Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

Влияние качества обработки поверхностей расточки под вкладыши кривошипной головки шатунов на надежность подшипников

Гоц А.Н. 1
1 ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», Владимир
Проведено исследование влияния качества обработанных поверхностей расточки под вкладыши кривошипной головки шатунов на надежность подшипников. Требование, чтобы среднее арифметическое отклонение профиля Ra поверхности расточки не превышало 0,5 мкм, так как это улучшает прилегаемость вкладышей к постели и увеличивает их долговечность, при ускоренных испытаниях не подтверждается. Анализ статистической обработки шероховатости расточки кривошипной головки зарубежных двигателей показывает, что это требование завышенное. На условия прилегаемости в расточке вкладышей подшипников оказывает большее влияние величина выступания и усилие предварительной затяжки, которое выбирается не только из условия обеспечения плотности стыка с принятым при расчете коэффициентом, но и с учетом деформации вкладышей на величину выступания. Это было подтверждено по результатам ускоренных испытаний шатунов при стендовых испытаниях двигателей. При ускоренных испытаниях параметр шероховатости Ra уменьшался при увеличении нагрузки на шатун как за счет увеличения силы инерции, так и за счет повышенного усилия предварительной затяжки.
шатун
кривошипная головка
вкладыши; шероховатость поверхности
надежность
ускоренные испытания
циклограмма
1. Тракторные дизели: Справочник / Б.А. Взоров, А.В. Адамович, А.Г. Арабян и др.; под общ. ред. Б.А. Взорова. – М.: Машиностроение, 1981. – 585 с.
2. Ehrentraut O., Koroschetz F., Grobuchek F. Reduction of the Wall-Thicknesses of Slide Bearings for Diesel Engines – Requirements, Effects and Limits // Material of the Energy Technology Conference and Exhibition. – New Orleans, 1980. – P. 1–9.
3. Gots A.N. The Increases of Reliability Bolts of Road // Транспорт, экология – устойчиво развитие: Сб. докладов ХVI научно-техническа конференция с международно участие. – Варна: Изд-во ТУ, 2010. – Т. 17. – P. 386–391.
4. Гоц А.Н., Некрасов С.И., Булыгин Ю.С. Повышение эффективности стопорения шатунных болтов двигателей А-41, А-О1М, СМД-60/62 и СМД-72 // Тракторы и сельхозмашины. – 1985. – №3. – С. 37–38.
5. Гоц А.Н., Некрасов С.И., Булыгин Ю.С. Повышениие надежности стопорения шатунных болтов дизелей // Тракторы и сельхозмашины. – 1987. – №8. – С. 17–21.
6. Гоц А.Н. Расчет усилия затяжки болтов подшипникового узла ДВС // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2004. – № 3. – С. 20–22.
7. Гоц А.Н. Учет напряжений изгиба при расчете шатунных болтов // Двигателестроение. – 2004. – № 3. – С. 16–18.
8. Гоц А.Н., Некрасов С.И. Ускоренные испытания резьбовых соединений на долговечность // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 1989. – № 6. – С. 17–19.
9. Гоц А.Н., Фомин В.К., Левин Н.П. Исследование причин проворота вкладышей подшипников // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 1989. – № 7. – С. 14–18.
10. Гоц А.Н., Некрасов С.И., Григорьев О.А. Расчетный анализ напряженно-деформированого состояния шатуна с учетом влияния конструктивных параметров // Дизельные двигатели-89: сб. докладов V национальной конференции с международным участием. – Болгария Варна, 1989. – Т.2.– С. 234–239.

При изготовлении шатунов тракторных и комбайновых дизелей среднее арифметическое отклонение профиля Ra поверхности отверстия кривошипной головки под вкладыши регламентируется величиной не более 0,5 мкм. Считается, что это улучшает прилегание вкладыша к постели при сборке и увеличивает долговечность подшипников скольжения. В то же время для обеспечения значения Ra < 0,5 требуется совершенствование технологии финишной обработки и тем самым удорожание производства шатунов. В связи с этим необходимо оценить влияние параметров шероховатости поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки, в частности Ra, на надежность работы шатунов.

В табл. 1 приведены результаты измерения параметров шероховатости поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки шатунов некоторых зарубежных двигателей, из которых следует, что в данных конструкциях величина Ra > 0,5, хотя это никак не сказывается на их надежности. Здесь, как обычно, Himin - отклонение пяти наибольших минимумов профиля, мкм; Himax - отклонение пяти наибольших максимумов профиля, мкм. На рис. 1 приведена изменения относительной опорной длины профиля tp, %, в зависимости от значенич уровня сечений профиля из ряда 10, 15, 20, 30, 60, 70, 80, 90% от наибольшей высоты профиля Rmax.

Известно [1], что при установке вкладыша в кривошипную головку шатуна по мере увеличения силы затяжки шатунных болтов возрастает давление его на расточку. Хотя это давление не превышает p0 = 5 МПа, происходит деформация выступов шероховатой поверхности. Это увеличивает опорную поверхность и улучшает прилегания вкладыша к постели. Более правильно выбирать p0 из реальных геометрических размеров подшипникового сопряжения и давления вкладыша на поверхность расточки после затяжки болтов, так как это давление и определяет предохранение вкладыша от проворачивания во время работы двигателя. Вкладыши фиксируются в расточке специальными отогнутыми усиками. Основное назначение их - облегчить сборку подшипникового узла. От проворачивания вкладышей усики практически не предохраняют.

Расчет величины минимального радиального контактного давления p0 для конкретного типа подшипников и для каждого частного его применения возможен при анализе целого ряда параметров, а именно: жесткости кривошипной головки, длины окружности постели, соотношения жесткостей вкладыша и головки, свойства материала, из которого изготовлены составные элементы подшипника, величины и направления действующих сил и т.д. Давление p0 зависит также от соотношения толщины стенок вкладыша к его диаметру и от величины натяга, вызванного значением выступания вкладыша над поверхностью постели.

?

Рис. 1. Относительная опорная длина профиля tp, %, от Rmax поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки шатунов дизелей: 1 - Deutz; 2 - МВМ; 3 - МАN; 4 - MTU

Таблица 1

Параметры шероховатости поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки шатунов ряда зарубежных двигателей

Марка дизеля, фирма, страна (основные показатели и параметры дизеля)

Параметры шероховатости поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки шатунов

Ra, мкм

Himin, мкм

Himax, мкм

t50,%

Д226-4б, МВМ (ФРГ) (i - 4; S/D = 120/105;

n = 2400 мин-1; Ne = 55 кВт)

F8L413, Deutz (ФРГ) (i - 8; S/D = 125/120;

n = 2200 мин-1; Ne = 128 кВт)

Д226-4бМТ, МАN (ФРГ) (i - 6; S/D = 155/125;

n = 2200 мин-1; Ne = 185 кВт)

MTU-331TC, MTU (ФРГ) (i - 6; S/D = 155/165;

n = 2200 мин-1; Ne = 420 кВт)

 

0,392...0,476

 

0,710...1,060

 

0,825...0,945

 

0,402...0,476

 

1,70..2,54

 

3,20...5,71

 

3,04...4,48

 

0,99...1,78

 

1,58...2,94

 

2,07...5,48

 

2,98...3,43

 

1,32...2,14

 

48,4...75,6

 

68,6...83,8

 

46,6...70,7

 

26,4...33,2

На деформацию выступов влияет также переменная нагрузка, которую испытывает кривошипная головка шатуна при работе двигателя. При недостаточной толщине вкладыша и ненадлежащей затяжке шатунных болтов это может вызвать фрикционную коррозию на спинке вкладыша подшипника [2]. На рис. 2 показаны темные слегка шероховатые пятна на спинке вкладыша, которые появились после стендовых испытаний и причиной которых является недостаточная предварительная затяжка шатунных болтов.

Таким образом, можно признать, что надежность работы шатунных подшипников скольжения в большей степени зависит от усилия затяжки шатунных болтов, жесткости кривошипной головки, а также качества обработки поверхности разъема (крышки и кривошипной головки) и под опорную поверхность головок шатунных болтов, чем от качества обработки поверхности отверстия под вкладыши.

Как правило, в конструкции шатунов с закладными болтами зарубежных двигателей болты имеют увеличенную выпуклую опорную поверхность головок (с наклоном в сторону стержня), а переход от стержня болта к головке имеет переменный радиус. Применение указанных конструктивных решений направлено на обеспечение надежности самостопорения от отвинчивания, что в значительной мере определяет стабильность усилия затяжки шатунных болтов при работе дизеля [3, 4].

?

Рис. 2. Фрикционная коррозия на спинке вкладыша

Для оценки влияния параметров шероховатости поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки на ее надежность испытывались унифицированные серийные и экспериментальные шатуны для дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145):

  • серийный шатун, имеющий шероховатость поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки Ra < 0,55 мкм; с усилием затяжки 18,5 кН, а моментом затяжки шатунных болтов Mз = 119 Нм, установленный в технической документации, в дальнейшем обозначается ШС1;
  • экспериментальный шатун, имеющий шероховатость поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки Ra < 0,55 мкм; с усилием затяжки 21,5 кН, а моментом затяжки шатунных болтов Mз = 138 Нм, в центре масс шатуна был прикреплен дополнительный груз массой 0,4 кг, в дальнейшем обозначается ШЭ1;
  • экспериментальный шатун, имеющий шероховатость поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки Ra ≤ 1,25 мкм; с усилием затяжки 18,5 кН, а моментом затяжки шатунных болтов Mз = 119 Нм, в дальнейшем обозначается ШЭ2;
  • серийный шатун, имеющий шероховатость поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки Ra ≤ 1,25 мкм; с усилием затяжки 21,5 кН, а моментом затяжки шатунных болтов Mз = 138 Нм, в центре масс шатуна был прикреплен дополнительный груз массой 0,4 кг, в дальнейшем обозначается ШЭ3.

Момент затяжки устанавливался с учетом деформации вкладышей (высота выступания h = 0,05 мм) и условия обеспечения плотности стыка с заданным коэффициентом [5]. Испытанию подвергались по 4 экземпляра серийных и экспериментальных шатунов.

Для оценки влияния параметров шероховатости поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки шатунов проводили ускоренные стендовые испытания в течение 100 часов. Циклограмма работы дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145) при испытаниях приведена на рис. 3.

Моменты затяжки и страгивания при отвинчивании шатунных болтов определялись при помощи динамометрического ключа. Параметры шероховатости поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки шатунов определялись на профилографе-профилометре модели 252.

Градуировку осевого усилия затяжки шатунных болтов, а также моментов затяжки и страгивания при отвинчивании на динамометрическом ключе проводили по методике, описанной в работах [3?7]. Перед каждой из затяжек визуально определялось состояние резьбы и опорной поверхности головок болтов, а также проводилась смазка их и резьбовой части болта маслом.

Масса дополнительных грузов в центре масс экспериментальных шатунов выбиралась из условия, что сила инерции деталей, совершающих возвратно-поступательное движение, не превышает осевое усилие затяжки шатунных болтов: Pjp < Q0.

Шатунный болт в начале такта впуска силой инерции возвратно-поступательно движущихся и вращающихся масс шатуна, расположенных над плоскостью разъема кривошипной головки:

(1)

где mпг - масса поршневой группы; m1 - часть массы шатуна, отнесенная к оси поршневого пальца; ωрхх - угловая скорость при максимальной частоте вращения холостого хода; m2 - часть массы шатуна, отнесенная к оси шатунной шейки; mкр - масса крышки (обычно принимается, что mкр ≈ (0,25...0,3) m2).

Прочность болтов может быть обеспечена при условии:

(2)

где σт - предел текучести материала шатунного болта; σ0 = Q0/Fmin напряжения в их минимальном сечении болта Fmin; Q0 - усилие предварительной затяжки шатунных болтов, выбираемое из условий сжатия вкладышей на величину выступания и обеспечения плотности стыка [6];

(3)

(4)

где Mp - момент, скручиваемый болт при навинчивании гайки; d2 - средний диаметр резьбы; β - угол подъема винтовой линии, tgβ = t/(πd2); ρ′ - угол трения, соответствующий коэффициенту трения в резьбе fр; t - шаг резьбы.

Критерием отказа дизеля при испытаниях являлось снижение усилия предварительной затяжки шатунных болтов на 15%, которое определялось по снижению момента страгивания при их отвинчивании [8].

В табл. 2 приведены значения параметров: момент и усилия затяжки шатунных болтов, Ra и tp отверстия под вкладыши кривошипной головки шатунов до начала их испытаний и по окончании.

Анализ результатов экспериментальных исследований показывает, что при увеличении момента затяжки со 119 ± 5,0 до 138 ± 5,0 Н·м уменьшает снижение момента страгивания при отвинчивании шатунных болтов после испытаний. Действительно для шатунов ШС1 и ШСЭ снижение момента страгивания после испытаний составило ≈ 15% при моменте затяжки 119 Н·м. При увеличении момента затяжки (а, значит, и усилия затяжки) до 138 Н·м даже при увеличенной нагрузке на шатунный болт снижение момента страгивания меньше 15%. Кроме того, увеличение нагрузки на шатун за счет прикрепления в центре масс шатуна дополнительного груза массой 0,4 кг изменяет параметр шероховатости Ra, мкм. Видимо, это можно объяснить тем обстоятельством, что при неизменной жесткости кривошипной головки при большей нагрузке (за счет увеличения сил инерции) в процессе циклического нагружения происходит смятие наибольших выступов контактирующих поверхностей (возможны также микроперемещения вкладышей относительно поверхности расточки), что и меняет параметры Ra и t50,%.

Таблица 2

Моменты и усилия затяжки шатунных болтов, а также параметры шероховатости поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки шатунов до и после испытаний

Обозначение шатуна

Параметры затяжки шатунных болтов

Параметры шероховатости поверхности отверстия под вкладыши кривошипной головки

Момент затяжки, Н·м (до испытаний)

Усилие затяжки, кН

Момент страгивания при отвинчивании, Н·м

Ra, мкм

t50,%

ШС1

119 ± 5,0

18,5

0,550

0,305

55,0

78,6

ШЭ1

138 ± 5,0

21,5

0,550

0,307

57,9

81,6

ШЭ2

119 ± 5,0

18,5

1,250

1,225

70,0

76,8

ШЭ3

138 ± 5,0

21,5

1,250

1,110

71,2

77,5

На этом основании можно утверждать, что величина Ra контактирующих поверхностей кривошипной головки шатуна и вкладышей не является определяющей для обеспечения прилегаемости вкладышей в расточке и надежной работы [9, 10]. Надежная работа вкладышей без проворачивания под нагрузкой может быть обеспечена за счет правильного выбора выступания, что обеспечит давление вкладыша на расточку p0 ≥ 5 МПа. Кроме того, за счет рационального выбора распрямления (увеличения диаметра вкладыша в плоскости разъема) будет обеспечено прилегание вкладыша к постели при сборке. Наконец, должна быть обеспечена стабильность усилия затяжки шатунных болтов при работе дизеля. По результатам ускоренных стендовых испытаний можно утверждать, что необходимость финишной обработки поверхности под вкладыши кривошипной головки шатуна для обеспечения параметра шероховатости среднего арифметического отклонения профиля Ra < 0,5 мкм не является обязательной. Даже при Ra = 1,25 проворотов вкладышей при стендовых испытаниях не произошло.

Рецензенты:

  • Гаврилов А.А., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Тепловые двигатели и энергетические установки» ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых» Министерства образования и науки РФ, г. Владимир;
  • Кульчицкий А.Р., д.т.н., профессор, зам. Главного конструктора по испытаниям ООО «Владимирский моторотракторный завод», г. Владимир.

Работа поступила в редакцию 11.04.2012.


Библиографическая ссылка

Гоц А.Н. Влияние качества обработки поверхностей расточки под вкладыши кривошипной головки шатунов на надежность подшипников // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 6-1. – С. 91-95;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=29902 (дата обращения: 18.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074