Основные возможные неисправности коленчатых валов и способы

Ремонт коленчатых валов. Неисправности и способы устранения.

Коленчатый вал,— одна из основных деталей двигателя, опреде­ляющая вместе с другими деталями цилиндропоршневой группы его ресурс. Ресурс коленчатого вала характеризуется двумя показа­телями: усталостной прочностью и износостойкостью. При эксплу­атации двигателя в результате действия высоких и непостоянных динамических нагрузок вал подвергается кручению и изгибу, от­дельные поверхности (шатунные и коренные шейки и др.) — изна­шиванию. В структуре металла накапливаются усталостные по­вреждения, возникают микротрещины и другие дефекты.

Долговечность коленчатого вала автотракторного двигателя за­висит от целого ряда конструктивных, технологических и эксплуа­тационных факторов. Определяющее влияние оказывают такие па­раметры, как жесткость коленчатого вала и его опор, остаточный прогиб вала в результате релаксации напряжений черновой и чис­товой правки, метод обработки (упрочнения) галтелей, режимы нагружения двигателя, состояние смазки.

У четырехтактных четырехцилиндровых двигателей с пятиопорным коленчатым валом коренные подшипники по степени нагружения можно разделить на две группы. К первой группе относят первый, третий и пятый подшипники, ко второй — четвертый и второй. Наибольшие нагрузки испытывают нижние вкладыши под­шипников второй группы. Шатунные подшипники нагружены одинаково у всех цилиндров. При работе двигателя минимальная толщина масляного слоя в соединениях (рис. 4.21) зависит от зазора в подшипнике и относительного эксцентриситета

С увеличением относительного эксцентриситета значение мини­мального зазора в соединении (мини­мальной толщины масляного слоя) уменьшается.

Установлено, что при обкатке дви­гателя после ремонта температура масла не должна быть выше 85...90 °С во избежание возможного задира поверхностей трения. У форсированных двигателей в силу большей нагруженности и шатунных подшипников значения относитель­ного эксцентриситета выше, чем у обычных, что предъявляет более высокие требования к качеству ремонта коленчатых валов, так как критическая толщина масляного слоя (допустимое значение) тем меньше, чем выше точность обработки вала и ниже шероховатость поверхности шатунных и коренных шеек.

Режимы пуска и интенсивного разгона двигателя наиболее опас­ны для коренных и шатунных подшипников коленчатого вала. В эти периоды минимальный зазор в подшипниках не превосходит. 2...3 мкм, что при недостаточной смазке вызывает интенсивное из­нашивание деталей соединений. Для улучшения условий смазки подшипников в периоды пуска и разгона форсированные двигатели СМД-62 и СМД-64 оборудуют насосами предпусковой прокачки масла.

При эксплуатации у коленчатых валов возникает, как правило, много дефектов, основные из которых приведены в таблице 4.2.

их устранения

 

Дефект	Коэффициент повто-	Основные способы устранения
	ряемости дефекта	дефекта
Износ:		Шлифование под ремонтный
коренных и шатун-		размер. Нанесение покрытий
ных шеек; овальность,		наплавкой, элекгроконтактной
конусность, задиры		приваркой ленты, газотерми-
		ческим напылением порошко-
		вых материалов, металлизацией
		Постановка полуколец, пласти-
		нирование
посадочных мест под	0,05.-0,19	Наплавка, электроконтактная
распределительную		приварка ленты, металлизация
шестерню, шкив и
Маховик
маслосгонной резьбы	0,1	Углубление резьбы резцом до
		нормального профиля
поверхности фланца	0,1	Наплавка, металлизация
под маховик
штифтов под маховик	0,08	Замена штифтов
шпоночных канавок	0,05...0,19	Фрезерование под увеличен-

ный размер шпонок, новой шпоночной канавки. Наплавка с последующим фрезерованием шпоночной канавки

0,43

посадочного места на­ружного кольца шари­коподшипника в торце вала

Растачивание посадочного места.

Запрессовка втулки

отверстий под штифты крепления маховика резьбы (срыв более двух ниток резьбы)

0,12 Развертывание под ремонтный размер; заварка

0,02...0,08 Растачивание или зенкерование с последующим нарезани­ем резьбы увеличенного раз­мера; углубление резьбовых от­верстий с последующим наре­занием такой же резьбы под удлиненные болты (пробки) Постановка резьбовых спи­ральных вставок

Скручивание вала (нару-	0,1-1,0
шение расположения
кривошипов)
Торцовое биение фланца
Изгиб вала:	0,5...1,0
до 0,15...0,20мм
до 0,2... 1,2 мм	0,5...1,0
Трещины на шейках вала	0,1

Шлифование шеек под ремон­тный размер; наплавка шеек с последующей обработкой

 

 

Подрезание торца фланца то­чением или шлифованием

 

Шлифование под ремонтный размер

 

Правка под прессом или че­канка щек

 

Шлифование под ремонтный размер. Разделка трещин с по­мощью абразивного инстру­мента, заварка

После разборки двигателя коленчатые валы разбирают (удаляют шпонки, заглушки и пробки из масляных каналов, подшипники из отверстия во фланце и т.д.), тщательно очищают и дефектуют. Осо­бенно тщательно необходимо очистить масляные каналы. На спе­циализированных предприятиях каналы очищают на установке ОМ-3600 пульсирующей струей керосина или дизельного топлива по давлением до 6 МПа в течение 10... 12 мин.

При дефектации не только определяют геометрические размеры поверхностей, но и проверяют валы на наличие и расположение трещин методом магнитной дефектоскопии. В соответствии с инст­рукцией по дефектоскопии и восстановлению коленчатых валов с трещинами на шейках для тракторных двигателей считаются опас­ными и не допускаются следующие виды трещин, при которых валы бракуют: на галтелях коренных и шатунных шеек; на цилиндричес­кой части шеек на расстоянии менее 6 мм от торцов щек; на кромках отверстий маслоканалов при длине трещины свыше 15 мм и распо­ложении ее под углом более 30° к оси шейки; находящиеся на рас­стоянии одна относительно другой менее 10 мм и расположенные под углом более 30° к оси вала. Не допускается более восьми трещин длиной менее 5 мм на цилиндрической части шеек и у кромок от­верстий маслоканалов, а также более трех трещин длиной свыше 5 мм.

Считаются безопасными и допускаются для обработки не более трех продольных трещин длиной свыше 5 мм на поверхности каж­дой коренной и шатунной шейки, не выходящих на галтель, нахо­дящихся на расстоянии более 10 мм одна относительно другой и расположенных под углом менее 30° к оси шейки.

Трещины разделывают абразивным инструментом по всей длине с целью образования канавки радиусом 1,5...2 мм и глубиной 0,2...0,4 мм. Острые кромки дополнительно притупляют по пери­метру.

Канавку у разделанной трещины упрочняют виброударным на­клепом в течение 6...8 с энергией удара 2,5...5,0 Дж. Трещины обра­батывают после шлифования шеек до ремонтного размера перед их полированием. Иногда трещины после разделки заваривают.

При восстановлении коленчатых валов применяют маршрутную технологию. Примерная схема маршрутов /.../// восстановления стальных коленчатых валов представлена на рисунке 4.22.

Посадочные поверхности под шкив, шестерни, маховик, а также отверстия под штифты и шпоночные пазы чаще всего восстанавли­вают дуговой наплавкой проволокой 1,2Св18ХГС в среде углекис­лого газа с последующей механической обработкой.

Основной дефект коленчатых валов — износ коренных и шатунных шеек. Износ шеек устраняют шлифованием их под ремонтный размер. Все одноименные шейки (коренные или шатунные) шли­фуют под один размер, который определяют следующим образом. Измеряют диаметры всех одноименных шеек и находят минималь­ный из них </_т1п. Затем рассчитывают теоретический ремонтный раз­мер, мм,

Шлифуют шейки после устранения других дефектов коленчато­го вала. Для шлифования валов служат станки ЗА423 или ЗВ423.

Если на предприятии один станок, то сначала шлифуют корен­ные шейки и другие поверхности, находящиеся на одной с ними оси, а затем — шатунные шейки. При шлифовании коренных шеек базовыми поверхностями служат центровые отверстия. При шли­фовании шатунных шеек вал закрепляют обработанными крайни­ми коренными шейками в патронах центросмесителей станка, предварительно устанавливаемых с помощью штангенреисмуса на нужный радиус кривошипа. Вал выставляют в горизонтальной плоскости с помощью специального приспособления. Конструк­ция некоторых цетросмесителеи предусматривает крепление валов за поверхность фланца под маховик и за шейку под шкив или шес­терню.

При наличии двух шлифовальных станков лучше сначала шлифо­вать шатунные шейки на одном предварительно выставленном на ра­диус кривошипа станке, а затем на другом — коренные шейки. В дан­ном случае возникающий при шлифовании шатунных шеек некото­рый изгиб вала устраняется при шлифовании коренных шеек.

В процессе шлифования необходимо строго выдерживать заданный радиус галтелей. Для этого кромки шлифовального круга закругляют алмазным карандашом, закрепленным в специальном приспособлении. Галтели при изготовлении коленчатых валов не закаливают, а упрочняют холодной пластической деформацией. Глубина упрочненной зоны невелика, и при шлифовании этот слой
срезается, что приводит к снижению прочности отремонтированных валов. Поэтому при ремонте валов целесообразно введение операций по упрочнению галтелей.

Шейки вала шлифуют электрокорундовыми кругами на керами­ческой связке зернистостью 16...б0мкм, твердостью СМ2, С1, С2, СТ1 и СТ2. Шлифовальные круги рекомендуется править после шлифования одного-двухколенчатых валов.

Шлифование целесообразно выполнять методом врезания, что увеличивает производительность и точность обработки. В этом слу­чае в конце шлифования прекращают поперечную подачу круга и обрабатывают шейки и галтели в течение 10...20 с, что обеспечивает требуемую шероховатость поверхностей. При шлифовании вреза­нием ширина круга должна точно соответствовать длине шлифуе­мой шейки.

Для предотвращения появления микротрещин и прижогов при шлифовании применяют обильное охлаждение эмульсией (Юг эмульсионного масла на 10 л воды) или 3...4%-м раствором кальци­нированной соды. Овальность и конусность прошлифованных шеек не должны превышать 0,015 мм.

При шлифовании оставляют припуск до 0,005 мм на последую­щее полирование. Перед полированием шеек раззенковывают и по­лируют острые края масляных каналов. Полируют на специальных стендах абразивными или алмазными бесконечными лентами. При большой программе восстановления вместо полирования применя­ют суперфиниширование на специальных полуавтоматах, в резуль­тате чего значительно повышается износостойкость.

При восстановлении коленчатых валов перешлифовкой под ре­монтный размер шеек практически невозможно обеспечить их 100%-й ресурс, и он уменьшается тем больше, чем больше номер ремонтного размера.

Это объясняется тем, что твердость закаленных ТВЧ шеек уменьшается от поверхности по сечению вала и при шлифовании удаляется наиболее твердый слой. Некоторые ремонтные предпри­ятия для обеспечения высокой износостойкости и ресурса валов после перешлифовки шеек выполняют их закалку ТВЧ, лазерное упрочнение и др.

После восстановления коленчатые валы подвергают динамичес­кой балансировке на машине БМ-У4. Технология и последователь­ность балансировки зависят от типа двигателя (рядный, У-образный) и конкретной конструкции коленчатого вала и шатунов.

Коренные и шатунные шейки, вышедшие за ремонтные разме­ры, восстанавливают наращиванием различными методами: на­плавкой (под флюсом, плазменной, в среде защитных газов, широ­кослойной и др.); гальваническими покрытиями (железнением, хромированием); металлизацией; напеканием порошков; электро­контактной приваркой ленты; приваркой или приклеиванием по­луколец; пластинированием и др.

При восстановлении коленчатых валов следует иметь в виду, что в результате длительной эксплуатации в их опасных сечениях на­капливаются усталостные повреждения, что приводит к снижению предела выносливости на 20...25 % по сравнению с выносливостью новых валов. Зоны накопления усталостных повреждений у валов карбюраторных двигателей находятся в центральной части шеек в зоне масляных каналов, у дизелей — в зоне перехода галтели в щеки вала. Коленчатые валы дизелей разрушаются, как правило, по ще­кам из-за действия изгибающих моментов, у карбюраторных двига­телей — по шейкам из-за вращающих моментов.

При перешлифовках валов карбюраторных двигателей удаляют поверхностные слои шеек с накопившимися усталостными по­вреждениями. Их наращивание приводит к разгрузке наиболее на­пряженных слоев металла. Полностью удалить таким способом на­пряжения и разрушенные слои металла валов дизелей в зоне галте­лей затруднительно, поэтому их ресурс восстановить не удается.

Таким образом, проблема восстановления коленчатых валов ди­зелей сводится к снятию накопленных повреждений в зоне галтелей и созданию условий, направленных на уменьшение усталостных повреждений.

Более 85 % объема восстановления шеек коленчатых валов вы­полняют наплавочными способами и прежде всего наплавляют под слоем флюса. При этом можно выделить следующие основные ва­рианты технологических процессов: наплавка без термической об­работки; наплавка с последующей термической обработкой; терми­ческая обработка, наплавка, термическая обработка; наплавка, уп­рочнение.

Наиболее распространенной считают наплавку пружинной про­волокой второго класса под слоем легированного флюса, представляющего собой смесь, состоящую из плавленного флюса АН-348А (93,2 %), феррохрома (2,2 %), графита (2,3 %) и жидкого стекла (2 5 %)• Этот метод резко снижает усталостную прочность наплав­ленных коленчатых валов из-за наличия огромного количества тре­щин.

Разработана наиболее прогрессивная технология наплавки из­ношенных коленчатых валов. Она предусматривает наплавку шеек валов проволокой Нп-ЗОХГСА под флюсом АН-348А с последую­щей механической обработкой и полным повторным циклом тер­мической обработки (нормализация и закалка ТВЧ). Эта техноло­гия требует специального термического оборудования и целесооб­разна при большой производственной программе восстановления. На Ярославском моторном заводе разработана и внедрена техно­логия восстановления изношенных коленчатых валов двигателей ЯМЗ-240. Их коренные опоры работают в паре с подшипниками качения и выполнены в виде беговых дорожек. Это и определило необходимость применения легированной высокоуглеродистой стали 60ХФА для обеспечения высокой твердости (не менее НК.С 62), а также усталостной и контактной прочности. Сталь 60ХФА от­носится к труднонаплавляемым сталям.

Перед наплавкой шатунные шейки предварительно шлифуют с занижением диаметра на 3 мм относительно номинального с целью удаления поверхностных дефектов в виде мелких трещин и т.д.

Затем вал подогревают в печи шахтного типа до температуры 150... 180 °С. Непосредственно перед наплавкой и в процессе ее каж­дая шатунная шейка подогревается до температуры 350...400 "С га­зовой горелкой. При этом рядом расположенные коренные опоры охлаждают водяным душем.

Наплавку ведут от галтелей к середине шейки на следующих ре­жимах: проволока Нп-ЗОХГСА диаметром 1,8 мм; флюс АН-348А; сила сварочного тока 150...160А; напряжение дуги 24...26 В; частота вращения 1 мин-¹; подача проволоки 87м/ч; подача суппорта 4,5 мм/об., вылет электрода 20...25 мм; смещение с зенита в сторо­ну, обратную вращению, 6...8 мм.

При предварительном объемном подогреве коленчатого вала до температуры 150... 160 "С уменьшается перепад температур по сече­нию наплавляемой шейки. Вследствие этого замедляется скорость охлаждения поверхностных слоев и исключается трещинообразо-вание.

После наплавки шейки подвергают высокому отпуску с нагре­вом ТВЧ до температуры 750...800 °С. Затем их шлифуют и закали­вают ТВЧ. Перед наплавкой, после нее и перед окончательным шлифованием валы правят наклепом. Затем их балансируют и по­лируют. Технологию восстановления шеек коленчатых валов двига­телей А-41 с многократной термической обработкой разработал и ^Внедрил Алтайский моторный завод. Она предусматривает шлифо­вание шеек, подогрев ТВЧ, наплавку, высокотемпературный отпуск нагревом ТВЧ, правку, токарную обработку шеек, черновое шлифование, закалку и низкотемпературный отпуск шеек, чисто­вое шлифование и полирование шеек, дефектоскопию и баланси­ровку вала.

Усталостная прочность восстановленных по такой технологии валов составляет не менее 80 % новых.

Для повышения усталостной прочности восстановленных колен­чатых валов разработаны и внедрены конструктивно-технологичес­кие мероприятия. Первое из них предусматривает наплавку цилинд­рической части шейки и галтели проволоками разного химического состава. Так, галтель наплавляют проволокой Св-08 под флюсом АН-348, цилиндрическую часть — проволокой Нп-ЗОХГСА под смесью флюсов (30 % АН-348 + 70 % АНК-18). Твердость металла состав­ляет соответственно 20...24 и 50...56 НК.С.

Второе предусматривает наплавку цилиндрической части шейки вала, исключая галтель (рис. 4.23). В этом случае можно использо­вать порошковую проволоку ПП-АН-122 или ПП-АН-128; прово­локу Нп-ЗОХГСА и смесь флюсов АН-348 и АНК-18.

После наплавки и чернового шлифования шеек галтели шлифу­ют по заданному радиусу с углублением в тело шейки на 0,4...0,5 мм. Удаляют наиболее напряженные слои металла. Далее проводят уп­рочняющую дробеструйную обработку галтели в течение 1 мин под давлением 0,6 МПа, чистовое шлифование и полирование.

При выполнении указанных мероприятий можно значительно повысить предел выносливости восстановленных коленчатых ва­лов.

Для восстановления шеек валов используют электроконтактную припайку стальной ленты из стали 50ХФА, дуговую металлизацию порошковой проволокой ПП-ОМ-2.

Коленчатые валы некоторых двигателей (типа ЗМЗ и др.) изго­тавливают из высокопрочного магниевого чугуна ВЧ50 и ВЧ45. Их износостойкость и усталостная прочность примерно одинаковы с соответствующими показателями валов, выполненных из стали 45, но себестоимость получения заготовок отливкой в 2,0...2,5 раза ниже получения поковок. В то же время чугун относится к трудно-свариваемым материалам. Поэтому рассмотренные выше способы наплавки не дают хороших результатов при восстановлении чугунных валов.

Для восстановления чугунных коленча­тых валов применяют следующие способы дуговой наплавки: по стальной оболочке; двухслойную наплавку; наплавку с после­дующей нормализацией; наплавку прово­локой Нп-15СТЮЦА под слоем флюса АН-348А; широкослойную наплавку мало­углеродистой проволокой марки 08А с до­бавлением в зону горения дуги ферромаг­нитной шихты и др.

При восстановлении валов дуговой наплавкой по стальной обо­лочке шейки шлифуют до диаметра на 1 мм меньше последнего ре­монтного размера, обворачивают лентой из стали 08А толщиной бо­лее 0,8 мм (оболочкой) и прихватывают ее сваркой в двух точках в зоне стыка. Затем приваривают оболочку по краям путем наплавки галтелей проволокой Св-08 в среде углекислого газа. Далее шейки наплавляют порошковой проволокой под слоем флюса АН-348А. В результате этого в наплавленном слое значительно уменьшается со­держание углерода, марганца, кремния и других элементов, практи­чески исключаются отбел и образование трещин. Усталостная прочность валов достигает 80 % новых, но процесс сложен и трудо­емок.

При двухслойной наплавке оболочкой служит первый наплав­ленный слой, который получают с помощью малоуглеродистой по­рошковой проволоки под слоем флюса АН-348А. Второй слой на­плавляют как бы по стальной поверхности обычными методами. Однако усталостная прочность таких валов составляет всего около 70 % новых.

Наплавку с последующей нормализацией применяют для восстановления чугунных коленчатых валов двигателя ЗМЗ-53, ко­торые разрушаются из-за усталости после наплавки по шатунным шейкам. В то же время износ их в 2 раза меньше износа ко­ренных шеек. Поэтому для повышения усталостной прочности наплавленного вала при сохранении его необходимой износо­стойкости после наплавки шатунных шеек вал подвергают нор­мализации при температуре 800...850 °С и правке в горячем со­стоянии. Затем наплавляют коренные шейки, шлифуют, балан­сируют и полируют вал. При нормализации твердость наплав­ленных шатунных шеек уменьшается до НК.С 25...30, снижаются внутренние напряжения, и в итоге усталостная прочность повы­шается до 85 % уровня новых валов. Некоторое снижение изно­состойкости шатунных шеек компенсируется ее запасом по срав­нению с коренными шейками.

К перспективным и эффективным способам восстановления стальных и чугунных коленчатых валов относится плазменная на­плавка. Рекомендуют комбинированный способ наплавки, предус­матривающий одновременную подачу проволоки и порошка.

При восстановлении коленчатых валов, изготовленных из ста­ли 45 (СМД-14, А-41 и др.), шейки наплавляют композицией проволока Св-08МХ или Св-08Г2С (85 %) + порошок ПГ-СР4 (15 %), а галтели — той же композицией, но в соотношении 75 и 25 %. Валы из стали 50Г (ЯМЗ-238НБ и др.) наплавляют проволокой Св-15ГСТЮЦА (75...80 %) и порошком ПГ-СР4 или ПГ-СРЗ \ (20...25 %). При восстановлении чугунных валов применяют проволоку Св-15ГСТЮЦА (70%) и порошок ПР-Н70Х17 СЧР4 (30 %).

Для восстановления чугунных коленчатых валов разработано и внедрено два способа: постановка полуколец и пластинирование.

Технология восстановления изношенных шеек коленчатых ва­лов ЗМЗ-53 приваркой стальных полуколец включает в себя шли­фование шеек, нанесение разгружающих выточек на галтелях в плоскости, перпендикулярной к плоскости кривошипа; постановку и приварку на шейки вала в зоне их стыка специальных полуколец (рис. 4.24). Ширина их меньше длины шейки вала. Полукольца из­готовляют из листовой стали 45 толщиной 3 мм. Нарезают из листа полосы, затем вырубают из них заготовки нужных размеров с одно­временной пробивкой отверстий под масляные каналы, нагревают до температуры 820...890 "С и изгибают в приспособлении. Затем полукольца закаливают при нагреве до температуры 820...880 °С и охлаждении в масле, подвергают низкому отпуску. После этого по­лукольца растачивают до нужного диаметра с шероховатостью

Предел выносливости восстанов­ленного таким способом коленчатого вала такой же, как и нового. Метод восстановления шеек валов пластинированием заключается в установке с последующим механическим креплением на шейках валов стальной холоднокатаной термообработанной полированной ленты, изготовленной из пружинистой стали типа 65Г.

Шейки предварительно шлифуют до требуемого размера. После этого на них фрезеруют два зеркально расположенных сегментных паза, оставляя перемычки меж­ду ними.

Накладную ленту толщиной 0,4 мм изготовляют штамповкой. При этом предусмотрены вырубка ее требуемой длины, выполне­ние отверстий для масляных каналов и высечка двух противопо­ложно направленных, частично отогнутых внутрь выступов, кото­рые препятствуют провороту ленты относительно шеек коленчато­го вала.

С помощью специального приспособления ленту сворачивают в кольцо диаметром, меньшим диаметра прошлифованной шейки вала. Далее свернутую ленту надевают на подготовленную поверх­ность шейки вала и фиксируют торцами выступов относительно бо­ковых поверхностей перемычки на валу. При очередном ремонте вала накладную ленту заменяют. При этом шейки вала не перешли­фовывают.

При использовании данного метода можно существенно упрос­тить технологический процесс и оснастку для восстановления ва­лов, полностью исключить сварочно-термическое воздействие на вал, отказаться от шлифования и полирования восстановленных ва­лов, в 4...5 раз сократить расход металла и в 3 раза повысить производительность процесса по сравнению с наплавкой. Метод успешно апробирован при восстановлении чугунных валов двигателей ЗМЗ-53 и ЗМЗ-24.

Некоторые предприятия восстанавливают шейки колен­чатых валов дуговой и плазмен­ной металлизацией, железнением, анодно-струйным хроми­рованием. С целью повышения сцепляемости металлизационных покрытий шейки обяза­тельно подвергают дробеструй­ной обработке или обработке корундом под давлением 0,45... 0,55 МПа. Чугунные коленча­тые валы прокаливают при тем­пературе 250...300 "С в течение 15 мин для удаления масла из пор.