Файл: Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей..pdf

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