Введение
Трактор МТЗ-80 остается одной из наиболее распространенных и интенсивно эксплуатируемых сельскохозяйственных машин на территории стран СНГ. Длительный срок службы и высокие эксплуатационные нагрузки неизбежно приводят к износу ключевых узлов трансмиссии, среди которых коробка переключения передач (КПП) занимает центральное место. Ремонт, а не замена, изношенных деталей является критически важным фактором для снижения эксплуатационных расходов и обеспечения экономической устойчивости сельскохозяйственных предприятий. Восстановление изношенных элементов позволяет значительно продлить ресурс техники при минимальных вложениях.
Объектом исследования в данной курсовой работе является вал 1 и 2 передачи КПП трактора МТЗ-80. Этот элемент подвергается наиболее жестким циклическим нагрузкам, что обуславливает появление типовых дефектов, требующих профессионального инженерного подхода к их устранению.
Цель работы — разработка исчерпывающего, технически обоснованного технологического процесса восстановления вала 1 и 2 передачи КПП МТЗ-80, обеспечивающего возврат детали к номинальным эксплуатационным характеристикам с минимальными затратами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- Проанализировать условия работы, конструктивные особенности и характер нагружения вала.
- Идентифицировать типовые дефекты и установить критерии выбраковки детали на основе действующих технических нормативов.
- Провести детальную дефектацию с применением методов неразрушающего контроля.
- Выбрать и обосновать наиболее эффективную технологию восстановления дефектных поверхностей.
- Разработать полный комплект технологической документации (маршрутную и операционную карты).
Структура работы построена на последовательном переходе от теоретического анализа к практическому инженерному проектированию технологического процесса, что соответствует требованиям, предъявляемым к курсовым работам технического профиля.
Теоретические основы и анализ условий эксплуатации
Конструкция и принцип работы узла
Вал 1 и 2 передачи является ключевым элементом вторичного вала КПП трактора МТЗ-80/82. Он конструктивно представляет собой ступенчатый вал со шлицевыми и гладкими поверхностями, предназначенными для установки шестерен, подшипников и уплотнений.
Вал установлен соосно с первичным валом КПП и несет на себе скользящие и свободно вращающиеся шестерни, которые при помощи муфт синхронизаторов или зубчатых муфт обеспечивают передачу крутящего момента от первичного вала к заднему мосту и далее к рабочим механизмам (например, к валу отбора мощности – ВОМ). Точность изготовления подшипниковых шеек и шлицевых соединений критически важна для правильного зацепления шестерен, минимизации шума и обеспечения долговечности всей трансмиссии, а малейшее отклонение от геометрии приводит к быстрому выходу из строя смежных компонентов.
Условия работы и характер нагружения вала
Вал 1 и 2 передачи работает в условиях, которые можно охарактеризовать как чрезвычайно жесткие. Нагружения носят комбинированный, циклический и ударный характер, что является основной причиной его износа и разрушения:
- Крутящие нагрузки: Возникают при передаче мощности двигателя. Их величина максимальна при работе на низших передачах и при трогании с места. Крутящий момент вызывает сдвиговые напряжения в материале вала, особенно в зонах наименьшего сечения и на шлицах.
- Изгибающие нагрузки: Возникают из-за радиальных сил, действующих на шестерни в процессе зацепления, а также от несоосности опор. Циклический изгиб является основной причиной усталостных разрушений.
- Ударные нагрузки: Характерны для моментов переключения передач, особенно при неаккуратном управлении или при работе в тяжелых дорожных условиях.
- Фрикционный износ: Проявляется на поверхностях, контактирующих с подшипниками, и, в особенности, на шлицевых соединениях при передаче момента, когда микросмещения между валом и втулкой шестерни приводят к интенсивному абразивному износу.
Материал изготовления валов КПП для МТЗ-80 — высококачественные конструкционные легированные стали (например, 40Х или 45Г2). Для повышения твердости и износостойкости поверхностный слой подвергается термической обработке, чаще всего, цементации или закалке токами высокой частоты (ТВЧ), что обеспечивает высокую поверхностную твердость (до 58–62 HRCэ) при сохранении вязкой сердцевины, устойчивой к ударным нагрузкам. При выполнении ремонтных работ крайне важно избежать перегрева, способного нарушить эту двухслойную структуру, иначе механические свойства детали будут безвозвратно утеряны.
Дефектация и критерии выбраковки вала
Типовые дефекты и виды износа
Анализ практики ремонта показывает, что для вала 1 и 2 передачи КПП МТЗ-80 характерны следующие типовые дефекты:
| Тип дефекта | Место локализации | Причина возникновения |
|---|---|---|
| Износ подшипниковых шеек | Шейки под роликовые и шариковые подшипники. | Абразивный износ, коррозионно-механический износ из-за недостатка или загрязнения смазки. |
| Износ шлицевого соединения | Шлицевые зубья (рабочие боковые поверхности). | Ударные и крутящие нагрузки, вызывающие смятие и абразивный износ боковых поверхностей. Нарушение плотности посадки. |
| Изгиб вала | Средняя часть вала. | Перегрузки, ударные нагрузки, неправильная сборка или эксплуатация. |
| Трещины | Зоны перехода от ступени к ступени, галтели, шлицевые пазы. | Усталостные напряжения, концентраторы напряжений. Наиболее опасный дефект. |
| Срыв резьбы | Концы вала. | Неправильная затяжка крепежа при сборке. |
Определение предельно допустимых размеров износа (по нормативам)
Для принятия решения о возможности восстановления или выбраковки детали необходимо руководствоваться техническими условиями на ремонт (ТУ) и каталогами завода-изготовителя. Если фактический износ превышает предельно допустимый, деталь считается неремонтопригодной. Какой важный нюанс здесь упускается? Именно строгое соблюдение этих пределов гарантирует, что восстановленная деталь будет иметь остаточный ресурс, сопоставимый с новым изделием, а не выйдет из строя через несколько десятков моточасов.
Пример предельно допустимых износов для валов КПП МТЗ-80:
| Параметр (Поверхность) | Номинальный размер (D, мм) | Предельно допустимый износ (ΔD, мм) | Предельный размер (Dпр, мм) | Примечание |
|---|---|---|---|---|
| Диаметр шейки под подшипник | 45.000 | 0.25 | 44.75 | Снижение диаметра. |
| Диаметр шейки под сальник | 30.000 | 0.30 | 29.70 | Снижение диаметра. |
| Ширина шлицевого паза (по впадине) | 3.500 | 0.40 | 3.90 | Увеличение размера. |
| Биение (радиальное) вала | 0.00 | 0.08 | 0.08 | Для подшипниковых шеек, не более. |
Примечание: Предельный износ шейки под подшипник 45 мм (0.25 мм) означает, что при диаметре 44.75 мм и менее, восстановление обязательно.
Методы и средства контроля дефектов
Приемка вала в ремонт и его дефектация должны проводиться с использованием точных измерительных приборов и методов неразрушающего контроля (НКТ).
1. Измерение геометрических параметров
- Средства: Микрометры, индикаторные нутромеры, скобы, штангенциркули.
- Контроль биения: Осуществляется на призмах с помощью индикатора часового типа (ИЧ). Предельное радиальное биение вала для МТЗ-80 не должно превышать 0.08 мм.
2. Неразрушающий контроль (НКТ) — Обнаружение трещин
Обнаружение поверхностных и подповерхностных трещин является обязательной процедурой, так как наличие трещины делает вал неремонтопригодным. Отвечая на скрытый вопрос: «И что из этого следует?», следует, что пропуск даже микротрещины гарантированно приведет к катастрофическому разрушению детали в процессе эксплуатации, поставив под угрозу безопасность и дорогостоящий ремонт всего узла.
Метод: Магнитопорошковый контроль (МПК)
Метод основан на регистрации искажений магнитного поля, создаваемых дефектами типа трещин в ферромагнитных материалах (каким является стальной вал).
- Оборудование: Дефектоскоп магнитопорошковый (например, серия ПМД).
- Стандарт: Контроль выполняется согласно требованиям ГОСТ 21105-87 (Неразрушающий контроль. Магнитопорошковый метод).
- Технология: Вал намагничивается, на его поверхность наносится магнитная суспензия. При наличии трещин частицы порошка оседают вдоль линий магнитного рассеяния, делая дефект видимым.
Критерий выбраковки: Обнаружение любой усталостной или закалочной трещины, независимо от ее длины и глубины, ведет к немедленной выбраковке вала. Восстановление валов с трещинами категорически запрещено.
Разработка и обоснование технологического процесса восстановления
Основной и наиболее часто встречающийся дефект, подлежащий ремонту, — это износ подшипниковых шеек и шлицевых соединений. Для примера рассмотрим восстановление подшипниковой шейки диаметром 45 мм, износ которой достиг предельного значения 44.75 мм.
Сравнительный анализ и выбор метода восстановления
Для восстановления цилиндрических поверхностей деталей трансмиссии используются различные методы. Проведем сравнение трех наиболее распространенных:
| Метод восстановления | Преимущества | Недостатки | Экономическая эффективность |
|---|---|---|---|
| 1. Автоматическая наплавка под флюсом | Высокая производительность, возможность использования высоколегированных материалов, низкий коэффициент использования материала. | Требует последующей сложной механической обработки (шлифование), значительный нагрев детали, необходимость термообработки (нормализация или отпуск). | Средняя. Высокие затраты на оборудование и последующую обработку. |
| 2. Электродуговая металлизация (ЭДМ) | Минимальный нагрев детали (отсутствие деформаций), простота оборудования, возможность создания пористых покрытий (удержание смазки). | Низкая прочность сцепления покрытия с основой, пористость, ограничение по толщине покрытия (до 1–2 мм). | Высокая. Низкая стоимость процесса, отсутствие термообработки. |
| 3. Гальваническое хромирование | Высочайшая твердость (до 70 HRC), высокая износостойкость, минимальный припуск на последующее шлифование. | Длительный, сложный и экологически опасный процесс, требует высокой чистоты поверхности, высокая стоимость. | Низкая. Применяется только для критически важных или малоразмерных шеек. |
Обоснование выбора:
Учитывая материал вала (термически упрочненная сталь), требование высокой прочности сцепления, необходимость восстановления значительного припуска (до 0.5 мм по диаметру) и относительно низкую стоимость ремонта в условиях ремонтного предприятия, наиболее оптимальным и экономически целесообразным методом для восстановления вала КПП является электродуговая металлизация (ЭДМ).
ЭДМ позволяет избежать значительного термического воздействия, что критически важно для сохранения структуры и прочности основной части легированного вала. Прочность сцепления, хотя и ниже, чем при наплавке, достаточна для подшипниковых шеек, работающих с относительно небольшим натягом или скользящей посадкой. Мы должны обеспечить минимальный термический удар, сохраняя при этом исходную прочность сердцевины вала.
Описание выбранной технологии восстановления (ЭДМ)
Электродуговая металлизация заключается в расплавлении двух металлических проволок электрической дугой и распылении полученного расплава сжатым воздухом на подготовленную поверхность.
Технологический процесс ЭДМ:
- Подготовка поверхности (Очистка): Вал очищается от загрязнений, масла и ржавчины.
- Шерохование (Активация): На дефектной шейке производится механическая обработка (например, точение или пескоструйная обработка) для придания поверхности необходимой шероховатости (Rz ≥ 60 мкм), что обеспечивает механический анкер для покрытия.
- Металлизация:
- Оборудование: Металлизатор типа ЭМ-14 или аналогичный.
- Материал: Проволока марки Пр-ОН-2 (легированная сталь) или сталь 65Г (рессорно-пружинная) для обеспечения высокой твердости покрытия.
- Режим: Ток 120–150 А, напряжение 25–30 В, давление воздуха 0.5–0.6 МПа.
- Нанесение: Покрытие наносится слоями, с обеспечением толщины, превышающей номинальный размер на величину припуска на последующую механическую обработку (шлифование).
- Уплотнение (Финишная обработка): Для снижения пористости покрытие пропитывается жидким компаундом или полимерными смолами (например, бакелитовым лаком).
Расчет технологических параметров
Необходимо рассчитать общий припуск на восстановление (нанесение покрытия) и припуск на механическую обработку (шлифование).
Исходные данные:
- Номинальный диаметр шейки, Dном = 45.000 мм.
- Предельно изношенный диаметр, Dпр = 44.750 мм.
- Толщина слоя износа, Zизн = Dном — Dпр = 0.25 мм (по радиусу 0.125 мм).
1. Расчет припуска на механическую обработку
Припуск на чистовую обработку (шлифование) Zобр берется в соответствии с технологическими нормативами для ЭДМ.
Припуск на сторону: z1 (подготовка) + z2 (шлифование).
- Припуск на подготовку: Для снятия окислов и шерохования (токарная обработка) принимаем z1 = 0.5 мм на диаметр.
- Припуск на шлифование: Для чистовой обработки после ЭДМ принимаем z2 = 0.6 мм на диаметр (0.3 мм на сторону).
Общий припуск на механическую обработку (шлифование):
Zшлиф = 0.6 мм.
Диаметр под металлизацию:
Dмет = Dпр — z1 = 44.750 — 0.5 = 44.250 мм.
2. Расчет толщины слоя напыления
Толщина слоя покрытия Hпок должна компенсировать износ, обеспечить припуск на шлифование и учесть запас на усадку/уплотнение (K ≈ 0.05).
Hпок = (Dном - Dмет) + Zшлиф + Zзапас
Hпок = (45.000 - 44.250) + 0.6 + 0.1
Hпок = 0.75 + 0.6 + 0.1 = 1.45 мм (по диаметру).
Толщина напыления на сторону: 0.725 мм.
Конечный диаметр после напыления (перед шлифованием):
Dнапл = Dном + Zшлиф + Zзапас = 45.000 + 0.6 + 0.1 = 45.700 мм.
3. Расчет режимов шлифования
Чистовое шлифование производится для достижения класса чистоты Ra 0.63–1.25 мкм и обеспечения посадки с натягом или переходной посадки под подшипник. Разве не стоит задаться вопросом, как мы можем гарантировать стабильность геометрических параметров после такой многоступенчатой обработки?
- Оборудование: Круглошлифовальный станок (например, 3К12).
- Круг: Электрокорунд белый 24А, зернистость 40Н, твердость СМ1, связка К.
- Скорость круга (Vкр): 30–35 м/с.
- Скорость детали (Vдет): 25–35 м/мин.
- Глубина резания (t): Черновое — 0.02 мм/дв. ход; Чистовое — 0.005 мм/дв. ход.
- Продольная подача (Sпр): 0.3–0.5 ширины круга за оборот.
Маршрутно-технологическая документация
Технологический процесс восстановления вала включает комплекс последовательных операций.
Маршрутная карта восстановления вала
Деталь: Вал 1 и 2 передачи КПП МТЗ-80
Материал: Сталь 40Х (после термообработки)
Метод восстановления: Электродуговая металлизация (ЭДМ)
| Номер операции | Наименование операции | Цех | Оборудование | Основное время (Tо, мин) |
|---|---|---|---|---|
| 005 | Мойка и очистка | Ремонтно-заготовительный | Моечная машина | 5.0 |
| 010 | Дефектация и выбраковка | Контрольно-диагностический | ИЧ, Микрометр, Магнитопорошковый дефектоскоп | 15.0 |
| 015 | Правка (при необходимости) | Механический | Пресс гидравлический | 10.0 |
| 020 | Подготовка поверхности (Токарная) | Механический | Токарно-винторезный станок 1К62 | 20.0 |
| 20.1 | Обточка шейки под напыление Dмет = 44.250 мм. | |||
| 025 | Электродуговая металлизация | Восстановительный | Металлизатор ЭМ-14 | 30.0 |
| 25.1 | Нанесение покрытия до Dнапл = 45.700 мм. | |||
| 030 | Контроль толщины напыления | Контрольно-диагностический | Микрометр | 3.0 |
| 035 | Шлифование чистовое | Механический | Круглошлифовальный станок 3��12 | 45.0 |
| 35.1 | Шлифование до окончательного размера Dном = 45.000 мм. | |||
| 040 | Финишная пропитка покрытия (Уплотнение) | Восстановительный | Ванна с компаундом | 15.0 |
| 045 | Окончательный контроль качества | Контрольно-диагностический | Измерительные приборы | 7.0 |
Операционная карта (на ключевую операцию)
Операция 035: Шлифование чистовое
Назначение: Достижение номинального диаметра шейки под подшипник (D 45.000 мм) и требуемой шероховатости (Ra 0.63–1.25 мкм).
Оборудование: Круглошлифовальный станок 3К12
Оснастка: Центры, поводковый патрон, шлифовальный круг (см. расчет).
| Переход | Содержание операции | Режимы обработки | Измерительный инструмент | Технические требования |
|---|---|---|---|---|
| 1. | Установка вала в центрах. Проверка биения. | — | Индикатор ИЧ-10 | Биение не более 0.01 мм. |
| 2. | Черновое шлифование. Удаление основной части припуска. | Vкр = 30 м/с; Vдет = 30 м/мин; t = 0.02 мм/дв. ход; Sпр = 0.5 ширины круга. | Скоба, Микрометр | Оставить припуск 0.1 мм на чистовую обработку. |
| 3. | Чистовое шлифование. Доводка размера. | Vкр = 32 м/с; Vдет = 25 м/мин; t = 0.005 мм/дв. ход; Sпр = 0.2 ширины круга. | Индикаторный нутромер | Достижение диаметра 45.000 +0.005-0.000 мм. |
| 4. | Выхаживание (искровая очистка). | t = 0.00 мм; 5–7 двойных ходов без подачи. | Профилометр | Шероховатость Ra 0.63–1.25 мкм. |
| 5. | Снятие детали и окончательный контроль. | — | Микрометр, Калибр-скоба | Контроль размера и чистоты. |
Заключение
В рамках данной курсовой работы была успешно разработана комплексная технология восстановления вала 1 и 2 передачи КПП трактора МТЗ-80. Выполненный анализ условий эксплуатации подтвердил, что основной причиной выхода детали из строя является абразивный и фрикционный износ подшипниковых шеек и шлицевых соединений, а наиболее критическим дефектом является усталостное разрушение (трещины), при обнаружении которых вал подлежит выбраковке.
На основании детальной дефектации, включающей использование магнитопорошкового контроля (МПК) в соответствии с ГОСТ 21105-87, были установлены точные критерии допустимого износа. Проведенное технико-экономическое сравнение методов восстановления показало, что наиболее целесообразным для данного типа дефекта и материала вала является электродуговая металлизация (ЭДМ). Этот метод позволяет восстановить номинальные размеры с минимальным термическим воздействием на материал основы, сохраняя его прочность и структуру, что критически важно для ответственных деталей трансмиссии. Таким образом, мы получаем деталь, чьи эксплуатационные характеристики не уступают новой, но при этом затраты на ее производство существенно ниже.
Был произведен расчет технологических параметров, включая определение припусков на восстановление и чистовую механическую обработку, а также подобраны оптимальные режимы шлифования. Финальным результатом работы является разработанная маршрутно-технологическая карта, которая включает все этапы процесса — от мойки и дефектации до финишной обработки, а также детальная операционная карта на ключевую операцию шлифования.
Разработанная технология является технически обоснованной, соответствует действующим производственным стандартам и обеспечивает восстановление эксплуатационных характеристик вала, подтверждая высокую техническую и экономическую эффективность ремонта по сравнению с приобретением новой детали.
Список использованной литературы
- Ремонт автомобилей / Под редакцией С.И. Румянцева. Москва: Транспорт, 2008.
- Карагодин В.И., Митрохин Н.Н. Техническое нормирование ремонтных работ. Москва: Колос, 2009.
- Матвеев Н.А., Пустовалов И.И. Техническое нормирование ремонтных работ. Москва: Колос, 2009.
- Краткий справочник металлиста / под ред. П.Н. Орлова. Москва, 2006.
- Оборудование для ремонта автомобилей / под ред. Шахнева. Москва: Транспорт, 2009.
- Мельников П.С. Справочник технолога.
- Справочник технолога авторемонтного производства / под ред. А.Г. Малышева. Москва: Транспорт, 2007.
- Клебанов Б.В. Проектирование производственных участок авторемонтных предприятий. Москва: Транспорт, 2005.
- Технология ремонта машин: краткий курс лекций для студентов IV курса. URL: vavilovsar.ru (дата обращения: 30.10.2025).
- ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИ РЕМОНТЕ МАШИН. URL: kubsau.ru (дата обращения: 30.10.2025).
- Иванов В.П. Ремонт машин. URL: psu.by (дата обращения: 30.10.2025).
- Методика проведения неразрушающего ультразвукового контроля вала ротора Р-560. URL: stroyinf.ru (дата обращения: 30.10.2025).
- Методике проведения неразрушающего контроля валов лебедки ЛВ-15. URL: meganorm.ru (дата обращения: 30.10.2025).
- Технологический процесс восстановления вала внутреннего КПП трактора МТЗ-82 со втулкой в сборе 50-1701185 (курсовой проект). URL: c-stud.ru (дата обращения: 30.10.2025).