Файл: Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей..pdf

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

только с металлургической точки зрения, Как средство уменьше­ ния объема металла в месте перекрытия и выравнивания темпе­ ратуры при остывании отливки для устранения возможной по­ ристости в наиболее опасных местах вала.

Следует также отметить, что наличие выемок в щеках приво­ дит к снижению изгибной жесткости колен и вала в целом, в связи с чем может рассматриваться как мера, уменьшающая чувстви­ тельность вала к ступенчатости опор. Однако в условиях изно­ состойких шеек и вкладышей это преимущество не определяет долговечности вала, если в нем обеспечен требуемый начальный запас прочности. В то же время при возможности значительных взносов, которые имеют нара­ стающий характер, не удается, как показывает опыт, полно­ стью исключить поломки, не­ смотря на принятые меры по повышению запаса прочности (например, введение накатки и наличие относительно податли­ вого вала).

танную поверхность внутренней полости. При относительно небольшом упрочнении галтелей шатунных шеек дробенакле­ пом в пределах 15—20% и повышении размаха переменной на­ грузки было обнаружено появление усталостных трещин (рис. 80) в боковых радиусных сопряжениях при выходе полости в ко­ ренной шейке на щеку.

Из-за обнаруженного ослабленного участка в полости, необра­ ботанная литая поверхность которой имеет значительно меньшее сопротивление переменным нагрузкам, не могло быть достигнуто дальнейшего упрочнения вала по галтелям.

Сопоставление предельных разрушающих напряжений в гал­ тели шатунной шейки в исходном состоянии (точка 1), в упрочнен­

127