Analiza stanów zuycia i metoda naprawy wzła kinematycznego czop-panewka wału korbowego silnika S 400

Transkrypt

1 Wanke Piotr, Szymura Dariusz Zakład Eksploatacji Systemów Technicznych Akademia Rolnicza w Szczecinie Analiza stanów zuycia i metoda naprawy wzła kinematycznego czop-panewka wału korbowego silnika S 400 Streszczenie W artykule przedstawiono propozycj metody naprawy wzła kinematycznego czop-panewka wału korbowego silnika S 400, polegajc na zastpieniu szlifowania na wymiary znormalizowane szlifowaniem na wymiary swobodne. Przyczyn utraty zdatnoci w łoyskowaniach lizgowych maszyn rolniczych s najczciej nieznaczne wartoci zuycia w obszarach warstwy wierzchniej i/lub le dobrane luzy w skojarzeniu pod-czas naprawy (w porównaniu do wymiarów nominalnych czci). W omówionych badaniach podjto prób optymalizacji stanów pocztkowych skojarze czop-panewka po naprawie w celu zwikszenia potencjalnego zasobu trwałoci konstrukcyjnej. Słowa kluczowe: stany pocztkowe, docieranie, tarcie, zuycie, smarowanie, trwało, niezawodno, eksploatacja, naprawa. Wprowadzenie Zwikszajce si wymagania eksploatacyjne stawiane maszynom rolniczym stwarzaj konieczno zmiany podejcia do zagadnie naprawy i modyfikacji tradycyjnych technologii na rzecz optymalizacji trwałoci i maksymalizacji niezawodnoci. Dotyczy to przede wszystkim stanów pocztkowych skojarze lizgowych po naprawie i sprzenia zwrotnego z wytwarzaniem w celu zwikszenia potencjalnego zasobu trwałoci konstrukcyjnej. Prawidłowo wykonana naprawa, zakoczona docieraniem adaptacyjnym, pozwala na przygotowanie lizgowego wzła tarcia do pracy w trudnych warunkach rzeczywistej eksploatacji. Dynamicznie rozwijajce si nowoczesne technologie wytwarzania, obsługiwania i recyrkulacji wymuszaj wykorzystanie rezerw potencjału technicznego zawartego w wyrobach. Techniki te i technologie umoliwiaj wykrycie i wyeliminowanie wzłów krytycznych - nazywanych słabymi ogniwami". Eliminacji słabych ogniw dokonuje 321

2 si drog nadawania powszechnie stosowanym materiałom konstrukcyjnym (w szczególnoci ich warstwom wierzchnim), właciwoci uytkowych odpowiadajcych wymuszeniom, na które s naraone w trakcie eksploatacji [Dreszczyk i in. 1996]. Sformułowanie problematyki badawczej Krytycznymi wzłami tarcia w maszynach i pojazdach rolniczych s najczciej układy korbowo-tłokowe i układy rozrzdu silników spalinowych, wały napdowe i osie, mechanizmy wodzikowe, łoyskowania lizgowe i toczne oraz przekładnie w układach przeniesienia mocy. Przy okrelonej postaci konstrukcyjnej i historii technologicznej zespołów i czci (nie zawsze przystosowanych do specyficznych wymaga rolnictwa), ujawniaj si one w procesie eksploatacji w kolejnoci zdeterminowanej rzeczywistymi wymuszeniami, powodujc konieczno przeprowadzenia czynnoci obsługowo-naprawczych. Nadanie warstwom wierzchnim elementów wzłów krytycznych indywidualnych właciwoci wymaga znajomoci natury procesów niszczcych, warunków pracy i ich zmiennoci, wpływu materiału i postaci konstrukcyjnej czci, metod technologicznych wytwarzania oraz podstawowych wymaga eksploatacyjnych, dotyczcych instalowania, obsługiwania operacyjnego, przechowywania itp. [liwiski 1990]. Rónorodne warunki pracy zwizane z oddziaływaniami cieplnymi, mechanicznymi i korozyjnymi w obszarach wzłów tarcia powoduj zrónicowane intensywnoci zuycia współpracujcych powierzchni. Efekt ten w maszynach rolniczych jest potgowany procesami zachodzcymi w miejscu styku w czasie długotrwałych postojów, przerw w pracy lub przestojów midzykampanijnych. W zwizku z tym około 10% zespołów maszyn rolniczych (w tym szczególnie łoyska lizgowe) uznaje si za krytyczne wzły tarcia. Osigaj one stan graniczny przy ubytku liniowym materiału i błdach makrogeometrii rzdu ( )m, co stanowi około (0,1 0,5)% całkowitej masy współpracujcych elementów. Przyczyn utraty zdatnoci s nieznaczne wartoci zuycia w obszarach warstwy wierzchniej i/lub le dobrane luzy w skojarzeniu podczas naprawy (w porównaniu do wymiarów nominalnych czci), co uniemoliwia skuteczne smarowanie powierzchni roboczych [Szczerek i in. 2000]. 322

3 Zdo p postój uruchom ie nie Kada zmiana parametrów ruchu oraz właciwoci orodka moe spowodowa zmian intensywnoci zuycia tribologicznego. Zmienno stanu eksploatacyjnej warstwy wierzchniej (EWW) w czasie jest funkcj jej stanu na kocu kadego odcinka czasowego eksploatacji, który jest jednoczenie stanem pocztkowym nastpnego przedziału czasu eksploatacji (rys. 1, krzywa 3), i róni si istotnie od zuycie 1 zatrzym anie 3 2 Zd1 Zd2 czas teoretycznego modelu przebiegu zuycia (rys. 1, krzywa 1) [Wanke 2000]. Rys. 1. Wpływ zuycia w czasie docierania skojarze na optymalizacj trwałoci: 1, 2, 3 krzywe przebiegu zuycia skojarze, Z d1, Z d2 - wielko zuycia do chwili dotarcia, Z dop - zuycie dopuszczalne, T rz,t 1, T 2 - czasy pracy do osignicia zuycia dopuszczalnego Fig. 1. The influence of wear in matchings running-in time on durability optimisation: 1, 2, 3 matchings wear course curves, Z d1, Z d2 wear size at running-in moment, Z dop - admissible wear, T rz,t 1, T 2 working time before reaching admissible wear W prowadzonych badaniach przyjto załoenie, e uzyskanie szybkiej stabilizacji procesu w krytycznych okresach docierania adaptacyjnego jest moliwe (rys. 1, krzywa 2) dziki zapewnieniu wzłom tarcia wymaganej smarnoci (parametr opisujcy wzajemne, synergiczne oddziaływania rodka smarnego, mikrogeometrii powierzchni i właciwoci materiału konstrukcyjnego czci w kierunku tworzenia warstw granicznych w obszarach styku) i trwałego rozdzielenia lizgowymi warstwami porednimi współpracujcych powierzchni I II III T P S min Zuycie Panewka S dop S dot t 1 t 2 Czop T C S max czas 323 t max

4 roboczych. Konsekwencj sformułowanej problematyki badawczej jest konieczno zapewnienia takiej rzeczywistej wartoci luzu wpasowaniach, która umoliwi uzyskiwanie stabilnych warunków smarowania hydrodynamicznego lub elastohydrodynamicznego, gwarantujcego wystpowanie mechano-chemicznej formy zuycia ciernego nazywanej powszechnie zuyciem normalnym. Rys. 2. Schemat przebiegu zmian wartoci luzów w procesie eksploatacji skojarzenia lizgowego: I docieranie, II zuywanie normalne, III zuywanie przypieszone, t 1 czas docierania, t 2 - czas normalnej eksploatacji, S min minimalny luz pocztkowy pasowania, S max - maksymalny luz pocztkowy pasowania, S dot luz po dotarciu, S dop dopuszczalny luz eksploatacyjny, T p pole tolerancji wykonania panewki, T c pole tolerancji wykonania czopa Fig. 2. Diagram of allowance value changes course in the usage process of a slide matching: I running-in, II normal wear, III accelerated wear, t 1 running-in time, t 2 normal usage time, S min minimum preliminary fit allowance, S max - maximum preliminary fit allowance, S dot allowance after running-in, S dop admissible usage allowance, T p tolerance field for bearing performance, T c tolerance field for pin performance Przebieg zmian wartoci zuycia - w poprawnie zaprojektowanym, wykonanym i zmontowanym skojarzeniu lizgowym jest funkcj właciwoci przeciwzuyciowych i przeciwzatarciwych oraz dokładnoci pasowania (rzeczywisty rozkład pól tolerancji) współpracujcych czci (rys. 2). Chocia najwaniejsze decyzje zwizane z zapewnieniem trwałoci wzłów tarcia, zgodnie z przedstawionymi uwarunkowaniami, podejmowane s na etapie konstrukcyjnym, to dopiero w połczeniu z odpowiednimi działaniami obsługowo-naprawczymi w eksploatacji skutkuj one moliwoci optymalizacji wykorzystania potencjalnego zasobu trwałoci konstrukcyjnej [Szymura 2003]. Zagadnienia modelowania wyników bada Do bada wytypowano łoyskowania lizgowe wałów korbowych silników spalinowych S 400(1 3), wykorzystywanych do napdu cigników rolniczych, wykonywane według pasowania konstrukcyjnego G6h6. Model matematyczny doboru rednicy szlifów naprawczych 324

5 czopów głównych i korbowodowych opracowano na podstawie schematu graficznego zilustrowanego na rys. 3. OSADZENIE PANEWKA GÓRNA CZOP PANEWKA DOLNA Rys. 3. Schemat pogldowy luzów w pasowaniu: L warto luzu skojarzenia (czop - panewki), L 1 warto luzu osadzenia panewek, S c rednica czopa, S g rednica gniazda panewek, G p grubo panewki Fig. 3. Demonstrative diagram of allowances in fits: L matching allowance value (pin - bearings), L 1 bearing assembly allowance value, S c pin diameter, S g bearing hole diameter, G p bearing thickness Po uwzgldnieniu nominalnych rednic czopów (głównych i korbowodowych), otworów osadczych i wartoci odchyłek analizowanego pasowania, obliczeniowe graniczne luzy pocztkowe skojarzenia wynosz odpowiednio L min = 0,010 mm, L max = 0,048 mm, a tolerancja pasowania 0,038 mm. Przyjto, e wpasowaniach na kolejne wymiary naprawcze naley uzyska luzy pocztkowe nie wiksze ni połowa pola tolerancji, tj. od L min = 0,010 mm do L max = 0,030 mm, aby zapewni optymalizacj resursu. Zakładajc, e 0,010 mm L opt 0,030 mm i najkorzystniej gdy L opt = 0,020 mm, wyliczono rednic czopów wału, któr naley uzyska w skojarzeniu podczas szlifowania na wymiary naprawcze, wg podanego modelu matematycznego. S c = S g - (G p 2) - L opt - L 1 (1) L opt = S g - (G p 2) - S c - L 1 (2) W łoyskach głównych S g = 76,000 +0,019 mm, std 325

6 rednica czopów głównych S cg = 76,000 - (G p 2) - L opt - 0,019 (3) W łoyskach korbowodowych S g = 64,000 +0,019 mm, std rednica czopów korbowodowych S ck = 64,000 - (G p 2) - L opt - 0,019 (4) W przypadku wystpienia wymiarów granicznych w pasowaniach pocztkowych, gdy L 1 0 oraz G p min i G p max wzór (1) mona przedstaw w postaci lub S c max = S g - (G p min 2) - L min - L 1 (5) S c min = S g - (G p max 2) - L max (6) i po przekształceniach L min = S g - (G p min 2) - S c max - L 1 (7) L max = S g - (G p max 2) - S c min (8) Przedstawione zalenoci umoliwiaj szybk i skuteczn analiz wymiarow pasowa pocztkowych lizgowych wzłów tarcia jeszcze przed wykonaniem szlifowania wykaczajcego. Pozwala to na wyznaczenie nowych wartoci rednic czopów w zalenoci od rzeczywistej gruboci panewek w kompletach naprawczych, rezygnujc tym samym z wymiarów znormalizowanych na rzecz wymiarów swobodnych. Mona w ten sposób zapewni optymalny luz pasowania, który bezporednio zaley od rzeczywistego (a nie teoretycznego) stanu wymiarowego panewek lizgowych i luzów w gniazdach osadczych. Weryfikacja modelu Wszystkie badania przeprowadzono w Zakładzie PROMECH w Karlinie na wałach korbowych i kompletach naprawczych panewek silników S 400(1 3), w warunkach rzeczywistego warsztatu obsługowonaprawczego. Po demontau wały poddawano weryfikacji, a nastpnie szlifowano na wymiary naprawcze zgodnie z zaleceniami producenta , 6, MIEJSCA POMIARÓW 2, 5, , 4, ZAMEK ZAMEK

7 Pomiary czopów głównych i korbowodowych wykonywano w trzech przekrojach poprzecznych wzdłu tworzcej czopów, w dwóch prostopadłych do siebie płaszczyznach, zgodnie z PN. Pomiary gruboci panewek prowadzono w dziewiciu miejscach na obwodzie. Rozpoczynano od miejsca połoonego najbliej zamka, zgodnie ze schematem zilustrowanym na rys. 4. Rys. 4. Schemat pomiaru gruboci panewek: 1-9 miejsca kolejnych pomiarów na obwodzie Fig. 4. Bearing thickness measurement diagram: 1-9 spots of consecutive measurements on the perimeter Do pomiarów wykorzystano mikrometry elektroniczne o dokładnoci wskaza 10-6 m, które zerowano na płytkach wzorcowych. Badania przeprowadzono na grupie statystycznej wałów korbowych tego samego typu o liczebnoci około 50 sztuk. W tabelach 1 i 2 przedstawiono przykładowe zestawienia zmierzonych wartoci rednic czopów głównych i korbowodowych po szlifowaniu na wymiary naprawcze oraz gruboci dobranych do nich panewek w kompletach regeneracyjnych. Pod tabelami zilustrowano porównawczo rozkłady statystyczne wartoci rzeczywistych w seriach pomiarowych. Tabela 1. Zestawienie pomiarów z rozkładami rzeczywistymi wyników (czopy główne) Table 1. Comparison of measurements with the results actual distribution (main pins) 327

8 URSUS C-360. Czopy główne IV szlif. URSUS C-360. Panewki główne IV szlif. Czop Przekrój Zestawienie PRZEDZIAŁY LICZEBNO ROZKŁAD NORMALNY ZESTAWIENIE POMIARÓW A 68,990 69,002 68,993 68,989 3, , ,470 3,475 3,476 1 B 68,995 68,999 68,997 68,990 3, , ,470 3,475 3,476 68, , , ,991 3, , ,472 3,475 3, , A 68,997 68,997 69,001 68,992 3, ,472 3,475 3,476 59, B 68,994 69,000 68,991 68,993 3, ,472 3,475 3,476 68, , , ,994 3,472 3,475 3,476 A 68,989 68,998 68,994 68,994 3,472 3,475 3,476 3 B 68,997 68,999 69,000 68,995 3,472 3,475 3,476 68, , , ,996 3,472 3,475 3,476 A 68,998 69,001 68,999 68,997 3,472 3,475 3,476 4 B 68,992 69,000 69,002 68,997 3,473 3,475 3,477 68, , , ,997 3,473 3,475 3,477 A 69,000 69,001 68,996 68,997 3,473 3,475 3,477 5 B 69,001 68,999 68,998 68,998 3,473 3,475 3,477 69, , , ,998 3,473 3,475 3,477 PRZEDZIAŁY LICZEBNO ROZKŁAD NORMALNY 68,998 3,473 3,475 3,477 68, , ,999 3,473 3,476 3,477 68, , ,999 3,475 3,476 3,477 68, , ,999 3,475 3,476 3,477 68, , ,999 3,475 3,476 3,477 69, , ,000 3,475 3,476 3,477 69,004 69,000 3,475 3,476 3,477 69,000 3,475 3,476 3,477 69,000 3,475 3,476 3,478 69,001 3,475 3,476 3,478 rednia 3, ,001 Odchylenie standardowe 0,0018 3,475 3,476 3,478 69,001 69,001 69,002 rednia 68,997 Odchylenie standardowe 0, ,002 LICZEBNO ,989 68,992 68,995 68,998 69,001 REDNICA CZOPA (przedziały co 0,003 mm) LICZEBNO ROZKŁAD NORMALNY ROZKŁAD NORMALNY LICZEBNO ROZKŁAD NORMALNY 0 3,470 3,472 3,474 3,476 3,478 LICZEBNO GRUBO PANEWKI (przedziały co 0,002 mm) ROZKŁAD NORMALNY W omawianym (tabela 1) przykładzie rednia warto S cg w całej serii pomiarowej wynosiła S cg r = 69,997 mm. Zalecana przez producenta warto normatywna to S cg N = 69,000 mm. Jednak po dokonaniu przelicze dla całego pasowania zgodnie z zaprezentowanym modelem matematycznym zakładajc, e L opt = 0,020 mm, rzeczywista warto omawianego parametru powinna wynosi S cg rz = 69,011 mm. Wykorzystujc opisane wczeniej przekształcenia oraz podstawiajc maksymaln i minimaln zmierzon grubo panewki G p rz obliczono take rzeczywiste wartoci luzów pocztkowych skojarzenia po naprawie, które w tym przypadku wynosiły odpowiednio: L max rz = 0,082 mm, L min rz = 0,047 mm, pole tolerancji 0,035 mm. Porównujc je do nominalnych wartoci konstrukcyjnych (L min = 0,010 mm i L max = 0,048 mm, pole tolerancji 0,038 mm) stwierdzono, e nastpiło przekroczenie o ok. 70% dopuszczalnych wartoci granicznych i przesunicie pola tolerancji, co moe skutkowa zmian warunków docierania adaptacyjnego i istotnym skróceniem przebiegów ponaprawczych. Podobn sytuacj zaobserwowano w ok. 50% przypadków wykonanych pomiarów czopów głównych

9 Analogicznie w przypadku czopów korbowodowych dokonano przelicze i porówna, dziki którym uzyskano nastpujce wartoci: S ck r = 58,997 mm (S ck N = 59,000 mm), S ck rz = 59,004 mm; L max rz = 0,072 mm, L min rz = 0,043 mm, pole tolerancji 0,029 mm (L min = 0,010 mm i L max = 0,048 mm, pole tolerancji 0,038 mm). W tym przypadku nastpiło przekroczenie o ok. 50% dopuszczalnych wartoci granicznych dla pasowania pocztkowego i przesunicie pola tolerancji, co moe skutkowa zmian warunków docierania adaptacyjnego i istotnym skróceniem przebiegów ponaprawczych. Podobn sytuacj zaobserwowano w ok. 40% przypadków wykonanych pomiarów czopów korbowodowych. Na podstawie przeprowadzonych bada opracowano metod wspomagania komputerowego przedstawionej procedury optymalizacji luzów w pasowaniach pocztkowych łoyskowa lizgowych wałów korbowych po naprawie [Szymura 2003]. Umoliwia ona natychmiastowe wyznaczenie wartoci rednicy szlifowania naprawczego czopów (łcznie z wymiarami granicznymi) dla L opt = 0,020 mm ju w trakcie weryfikacji, dla rzeczywistej gruboci panewek w kompletach naprawczych i wartoci rzeczywistych luzów w gniazdach osadczych. Wnioski 1. Na podstawie przeprowadzonych bada stwierdzono, e rzeczywiste wartoci luzów pocztkowych w łoyskowaniach lizgowych wałów korbowych silników S 400(1 3) istotnie róni si od wartoci konstrukcyjnych. W skrajnych przypadkach s wiksze od wymaganych o ok. 70% - czopy główne, i o ok. 50% - czopy korbowodowe. Moe to skutkowa zmian warunków docierania adaptacyjnego i obserwowanym w praktyce eksploatacyjnej skracaniem przebiegów ponaprawczych. 2. Optymalizacja wykorzystania potencjalnego zasobu trwałoci konstrukcyjnej łoyskowa lizgowych po naprawie jest moliwa poprzez zastpienie wymiarów znormalizowanych czopów wału wymiarami swobodnymi, wyznaczonymi w trakcie procedur weryfikacyjnych. Mona w tym celu wykorzysta, opracowan na podstawie przedstawionego modelu matematycznego, metod wspomagania komputerowego. Bibliografia Dreszczyk E. I in Umacnianie powierzchni roboczych wzłów kinematycznych ze szczególnym uwzgldnieniem fazy docierania. 329

10 Inynieria powierzchni, 4, s Praca zbiorowa pod red. M. Szczerka i M. Winiewskiego Tribologia i tribotechnika. Wyd. ITE, Radom, 727s. Szymura D Analiza wymiarowa pasowa pocztkowych elementów wzłów krytycznych po naprawie na przykładzie łoysk lizgowych wału korbowego. Praca magisterska, Akademia Rolnicza w Szczecinie, Szczecin liwiski W Proces docierania metalowych par trcych w warunkach smarowania. Zeszyty Naukowe Politechniki Krakowskiej. Mechanika, z. 71, Kraków Wanke P Zagadnienia technologiczne projektowania procesów eksploatacji wzłów krytycznych. Konwersatorium pt. Problemy inynierii eksploatacji, Informator Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Warszawa, z. 6, s Analysis of wear conditions and a method of repairing "bearing bush journal" kinematic pair of the crankshaft of a S 400 engine Summary In the paper a method of repairing the "bearing bush journal" kinematic pair of the crankshaft of a S 400 engine was presented. The method consists of the replacement of grinding to normalized dimensions by grinding to floating dimensions. The most frequent reason for a loss of maintainability of the slide bearings of agricultural machines is minimum wear value of the surface layer and/or the misplacement of running clearances occuring during the repair (in comparison to the normalized dimensions of the spare parts). In the discussed research the attempt was made to optimize the initial states of slide bearings in order to increase the installation life of the engine after the repair. Key words: initial status, engine run-in, friction, wear, lubrication, durability, relia-bility, maintenance, repair. 330