующим усилиям. В случае наличия таких швов предпочтительнее применять стыковые соединения. В особо ответственных стыковых швах подобного рода целесообразно удалять часть шва, выступающего над плоскостью листа.

сварных швов приводят к резкому росту концентрации напряже­ ний (например, расположение швов вблизи мест резкого изменения формы детали, соприкосновение границ двух швов с образованием острого входящего угла и т. д.).

9. В крестообразных и угловых соединениях форма шва должна быть плавной («в лодочку»). Целесообразно применение швов

сувеличенным катетом в направлении основной нагрузки.

10.Вспомогательные элементы конструкции, не предназна­ ченные непосредственно для восприятия и передачи нагрузки, целесообразно располагать в ненапряженных частях конструкции

иотделять от основных несущих элементов блока.'

21

11. Для всех свариваемых элементов блока обязательна меха­ ническая обработка кромок под сварку. Применение газовой резки допустимо только в виде исключения с обязательной за­ чисткой или обработкой плоскости реза на глубину не менее 2— 3 мм для удаления зоны термического влияния. Кромки вырезов должны тщательно скругляться. Обязательно также наличие отбортовок вокруг отверстий для смотровых люков.

12. Необходимо защищать опорные пояса блока, фиксирующие втулки цилиндров, от фрикционной и электрохимической коррозии и кавитационной эрозии. В практике Коломенского завода им. В. В. Куйбышева для этой цели применяется электроискровое покрытие поясов твердыми сплавами. Толщина покрытия равна приблизительно 0,03—0,1 мм.

ТЕРМООБРАБОТКА БЛОКА

После наложения сварных швов в сложных пространственных конструкциях в швах после остывания появляются значительные остаточные напряжения. Под действием переменной нагрузки эти

влияние температуры отпуска на величину остаточных сг0СТ напря­ жений в сварных образцах.

Максимальная температура, до которой нагревают остов из низкоуглеродистой стали при отпуске, составляет обычно 600— 680° С. Верхний предел ограничивается началом недопустимых для прочности структурных превращений в материале. Выдержка при максимальной температуре зависит от толщины свариваемых

22

элементов. Обычно для остовов, имеющих элементы толщиной 10— 30 мм, достаточна выдержка в течение 3—4 ч. Распределение температур по объему печи должно быть возможно равномерным, чтобы обеспечить одинаковый прогрев всех элементов блока.

Рис. 11. Режим высокого отпуска, принятый КТЗ:

/ — остывание на воздухе

На рис. 11 приведен режим высокого отпуска сварных кон­ струкций остовов, принятый на КТЗ. После отпуска блок под­ вергают очистке от окалины. На КТЗ для этой цели применяют пневмоочистку стальной дробью.

КОНСТРУКЦИИ БЛОКОВ

Блок двигателя Д42

Блок двигателя Д42 (рис. 12) выполнен с подвесным коленча­ тым валом, имеет семь вертикальных стоек с вваренными в них штампованными бугелями. Стойки с тремя горизонтальными плитами и боковыми листами образуют шесть отсеков для разме­ щения крышек и втулок цилиндров (узел соединения плит со стойками см. на рис. 9).

Верхняя 1 (рис. 12) и средняя 3 плиты в районе каждого цилиндра имеют по четыре отверстия для болтов крепления крышки со втулкой цилиндра к верхней плите. Таким образом, участок между указанными плитами находится под действием

с опорными лапами 7 и 6 коробчатого сечения.

После приварки к лапам вертикальных стоек и боковых листов 4 и 8 образуется весьма жесткая и прочная конструкция, позво­ ляющая обеспечить минимальные деформации от горизонтальных составляющих сил инерции вращающихся масс кривошипно­ шатунного механизма.

Боковые листы сварены со стойками швами в виде тавра, а с лапами и плитой 3 — стыковыми швами. Поверхность стыковых швов зачищена заподлицо с поверхностью основного металла

23

и подвергнута наклепу. Верхняя плита блока расширена со стороны впуска и совместно с листом 9, приваренным к этой плите и боковому листу, образует полость ресивера наддувочного

Рис. 12. Блок двигателя Д42

воздуха. С противоположной стороны блока в листе 2 между верхней и средней плитами выполнены отверстия для патрубков выпускного коллектора, присоединяемых к крышкам цилиндров. На этой же стороне расположены отверстия подвода воды в ру­ башку блока цилиндров и масляный канал Б, от которого масло по трубам 5 поступает к коренным подшипникам.

24

В конструкции блока обращено большое внимание на обеспе­ чение равномерного распределения силового потока от подвесок н бугелей к основным силовым элементам. С этой целью подобраны соответствующие контуры бугелей и подвесок, применены швы плавной и вытянутой в направлении действующих усилий формы.

Швы приварки плит в районе стоек вынесены из зоны сило­ вого потока с помощью специальных выступов.

Материалом всех элементов блока является сталь 20 с ограни­ ченным содержанием углерода и кремния для обеспечения лучшей свариваемости. Блок после сварки подвергают высокому отпуску и очистке дробью.

Нижняя часть блока закрыта ванной для масла, присоединен­ ной к лапам блока с помощью болтов. Стык ванны с блоком уплот­ нен прокладкой. Деформация верхней части ванны (рис. 13) определяется деформацией нижнего опорного пояса блока: средняя часть ее изгибается в горизонтальной плоскости при изгибе лап блока.

Первоначально ванна (рис. 13, а) состояла из двух продольных угольников, к которым приваривались швами II и III категорий поперечные ребра и тонкие стальные листы. При испытании ванн возникали трещины в средних ребрах. В месте приварки ребер к угольникам наблюдалось местное повышение уровня напря­ жений. При наличии концентраторов эти напряжения приводили к появлению трещин. Как и следовало ожидать, увеличение по­ датливости ванны вследствие уменьшения высоты ребер привело к заметному снижению напряжений, а введение тщательного скруглення кромок ребер и поверхностного наклепа обеспечило достаточный запас усталостной прочности.

С целью повышения прочности ванны ее конструкция была изменена (рис. 13, б). Ребра были заменены поперечными связы­ вающими поясами небольшой высоты, что повысило жесткость ванны в продольном направлении. Вследствие увеличения высоты

25

вертикальных полок угольников продольный стыковой шов был удалей от лап блока. Тензометрирование этой ванны показало, что напряжения значительно уменьшились по сравнению с напря­ жениями ванны первоначальной конструкции. Масса ванны не изменилась.

Блок двигателя 40Д

Блок двигателя 40Д (рис. 14) представляет Ѵ-образную не­ сущую конструкцию с подвесным коленчатым валом. Стык бугелей с подвесками приподнят над плоскостью опорных лап, что позво­ лило обеспечить восприятие горизонтальных сил инерции разви­ тыми сечениями и понизить напряжения в лапах. Каждая подвеска стянута с бугелями двумя болтами 12.

Основными элементами блока являются: верхние 21, средние и нижние плиты 20 и 18, поперечные Ѵ-образные 8 и торцовые 9 стойки с вваренными бугелями 11, опорные лапы 17, угольники 16, средний 1 и боковые листы, наддувочные коллекторы 19, планки 4, стойки 5 подшипников распределительного вала, продольный лист 3 и продольная планка 2.

Плиты 21, 20 и 18 являются также опорными поясами втулок цилиндров, упрочненными твердым сплавом. Пространство, огра­ ниченное верхними и средними плитами, поперечными Ѵ-образ- ными и торцовыми стойками, является полостью водяного охлаж­ дения каждого цилиндра. Охлаждающая вода подводится через

Ресивер продувочного воздуха, образованный в развале блока внутренними боковыми листами и листом 3, сообщается с полостью цилиндров окнами в боковых листах. Каждая крышка цилиндра вместе с подвешенной к ней втулкой цилиндра крепится к верхней плите блока с помощью четырех шпилек 22.

В развале цилиндров вварены стойки 5 подшипников распре­ делительного вала. Масло для этих подшипников подводится по каналу В в стойке концевого подшипника, а затем через от­ верстия в распределительном вале поступает к остальным под­ шипникам. Масло к подшипникам коленчатого вала попадает по желобкам 10 из центрального канала Г.

Блок двигателя 40Д изготовляют из стали 20 с ограниченным содержанием углерода и кремния. Горизонтальные швы между верхней плитой и боковыми листами подвергаются гаммаконтролю. После сварки блок проходит высокий отпуск и очистку дробью.

Снизу блок закрыт легкой ванной для масла. Стык ванны с блоком для уменьшения вибрации ванны и увеличения жесткости опорных лап блока с помощью угольников 16 опущен вниз. Ванна

26