11. Дефектоскопия коленчатых валов

Контроль состояния коленчатых валов обеспечивает без­аварийную работу дизеля, а также позволяет дать оценку уров­ня надежности этой ответственной детали. При эксплуатации тепловозных дизелей применяют несколько методов выявления трещин в коленчатых валах [9]. Наибольшее распространение получил магнитно-порошковый метод, с помощью которого мож­но обнаружить трещины только в сырых чугунных коленчатых валах. Определить трещины в азотированных валах при помощи магнитно-порошкового метода, как показал опыт, значительно труднее. Недостатком данного метода является то, что после дефектоскопирования валов они трудно поддаются размагничи­ванию вследствие сложности их формы и больших размеров. При постановке на дизель такого коленчатого вала на различ­ных его участках скапливаются ферромагнитные частицы, ко­торые в большом количестве имеются в дизельном масле. Это часто приводит к тому, что в парах трения возникает металли­ческое контактирование, вызывающее задир и разрушение тру­щихся поверхностей.

Для снижения остаточного намагничивания переменный ток подводится к понижающему трансформатору через автотранс­форматор с плавным изменением выходного напряжения от О до 220 В. При этом контроль коленчатого вала выполняется в действующем магнитном поле, которое снижается путем плав­ного уменьшения до нуля выходного напряжения на зажимах автотрансформатора. В этом случае намагничивание коленча­того вала после дефектоскопирования близко к нулю.

Для контроля нижнего коленчатого вала дизеля типа ДЮО, находящегося в дизеле, магнитно-порошковый метод нельзя при­менять из-за неизбежного загрязнения этим порошком масла в картере дизеля. В этом случае для сырых и азотированных ва­лов применяют ультразвуковой метод, трудоемкость которого значительно выше магнитно-порошкового метода. Ультразвуко­вой метод применяют и для азотированных валов, вынутых из дизеля, т. е. при его капитальном ремонте.

Применение ультразвукового контроля для чугунных колен­чатых валов ограничивается тем, что ультразвуковые волны в чугуне теряют 75% своей энергии на расстоянии 100—120 мм, тогда как в стальных валах эти потери не превышают 10—12% на расстоянии 800—1000 мм. Кроме того, в легирован­ном чугуне и частично в высокопрочном пластинки графита или глобули, как известно, располагаются неравномерно, скапли­ваясь в какой-то его области в виде цепочек. При дефектоскопи- ровании такая цепочка будет выявляться как небольшая ложная трещина. Помимо пластинок или глобулей графита, в чугуне коленчатых валов в том или ином количестве имеются поры, небольшие раковины и различные неметаллические включения, 104

что также создает помехи для ультразвукового контроля.

Опыт эксплуатации чугунных коленчатых валов показыва­ет, что большинство возникающих трещин имеет усталостный характер. Чаще всего они образуются на галтелях в местах сопряжения коренных и шатунных шеек со щеками коленчато­го вала. Длина трещин может быть от 8—10 до 250 мм и бо­лее. На одной галтели может быть и несколько трещин. Обыч­но они располагаются последовательно, с небольшим проме­жутком между ними. При дальнейшей работе вала трещины со­единяются в единую трещину. Большие трещины могут иметь выход на обе стороны щеки. Одновременно с ростом трещины в длину увеличивается и ее глубина. Установлено, что трещи­ны длиной 35—40 мм имеют глубину 1,5—1,8 мм-р а трещины длиной 200—300 мм углубляются в металл до 50—60 мм. По окружности шейки трещины располагаются в основном в ниж­ней части колена, со стороны шатунной шейки. Трещины, раз­вивающиеся в чугуне, имеют очень малое раскрытие. Так, тре­щины длиной до 80 мм обычно не заметны при осмотре нево­оруженным глазом. Более короткие трещины с большим тру­дом различаются даже через лупу с четырехкратным увеличе­нием. Поперечные трещины могут развиваться не только на галтелях, но и на цилиндрической части шеек от смазочного от­верстия. Помимо поперечных трещин, на галтелях и шейках вала могут быть различного рода продольные трещины. В боль­шинстве случаев это не усталостные трещины, а различного ро­да литейные пороки металла (расслоения, плены и др.).

Трещины в хвостовике под антивибратором начинают раз­виваться или с торцовой поверхности первой коренной шейки, или с поверхности галтели сопряжения этой шейки с хвостови­ком. С поверхности трещины входят в металл под различными углами, составляющими с торцовой поверхностью первой корен­ной шейки угол 20—60°. Такие трещины могут быть обнаруже­ны ультразвуковым методом со стороны первой коренной шейки.

При выявлении трещин в хвостовике антивибратора дефек­тоскоп работает по однощуповой схеме, когда одна и та же пластинка титана бария служит одновременно для передачи и приема ультразвуковых колебаний. Контроль трещин в хвосто­вике можно производить не только без отъема антивибратора, но и без выемки коленчатого вала из дизеля, но при снятом первом коренном подшипнике. В этом случае вал необходимо проворачивать на 360°.

Так как усталостные трещины в чугуне имеют шерохова­тые поверхности, то отраженный ультразвуковой луч будет иметь большое рассеивание, что позволяет принимать сигналы от трещин и при косом падении на них ультразвукового луча. При выполнении такого контроля щуп ультразвукового прибо­ра плавно перемещается по поверхности первой коренной шей­ки. Для улучшения контакта поверхностей щупа и шейки вала применяется дизельное масло. На наличие дефектов указывает вертикальное отклонение линии развертки на экране электрон­но-лучевой трубки дефектоскопа УЗД-64. Вследствие того, что расстояние от щупа до дефектов может меняться только в сра­внительно небольших пределах, то и сигналы от этих дефек­тов будут находиться в определенном месте экрана трубки.

Поперечные трещины на коренных и шатунных шейках ко­ленчатых валов обычно проходят вдоль галтели примерно в средней ее части. Такого вида трещины хорошо выявляются ультразвуком с применением поверхностных волн. Поверхност­ные ультразвуковые волны обладают рядом особенностей, они могут распространяться по искривленным траекториям, т. е. следуя изгибам поверхности детали. Так, при распространении ультразвука по детали, поверхностные волны могут частично отразиться от ее края, а частично выйти на ее боковую поверх­ность, изменив направление движения на 90°. Чем лучше скруг­лены края детали, тем большая часть энергии звука попадает на боковую грань детали. При достаточно плавных скруглени- ях на переходах детали отражения ультразвуков от ее краев может и не быть.

Поверхностные ультразвуковые волны сильно затухают в чугуне. Поэтому для контроля всей поверхности шейки щуп необходимо обвести вокруг шейки. Если перед щупом на рас­стоянии 50—100 мм окажется продольная трещина, то ультра­звуковые волны отразятся от нее и воспримутся тем же щу­пом. Сигнал на экране электронно-лучевой трубки будет пере­мещаться одновременно с перемещением щупа. При сближении щупа с трещиной сигнал перемещается в левую сторону экра­на и высота сигнала увеличивается, достигая наибольших раз­меров, когда трещина находится в непосредственной близости от щупа. При перемещении щупа над трещиной высота сигнала резко падает. Трещины, находящиеся под серединой щупа, на экране дефектоскопа не фиксируются, что и является одним из способов уточнения их местонахождения.

Для определения длины трещины щуп перемещается вдоль шейки. Если такое перемещение в обе стороны невозможно, то размеры продольной трещины устанавливаются магнитным или другим методом (например, цветным).

Трещины, берущие свое начало от смазочного отверстия, мо- тут быть продольные и поперечные. Поэтому контроль шейки возле смазочного отверстия производится двумя щупами по­следовательно. Трещины, возникшие в результате шлифования, на шейках коленчатого вала выявляются теми же щупами, что и усталостные трещины на галтелях. Сигнал от них на экране дефектоскопа по сравнению с усталостными трещинами имеет меньшую величину и менее устойчив при перемещении щупа по шейке.

Поверхностные волны для дефектоскопии получают путем трансформации продольных колебаний с использованием плас­тинок из титана бария. Для необходимой ориентации поверхно­стных волн изготовляются призмы из оргстекла с углом ввода ультразвуковых колебаний от пластинки титана бария, равным 65° (рис. 44). При таком угле ввода и происходит трансформа­ция продольных колебаний в поверхностные.

При изготовлении щупов для поверхностных волн важно оп­ределить размеры контактной поверхности щупа и выбрать ра­диус скругления его ребра. В широких щупах часть энергии по­верхностных колебаний будет гаситься на границе оргстекло— металл, а при остром угле на ребре призмы щупа продольные колебания в оргстекле отразятся от этого угла, что приведет к образованию нежелательных помех. Эти недостатки устраняют­ся путем дополнительной обработки радиуса щупа.

Поверхностные волны представляют собой ультразвуковые колебания, которые распространяются в относительно неглубо­ком (1,5—2,0 мм) поверхностном слое детали. Поэтому их ча­сто называют волнами поверхностного слоя. Нарушения спло­шности в поверхностном слое приводят к отражению в нем ультразвуковых колебаний. Наибольшее удаление от поверхно­сти детали дефектов, нарушающих сплошности (отверстия и др.) находится в пределах 1,0—1,2 мм. При двухщуповой схе­ме работы ультразвукового дефектоскопа путь ультразвука как от помех, так и от дефектов становится приблизительно одина­ковым, но ложных сигналов от дефектов будет больше и их легко спутать с помехами от графитовых скоплений.

Рис. 44. Схема щупа для контроля поперечных трещин на

галтелях коренных и шатунных шеек коленчатого вала:

f — призма щупа; 2 — соединительный штекер; Э — керамическая пластинка титана бария; 4 — текстолитовый демпфер

Спаренный щуп, работающий по двухщуповой схеме, имеет контактную поверхность, сравнительно более точно выполнен­ную по кривизне шейки вала. Источником ультразвуковых ко­лебаний является пластинка титана бария толщиной 2,5—3,0 мм. Частота излучаемых колебаний 1,06—0,8 МГц. Сама пла­стина, а также текстолитовый демпфер приклеены к призме щупа карбинольным клеем. Константановые проводники к обе­им поверхностям пластинки титана бария припаяны кадмиевым припоем. Для подстройки колебаний пластинки в резонанс с выходным колебательным контуром дефектоскопа параллель­но с пластинкой титана бария подключены катушки.

В спаренном щупе направление излучения и приема пере­дающего и приемного щупов скрещиваются в средней части галтели, что обеспечивает наилучшую чувствительность дефек­тоскопа при контроле трещин по всей галтели.

К числу помех, возникающих при ультразвуковом дефекто- скопировании чугунных коленчатых валов, относится неодно­родность металла (раковины, поры, скопления графита и др.). Согласно техническим требованиям на изготовление чугунных коленчатых валов тепловозных дизелей на рабочих поверхно­стях шеек вала (за исключением галтелей) допускается не бо­лее трех газовых раковин диаметром до 3 мм при глубине до

2. мм, а также не более десяти на одну шейку отдельных не­больших газовых раковин диаметром до 1 мм при глубине до 0,5 мм. Допускается также при соблюдении некоторых условий мелкая пористость диаметром до 1 мм.

Большинство из этих дефектов обнаруживается ультразвуко­вым дефектоскопом, поэтому в практике их классифицируют на более и менее опасные. Для уменьшения количества сигналов от менее опасных дефектов ультразвуковой контроль чугунных коленчатых валов производится на более низких частотах с применением сдвоенных щупов, а для увеличения чувствитель­ности дефектоскопа контроль наличия дефектов производится в основном поверхностными ультразвуковыми волнами. К числу дефектов, которые не выявляются, относятся шлаковые вклю­чения и пустоты площадью менее 0,8—1 мм². Дальнейшее сни­жение чувствительности дефектоскопа обычно не производится, так как это приведет к невыявлению усталостных трещин.

Хаотическое размещение в металлической основе графита зачастую имеет вид цепочек на поверхности шейки. Такая це­почка будет выявляться не только ультразвуковым дефектоско­пом, но и магнитным. Для выяснения истинной природы тако­го дефекта необходимо предварительно установить минималь­ное усиление дефектоскопа на эталоне и произвести проверку дефектного места. При таком усилении цепочка графита обыч­но не выявляется. Однако для подтверждения такого решения производится вторичный контроль этого места. Для повторного контроля может быть реализован цветной метод.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Б ирге ль И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет иа прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 702 с.

2. Горшков А. А., Волощенко Н. В. Литые коленчатые валы. М.: Машиностроение, 1964. 195 с.

3. Гроза В. Ф., Шорох Е. А. Статический расчет многоупорного коленчатого вала на упругих опорах. — Известия вузов СССР. № 9, 1965, с. 18—23.

4. Захаров С. М., Никитин А. П. Гидродинамические характери­стики подшипников коленчатых валов тепловозных дизелей. — Тр. ВНИИЖТ, 1977, вып. 570, с. 160.

5. К е р-В и л ь с о н В. Конструкция и прочность коленчатого вала. М.: Машгиз, 1963. 108 с.

6. Ку Д р я в ц е в И. В., Зайцев Г. 3. Промышленное использование уп­рочняющего поверхностного деформирования деталей машин. — Тр. ЦНИИТМАШа, 1963, вып. 40, с. 25—32.

7. Л е й к и н А. С. Напряженность и выносливость деталей сложной конфигурации. М.: Машиностроение, 1968. 372 с.

8. JI а х т и н Ю. М. Прогрессивные методы термической и химико-тер­мической обработки. М.: Машиностроение, 1974. 184 с.

9. Левы кии Ф. В. Дефектоскопия деталей локомотивов. М.: Транс- желдориздат, 1962. 128 с.

10. Салтыков М. А., Горбунов М. Н. Повышение эксплуатацион­ных свойств литых коленчатых валов путем совершенствования технологии изготовления и упрочнения ППД. — Вестник машиностроения, 1977, № 3, с. 53—55.

11. Стеценко Е. Г., Минченко Н. И. Оптико-механические методы измерения при ремонте локомотивов. М.: Транспорт, 1979. 116 с.

12. Стеценко Е. Г., Школьник Л. М. Повышение надежности и долговечности коленчатых валов транспортных дизелей. М.: Транспорт, 1965 136 с.

13. Стеценко Е. Г., Тихонов Ю. Г. Требования, предъявляемые к коленчатым валам для повышения надежности их работы — Тр ВНИИЖТ 1971, вып. 427, с. 24—38.

14. Тищенко А. Т., Салтыков М. А. Деформационная и силовая взаимосвязь конструктивных элементов в литых коленчатых валах при кру- чеиин и изгибе. — Вестник ВНИИЖТа, 1982, № 7, с. 36—39.

15. Хрущев М. М., Беркович Е. С. Определение износа деталей машин методом искусственных баз. М. АН СССР, 1959. 218 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

2. Основные элементы конструкции коленчатых валов (галтели, шейки, щеки) 11

а)) 18

3. Тепловые деформации блока цилиндров и их влияние на напряженное состояние коленчатого вала 21

4. Размеры и нормы содержания коленчатых валов в эксплуатации 25

II. ХАРАКТЕРИСТИКА ЧУГУНА, ПРИМЕНЯЕМОГО ДЛЯ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ 29

5. Впияние качества литья на прочность коленчатых валов 29

6. Совершенствование технологии отливки коленчатых валов 32

III. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ 36

7. Общие сведения 36

8. Пластическая деформация (накатывание) поверхности галтелей 37

9. Особенности технологии накатывания 43

10. Химико-термическая обработка (азотирование) 51

[Ю]. 57

11. Хромирование поверхности шеек 59

13. Интенсивность износа неазотированных и азотированных коленчатых валов 75

а) мкм 78

д)тм 78

е)мкм 78

14. Эксплуатационные нормы содержания коленчатых валов 85

15. Несоосность (ступенчатость) опор и коренных шеек коленчатых валов 87

а)мкм_е 89

16. Методы измерения износа шеек 92

17. Укладка коленчатого вала на опоры блока цилиндров 98

18. Дефектоскопия коленчатых валов 103

Евгений. Григорьевич Стеценко Юрий Николаевич Конарев

КОЛЕНЧАТЫЕ ВАЛЫ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕИ

Обложка художника Е. Н. Волкова Технический редактор А. Г. Алахвердова Корректор Я. А. Хасянова ИБ № 3193

Сдано в набор 27.11.84. Подписано в печать 17.04.85. Т-09830. Формат 60X90‘/i6. Бум. тип. № 2. Гарнитура литературная. Высокая печать. Уел. печ, л. 7, Уел, кр.-отт, 7,51. Уч.-изд. л. 7,59. Тираж 6000 экз. Заказ 6098, Цена 50 коп, Изд, № 1-3-1/1 № 3195, Ордена «Знак Почета» издательство «ТРАНСПОРТ»,

103064, Москва, Басманный туп., 6а.

Ордена Трудового Красного Знамени тнп. изд-ва Куйбышевского обкома КПСС. 443086 ГСП, г. Куйбышев, пр. Карла Маркса, 201.

Государственный комитет СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли

Ордена «Знак Почета» издательство «ТРАНСПОРТ»

ГОТОВЯТСЯ К ИЗДАНИЮ КНИГИ:

ПОИДА А. А., ХУТОРЯНСКИИ Н. М., КОНОНОВ В. Е. Тепловозы: (Механическое оборудование, устройство и ре­

монт). Учебник для техн. школ. — М.: Транспорт, 1986. — 30 л. — В пер.: 1 р. 20 к. 50 ООО экз.

Подробно описано устройство, работа и ремонт основных агрегатов и узлов тепловозов 2ТЭ10В, ТЭП70 и ТЭМ2: дизелей и их систем (топливной, масляной, воздухоснабжения), охлаж­дающих устройств, приводов вспомогательных машин и агрега­тов, рам и кузовов, ударно-тяговых приборов, тележек, песоч­ной и противопожарной систем Приведены основы организа­ции ремонта тепловозов.