МЕХАНИЗМ ВИБРАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ ГАЛТЕЛЬНЫХ ЗОН КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ФОРСИРОВАННОГО ДИЗЕЛЯ
Косырев С.П., Марьина Н.Л., Марьин Э.В. (БИТТУ, г.Балаково, РФ)
Resilient deformations accelerate the process of deformation oscillation senescence substantially. At a flowage there is a generation of distributions, increases of their closeness. Efficiency of oscillation senescence is determined the degree of flowage of metal, which depends on the put znakoperemennykh dynamic loadings during a vibration, determined a value and method of appendix of forcings forces in a combustion of diesel chamber, and also geometrical form of crankshaft.
Точность изготовления коленчатых валов форсированных дизелей зависит от точности геометрической формы и размеров базовых корпусных деталей и узлов (блок-картеров, КШМ, цилиндровых крышек и втулок), к потере стабильности которых приводит коробление, вызываемое перераспределением начальных технологических остаточных напряжений (НТОН), существующих в коленчатом вале и при отсутствии внешних воздействий (силовых, температурных). В процессе релаксации напряжений происходят упругие деформации, переходящие с течением времени в пластические, что приводит к снижению величины самих НТОН. Последние перераспределяются вследствие неравномерности протекания в металле этого процесса при быстром нарушении равновесного состояния, вызывая упругую деформацию коленчатого вала, что ведет к изменению его геометрических размеров и формы. Стабильность геометрических размеров достигается в основном за счет снижения НТОН и повышения релаксационной стойкости, осуществляемой различными методами, называемые процессами вибрационного старения.
Для повышения размерной стабильности коленчатых валов наряду с использованием распространенных технологических процессов таких, как естественное старение, термическая обработка находит применение метод вибрационного старения. По воздействию на металл последний можно сравнить с длительным естественным старением, но, к сожалению, он еще не нашел всестороннего и полного применения, хотя практика использования в промышленности доказала его высокую эффективность. Во многих случаях метод вибрационного старения может заменить дорогостоящую термическую обработку, требующую сокращения времени старения и сложного оборудования.
Проблема стабилизации геометрических размеров коленчатых валов форсированных дизелей далека от решения и, несмотря на актуальность, слабо освещена в литературе. Обобщающая техническая литература по этой тематике невелика и содержит неполные и частично устаревшие сведения о возможности стабилизации размеров коленчатых валов.
Металлам коленчатых валов свойственно преобразование колебательной энергии от динамики знакопеременного нагружения (от сил инерции, сил давления газов) в камере сгорания дизеля в тепловую даже при вибрационных нагрузках, оцениваемых комплексным критерием – коэффициентом динамичности КД, значение которого ниже макроскопического предела текучести. Это объясняется тем, что истинный предел текучести во многих элементах коленчатого вала ниже теоретического, причем при более высоких упругих напряжениях наступают уже микропластические напряжения. Последние также являются причиной снижения предела текучести при растяжении длительной эксплуатационной нагрузкой.
Механизм вибрационного старения в локальных зонах коленчатого вала форсированного дизеля согласно теории дислокаций объясняется следующим образом.
В области дислокации атомы находятся в неустойчивом равновесии, и для их смещения необходимо касательное напряжение, которое значительно ниже напряжения, достаточного для смещения дислокаций поперек кристаллической решетки до следующего торможения последней или до границы зерна. Перемещение дислокаций представляет изменение взаимного расположения атомов, которые смещаются на доли межплоскостного расстояния решетки. Последняя не подвергается дополнительной упругой деформации, и, следовательно, происходит незначительное накопление энергии. Движущиеся вместе с дислокациями поля НТОН приобретает максимальную стабильность на границе решетки и уравновешиваются между собой. При этом НТОН образуются в кристаллических телах как результат пластической деформации кристаллов. Для стабилизации нагруженного состояния коленчатого вала сообщается некоторый энергетический импульс, например, энергия колебаний от динамики нагружения в камере сгорания дизеля при вибрационном старении. Возникающие при этом дополнительные динамические напряжения суммируются с НТОН, в результате чего в поликристаллическом материале коленчатого вала происходят сдвиги кристаллической решетки, которые сопровождаются перераспределением напряжений, а молекулы приходят в равновесное положение. При этом напряжения по границам зерен и в их пределах уменьшаются.
Известно, что упругие деформации существенно ускоряют процесс деформационного вибрационного старения. Таким образом, при пластическом деформировании происходит генерация дислокаций, повышения их плотности. Одновременно уменьшаются напряжения в локальных зонах, и тем заметнее, чем выше степень пластической деформации. Однако ввиду локальности протекания процесса в зонах концентрации напряжений общий уровень напряжений изменяется незначительно и они могут быть стабилизированы при достаточно высоком их конечном уровне. Важно, чтобы в металле коленчатого вала концентрация напряжений не превышала его релаксационной стойкости. Упругими колебаниями, распространенными в металле коленчатого вала от динамики знакопеременного нагружения, можно воздействовать на локальные зоны коленчатого вала, но изолировать изменение напряжений в этих зонах нельзя.
Эффективность вибрационного старения определяется степенью пластической деформации металла, которая зависит от прикладываемых знакопеременных динамических нагрузок при вибрации, определяемых значением и методом приложения вынуждающих сил в камере сгорания дизеля, а также геометрической формой коленчатого вала.