УДК 621 Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
Рассмотрены негативные последствия эксплуатации лесовозных автопоездов в сложных дорожных и природно-климатических условиях. Установлено, что наибольшая доля отказов при эксплуатации лесовозного автопоезда приходится на его двигатель. Описаны возможные дефекты коленчатого вала, способствующие выходу из строя двигателя лесовозного автопоезда. Обоснована целесообразность процесса восстановления коленчатых валов двигателей. Выполнен анализ результатов исследования зарубежных авторов в области разработки и совершенствования различных способов восстановления коренных и шатунных шеек коленчатых валов двигателей. Выявлен среди них наиболее прогрессивный метод восстановления, заключающийся в плазменном нанесении покрытий заданных свойств на коренные и шатунные шейки коленчатых валов. С целью повышения эффективности получаемых покрытий плазменным напылением предложен комбинированный способ одновременного нанесения и упрочнения покрытия. Выполнена предварительная оценка на основе математического моделирования основных физико-механических свойств получаемых по такой технологии покрытий. Исследована износостойкость покрытий полученных на разработанной лабораторной установке по сравниваемым технологиям.
ЛЕСОВОЗНЫЙ АВТОПОЕЗД, ЛЕСОВОЗНАЯ ДОРОГА, КОМБИНИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ, ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ, ПОКРЫТИЕ, ДВИГАТЕЛЬ, ШЕЙКИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА, ЭЛЕМТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА.
|
DOI:
|
|
|
УДК 621.793.74:621.791.927.55
|
|
|
05.22.10 – эксплуатация автомобильного транспорта
|
|
|
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРСПЕКТИВНОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОПОЕЗДОВ
|
EVALUATION OF THE EFFICIENCY OF A PROMISING COMBINED TECHNOLOGY FOR RECOVERY OF CRANKSHAFT JOINTS OF ENGINES OF TIMBER TRUCKS
|
|
Посметьев Валерий Иванович доктор технических наук, профессор, профессор кафедры машиностроительных технологий ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, РФ
|
Posmetev Valerii Ivanovich doctor of technical sciences, professor, professor of the department of engineering technologies Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov", Voronezh, RF
|
|
Кадырметов Анвар Минирович доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой машиностроительных технологий ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, РФ
|
Kadirmetov Anvar Minirovich doctor of technical sciences, associate professor, head of department of engineering technologies Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov", Voronezh, RF
|
|
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры производства, ремонта и эксплуатации машин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, РФ e-mail: 8888nike8888@mail.ru
|
candidate of technical sciences, associate professor, associate professor of production, repair and operation of cars Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov", Voronezh, RF e-mail: 8888nike8888@mail.ru
|
|
Аннотация. Рассмотрены негативные последствия эксплуатации лесовозных автопоездов в сложных дорожных и природно-климатических условиях. Установлено, что наибольшая доля отказов при эксплуатации лесовозного автопоезда приходится на его двигатель. Описаны возможные дефекты коленчатого вала, способствующие выходу из строя двигателя лесовозного автопоезда. Обоснована целесообразность процесса восстановления коленчатых валов двигателей. Выполнен анализ результатов исследования зарубежных авторов в области разработки и совершенствования различных способов восстановления коренных и шатунных шеек коленчатых валов двигателей. Выявлен среди них наиболее прогрессивный метод восстановления, заключающийся в плазменном нанесении покрытий заданных свойств на коренные и шатунные шейки коленчатых валов. С целью повышения эффективности получаемых покрытий плазменным напылением предложен комбинированный способ одновременного нанесения и упрочнения покрытия. Выполнена предварительная оценка на основе математического моделирования основных физико-механических свойств получаемых по такой технологии покрытий. Исследована износостойкость покрытий полученных на разработанной лабораторной установке по сравниваемым технологиям.
|
Annotation. The negative consequences of exploitation of logging road trains in difficult road and climatic conditions are considered. It has been established that the largest share of failures during the operation of a timber hauling train falls on its engine. Possible defects of the crankshaft, which contribute to the failure of the engine of a logging road train, are described. The expediency of the process of restoration of crankshafts of engines is substantiated. The analysis of the results of the study of foreign authors in the field of development and improvement of various methods for restoring the main and connecting rod journals of the crankshafts of engines is carried out. Among them, the most progressive method of restoration was revealed, which consists in the plasma deposition of coatings of specified properties on the main and connecting rod journals of the crankshafts. In order to increase the efficiency of the coatings obtained by plasma spraying, a combined method for the simultaneous deposition and hardening of the coating is proposed. A preliminary assessment was made on the basis of mathematical modeling of the main physical and mechanical properties of coatings obtained using this technology. The wear resistance of coatings obtained on the developed laboratory installation using compared technologies has been studied.
|
|
Ключевые слова: ЛЕСОВОЗНЫЙ АВТОПОЕЗД, ЛЕСОВОЗНАЯ ДОРОГА, КОМБИНИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ, ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ, ПОКРЫТИЕ, ДВИГАТЕЛЬ, ШЕЙКИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА, ЭЛЕМТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА.
|
Keywords: timber road train, timber road, combined recovery technology, plasma spraying, coating, engine, crankshaft journals, electromechanical processing.
|
|
1Автор для ведения переписки |
|
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Транспорт лесоматериалов выполняет важную связующую роль между производствами всей совокупности отраслей российской промышленности, осуществляющих заготовку и переработку древесины. Вывозка лесоматериалов лесовозным автомобильным транспортом является самым дорогостоящим и трудоемким процессом в лесопромышленном комплексе. Это связано с тем, что в данном процессе задействовано около половины работников предприятия. Доля транспортных расходов от общей конечной стоимости лесоматериалов составляет 45-48 %. В силу особой специфики работы массивных лесовозных автопоездов в процессе вывозки лесоматериалов, которая связана с частыми торможениями, разгонами, ресурс их агрегатов и, в частности двигателей значительно ниже нормативного. Это объясняется тем, что движение лесовозного автопоезда большую часть времени осуществляется по бездорожью или недостаточно обустроенным лесовозным дорогам, которые характеризуются наличием на них многочисленных дефектов, неровностей, препятствий, продольных и поперечных уклонов, а также опасных участков. Движение лесовозного автопоезда по таким дорогам сопровождается снижением его скорости на 50-52 %, воздействием на его подвеску, раму и трансмиссию больших динамических и ударных нагрузок, а также вследствие высоких значений коэффициентов сопротивления, работой в неустановившихся тяжелых режимах нагружения его тормозной системы, двигателя, сцепления, коробки передач и раздаточной коробки. Так, оборотность двигателя лесовозного автопоезда при движении в сложных дорожных условиях возрастает в 3-3,5 раза, количество включений и выключений муфты сцепления увеличивается в 10 раз, частота переключения коробки передач возрастает в 5 раз. Установлено, что в условиях движения лесовозного автопоезда по магистральным дорогам доля работы двигателя в неустановившихся режимах составляет 34 %, а в условиях движения по лесовозным дорогам, при малых расстояниях вывозки, частых торможений, троганиях и поворотах – 94 % и более. Большое количество преодолеваемых лесовозным автопоездом поворотов и неровностей, имеющихся на лесовозной дороге, способствует более интенсивному использованию коробки переключения передач, муфты сцепления и значительному изменению частоты оборотов коленчатого вала. Это приводит к перегреву, а также к значительному износу и возникновению отказов двигателя.
Недостаточная обустроенность лесовозных дорог является причиной повышения затрат, расходуемых на осуществление технического обслуживания и текущего ремонта лесовозных автопоездов. Эксплуатация лесовозных автопоездов в сложных дорожных условиях сопровождается увеличением в 2-6 раза количества отказов по сравнению с эксплуатацией лесовозных автопоездов в нормальных дорожных условиях. Кроме этого, преждевременный выход из строя лесовозных автопоездов, а также снижение ресурса их агрегатов почти в 1,5 раза связано со значительной удаленностью от ремонтных баз, ограниченной возможностью пользования базовыми пунктами технического обслуживания, недостаточным материально-техническим оснащением последних, а также недостаточной квалификацией обслуживающего персонала. Это приводит к низкому технологическому уровню и неудовлетворительному качеству обслуживания и ремонта лесовозных автопоездов, в связи с чем, они вынуждены простаивать в процессе ожидания ремонта. Дополнительно к этому, прослеживается тенденция недоиспользования ресурса на 35-55 % некоторых агрегатов лесовозных автопоездов в связи со снятием и отправлением их в ремонт раньше положенного срока [1-5].
Среди всех эксплуатационных отказов, выявленных за исследуемый период времени в основных системах и агрегатах лесовозного автомобиля КАМАЗ-65115, установлено, что наибольшая доля отказов, равная 14,35 %, приходится на его двигатель. Одной из основных причин возникновение в двигателе отказов, сопровождающихся его ремонтом, является износ деталей кривошипно-шатунного механизма, в частности коренных и шатунных шеек коленчатого вала. Доля отказов, приходящаяся на кривошипно-шатунный механизм, составляет более 25 %. Износ коренных и шатунных шеек коленчатого вала возникает при высоких значениях удельных поверхностных нагрузок на них, при знакопеременном и циклическом воздействии, а также при проворачивании вкладышей в постелях шатунных подшипников. Кроме этого, наиболее часто проявляющимися в процессе эксплуатации лесовозных автопоездов дефектами коленчатых валов их двигателей, являются: износ резьбы; овальность, конусность, бочкообразность, шеек; износ посадочного места наружного кольца шарикоподшипника в торце вала; трещины на щеках, шейках; вмятины, риски, и задиры на шейках; торцовое биение фланца маховика, скручивание вала; изгиб вала; усталостные трещины шатунных и коренных шеек; износ посадочных мест под шкив, распределительную шестерню, маховик; засорение масляных каналов продуктами износа масла; износ маслосгонной резьбы; износ отверстий под штифты крепления; износ и разбивка шпоночных канавок; срыв ниток резьбы; коррозия трущихся поверхностей. Восстановление изношенных деталей лесовозных автопоездов, является важным резервом повышения эффективности их использования. Наиболее частыми причинами, на основании которых осуществляется выбраковка коленчатых валов двигателей лесовозных автопоездов, является наличие на коренных и шатунных шейках трещин. Утилизировать изношенные коленчатые валы, пригодные для восстановления неразумно, так как они обладают высокой добавленной стоимостью, на которую приходится 5-15 % стоимости всего лесовозного автопоезда. К тому же процесс восстановления изношенных коленчатых валов двигателей лесовозных автопоездов является ресурсосберегающим процессом. Восстановление шеек коленчатых валов двигателей является трудоемким и дорогостоящим процессом, при осуществлении которого предъявляются высокие требования к качеству и геометрическим параметрам восстановленных рабочих поверхностей коренных и шатунных шеек двигателя [6-7].
Коленчатый вал является самой сложной и дорогой в изготовлении деталью, от которого во многом зависят его эксплуатационные характеристики и долговечность двигателя. Ресурс нового коленчатого вала двигателя лесовозного автопоезда в большинстве случаев превышает ресурс восстановленного.
1. Будалин, С. В. Оценка эффективности лесовозных автопоездов на этапах выбора и эксплуатации / С. В. Будалин // учеб. пособие. - Екатеринбург : Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2014. - 215 с. Библиогр. : с. 168-177 (129 назв.).
2. Никонов, В. О. Современное состояние, проблемы и пути повышения эффективности лесовозного автомобильного транспорта / В. О. Никонов ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». - Воронеж, 2021. - 202 с. - Библиогр. : с. 181-202 (196 назв.).
3. Карпов, А. С. Повышение эксплуатационных характеристик двигателей лесовозных автомобилей / А. С. Карпов // диссертация ... кандидата технических наук : 05.21.01, 05.22.10. - Воронеж, 2000. - 168 с. - Библиогр. : с. 112-124 (152 назв.).
4. Никонов, В. О. Совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов автомобильных двигателей плазменным напылением с одновременной электромеханической обработкой / В. О. Никонов // диссертация … кандидат технических наук : 05.22.10 [Место защиты : Владимир. гос. ун-т]. - Воронеж, 2013. - 187 с. - Библиогр. : с. 136-154 (165 назв.).
5. Кадырметов, А. М. Теоретические основы и технологическое обеспечение качества плазменного нанесения и упрочнения покрытий модуляцией электрических параметров : диссертация … доктора технических наук : 05.02.07, 05.02.08 / А. М. Кадырметов ; [Место защиты : Воронеж. гос. техн. ун-т]. - Воронеж, 2013. - 383 с. - Библиогр. : с. 337-361 (218 назв.).
6. Яковлев, К. А. Разработка процесса термомеханического упрочнения поверхностей с газотермическими покрытиями : диссертация ... кандидата технических наук : 05.03.01. - Воронеж, 1998. - 201 с. - Библиогр. : с. 149-154 (69 назв.).
7. Бухтояров, В. Н. Технология восстановления цилиндрических поверхностей валов плазменным напылением с одновременным оплавлением выносной модулируемой дугой : На примере коленчатого вала : диссертация ... кандидата технических наук : 05.03.01. - Воронеж, 2003. - 165 с. - Библиогр. : с. 140-149 (94 назв.).
8. Alfares, M.A. Failure Analysis of a Vehicle Engine Crankshaft / M.A. Alfares, A.H. Falah, A.H. Elkholy // J Fail Anal. and Preven. (2007) 7 : 12-17. - Bibliogr.: pp. 17 (12 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1007/s11668-006-9006-0.
9. Chenmin Zhao, Guofu Lian, Yang Zhang and Haiyan Hua The Forming Control Method of Double-Layer and Multi-Track Stacking Laser Cladding Applied on Crankshafts Restoration. JOM, Vol. 73, №. 12, 2021. - pp. 4289-4298. - Bibliogr.: pp. 4297-4298 (25 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1007/s11837-021-04852-2.
10. A. A. Öztürk, B. Gülenç, A. Durgutlu, and N. Kahraman Wear Behaviour of Crankshaft Journals Filled by Submerged Arc Welding. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2014, 36, № 3, pp. 317-327. - Bibliogr.: pp. 327 (19 titles).
11. H. Huange et. al., Metal Magnetic Memory Technique and Its Applications in Remanufacturing, Science Press, 2021 12 p. - Bibliogr.: pp. 12 (6 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1007/978-981-16-1590-0_13.
12. N. M. Al-Araji, A. R. I. Kheder, A. M. Abu-Romman Rehabilitation of Automobile Crankshafts by Submerged-Arc Welding. Conference: The 1st Jordanian International Conference of Materials Science and Engineering At: Jordan, 2005. - 17 p. - Bibliogr.: pp. 8-9 (21 titles).
13. Yasutoshi Tominaga, Jinsoo Kim, Youngsik Pyun, Ravil Kayumov, Junhyong Kim and Juha Woo1 A study on the restoration method of friction, wear and fatigue performance of remanufactured crankshaft. Journal of Mechanical Science and Technology 27 (10) (2013) 3047-3051. - Bibliogr.: pp. 3051 (10 titles). - DOIhttps://doi.org/10.1007/s12206-013-0824-1.
14. Zhang Gue-qing, Wang Cheng-tao, PU Geng-qiang Fatigue life prediction of crankshaft repaired by twin arc spraying. Journal CSUT Vol. 12 Suppl., 2 2005. - pp. 70-76. - Bibliogr.: pp. 76 (15 titles).
15. George Mahu Evaluation of the Corrosion Resistance of Some Coating Obtained by Thermal Spray in Plasma Jet, on the Surface of Some Crankshafts Made of C45 Steel / George Mahu, Corneliu Munteanu, Bogdan Istrate, Igor Blanari, Cornelia Paleu, Cosmin Mihai Cotrut // Rev. Chim., 71 (10), 2020, 211-223. - Bibliogr.: pp. 222-223 (32 titles). - DOIhttps://doi.org/10.37358/RC.20.10.8366.
16. V. V. Le, D. N. Nguyen, A. X. Nguyen, T. T. V Tran, V. B. Nguyen (2019). Design A Technical Process Of Thermal Spray Applied To The Crankshaft Rehabilitation Of Ship. Journal of Mechanical Engineering Research & Developments, 42(1): 56-60. - Bibliogr.: pp. 59-60 (22 titles). - DOIhttps://doi.org/10.26480/jmerd.01.2019.56.60.
17. A. R. Yusufov, I. M. Abacharaev, and N. K. Sanaev Prospects for Protective Coating of Machine Parts. Russian Engineering Research, 2010, Vol. 30, №. 4, pp. 352-354. - Bibliogr.: pp. 354 (9 titles).
18. Пат. 2480533 РФ, МПК С23С4/18, В24В39/06, В23Н9/00. Способ комбини-рованного упрочнения поверхностей деталей / А. М. Кадырметов, Г. А. Сухочев, В. И. Посметьев, В. О. Никонов, В. В. Посметьев, А. Ф. Мальцев ; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Доступная робототехника" - 2011140996/02 ; заявл. 11.10.2011 ; опубл. 27.04.2013, Бюл. № 12. - 8 с.
19. Патент на полезную модель 129021 РФ, МПК В05В13/04. Устройство для нанесения покрытий на шатунные и коренные шейки коленчатых валов / В. И. Посметьев, А. М. Кадырметов, В. О. Никонов, А. С. Пустовалов ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО ВГЛТА. - № 2012156454/05 ; заявл. 26.12.2012 ; опубл. 20.06.2013 ; Бюл. № 17.
20. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа для моделирования способа комбинированного упрочнения поверхностей деталей / В. О. Никонов, А. М. Кадырметов, В. И. Посметьев, В. В. Посметьев ; правообладатель ФГБОУ ВПО ВГЛТА. 2013612101; заявл. 21.12.2012 ; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14.02.2013.
21. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа для исследования эффективности способа комбинированного упрочнения плазменных покрытий / А. М. Кадырметов, В. О. Никонов, В. И. Посметьев, В. В. Посметьев ; правообладатель ФГБОУ ВПО ВГЛТА. - № 2013615055 ; заявл. 17.04.2013 ; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 27.05.2013.
