Исследование влияния электролитно-плазменной модификации на усталостную прочность коленчатого вала КамАЗ-740 после капитального ремонта с применением моделирования методом конечных элементов

Аннотация

При капитальном ремонте коленчатого вала, с поверхности шеек снимается упрочненный слой материала. Ресурс и механические свойства такого двигателя значительно снижены по сравнению с новым. В исследовании предлагается метод электролитно-плазменной модификации поверхности отремонтированных шеек коленчатого вала КамАЗ-740, изготовленного из хромомолибденовованадиевой стали 42ХМФА ТУ 14-1-5083-91 (аналог AISI 4140), с целью восстановления и улучшения усталостной прочности. Был исследован, разрушенный после капитального ремонта коленчатый вал дизельного двигателя КамАЗ-740, имеющий на поверхности шатунной шейки усталостную трещину. При исследовании микроструктуры было выявлено образование фазы высокоуглеродистого мартенсита на поверхности обработанного образца, а также включений карбидов легирующих элементов (Cr, Mo, V) и цементита (Fe₃C). Анализ микротвердости образцов по методу Виккерса показал увеличение твердости поверхности со значений 356…380 HV (исходная структура) до 592…624 HV (после модификации). Методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS Mechanical было смоделировано поведение коленчатого вала КамАЗ-740 при воздействии на него рабочих циклических нагрузок. Анализ показал, что наибольшие напряжения 91,673 МПа возникают в галтелях шатунной шейки, а максимальные значения деформации тела шейки достигают 11,829 мкм. Было установлено, что отшлифованный коленчатый вал, без последующего поверхностного упрочнения, имеет сниженное количество циклов работы до 163070, но после поверхностной электролитно-плазменной модификацией может работать неограниченной количество циклов. Метод электролитно-плазменного модифицирования поверхности шеек коленчатого вала позволяет увеличить запас прочности на 18…38%. Результаты данного исследования имеют практическую значимость для повышения качества капитального ремонта стальных коленчатых валов дизельных и бензиновых двигателей и увеличения их срока эксплуатации.