8. СВАРКА КРУПНЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ
Коленчатый вал является одной из наиболее ответственных деталей машины (стационарного двигателя внутреннего сгорания, компрессора, эксцентрикового пресса и др.) и испытывает динамические знакопеременные нагрузки. Поломки коленчатых валов могут происходить по разным причинам: усталости металла в результате длительной работы, большой выработки (эллипс) шеек, неточной укладки вала в подшипниках, приложения внезапных ударных нагрузок, заниженной прочности элементов (например, концентрации напряжений в местах переходов, у смазочных отверстий и галтелей), плохого изготовления фундамента и др.
Обычно коленчатые валы изготовляют из стали следующего химического состава: 0,25—0,55% С; до 0,8 % Мп; до 0,35% Si; до 0,03% Р и до 0,03% S. Предел прочности этой стали 55—60 кГ/мм2-, ударная вязкость 4—6 кГм1см2\ относительное удлинение 14—20%.
Встречаются валы из стали, легированной небольшими количествами хрома и никеля. Стали с содержанием 0,25—0,55% С склонны к закалке, поэтому неравномерный нагрев и быстрое охлаждение места сварки могут привести к образованию твердых закаленных структур в зоне термического влияния. Это резко снижает пластические свойства металла, приводит к концентрации напряжений и образованию трещин. При наличии знакопеременных динамических нагрузок такое сварное соединение работать не может. Чтобы уменьшить скорость остывания сварного соединения и избежать появления закалочных структур в переходных зонах, необходимо перед началом сварки произвести местный или общий предварительный нагрев до температуры, определяемой содержанием углерода в металле.
На основании опытных данных можно рекомендовать следующие температуры для предварительного подогрева:
Содержание углерода в % До 0,30 0,30—0,40 0,10—0,55
Температура подогрева 150—180 180—250 250—300
Температура предварительного подогрева должна поддерживаться постоянной в течение всего процесса сварки, после которой требуется термообработка сварного соединения. Как показывают многочисленные опыты, сварное соединение в коленчатых валах, не прошедшее термической обработки, работает неудовлетворительно. Термообработку можно не делать только в случае заварки небольшой трещины глубиной не более 15—25% диаметра шейки или толщины (ширины) щеки, при содержании в стали углерода не выше 0,3% и применении предварительного подогрева перед сваркой до 300 СС.
Для снятия внутренних напряжений в сварных коленчатых валах применяют два вида термообработки: общую и местную.
Общую термообработку осуществляют с равномерным нагревом всего коленчатого вала до 650—670 °C, выдержкой при этой температуре в течение заданного времени и равномерного остывания вала вместе с печью. При этом снимаются не только внутренние напряжения от сварки, но и все напряжения и наклепы, полученные валом в процессе эксплуатации. После общей термообработки работоспособность сваренного вала становилась почти такой же, как и нового вала. Для общей термообработки вал необходимо тщательно уложить на достаточно твердом и надежном основании, закрепить его от возможных вертикальных и горизонтальных перемещений, давая возможность свободного перемещения в осевом направлении. Целесообразнее всего производить термообработку в специально сложенной печи, обогреваемой электроспиралями. Местная термообработка сварного соединения производится в тех случаях, когда по условиям производства общую термообработку выполнить нельзя. При местной термообработке концы вала должны быть надежно закреплены от возможных поперечных перемещений.
В ряде случаев одновременно с термообработкой могут выполняться окончательная доводка и правка вала. Правка производится в тот момент, когда место сварки нагрето до максимальной температуры. Правка может производиться путем нажима на конец вала гидравлическим домкратом, поставленным под шейку (щеку), или проковкой нагретого участка. Правку вала в раме дизеля можно выполнить при помощи верхних крышек подшипников, причем нижний вкладыш должен быть удален. Измерение деформаций во время правки производится с помощью индикаторов.
Контроль за температурой нагрева производится термопарами или при помощи термокарандашей.
В условиях выполнения сварочных работ на месте эксплуатации дизельных или компрессорных агрегатов обычно приходится применять только местную термообработку. Нагревание сварного соединения при местной термообработке может производиться газовыми горелками, древесным углем, коксом, индукционным нагревом токами промышленной частоты или переносной электропечью со спиралями сопротивления. Если нагрев вала осуществляется непосредственно в раме дизеля или насоса, то необходимо учитывать опасность поводки или разрыва рамы в результате ее нагрева. В этом случае нужно проявлять большую осторожность и строго контролировать нагрев рамы и ее деформацию.
При нагревании коленчатого вала, установленного в центрах токарного станка или в специальном приспособлении, под коренные шейки должны быть в двух-трех местах поставлены люнеты или другие опоры; при этом вал должен иметь возможность свободного перемещения в направлении его продольной ось Перед термообработкой точно определяют размер и место поводки, полученные валом при сварке.
ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИИ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ И СПОСОБЫ ИХ СВАРКИ
Наиболее типичными повреждениями коленчатых валов являются: сквозные изломы щек, трещины, идущие от галтелей в щеку; срез шейки по галтели; трещины в шейках, идущие от смазочных отверстий; излом концевого участка вала у маховика или генератора (рис. 45).
Прежде чем приступить к разделке и сварке обнаруженного дефекта, необходимо выяснить причину повреждений и произвести тщательный наружный осмотр всего вала с протиркой шеек
вала керосином и покрытием их раствором мела, разведенного на быстросохнущих растворителях; затем следует проверить геометрические размеры вала, определив эллипсность шеек и наличие биений, а также установить химический состав стали. После этих исследований назначается технология разделки дефектного места и его сварки, а также изготовляются приспособления для сборки, выбирается способ нагрева при термообработке. Разделку трещин или кромок при сквозных изломах можно выполнять как механическими способами (рубкой, строжкой, фрезерованием), так и кислородной или воздушнодуговой резкой с последующей зачисткой места реза от окислов и удалением слоя металла на глубину не менее 1,5 мм. При огневом способе разделки обязательно требуется произвести предварительный подогрев места реза до 200—300 °C.
Заварка сквозных изломов щек. Подготовка кромок под сварку может быть выполнена по схемам, изображенным на рис. 46. Разделка, показанная на рис. 46, б, более удобна, так как позволяет вести сварку в нижнем положении шва. Разделка, представленная на рис. 46, а, применяется сравнительно редко; особенно трудно ее выполнить при малом расстоянии между щеками. В то же время при выполнении сварки с такой разделкой в две дуги резко уменьшается опасность поводки вала. Сквозные изломы щек удобнее всего собирать и центровать с помощью сборочных планок и стяжных болтов (рис. 47). Такие приспособления позволяют достаточно жестко соединить две половины вала в подшипниках станины или люнетах станка, проверить и отрегулировать соосность шеек вала и размеры щеки.
При сварке сквозных изломов может произойти в результате усадки металла укорочение щеки при наложении первых 4—6 швов, причем размеры щеки могут уменьшиться на 2—2,5 мм. Такое укорочение как показывает опыт, не зависит от толщины щек.
При последующей сварке усадка будет уже менее значительна и не превышает 0,2—0,3 мм на каждые 100 мм толщины свариваемого металла. Чтобы сохранить размеры свариваемых щек, перед началом сварки они должны быть при помощи клиньев разведены на величину от 2 до 2,8 мм. Если сборка и сварка вала производятся непосредственно в раме, то для его укладки и закрепления необходимо изготовить чугунные или стальные временные вкладыши. Производить сварку и термообработку на рабочих вкладышах не рекомендуется. Перед началом сварки на концах вала устанавливают индикаторы, а затем осуществляют предварительный подогрев свариваемого места и прихватку шва. После наложения 6—8 слоев сварку прекращают, дают валу полностью остыть, устанавливают на место временные вкладыши и производят проверку вала при помощи индикатора и поверочных линеек. Данные замеров вносят в журнал.
При наличии больших отклонений вал разрезают по шву и вновь собирают при помощи сборочных планок с учетом поправок на основании полученных ранее замеров. При сварке вала после наложения 6—8 швов все сборочные приспособления снимаются и вал должен находиться в свободном состоянии. Если сварка вала производится в центрах станка с установкой на люнетах, то один из центров на время сварки освобождается, чтобы обеспечить свободное перемещение вала при удлинении его в результате нагрева; это позволяет избежать искривления осн вала.
Заварка трещин в галтелях и щеках вала является наиболее сложной операцией. Особенно большие затруднения встречаются при близком расположении щек и наличии трещин на внутренней поверхности щеки или у галтели. В этом случае неизбежна односторонняя разделка, которая может быть выполнена механической или огневой резкой. После огневой резки необходима зачистка наждачным кругом или зубилом.
Как правило, при односторонней сварке возникают большие поводки щеки и нарушение соосности вала, что неизбежно ведет к последующей правке. Правка щеки может производиться в горячем состоянии при помощи домкрата, специально изготовленного винтового распора или проковкой вала пневматическим молотком. Если глубина трещины превышает !/з диаметра шейки, то целесообразнее отрезать шейку около щеки, вырубить трещину, удалить выступы, заплавить впадины, сделать симметричную разделку на шейке и приварить шейку к щеке. В этом случае сборка стыкуемых частей вала выполняется при помощи сборочных планок и стяжного болта так же, как и при сквозном изломе. Для компенсации усадки оба конца вала предварительно раздвигаются в направлении продольной оси на 1,5—2,0 лш. Разделка кромок под сварку производится двухсторонняя со стороны щеки по типу заточки зубила. В этом случае отпадает трудоемкий и сложный процесс правки. Двухстороннюю сварку при симметричной разделке можно осуществить в пределах допустимых поводок. Схема разделки шейки вала дана на рис. 48.
Срез шейки по галтели встречается довольно часто. Восстановление вала производится аналогично описанному Быше. Первой операцией является наплавка торцов излома с выравниванием всех впадин, затем производится удаление всех выступов механической пли огневой резкой. Выравненные поверхности стыкуются, шейка подгоняется к шеке и на шейке дается нужная разделка. Собранные части вала прихватываются. После остывания проверяют точность сборки, а также проверяют на биение. Заварка производится с каждой стороны разделки с периодическим контролем за точностью оси вала. По окончании сварки обязательна местная или общая термообработка для снятия внутренних напряжений.
Разрушения шеек у смазочных отверстий встречаются двух видов: полный излом шейки и разрушение в виде трещин. При полном изломе форма его может быть очень сложной и часто возникает необходимость замены разрушенной шейки новой. Металл новой шейки по своему химическому составу и механическим свойствам подбирается близким к металлу ремонтируе
мого вала. Диаметр вновь вставляемой шейки берется на 2—3,5 мм больше. Припуск дается на обработку. Сварка новой шейки производится по технологии, описанной выше.
Порядок выполнения работ следующий: разрушенную шейку обрезают по границам щек и на строгальном станке разделывают под сварку. Подготовленную шейку устанавливают строго перпендикулярно к плоскости щеки, прихватывают, проверяют угольником и полностью приваривают к одной стороне вала. Сварку ведут попеременно с обеих сторон с распределением ' одинакового количества наплавляемого металла и проковкой шва. Сварной шов нагревают газовыми горелками до 650 °C для снятия внутренних напряжений.
Сборка второго стыка привариваемой шейки осуществляется при помощи сборочных планок. Собранный вал проверяют провертыванием в центрах станка. После этого производятся при хватка и приварка шейки к другому концу вала. До прихватки концы вала раздвигают на расстояние 1,5—2 мм в направлении продольной оси для компенсации продольной усадки шва. После сварки весь сварной узел (шейка и две щеки) подвергается вторичной термообработке.
При заварке в шейках отдельных трещин, расположенных около смазочных отверстий, требуется симметричная разделка их кромок с диаметрально противоположных сторон.
Чтобы избежать короблений, необходимо вначале полностью удалить трещину, после чего с противоположной стороны шейкн сделать такую же разделку по целому металлу. Сварка ведется попеременно то с одной, то с другой стороны разделки. Контроль за деформациями осуществляется при помощи индикаторов.
В ряде случаев трещины от смазочных отверстий располагаются не под прямым углом к продольной оси вала (рис. 49). Заварка таких трещин вызывает более сложные деформации шейки. В данном случае, в результате усадки шва, щеки вала может не только развести, но и развернуть одну щеку относительно другой. Если наклонно идущую трещину АБ (см. рис. 49) разложить на две составляющие АВ и БВ, то составляющая БВ будет изгибать шейку и разводить щеки, а составляющая АВ будет не только изгибать шейку, но и развертывать щеки вала.
После окончания сварки при наличии деформаций, определяе-‘ мых точными промерами, необходимо осуществить правку вала. Предварительно определяют места, где нужно вырезать фаску, и произвести последующую заварку (наплавку) с расчетом полной компенсации полученных валом деформаций. Если эти деформации невелики, то наплавку можно не делать. Окончательная доводка шейки может быть выполнена непосредственно в подшипниках рамы дизеля совместно с процессом местной термообработки сварного соединения. Для правки можно применять также распорные или стягивающие приспособления и домкраты.