Способ дагиса восстановления изношенных шеек валов

 

Использование: восстановление изношенных шеек валов путем установки дополнительных ремонтных деталей и их фиксации. Сущность изобретения: изношенные шейки валов обрабатывают механически под ремонтные детали, на обработанные поверхности устанавливают составные ремонтные детали, ориентируют их, поджимают, а затем осуществляют сварку стыков и приварку к шейкам с последующей обработкой на заданные размеры. В способе оговорена величина зазора в стыках ремонтных деталей, выбор зоны размещения стыков, даны расчетные зависимости для выбора диаметра шейки под ремонтные детали. Представлены соотношения для выбора толщины ремонтного полукольца "δ" в зависимости от номинального диаметра шейки и параметров продольного профиля шейки с учетом размеров ремонтных полуколец. 8 з. п. ф-лы, 4 ил.

Способ относится к механосборочному производству к способам восстановления изношенных шеек валов, при которых на изношенные шейки устанавливают дополнительные ремонтные детали и фиксируют их.

В частности, изобретение относится к восстановлению шеек валов, например коленчатых валов поршневых автотракторных двигателей, компрессоров, вакуумных насосов и т. д. когда на изношенные и поврежденные шейки устанавливают и закрепляют ремонтные детали, выполненные в виде закаленных стальных ремонтных полуколец.

Изобретение может быть использовано для восстановления шеек валов на ремонтных предприятиях и в ремонтных мастерских.

Известен способ-аналог восстановления коленчатых валов.

Способ-аналог описан в [1] По способу-аналогу изношенные шейки на всю длину обрабатывают на заданные размеры под ремонтные детали, изготовленные в виде двух стальных полуколец с буртиками. Толщина ремонтных полуколец 7,5 мм. Ось внутренней цилиндрической поверхности смещена на 2,5 мм. Ремонтные полукольца изготовлены из среднеуглеродистых сталей, прошли закалку. В стыках изготовлены фаски, а стыковые зазоры равны 3 мм.

Перед сваркой стыки подогревают до температуры 150 200^oС, поджимают к шейкам и производят сварку стыков без приварки к шейке за один проход, затем шейки обрабатывают на заданные размеры.

Недостатки способа-аналога состоят в следующем. Положение стыков ремонтных полуколец на шейках не регламентировано. Поэтому стыки, представляющие ослабленное место, могут быть размещены на наиболее нагруженных участках, где наблюдается наибольший износ шеек, и это приведет к уменьшению надежности и ресурса шеек. Внутренние размеры ремонтных полуколец выбраны без учета возможности использования при их сборке пружинения для облегчения процесса временной фиксации. Не приведено соотношение для выбора рациональных диаметров шеек в зависимости от параметров ремонтных полуколец, что усложняет применение способа. Не применяют дополнительные галтели для повышения усталостной прочности галтельных переходов и соответственно отсутствуют условия построения продольного профиля шеек с учетом параметров ремонтных полуколец. На внутренних поверхностях ремонтных полуколец не применяют фаски, уменьшающие концентрацию напряжений в торцевых плоскостях, возникающих от натяга при усадке швов в стыках ремонтных полуколец. Не предусмотрены операции заделки пор, пустот и трещин в сварочных швах и не регламентированы направления движения электродов при сварке первого и второго стыков. Поэтому наблюдают разной величины напряжения в торцевых плоскостях. Кроме того, недостатки способа-аналога состоят в том, что ремонтные детали не соединяют сваркой с телом детали и не применяют дополнительную фиксацию их на шейках.

В процессе эксплуатации происходит смятие, износ микро- и макронеровностей контактирующих поверхностей и ослабление посадки ремонтных полуколец на шейках, происходит смещение деталей относительно друг друга и отказы по этой причине.

Подогрев ремонтных полуколец перед сваркой стыков, хотя и повышает пластичность материала в зонах сварки, но сопровождается увеличением напряжений растяжения в полукольцах и повышением вероятности образования трещин, что можно объяснить следующим образом.

Ремонтные полукольца установлены на холодных шейках и поджаты к ним. Микронеровности и неприлегаемость ремонтных полуколец к шейкам затрудняет переход тепла от ремонтных деталей к восстанавливаемым.

Поэтому при нагреве ремонтных полуколец открытым газовым пламенем их температура становится больше температуры тела шеек.

Поэтому ремонтные полукольца увеличивают свои размеры больше чем тело шейки. Зазоры в стыках ремонтных полуколец дополнительно уменьшаются. В этом состоянии стыки ремонтных полуколец сваривают и образуют сплошное ремонтное кольцо.

Затем в процессе охлаждения и выравнивания температур ремонтных деталей и шеек происходит следующее.

Часть тепла ремонтных полуколец в процессе охлаждения переходит в восстанавливаемую деталь, ее температура повышается и увеличиваются ее размеры. Одновременно происходит уменьшение температуры ремонтных деталей и уменьшение их размеров. В результате возрастает натяг, происходит дополнительное растяжение ремонтных полуколец и увеличение вероятности разрушения.

Следовательно, в способе-аналоге внешний подогрев ремонтных полуколец перед сваркой способствует образованию трещин. Для уменьшения образования трещин необходимо создать равную или более высокую температуру в шейках по сравнению с температурой ремонтных полуколец в период сварки второго стыка.

В данном изобретении это требование удовлетворяется.

Известны способы-аналоги механической обработки изношенных шеек коленчатых валов под слой материала компенсирующий износ, в которых для увеличения выносливости галтельных переходов изготавливают дополнительные галтели на некотором расстоянии от торцевых поверхностей щек.

Эти способы описаны в изобретении [2] Радиусы новых галтелей задают примерно равным половине исходного радиуса. Основной недостаток этого способа состоит в том, что исходная и дополнительная галтели имеют разные радиусы.

Поэтому дополнительные галтели не могут быть изготовлены на тех шлифовальных станках, на которых шлифуют шейки на ремонтные размеры. Требуется дополнительное шлифовальное оборудование.

Известны способы восстановления деталей [3, 4] которые по своей технической сущности являются наиболее близки к описываемому.

Способ-прототип [4] применяется для восстановления чугунных коленчатых валов автомобильных двигателей ЗМЗ-53, который имеет номинальный диаметр шатунных шеек 60 мм, коренных 70 мм. Поэтому способу на изношенные и поврежденные шейки, после их механической обработки, устанавливают ремонтные полукольца, выполненные в виде стальных закаленных полуколец и создают зазор в стыках равный 3 мм. Толщина полукольца после окончательной обработки выбрана 2 мм. После установки, ориентации и поджатия их к шейкам, ремонтные полукольца в стыках сваривают электросваркой между собой, приваривают к шейкам и заполняют зазор расправленным металлом за один проход. При этом происходит резкое охлаждение шва и образование хрупких закалочных структур.

В способе-прототипе заданы зазоры в стыках без достаточного обоснования. Поэтому в процессе восстановления наблюдаются случаи, что стыки оказываются не приваренными к шейкам. В этом случае происходит смещение ремонтных полуколец на шейках, перекрытие масляных каналов и отказы. Толщина ремонтных полуколец и зазоры в стыках выбраны без расчетного и опытного обоснования. По этой причине в стыках после сварки появляются трещины. Положение стыков ремонтных полуколец не оговорено. Поэтому стыки ремонтных полуколец, представляющие собой ослабленное место, размещают в зонах наибольшего износа и нагружения. Это уменьшает ресурс и надежность шеек. При обработке шеек под ремонтные полукольца не применяют упрочнение галтельных переходов.

Не применяют для установки на шейках ремонтных полуколец, снабженных на внутренней поверхности разгружающими фасками в плоскостях торцов, с целью уменьшения концентрации напряжений от натяга. Не предусмотрены условия выбора элементов продольного профиля шеек с учетом размеров ремонтных полуколец. Отсутствуют операции устранения пор, пустот и трещин в сварочных швах в процессе восстановления, не применяют регулировку напряжений натяга, возникающих в результате усадки сварочных швов между ремонтными полукольцами и шейками. Поэтому в стыках и зонах сварки увеличивается вероятность возникновения трещин.

В связи с изложенным целью изобретения является повышение надежности и качества восстановленных валов и упрощение процесса восстановления.

Поставленная цель достигается тем, что зазоры в стыках ремонтных полуколец выбирают в пределах 1,6 4,5 толщин заготовок ремонтных полуколец, подготовленных для закрепления на шейках, стыки ремонтных полуколец размещают в зоне наименьшего износа шеек, выбирают границы зоны наименьшего износа по обе стороны от точки наименьшего износа для диаметров шеек свыше 70 мм, ограниченные центральным углом 50^o, а для диаметров шеек меньше 70 мм, ограниченные центральным углом 60^o, диаметры обработанных внутренних поверхностей ремонтных полуколец выбирают меньше диаметров шеек, подготовленных для их установки в шейки, величину разности диаметров выбирают равной величине, которая без затруднений допускает поджатие ремонтных полуколец вручную к шейкам, выбирают диаметры шеек валов под ремонтные полукольца с учетом размеров ремонтных полуколец по следующему соотношению: d₂=d₁-2δ, причем для номинальных диаметров шеек до 60 мм выбирают по соотношению: а для номинальных диаметров шеек свыше 60 мм выбирают по соотношению: где d₂ диаметр шейки, подготовленной для установки ремонтных полуколец; d₁ номинальный диаметр шейки; δ толщина ремонтного полукольца после окончательной обработки шейки.

Расстояние от торцевой поверхности шейки до начала дополнительной галтели выбирают с учетом наибольшего приращения усталостной прочности галтельного перехода и задают это расстояние равным или близким к величине, которая обеспечивает наибольшее повышение циклической прочности галтельного перехода с дополнительной гальтелью, параметры продольного профиля шейки выбирают с учетом размеров ремонтных полуколец по следующим соотношениям:
B A 2x, C A 2S 2x,
R₂≈ R₁,
где B длина участка шейки, подлежащей обработке по ширине шейки;
A исходная длина шейки по рабочему чертежу;
х расстояние от торцевой поверхности до начала дополнительной галтели на шейки;
S зазор между ремонтным полукольцом и дополнительной галтелью;
C ширина наружной поверхности ремонтного полукольца;
R₁ радиус исходной галтели;
R₂ радиус дополнительной галтели,
для установки на шейках применяют ремонтные полукольца, на внутренних поверхностях которых в торцевых плоскостях изготовлены фаски, уменьшающие концентрацию напряжения от натяга, применяют заделку пор, пустот, непроваров и трещин в зоне швов в процессе механической обработки шеек с ремонтными полукольцами, дефекты швов заплавляют электросваркой при наличии припусков на шейках для дальнейшей обработки, перед сваркой второго стыка производят охлаждение ремонтных полуколец до заданной температуры, при сварке стыков ремонтных полуколец применяют нанесение отжигающих валиков.

Изобретение поясняют следующие чертежи и описания.

На фиг. 1 показано продольное сечение восстановленной шейки; на фиг. 2 - ремонтное кольцо, поясняющее его новые конструктивные элементы и параметры; на фиг. 3 конструктивные элементы галтельного перехода, снабженного дополнительной галтелью и графическая зависимость выносливости галтельного перехода в зависимости от величины расстояния от начала дополнительной галтели до торцевой поверхности; на фиг. 4 сечение шейки, поясняющее выбор величины зазоров в стыке, расположение стыков и зоны наименьшего износа. На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:
1 шейка вала;
2 ремонтное полукольцо;
A длина шейки;
В длина обрабатываемой части шейки под ремонтные кольца, т. е. расстояния между началом противоположных дополнительных галтелей;
C ширина наружной поверхности ремонтного полукольца;
X расстояние от начала дополнительной галтели до торцевой поверхности;
S зазор между торцом ремонтного полукольца и началом дополнительной галтели;
R₁ радиус исходной галтели;
R₂ радиус дополнительной галтели;
R₃ радиус сгибающей галтелей R₁ и R₂;
δ толщина ремонтного кольца после окончательной обработки;
d₂ диаметр шейки, отработанной под ремонтное кольцо;
d₁ номинальный (исходный) диаметр шейки;
a зазор в стыках ремонтных полуколец;
h толщина заготовки ремонтного полукольца после обработки внутренней поверхности;
d₃ диаметр внутренней обработанной поверхности ремонтного полукольца;
d₄ диаметр наружной необработанной поверхности ремонтного полукольца;
a угол разгружающей торцевой фаски;
k ширина разгружающей фаски;
l ширина фаски под углом 45^o;
B₁ выносливость вала без дополнительной галтели;
B₂ наибольшее приращение выносливости галтельного перехода;
З график зависимости приращения выносливости галтельного перехода от расстояния между началом дополнительной галтели и торцовой поверхности вала Х;
X_опт расстояние между началом дополнительной галтели и торцевой поверхностью при наибольшем приращении усталостной прочности галтельных переходов;
4 полость шейки;
5 маслоподводящий канал;
6 обозначение точки наименьшего износа шейки;
7 эпюра износа поверхности шейки;
8 основной сварочный шов в стыках;
9, 10, 11 отжигающие сварочные валики;
b центральный угол, ограничивающий зону наименьшего износа С одной стороны относительно точки 6;
mN дуга поверхности шейки центрального угла 2β, ограничивающая зону наименьшего износа.

Ниже рассмотрим краткое обоснование отличительных признаков изобретения на примере восстановления коленчатых валов поршневых двигателей.

Испытание на прочность при растяжении сварочных швов образцов, имитирующих ремонтные полукольца и шейки показало, что минимальный зазор в стыке, обеспечивающий удовлетворительную прочность соединению стальных деталей находится в пределах 1,6 h, где h толщина заготовки ремонтного полукольца.

При сварке стальных ремонтных полуколец на шейках чугунных валов для образования пластичных швов при полуавтоматической сварке в среде углекислого газа сварочной проволокой С_в08Г2С диаметром 1,2 мм необходимо увеличить зазор в стыках до величины 4,5 h, а сварку стыков вести с применением отжигающих валиков.

Поэтому пределы вариации зазоров в стыках выбраны от 1,6 до 4,5 h (фиг. 4).

Сварочные швы в стыках ремонтных полуколец имеют малую твердость по сравнению с ремонтными полукольцами, обладают уменьшенной износостойкостью и являются ослабленными местами. Поэтому с целью ослабления и исключения их влияния на износостойкость шеек в изобретении стыки располагают в зонах наименьшего износа, т. е. в зонах меньшего внешнего нагружения шеек.

Условная зона наименьшего износа изображена на фиг. 4 и охватывают участок поверхности MN, ограниченный центральным углом 2β.

Изучение эпюр износов 7, например, шатунных и коренных шеек валов показала, что не всегда представляется возможным одновременно расположить противоположные стыки ремонтных полуколец в точках наименьшего износа 6 (фиг. 4).

Поэтому согласно изобретению предусмотрено их размещение в зоне, прилегающей к точке 6 наименьшего износа на поверхности шеек, ограниченной дугами MN с центральным углом 2β, а угол b ограничивает зону наименьшего износа обеих сторон относительно точки 6, причем для диаметров шеек равных или свыше 70 мм центральный угол b выбран равным 50^o, а с учетом уменьшения поверхности шеек для расположения стыков с уменьшением диаметров шеек угол b для шеек диаметров меньше 70 мм выбирают равным 60^o. При восстановлении шеек валов большие неудобства создает сборка шеек с ремонтными полукольцами. Процесс сборки заметно упрощается, если используются упругие свойства ремонтных полуколец. Упругие свойства ремонтных полуколец рекомендуется использовать для их временной фиксации на шейках в процессе сборки.

Поэтому внутренние диаметры ремонтных полуколец d₃ (фиг. 2) выбиpают меньше диаметpов d₂ (фиг. 1) шеек, подготовленных для их установки. Внутренний диаметр d₃ поверхностей ремонтных полуколец, обработанных перед установкой на шейках, выбирают меньше диаметра d₂ шеек на 0,5 1,5 мм.

Измерение величины усадки сварочных швов и стыков ремонтных полуколец показало, что усадка одного шва и укорочение ремонтных полуколец составляет в среднем 0,2 мм, она постоянна и практически не зависит от диаметра шеек.

Величина усадки одного шва в стыке создает натяг, примерно равный 60 мкм.

Мы провели расчеты толщины ремонтных полуколец по известной методике для разных диаметров шеек при натяге 60 мкм, т. е. определили толщину ремонтных полуколец на уровне современной техники. Расчеты показали, что для диаметров валов 50 мм толщина ремонтных полуколец при натяге 60 мкм должна быть 3,5 мм, а при диаметре шейки 120 мм толщина полукольца должна быть 1,5 мм. С увеличением диаметров толщина ремонтных полуколец уменьшается при прочих равных условиях. Расчеты показали, что при малых диаметрах шеек валов, работающих в условиях циклических нагрузок, расчетная толщина ремонтных размеров совершенно неприемлема. Ее применение приводит к недопустимому ослаблению прочности валов.

Поэтому возникла задача регулировки натяга и разработки новых соотношений для выбора толщины ремонтных полуколец и диаметров шеек, с учетом толщины ремонтных полуколец.

Уменьшение натяга в изобретении получают путем охлаждения ремонтных полуколец на шейках перед сваркой второго стыка. Этим способом удается получить натяг, не вызывающий разрушение ремонтных полуколец при малых диаметрах.

Кроме прочности валов их надежность и ресурс дополнительно определяют триботехнические характеристики поверхностей трения. Наш опыт восстановления коленчатых валов и изучение износов ремонтных полуколец в зависимости от их толщины показал, что износостойкость поверхностей трения удовлетворительна и близка к новым, если для шеек диаметром 50 мм толщина ремонтных полуколец будет равна или близка к 2,0 мм, а для шеек диаметром 90 мм 2,5 мм, т. е. для обеспечения удовлетворительных триботехнических показателей при прочих равных условиях по мере увеличения диаметров шеек, необходимо увеличение и толщина ремонтных полуколец. Эта зависимость не может быть рассчитана по известным методикам.

Учитывая изложенное и некоторые нерассмотренные факторы, например необходимость припусков на обработку шеек на ремонтные размеры, были найдены математические соотношения, которые наиболее приемлемы для выбора рациональных толщин ремонтных полуколец в зависимости от номинальных диаметров шеек коленчатых валов.

Толщину ремонтных полуколец для диаметров шеек до 60 мм предлагаем выбрать по соотношению, которое явно не следует из известного уровня техники:
,
для диаметров шеек свыше 60 мм:

Эти соотношения допускают вариацию толщины ремонтных полуколец после окончательной обработки шеек с учетом конкретных диаметров и условий работы шеек в следующих пределах
d₁ 50 мм δ 1,4 2,5 мм
d₁ 60 мм d 1,6 2,7 мм
d₁ 70 мм d 1,6 3,3 мм
d₁ 80 мм d 1,7 3,5 мм
d₁ 90 мм d 1,8 3,7 мм
d₁ 100 мм d 1,8 4,0 мм
d₁ 120 мм d 1,9 4,3 мм
Диаметры шеек, подготовленных для установки ремонтных полуколец, выбирают с учетом изложенного по следующему соотношению:
d₂=d₁-2δ
Известно, что величина концентрации напряжений обусловлена формой галтельных переходов ступенчатых валов.

Уменьшение напряжения в галтельном переходе путем изменения его формы в процессе восстановления шеек может быть полезным и применимым для тяжелонагруженных коленчатых валов, если длина переходного участка достаточна.

Расчеты показывают, что установка ремонтных полуколец на шейках позволяет увеличить длину галтельного перехода и изменить его форму, так как ремонтные полукольца могут быть меньше длины шейки. Они могут иметь ширину, равную зоне трения, и перекрывать часть галтельного перехода.

Несмотря на то, что известно много способов увеличения циклической прочности галтельных переходов, способ изменения формы галтельного перехода путем изготовления на переходе дополнительной галтели (фиг. 3) имеет преимущество. Способ прост и может быть осуществлен одновременно в процессе обработки шейки под ремонтные полукольца. Ступенчатые галтельные переходы приводят к уменьшению концентрации напряжений и переходы обладают повышенной выносливостью к переменным нагрузкам. Следует полагать, что изготовление дополнительной галтели тождественно увеличению радиуса галтели или благоприятному изменению ее формы. За такую новую галтель может быть принята огибающая исходной R₁ и дополнительная R₂ галтели, имеющая радиус R₃ (фиг. 3).

Чтобы для обработки шеек под ремонтные полукольца можно было использовать оборудование, на котором обрабатывают шейки на ремонтные размеры без дополнительной подготовки и переналадки, радиус дополнительной галтели нами было предложено выбрать равным или близким к радиусу исходной галтели R₁ ≈ R₂.

Технический анализ влияния величины расстояния Х от торцевой поверхности до начала дополнительной галтели R₂ (фиг. 3 а и б) показывает, что циклическая прочность галтельного перехода коленчатых валов должны иметь следующий характер, в случаях когда коленвалы разрушаются по щекам.

Увеличение расстояния от нулевого значения приводит к приращению выносливости галтельного перехода (см. графическую зависимость на фиг. 3 б).

Начиная от торцевой поверхности, с ростом величины Х происходит увеличение выносливости галтельного перехода. Этот процесс характеризуется тем, что разрушение шеек при испытаниях начинается с поверхности дополнительной галтели (см. участок I кривой фиг. 3 б).

При увеличении расстояния Х до величины Х_опт приращения циклической прочности галтельного перехода достигает наибольшего значения. При Х_опт разрушение галтельного перехода становится неустойчивым. Развитие трещины при испытаниях может начаться как на дополнительной галтели, так и на исходной. Дальнейшее увеличение расстояния приводит к уменьшению циклической прочности галтельного перехода и устойчивому началу разрушения щек с поверхностей исходных галтелей. По мере дальнейшего увеличения расстояния Х приращение выносливости уменьшается и в пределе становится незначимым.

В зоне II кривой по мере увеличения расстояния уменьшается циклическая прочность галтельного перехода и она характерна тем, что начало трещин при разрушениях образуется на исходной галтели.

Для получения наибольшего положительного эффекта от применения дополнительных галтелей в нашем изобретении величину Х выбирают равной или близкой к Х_опт.

Расчеты и опыты показали, что Х_опт варьирует в пределах 0,5 0,75 R₁.

Охлаждение ремонтных полуколец перед сваркой второго стыка на шейках уменьшает напряжение растяжения в ремонтных полукольцах. Это можно объяснить следующим образом.

При охлаждении ремонтных полуколец с одним стыком приваренным к шейкам происходит уменьшение их длины и увеличение зазора во втором стыке.

Рекомендуется охлаждать ремонтные полукольца до температуры тела шеек, если необходимо получить минимальный натяг, то охлаждают до температуры меньше температуры шеек. После этого сваривают вторые стыки. В дальнейшем в процессе выравнивания температуры ремонтные полукольца будут нагреваться за счет тепла, накопленного в шейках, а шейки будут охлаждаться. Это приведет к увеличению длины ремонтных полуколец и уменьшению размеров шеек. Поэтому натяг ремонтных полуколец будет уменьшаться и трещин не будет.

Охлаждают ремонтные полукольца при помощи охлажденных зажимных элементов поджимного приспособления.

Стыки ремонтных полуколец на шейках сваривают с применением отжигающих сварочных валиков. На фиг. 4 в сечении показан основной валик 8. В результате нанесения этого валика расплавляют стыки ремонтных полуколец и поверхности шеек за один приход. Зазор в стыках заполняют расправленным металлом не полностью.

Если зазоры в стыках выбраны в интервале 3,5 h 4,5 h, рекомендуется производить сварку каждого торца ремонтного полукольца в стыке с шейкой отдельно. Зазор в стыках в этом случае заполняют не полностью. Затем после выдержки 20 40 с наносят отжигающие валики 10, 9 и 11. Между нанесением отжигающих валиков проводят выдержку. Количество отжигающих валиков подбирают опытным путем. После сварки стыков с применением отжигающих валиков получают пластичный шов и зону сварки. Это особенно важно и необходимо при восстановлении шеек чугунных валов.

Изобретение по фиг. 1, 2, 3 и 4 включает следующую совокупность операций.

Обрабатывают шейки валов под ремонтные полукольца. Устанавливают ремонтные полукольца на шейки. Для установки на шейке применяют удовлетворяющие следующими требованиями полукольца. Отверстия в ремонтных полукольцах должны быть изготовлены с учетом размещения стыков на участках шейки с наименьшим износом, внутренние диаметры ремонтных полуколец должны быть меньше на 0,5 1,5 мм диаметров шеек, подготовленных для установки ремонтных полуколец, длина ремонтных полуколец должна обеспечить зазоры в стыках в пределах 1,6 h 4,5 h, ремонтные полукольца должны быть снабжены в торцевых плоскостях разгружающими фасками, уменьшающими концентрацию напряжений от натяга.

Ориентируют расположение ремонтных полуколец на шейках. Выравнивают зазоры в стыках. Поджимают ремонтные полукольца к шейками вручную и производят их прихватку в одном стыке к шейке.

Устанавливают на шейки поджимное приспособление и заваривают стык с прихватами с применением отжигающих валиков. Снимают поджимное приспособление и производят выдержку, необходимую и достаточную для выравнивая температуры шейки. Охлаждают зажимные элементы поджимного приспособления. Устанавливают поджимное приспособление на шейку и поджимают ремонтные полукольца к шейке вторично, сваривают второй стык с применением отжигающих валиков. Снимают поджимное приспособление с шейки, охлаждают зажимные элементы приспособления и переходят к сварке второго стыка ремонтных полуколец на следующей шейке.

После сварки всех стыков на всех шейках коленчатый вал помещают в нагретый песок или термос для охлаждения. После охлаждения отправляют вал на механическую обработку шеек. Дефекты в сварочных швах, обнаруженные в процессе обработки шеек, устраняют в процессе обработки их непосредственно на станках при помощи электросварки. Заварку дефектов производят при условии наличия на шейках припуска на последующую их обработку.

Предложенное дополнение способа и совмещение операций мехобработки и устранения дефектов исключает необходимость замены ремонтных полуколец из-за наличия дефектов в швах или околошовной зоне и упрощает процесс.

Пример. Требуется восстановить шейки чугунных коленчатых валов автомобильных двигателей ЗМЗ-53.

Номинальные диаметры шатунных и коренных шеек коленчатых валов d_1ш 60 мм, коренных шеек d₁ 70 мм. Применяют ремонтные закаленные полукольца из стали 45 до твердости HRC 42-48. Толщина ремонтных полуколец на восстановленных шейках выбирают согласно приведенным соотношениям δ=2 мм. Длина шатунной шейки А_ш 52 мм. Длина коренной шейки А_к 31 мм. Зазоры между торцами ремонтных полуколец и дополнительными галтелями выбирают по соотношению S 0,5 1,2 мм. Принимаем S 0,5 мм.

Толщина заготовок ремонтных полуколец после обработки их внутренней поверхности выбирают из соотношения:
h=δ+Z=2+0,5 мм,
где h толщина заготовки, подготовленная для установки на шейки;
z односторонний припуск на обработку наружной поверхности ремонтного полукольца.

Зазоры в стыках выбирают по соотношению:
a (1,6 b 4,5) h
принимаем а 3,5 h 3,5·2,5 8,75 мм.

Угол фаски, уменьшающей концентрацию напряжений в зоне торцов на внутренней поверхности ремонтных полуколец, выбирают равным α=15°. На основании опытов расстояние от торцевой поверхности до начала дополнительной галтели выбирают по следующему соотношению Х 0,5 0,75 R₁.

Принимаем Х_опт 0,6·2,5 1,5 мм.

Длину участка шатунной В_ш, коренной В_к шеек, подлежащих обработке под ремонтные полукольца определяют по следующим соотношениям:
В_ш A_ш 2x 52 2·1,5 49 мм
В_к A_к 2x 30 2·1,5 27 мм.

Радиус дополнительной галтели выбирают по соотношению R₁≈ R₂. Принимаем R₂ 2,5 мм. Угол фаски на внутренней поверхности ремонтных полуколец в зоне торцов для уменьшения концентрации напряжений выбирают α=15°. Температура окружающей среды (в помещении), где производится сварка, должна быть не меньше 15^oС. Выдержку шеек по времени после сварки первого стыка до сварки второго задают равным 6 мин и уточняют в процессе восстановления. Определяют диаметры шатунных и коренных шеек перед установкой ремонтных полуколец по соотношениям:

После указанных расчетов приступают к восстановлению шеек.

Шлифуют шатунные и коренные шейки до диаметров соответственно 56 и 66 мм. Устанавливают коленчатый вал в подставку-кантователь, предназначенный для сборки шеек с ремонтными полукольцами и сварки стыков.

Устанавливают ремонтные полукольца на шейки, совмещают отверстия в ремонтных полукольцах с отверстиями 5 (фиг. 4) в шейках и выравнивают зазоры в стыках, а также боковые зазоры. Поджимают ремонтные полукольца к шейкам руками и производят прихватку ремонтных полуколец к шейкам электросваркой в одном стыке и переходят к установке ремонтных полуколец и их временной фиксации прихваткой на других шейках. Поочередно на шейках поджимают ремонтные полукольца при помощи приспособления с заданным усилием и производят сварку ремонтных полуколец в стыке, имеющем прихватку, окончательно.

Стыки сваривают между собой и приваривают их к шейкам с применением отжигающих валиков.

Переходят к сварке вторых стыков. Между сваркой первого и второго стыков дают выдержку по времени, необходимому для распространения тепла от первого стыка до второго и выравнивания температуры шеек, примерно 6 мин.

После выдержки охлаждают прижимные элементы поджимного приспособления.

Устанавливают приспособление на шейку вторично. Поджимают ремонтные полукольца к шейкам при помощи поджимных элементов, производят выдержку для охлаждения ремонтных полуколец до заданной температуры. После выдержки в течение 0,5 1 мин производят сварку второго стыка с применением отжигающих сварочных валиков снимают прижимное приспособление и переходят к сварке вторых стыков ремонтных полуколец на других шейках. После сварки всех стыков вал охлаждают в нагретом песке или термосе.

Стыки сваривают полуавтоматической электродуговой сваркой в среде углекислого газа.

Применяют сварочную проволоку С_в08Г2С, диаметр 1,2 мм. Сварку ведут при сварочном токе 120 140 А. Напряжение в процессе сварки 21 23 В.

После охлаждения коленчатый вал направляют на шлифовку шеек под заданные размеры.

При шлифовании шеек производят контроль качества сварки стыков.

Контроль производят после получистового шлифования, когда на шейках имеется припуск на обработку.

Обнаруженные в швах поры, пустоты и трещины заваривают, а затем производят чистовую обработку. Рекомендуем производить заварку пор на шлифовальном станке.

Предложенный способ восстановления шеек валов обладает следующими технико-экономическими преимуществами:
1. В целом способ обеспечивает повышение надежности и качества шеек восстановленных валов. Причем достигается этот эффект упрощенными технологическими приемами.

2. Кроме того, изобретение дает возможность получить дополнительные частные положительные эффекты, заключающиеся в следующем:
исключено влияние ослабленных мест, имеющих меньшую твердость в стыках, ремонтных полуколец на износостойкость шеек;
упрощен процесс сборки шеек с ремонтными полукольцами за счет использования упругости ремонтных полуколец;
исключен выбор необоснованных диаметров шеек валов и их ослабления;
исключен необоснованный выбор толщин ремонтных полуколец после обработки шеек на заданный размер, а также конструктивных элементов предельного профиля шеек перед установкой ремонтных полуколец;
с наибольшим эффектом применен известный способ повышения циклической прочности галтельных переходов, заключающийся в изменении их формы путем изготовления дополнительных галтелей;
уменьшена концентрация напряжения в торцевых плоскостях ремонтных полуколец от натяга;
предусмотрен и упрощен способ устранения сварочных дефектов в стыках ремонтных полуколец в процессе восстановления;
способ предусматривает регулирование натяга ремонтных полуколец на шейках и уменьшает вероятность образования трещин.

Формула изобретения

1. Способ восстановления изношенных шеек валов, при котором изношенные шейки валов обрабатывают механически под ремонтные детали, на шейке устанавливают составные ремонтные детали, выполненные в виде полуколец, производят их ориентацию, поджатие, сварку стыков с приваркой к шейкам и последующую обработку на заданные размеры, отличающийся тем, что в стыках ремонтных деталей создают зазоры в пределах 1,6 4,5 толщины заготовок ремонтных деталей, подготовленных для закрепления на шейках, стыки ремонтных деталей размещают в зоне наименьшего износа, которую по обе стороны от точки наименьшего износа ограничивают центральным углом 2β ≅ 120°, величину разности диаметров внутренних поверхностей ремонтных деталей и диаметров шеек выбирают равной величине, допускающей ручное поджатие ремонтных полуколец к шейкам, шейки валов под ремонтные полукольца обрабатывают до диаметра
d₂=d₁-2δ,
где d₂ диаметр шейки, обработанной под ремонтные полукольца, мм;
d₁ номинальный диаметр шейки по рабочим чертежам, мм;
δ толщина ремонтного полукольца (детали) после окончательной обработки шейки, мм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что зону наименьшего износа для диаметров шеек, равных или больше 70 мм, ограничивают центральным углом b= 50^o.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что зону наименьшего износа для диаметров шеек менее 70 мм ограничивают центральным углом b=60^o.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для номинальных диаметров шеек до 60 мм толщину d ремонтного полукольца выбирают по соотношению

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для номинальных диаметров шеек свыше 60 мм толщину δ ремонтного полукольца выбирают по соотношению

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что изношенные шейки валов обрабатывают механически с образованием дополнительных галтелей, при этом расстояние X от торцевой поверхности шейки до начала дополнительной галтели выбирают с учетом наибольшего приращения выносливости галтельного перехода и задают это расстояние равным или близким к величине, обеспечивающей наибольшее повышение циклической прочности галтельного перехода.

7. Способ пп.1 и 6, отличающийся тем, что параметры продольного профиля шейки обрабатывают с учетом размеров ремонтных полуколец по следующему соотношению:
В А-2Х;
С А-2S;
R₁ ≈ R₂,
где В длина участка шейки, подлежащая обработке, мм;
А исходная длина шейки по рабочим чертежам, мм;
Х расстояние от торцевой поверхности до дополнительной галтели на шейке, мм;
С ширина ремонтного полукольца, мм;
S зазор в стыке между торцом ремонтного полукольца и дополнительной галтелью, мм;
R₁ радиус исходной галтели, мм;
R₂ радиус дополнительной галтели, мм.

8. Способ пп.1 и 7, отличающийся тем, что на шейке устанавливают ремонтные полукольца, на внутренних поверхностях которых выполнены торцевые фаски, уменьшающие концентрацию контактных напряжений от натяга.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе механической обработки при наличии на шейках припусков для последующей обработки производят устранение дефектов в зоне швов путем электросварки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4