РЕМОНТ ОБОРУДОВАНИЯ СВАРКОЙ

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 кГм/см2-, 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 0,40—0,55

Температура подогре­ва в СС 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 °С, 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.

Продолжительность нагрева и выдержки и зависимости от диаметра шейки или толщины щеки вала для углеродистой стали приведены в табл. 9.

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 оси 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

я)

Рис. 45. Характерные разрушении коленчатых валов:

а — излом щеки; б—излом шейки; в — трещина в галтели; г — трещина по смазочному отверстию; д — излом конца вала около маховика

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 °С.

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 а 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 ка место временные вкладыши и производят проверку вала при

4 К. П. Вощаное
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 оси 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 мм. 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 выше. Пер­вой операцией является наплавка торцов излома с выравнива­нием всех впадин, затем производится удаление всех выступов механической или 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 еидє 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-

SHAPE * MERGEFORMAT

Рис. 48. Разделка шейки вала под Рис. 49. Схема заварки трещин

сварку. Плоскость разделки заштри - у смазочных отверстий шейкн вала

хована

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 °С 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, определяе­мых 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.