способ восстановления вала

Формула изобретения

Способ восстановления вала, включающий механическую обработку шеек вала с технологическим заглублением в тело вала на всей ширине восстанавливаемой поверхности, установку с предварительным натягом на обработанных шейках компенсирующих износ металла тонкостенных накладок в виде разрезного кольца или полуколец, закрепление накладок на обработанных шейках путем сварки их стыков и проваривания их с шейкой вала с получением стыкового сварного шва, установку на поверхности накладок по обе стороны от стыкового сварного шва электрозаклепок и последующее шлифование шеек в номинальный или ремонтный размер, при этом используют тонкостенные накладки, ширину b, длину L и толщину _л которых определяют из следующего математического выражения

b=L_ш-2r-(1-2) мм,

L= d_b+(2-4) мм,

_л= _л.ост+ _л.р.р.+ _{л.изн.р.р.}+ _л.шл,

где L _ш - ширина шейки вала;

r - радиус галтели;

d_b - расчетный диаметр механически обработанной восстанавливаемой шейки;

_л - толщина разрезного кольца для восстановления шейки в номинальный размер;

_л.р.р. - величина, компенсирующая все ремонтные размеры шейки;

_{л.изн.р.р.} - величина, компенсирующая предельный износ шейки вала при последнем ремонтном размере;

_л.ост - остаточная величина толщины разрезного кольца, необходимая для обеспечения механической прочности разрезного кольца на завершающем этапе эксплуатации вала;

_л.шл - припуск толщины разрезного кольца на шлифование в окончательный размер, отличающийся тем, что ближайшие от стыкового сварного шва и размещенные по обе стороны от него электрозаклепки располагают на расстоянии от шва не менее 15 мм, а после установки электрозаклепок осуществляют приваривание тонкостенных накладок к шейкам вала кольцевыми сварными швами сверху края накладок по кромке их рабочих поверхностей с обеспечением натяга между шейками и накладками, величина которого составляет 0,05-0,1 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам восстановления изношенных поверхностей деталей типа валов.

Известен способ восстановления изношенных поверхностей деталей типа валов, заключающийся в том, что на изношенную поверхность детали наносят клей, затем устанавливают разрезное кольцо и поджимают его к детали в процессе отвердевания клея (пат. США №3419949, кл. 29-401, опуб. 1969 г.).

Недостатком данного способа является низкое качество восстановленных деталей, т.к. в процессе их дальнейшей обработки и эксплуатации возможно отслаивание поверхности разрезного кольца из-за разрушения клеевого слоя.

Известен способ восстановления изношенных поверхностей деталей типа валов, при котором на изношенную поверхность детали наносят клей, устанавливают на него разрезное упругое кольцо, поджимают его к детали и механически обрабатывают после затвердевания клея, при этом в зоне стыка поджима кольца к детали его стыки сваривают между собой (а.с. 3742095, В23Р 7/00).

Недостатком данного способа является нарушение точности формы восстановленной шейки из-за отсутствия жесткой связи ленты с телом вала и разрушения клеевого слоя.

Наиболее близким аналогом к заявленному способу является способ восстановления коленчатого вала, включающий механическую обработку шеек с технологическим заглублением в тело восстанавливаемой поверхности на всей ширине между щеками шейки с образованием галтелей, закрепление с натягом на обработанных шейках компенсирующих износ металла накладок в виде разрезного кольца или полуколец и последующее их шлифование в номинальный размер, при этом после механической обработки коленчатый вал подвергают высокому отпуску, для чего помещают в холодную печь, нагревают в течение 3-4 ч до t=500-600°С, выдерживают при этой температуре в течение 4-6 часов, а затем охлаждают вместе с печью. При этом на разрезных кольцах выполняют сквозные отверстия диаметром 5-7 мм и закрепляют кольца на обработанных шейках путем сварки их стыков, проваривая их с шейкой вала, сварной шов располагают в зоне, ограниченной 25-50° поворота коленчатого вала от верхней мертвой точки восстанавливаемой шатунной шейки, охлаждают сварной шов до температуры окружающей среды с обеспечением натяга разрезного кольца 0.1...0.15 мм, а затем первым проваривают отверстие разрезного кольца с шейкой вала, которое расположено напротив сварного шва, а остальные отверстия проваривают, симметрично приближаясь к сварному шву, причем используют разрезные кольца шириной b, длиной L и толщиной :

b=L_ш-2r-(1-2) мм,

L= d_b+(2-4) мм,

_л= _л.ост+ _л.р.р+ _{л.изн.р.р}+ _л.шл,

где L _ш - ширина шейки вала между щеками;

r - радиус галтели;

d_b - расчетный диаметр предварительно обработанной восстанавливаемой шейки:

_л - толщина разрезного кольца для восстановления шейки в номинальный размер;

_л.р.р - величина, компенсирующая все ремонтные размеры;

_{л.изн.р.р} - величина, компенсирующая предельный износ шейки вала после последнего ремонтного размера вала;

_л.ост - остаточная величина толщины разрезного кольца, необходимая для обеспечения механической прочности разрезного кольца после последнего ремонтного размера;

_л.шл - припуск толщины разрезного кольца на шлифование в окончательный размер, а полукольца закрепляют на обработанных шейках путем сварки стыков, проваривая их с шейкой вала, и располагают первый сварной шов расположенным в зоне, ограниченной 25-50° поворота коленчатого вала от верхней мертвой точки восстанавливаемой шатунной шейки, а второй шов - относительно первого с поворотом на 180° (пат. РФ №2235009, В23Р 6/00, F16С 3/6).

Недостатком данного способа является следующее.

В начальный период работы сопряжения накладка-шейка вала (при диаметре вала более 80 мм) из-за трения в сопряжении, нагрева смазочного масла, при быстром нагреве накладки происходит медленный нагрев вала из-за его большой массы и низкой теплопередачи от накладки к телу вала, что приводит к удлинению накладки и снижению натяга в сопряжении с возможностью появления зазора. При возникновении знакопеременных нагрузок происходит разрыв накладки восстановленной шейки.

Задача изобретения - повышение качества восстановленных валов больших диаметров за счет выравнивания температуры нагревания накладки и шейки вала при неустановившихся тепловых режимах работы двигателя в его начальный период работы.

Поставленная задача решается за счет того, что способ восстановления вала, включающий механическую обработку шеек вала с технологическим заглублением в тело вала на всей ширине восстанавливаемой поверхности, установку с предварительным натягом на обработанных шейках компенсирующих износ металла тонкостенных накладок в виде разрезного кольца или полуколец, закрепление накладок на обработанных шейках путем сварки их стыков и проваривания их с шейкой вала с получением стыкового сварного шва, установку на поверхности накладок по обе стороны от стыкового сварного шва электрозаклепок и последующее шлифование шеек в номинальный или ремонтный размер, при этом используют тонкостенные накладки шириной b, длиной L и толщиной _л, которые определяют из следующего математического выражения:

b=L_ш-2r-(1-2) мм,

L= d_b+(2-4) мм,

_л= _л.ост+ _л.р.р+ _{л.изн.р.р}+ _л.шл,

где L _ш - ширина шейки вала;

r - радиус галтели;

d_b - расчетный диаметр механически обработанной восстанавливаемой шейки;

_л - толщина разрезного кольца для восстановления шейки в номинальный размер;

_л.р.р - величина, компенсирующая все ремонтные размеры шейки;

_{л.изн.р.р} - величина, компенсирующая предельный износ шейки вала при последнем ремонтном размере вала;

_л.ост - остаточная величина толщины разрезного кольца, необходимая для обеспечения механической прочности разрезного кольца на завершающем этапе эксплуатации вала.

_л.шл - припуск на шлифование в окончательный размер, при этом ближайшие от стыкового сварного шва и размещенные по обе стороны от него электрозаклепки располагают на расстоянии от шва не менее 15 мм, а после установки электрозаклепок осуществляют приваривание тонкостенных накладок к шейкам вала кольцевыми сварными швами сверху края накладок по кромке их рабочих поверхностей с обеспечением натяга между шейками и накладками, величина которого составляет 0.05-0.1 мм.

Новые существенные признаки:

1. Ближайшие от стыкового сварного шва и размещенные по обе стороны от него электрозаклепки располагают на расстоянии от шва не менее 15 мм.

2. После установки электрозаклепок осуществляют приваривание тонкостенной накладки к шейке вала кольцевыми сварными швами сверху края накладки по кромке ее рабочей поверхности с обеспечением натяга между шейкой и накладкой.

3. Величина натяга составляет 0.05-0.1 мм.

Перечисленные новые существенные признаки необходимы и достаточны для достижения технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Технический результат, заключающийся в создании условий выравнивания нагрева сопряжения накладка-шейка вала в начальный период работы сопряжения до выхода на нормальный тепловой режим (80-100°С) и в неустановившихся тепловых режимах работы двигателя достигается за счет стыкового осевого, кольцевых сварных швов и электрозаклепок, которые создают также жесткое соединение накладки с шейкой вала с натягом. При этом достигается максимальная теплопередача в сопряжении накладка-шейка вала с обеспечением равномерности нагрева - охлаждения накладки-шейки вала.

Создание натяга накладок 0.05÷0.1 мм обеспечивает надежную посадку с гарантированным натягом в сопряжении накладка-шейка вала. Это позволяет на операции шлифования обеспечивать жесткий (0.01÷0.02 мм) допуск на заданные размеры шейки вала. Создание натяга в сопряжении увеличивает теплопередачу в зоне контакта накладка-шейка вала и предотвращает проворачивание и смещение накладки относительно шейки вала при минимальном нагреве вала от сварных швов. На неустановившихся тепловых режимах и в начальный период работы двигателя сохраняется постоянный натяг в сопряжении накладка-шейка вала.

Кольцевые сварные швы, приваривая сверху края по кромке рабочей поверхности накладок, обеспечивают минимальное проплавление шейки вала и минимально необходимую теплопередачу от накладки в тело шейки вала по образующей поверхности накладок, что приводит к выравниванию нагрева накладок и шеек вала в начальный период работы сопряжения и на неустановившихся режимах. Кольцевые и осевые сварные швы по контуру накладки повышают механическую прочность соединения накладки с поверхностью вала в процессе работы восстановленного вала.

На фиг.1 схематично изображена шейка вала с накладкой.

Фиг.2 - развертка накладки.

Шейка вала содержит цилиндрическую часть 1 и охватывающую накладку 2, в которой могут быть выполнены отверстия 3 диаметром 5÷7 мм для электрозаклепок, отверстие 4 для подвода смазочного масла, галтели 5, кольцевые сварные швы 6, приваренные сверху края по кромке рабочей поверхности 7, накладки 2. Сварной шов 8 соединяет стыки накладки 2.

Накладка 2 может быть выполнена в виде разрезного кольца или полукольца, как с отверстиями 3 под электрозаклепки, так и без них, если используется электороконтактная сварка. В этом случае центр отверстия 3 является также центром электроконтактной сварки.

При ширине разрезного кольца до 50 мм устанавливают электрозаклепки в один ряд по линии симметрии. При ширине более 50 мм - в два ряда или в шахматном порядке, т.е. со смещением одного ряда относительного другого. При этом расстояние от центра отверстий 3 до края разрезного кольца 2 составляет a=15-20 мм, а расстояние от стыка разрезного кольца 2 до центра ближайшего отверстия 3 не менее 15 мм. Ширина разрезного кольца рассчитывается по формуле:

b=L_ш -2r-(1-2) мм,

где L_ш - ширина шейки вала;

r - радиус галтели;

(1-2) мм - технологический зазор между разрезным кольцом и галтелью.

Длина ленты L

L= d_b,

d_b - расчетный диаметр предварительно обработанной восстанавливаемой шейки вала.

Толщина разрезного кольца _л для восстановления шейки в номинальный размер включает в себя величину, компенсирующую все ремонтные размеры _л.р.р (0.5 мм), величину, компенсирующую предельный износ шейки вала после последнего ремонтного размера _{л.изн.р.р} (0.1-0.15) мм, остаточную величину толщины разрезного кольца, необходимую для обеспечения механической прочности самого разрезного кольца на завершающем этапе эксплуатации вала _л.ост (0.5-1.0) мм и припуск на шлифование в окончательный размер (0.25-0.50) мм.

Для типового расчета толщины разрезного кольца, обеспечивающего восстановление шейки вала в номинальный размер,

_л=0.5+0.5+0.1=1.6 мм

Для определения толщины разрезного кольца, обеспечивающего восстановление шейки вала в ремонтный размер, ее толщина уменьшается на соответствующий ремонтный размер:

_л.р= _л.р.р- _ш/2,

где _ш - уменьшение диаметра шейки вала для соответствующего ремонтного размера.

Остаточная толщина разрезного кольца _л.ост включает в себя и дефектный слой поверхности шейки с трещинами, прижогами и т.п.

Если дефектный слой превышает установленную толщину _л.ост, то дефекты устраняют сваркой либо вал выбраковывают.

Перед восстановлением валов проводят подготовительные операции: разборку и мойку, определение технического состояния вала после эксплуатации: наличие трещин, контроль твердости шеек, правку.

Правку вала осуществляют путем внесения сжимающих напряжений в галтели 5 шеек со стороны вогнутой центральной оси. Затем проводят шлифование и полирование шеек и галтелей 5 в расчетный размер (обычно меньше 0.5-1.5 мм последнего ремонтного размера, снимая тем самым слой металла с расположенными в нем трещинами).

Изготавливают из стальной ленты толщиной _л<2 мм разрезные кольца 2 или при больших толщинах ленты (более 2 мм) полукольца. Для чего нарезают полосы в расчетные размеры.

Ширина разрезного кольца

b=L_ш-2r-(1-2) мм,

где L_ш - ширина шейки вала;

r - радиус галтели;

(1-2) мм - технологический зазор между разрезным кольцом и галтелью.

Длина ленты для разрезного кольца

L= d_b,

где d_b - расчетный диаметр предварительно обработанной восстанавливаемой шейки вала.

Длина ленты для двух полуколец

L= d_b.

Сгибают полосу в разрезное кольцо 2.

Затем на свернутых кольцах 2 сверлят отверстия 4 под смазочный канал и электрозаклепки 3, диаметр последних 5-7 мм. При ширине b разрезного кольца 2 до 50 мм устанавливают электрозаклепки в один ряд по линии симметрии шейки. При ширине ленты более 50 мм - в два ряда симметрично или в шахматном порядке, т.е. со смещением одного ряда относительно другого. При этом расстояние от центра отверстий 3 до краев разрезного кольца должно составлять 15-20 мм, а расстояние от стыка разрезного кольца до центра ближайшего отверстия должно быть не менее 15 мм. Затем, используя упругие свойства разрезного кольца 2, его разжимают и надевают на шейку вала с предварительным натягом за счет того, что внутренний диаметр наружного кольца 2 меньше наружного диаметра восстанавливаемой шейки, при этом получают зазор в стыке 4-5 мм. Если используют полукольца, то в обоих стыках зазор составит 4-5 мм каждый.

Совмещают смазочные отверстия 4 в шейке вала и разрезного кольца 2 и производят предварительную фиксацию. После чего сваривают стыки разрезного кольца 2, например, плазменной сваркой, проваривая их с шейкой вала осевым, стыковым сварным швом 8.

Заваривают отверстия 3 в разрезном кольце 2, приваривая его к шейке вала, создавая, таким образом, электрозаклепки, дополнительно фиксирующие разрезное кольцо 2 на шейке вала. При этом первую электрозаклепку ставят, например, в отверстие 3, в обе стороны от осевого сварного шва 8 на расстоянии не менее 15 мм. Последующие электрозаклепки устанавливаются с шагом 20-30 мм. После чего приваривают кольцевыми сварными швами 6 сверху края рабочей поверхности 7 тонкостенных накладок 2 к телу шейки вала 1. Затем проводят зачистку сварных швов и шлифованием и полированием шеек в заданный размер. После чего методом дефектоскопии убеждаются в отсутствии сварочных трещин.