Повышение качества ремонта верхней головки шатуна двигателей ЯМЗ 236 - 240 применением объемного электромеханического дорнования

СТАНДАРТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ КА ЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ

УДК 631.3

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА РЕМОНТА ВЕРХНЕЙ ГОЛОВКИ ШАТУНА ДВИГАТЕЛЕЙ ЯМЗ 236 - 240 ПРИМЕНЕНИЕМ ОБЪЕМНОГО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДОРНОВАНИЯ

А.В. Морозов, К.Р. Кундротас

Рассмотрены условия эксплуатации и повторяемость дефектов шатунов двигателей ЯМЗ. Установлено, что наибольшая повторяемость дефекта приходится на бронзовую втулку верхней головки шатуна - 100 %. Предложена технология ремонта верхней головки шатуна применением объемного электромеханического дорнования (ОЭМД). В результате сравнения существующей технологии с предложенной обоснованно подтверждена эффективность применения ОЭМД.

Ключевые слова: верхняя головка шатуна, бронзовая втулка, объемное электромеханическое дорнование, качество ремонта.

Одними из наиболее часто используемых двигателей в автотракторной технике является линейка двигателей Ярославского моторного завода ЯМЗ-236, ЯМЗ-238, ЯМЗ-240 и их модификации. Двигатели данных марок используются как в автомобилях марок МАЗ, КрАЗ, Урал, тракторах К-701 и других. Кроме того, двигателями марки ЯМЗ переоборудуются автомобили КамАЗ, ЗиЛ, TATRA, IFA, трактора Т-150, ДТ-75, Buhler Versatile, Caterpillar и комбайны Дон-1500, Полесье, Е-281, КСК-100, Енисей, Акрос.

Работоспособность автотракторных двигателей определяется по технико-эксплуатационным параметрам, прежде всего по снижению мощности и увеличению расхода топлива, которые имеют прямую зависимость от износа трущихся деталей подвижных соединений кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Износ деталей приводит к изменению пространственно-геометрических параметров деталей, увеличению зазоров в соединениях, что способствует еще более быстрому процессу изнашивания.

Установлено [1], что естественный износ деталей КШМ является причиной проведения капитального ремонта (КР) для 44,36% двигателей, эксплуатируемых до первого КР и 31,51% для двигателей, эксплуатируемых после КР.

При КР шатуны двигателей дефектуется по четырем основным параметрам (рис. 1, табл. 1). Согласно коэффициенту повторяемости дефектов, при проведении КР двигателей бронзовая втулка подлежит 100% замене. Также для не ремонтировавшихся ранее двигателей 38%, для двигателей после ремонта 42% наблюдается износ внутренней поверхности верхней головки шатуна [2].

3 4 12

Рис. 1. Дефекты шатуна двигателя ЯМЗ

Таблица 1

Коэффициент повторяемости дефекта от общего количества шатунов

№ п/п Дефект Поступающих на дефектацию Ремонтнопригодных

1 Износ поверхности втулки верхней головки шатуна 1,0 1,0

2 Износ внутренней поверхности верхней головки шатуна 0,38 0,42

3 Износ внутренней поверхности нижней головки шатуна 0,54 0,59

4 Изгиб и скручивание шатуна 0,15 0,2

Согласно нормативной документации нормальный зазор в соединении «тонкостенная бронзовая втулка - поршневой палец» двигателя ЯМЗ составляет 0,041.. .0,050 мм. Максимальный зазор не должен превышать 0,070 мм [3].

В условиях масляного голодания, в момент пуска или остановки двигателя, а также при низком качестве смазки, происходит интенсивное изнашивание рабочей поверхности втулки, кроме того велика вероятность схватывания сопрягающихся поверхностей, что приводит к задирам отверстия втулки верхней головки шатуна (рис. 2) (деталь 740.1004052) или даже к её проворачиванию в отверстии верхней головки [4, 5].

Следы износа

Рис. 2. Характер износа втулки верхней головки шатуна двигателя ЯМЗ

С целью выявления закономерности износа внутреннего диаметра бронзовых втулок были проведены метрологические исследования 64 шатунов двигателей ЯМЗ-238 поступивших на КР.

Измерения производили индикаторным нутромером повышенной точности НИ 50-100, 0,001 МИК ГОСТ 9244 - 75 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях рис. 3.

Рис. 3. Схема измерений внутренней поверхности втулки верхней

головки шатуна

Полученные результаты были обработаны, найдены опытные вероятности в интервалах статистического ряда (рис. 4).

Средний износ внутренней поверхности втулок верхней головки шатуна составил 0,047 и 0,049 мм, среднеквадратичное отклонение 0,0173 и 0,0216 мм соответственно. Максимальное отклонение от цилиндричности составило 0,007 мм. Выполненный анализ позволяет сделать вывод о том, что при проведении КР двигателей марки ЯМЗ износ внутренней поверхности втулок верхней головки шатуна превышает предельно допустимый, у большой части втулок наблюдается значительное отклонение от цилиндричности.

«Частота --Интегральный % б

Рис. 4 Гистограмма распределения износа внутренней поверхности втулок верхней головки шатуна ЯМЗ-238: а - износ втулки в плоскости А; б - износ втулки

в плоскости Б

221

а

В основном ремонт отверстия верхней головки шатуна заключается в замене изношенной втулки на новую. Для этого ремонтная втулка из бронзы, запрессовывается в верхнюю головку шатуна. Заключительными операциями является растачивание и последующее раскатывание установленной втулки до номинального размера. Шероховатость после раскатки не должна превышать Яа 0,63. [3]. Данная технология является многооперационной и трудоемкой, а существующий подход к устранению неисправности не решает проблему повышения долговечности соединения.

С целью сокращения технологических операций и повышения эксплуатационных характеристик бронзовых втулок их установку в отверстия верхней головки шатуна выполняли с применением ОЭМД [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13].

Предлагаемая технология состоит из операции изготовления втулки и объёмного электромеханического дорнования втулки в отверстии верхней головки шатуна. Последовательность операций по существующей и предлагаемой технологии представлена на рис. 5.

№ ИггйтоЕлешсе Бтулкн

ш

Продольная

^апреесяЕка Етупкц

г верхним головку шатуна

и

Расточка отверстия Е о втулке до Е>50дпт

ч

и

Рз=к аск а «таерсшя ео нулке до 050^31 (ЙШЗ

б

Рис. 5. Последовательность операций, используемых при ремонте верхней головки шатуна: а - существующая технология, б - предлагаемая технология

Втулки изготавливали из бронзы марки Бр.ОЦС 5-5-5 с внутренним диаметром, характеризующим величину натяга с1 = 49,6 мм и наружным диаметром Б = 56,1 мм. Втулки устанавливались с зазором Б = 0,05 мм в отверстия верхней головки шатуна, которые предварительно растачивали до Б = 56,15 мм, шероховатость поверхности составляла Яа 1,3.. .1,8 мкм.

ОЭМД осуществлялось на базе вертикально-фрезерного станка 6В11 однозу-бым дорном, изготовленным из твёрдого сплава Т15К6 (рис. 6). Обработку выполняли по схеме сжатия на следующих режимах: I = 6200 А; г = 0,4; и = 120 мм/мин. Режимы назначали на основании, полученных ранее, теоретических зависимостей и экспериментальных исследований [7, 8, 10, 13].

а

Рис. 6. Экспериментальная установка для ОЭМД отверстия втулки верхней головки шатуна: 1 - тиски; 2 - шатун; 3 - инструментальная державка; 4 — токоподводящие кабели; 5 — силовой модуль 6М

В результате исследований микроструктуры было установлено, что под действием высокой температуры и давления в процессе ОЭМД некоторая часть свинца (9 ... 12 %) «выдавливается» к поверхности из приповерхностных слоев [7, 8, 13].

При исследовании глубины упрочнённого слоя рабочей поверхности цельной бронзовой втулки после ОЭМД было установлено, что твердость по сравнению с основой увеличилась в 1,5 раза за счёт наклепом в горячем состоянии, в результате чего повышается контактная жесткость и долговечность втулок [7, 8].

На основании проведённых исследований качества прессового соединения следует отметить повышение усилия выпрессовки на 0,23... 0,6 кН и момента проворачивания на 3.30 Н- м, что также сопоставимо с проведенными ранее исследованиями [6,

9, 11].

Точность обработки втулки ОЭМД исследовали в условиях метрологической лаборатории на измерительном комплексе Carl Zeiss.

Цилиндричность втулки оценивалась по четырем сечениям (рис. 7). Точность измерения составляла 0,0001 мм. За основу был взят номинальный диаметр отверстия 50 мм.

В результате замеров была выявлена незначительная седлообразность отверстия, находящаяся в пределах допустимого. Наибольшее отклонение диаметра наблюдается на входе инструмента (дорна) +0,0041 мм при допустимом +0,005 мм. На основании чего можно заключить, что точность при ОЭМД обеспечивается.

Рис. 7. Результаты замеров отверстия втулки верхней головки шатуна двигателя

ЯМЗ после ОЭМД на цилиндричность

Сравнительный анализ методов ремонта втулки верхней головки шатуна двигателя ЯМЗ приведен в табл. 2.

Из данных приведенных в таблице следует, что метод ремонта втулки верхней головки шатуна с применением ОЭМД по всем параметрам превосходит существующий метод ремонта

Таблица 2

Сравнительный анализ методов ремонта втулки верхней головки шатуна

двигателя ЯМЗ

Параметр Метод ремонта

Существующий Предлагаемый с применением ОЭМД

Содержание РЬ на поверхности, % 4,7 - 4,9 9 - 12

Поверхностная твердость, Ыц, кгс/мм2 842 - 847 1135 - 1143

Шероховатость поверхности, Яа, мкм 0,63 - 0,42 0,24 - 0,18

Усилие выпрессовывания, кН 0,82 - 1,13 1,36 - 1,42

Момент проворачивания, Н^м 288 - 293 296 - 318

Трудоемкость, мин 2,68 1,46

Применение ОЭМД при ремонте втулки верхней головки шатуна позволяет сократить общее технологическое время за счёт исключения отдельных операций и соответствующего технологического оборудования в результате снизить себестоимость восстановления соединения в 3,4 раза, а также повысить физико-механические и эксплуатационные свойства соединений: «тонкостенная бронзовая втулка - корпус» и «тонкостенная бронзовая втулка - поршневой палец».

Список литературы

1. Денисов А.С., Асоян А.Р., Юдин В.М. Повышение долговечности шатунных подшипников двигателя КАМАЗ путем совершенствования технологии ремонта шатунов / А.С. Денисов, А.Р. Асоян, В.М. Юдин // Вестник СГТУ. Машиностроение и машиноведение, 2011. №3 (58). Вып. 2. С. 43-49.

2. Технологические процессы восстановления основных деталей двигателей А-41, А-01, ЯМЗ-236НБ, ЯМЗ-240Б. М.: ГОСНИТИ, 1987. 83 с.

3. Руководство по ремонту 236.01.01 РК на двигатели ЯМЗ-236, ЯМЗ-238 всех комплектаций и исполнений. Ярославль, 2014. 287 с.

4. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: справочник. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.

5. Масино М.А. Повышение долговечности автомобильных деталей при ремонте. М.: «Транспорт», 1972. 148 с.

6. Морозов А.В. Объемное электромеханическое дорнование тонкостенных стальных втулок: монография. Ульяновск, УГСХА им. П. А. Столыпина, 2013. 193 с.

7. Морозов А.В., Байгулов А.В. Формирование свойств поверхности при объемном электромеханическом дорновании втулок из бронзы Бр ОЦС 5-5-5 // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. Научно-теоретический журнал, 2011. № 4. С. 116-121.

8. Морозов А.В., Байгулов А.В. Рентгеноструктурный анализ поверхности втулки, изготовленной из бронзы Бр ОЦС 5-5-5, обработанной объемным электромеханическим дорнованием // Вестник ФГБОУ ВПО МГАУ. 2011. №2. С. 31-33.

9. Морозов А.В., Абрамов А.Е., Байгулов А.В. Качество прессового соединения, полученного объемным электромеханическим дорнованием бронзовых втулок в замкнутом объеме // Научное обозрение, 2013. № 1. С. 91-97.

10. Морозов А.В., Байгулов А.В. Влияние режимов объемного электромеханического дорнования на износостойкость бронзовых втулок // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии, 2013. № 1. С. 155-160.

11. Морозов А.В., Федотов Г. Д., Абрамов А.Е. Повышение нагрузочной способности соединений с натягом типа «втулка - корпус» объемным электромеханическим дорнованием // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии, 2014. № 3. С. 125-133.

12. Морозов А.В., Федотов Г.Д. Разработка классификации процессов электромеханической обработки отверстий движущимся высокотемпературным полосовым источником // Упрочняющие технологии и покрытия, 2015. №3. С. 44-50.

13. Морозов А.В., Федорова Л.В., Федотов Г.Д., Токмаков Е.А. Исследование влияния объемного электромеханического дорнования на формирование элементного состава на рабочей поверхности свернутых втулок изготовленных из Бр ОЦС 4-4-2,5 // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2016. Вып. 1. С. 178187.

Морозов Александр Викторович, д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой, al-vi.mor a mail.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина,

Кундротас Кястутис Ромальдо, ассистент, kundrotas@,mail.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина

IMPROVING THE QUALITY THE REPAIR OF THE UPPER CONNECTING ROD YaMZ 236 - 240 USING THE VOLUMETRIC ELECTRO-MECHANICAL MANDREL

A. V. Morozov, K.R Kundrotas

The operating conditions and the repeatability of defects of the connecting rods of engines YaMZ are considered. It has been established that the highest repeatability of the defect falls on the bronze bushing of the upper head of the connecting rod -100%. The technology of repairing the upper head of the connecting rod is proposed using a volumetric electromechanical mandrel (VEMD). As a result of comparison of the existing technology with the proposed one, the effectiveness of the use of VEMD has been reasonably confirmed.

Key words: connecting rod upper head, bronze bushing, volumetric electromechanical backing, quality of repair.

Morozov Alexander Viktorovich, doctor of technical scienes, docent, head of chair, alvi. mor@,mail. ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk state agrarian University. P.A. Stolypin,

Kundrotas Kgstutis Romaldo, assistant, kundrotas@,mail. ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk state agrarian University. P.A. Stolypin