Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Мяконьков Михаил Борисович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ

ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ  НА ПОРШНЕВЫЕ КОЛЬЦА СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ИХ ВИБРАЦИОННОГО И НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

05.08.05 Судовые энергетические установки и их элементы (главные и  вспомогательные);

  05.08.04 Технология судостроения и судоремонта,  организация судостроительного производства.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Санкт Петербург - 2012

  Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций (ФБОУ ВПО СПГУВК)

Научный руководитель:  кандидат технических наук, доцент Ганин Николай Борисович

Научный консультант: доктор технических наук Хмелевская Ванда Болеславовна 

Официальные оппоненты:  Чулкин Сергей Георгиевич

доктор технических наук, профессор,

зав. каф. машиноведения и деталей машин

Санкт-Петербургского государственного

политехнического университета.

Жуков Владимир Анатольевич

кандидат технических наук, доцент,

зав. каф. ДВС и технологии машиностроения

Тутаевского филиала ГОУ ВПО

Рыбинская государственная авиационная

технологическая академия имени П. А. Соловьева.

Ведущая организация открытое акционерное общество ЗВЕЗДА.

Защита диссертации состоится  л12 апреля 2012 г. в л13 часов на заседании диссертационного совета Д 223.009.04 при ФБОУ ВПО СПГУВК по адресу: 198035, Санкт-Петербург, Двинская ул. 5/7, ауд. 235.

Тел. 8(812) 490-93-08; e-mail: acouncil@spbuwc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФБОУ ВПО СПГУВК

Автореферат разослан л11 марта  2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета  Д 223.009.04

д.т.н., профессор  Ерофеев В.Л.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Опыт эксплуатации судов внутреннего и смешанного река-море плавания показывает, что надежность судовых дизелей в значительной степени зависит от скорости изнашивания верхних поршневых колец, которая определяется их  вибрационным и напряженно-деформируемым состоянием, а также составом и технологией нанесения износостойких покрытий.

Однако до сих пор действительный ресурс верхних поршневых колец значительно ниже долговечности других деталей ЦПГ судовых ДВС. Так, широко применяемый гальванический способ нанесения хрома на рабочую поверхность поршневых колец всего лишь на 30% снижает интенсивность изнашивания по сравнению с нехромированными кольцами, что явно недостаточно особенно при повышенных давлениях сгорания в цилиндре, характерных для форсированных судовых дизелей.

Таким образом, исследование вибрационного и напряженно-деформируемого состояния и разработка новых технологий нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца при работе на повышенных давлениях сгорания, является актуальным как для судоходных компаний, так и дизелестроительных и судоремонтных предприятий.

Объект исследования

Объектом исследования являются судовые дизельные двигатели.

Предмет исследования

Предметом исследования являются поршневые кольца судовых дизелей и износостойкие покрытия, нанесенные на рабочие поверхности компрессионных колец.

Цель работы

Повышение износостойкости высокофорсированных судовых дизелей путем определения требований, предъявляемым к поршневым кольцам, и разработки прогрессивных технологических процессов нанесения износостойких покрытий на поршневые компрессионные кольца с учетом их вибрационного и напряженно-деформированного состояния.

Задачи работы

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

• Провести анализ современных тенденций форсирования судовых дизелей, выявить причины износа и пути дальнейшего повышения износостойкости и эксплуатационных свойств пар трения втулка-кольцо-поршень при общемировой тенденции увеличения уровня форсирования судовых дизелей.
• Провести численные исследования вибрационного и напряженно-деформированного состояния узла трения втулка-кольцо-поршень и сформулировать требования, предъявляемые к покрытиям на компрессионные поршневые кольца судовых дизелей, при высоком уровне форсирования.
• Исследовать влияние вибрационного и напряженно-деформированного состояния на адгезионную прочность износостойких покрытий и технологию их нанесения на рабочие поверхности компрессионных поршневых колец.
• Разработать методики испытаний износостойких покрытий для компрессионных поршневых колец;
• Разработать современные технологии нанесения износостойких покрытий, обеспечивающие повышение износостойкости поршневых колец по сравнению с традиционным хромированием и разработать новую технологию, позволяющую управлять структурой износостойкого покрытия.
• Выполнить исследование параметров долговечности износостойких покрытий, нанесенных с использованием новых технологий, обеспечивающих повышение износостойкости поршневых колец.

Методы исследований и достоверность результатов

Поставленные задачи решены путем проведения численного моделирования напряженно-деформированного состояния узла втулка-кольцо-поршень с использованием программного комплекса Solid Works и сравнительных экспериментальных исследований свойств покрытий на поршневые компрессионные кольца.

Достоверность  экспериментальных исследований обеспечена  корректным использованием сертифицированного контрольно измерительного оборудования и удовлетворительной сходимостью результатов лабораторных исследований и известных закономерностей теории трения и износа.

Научная новизна заключается в разработке:

• методики определения собственных и резонансных частот, формы колебаний поршневых колец и втулок цилиндров с учетом частоты вращения коленчатого вала;
• комплекса требований к износостойким покрытиям с учетом вибрационного и напряженно-деформированного состояния узла трения при увеличении уровня форсирования судовых дизелей;
• технологических процессов нанесения износостойких покрытий, позволяющих управлять структурой износостойкого слоя и получать наноструктурированные покрытия.

Практическая ценность

Разработаны технологические процессы нанесения кремнийуглеродного покрытия SiC2OH, на рабочие поверхности поршневых колец методом осаждения паровой фазы плазменной струи и покрытия ПН85Ю15 с 15% карбида хрома, нанесённого плазменным напылением с ультразвуковой обработкой, что позволяет повысить их износостойкость по сравнению с традиционным покрытием гальваническим хромом.

На защиту выносятся  результаты:

• исследования напряженно-деформированного и вибрационного состояния поверхностей износа узла трения: втулка-кольцо-поршень и его влияние на адгезионную прочность покрытия;
• определения собственных частот и формы колебаний поршневого кольца и втулки цилиндра;
• исследований свойств покрытий, нанесенных на чугунные поршневые кольца методом осаждения паровой фазы плазменной струи и плазменным напылением с учетом и без учета ультразвуковой обработки по сравнению с  традиционным методом хромирования;
• исследования влияния фуллероидных наночастиц, введенных в моторное масло, на коэффициент трения.

Реализация результатов работы

Результаты работы предполагается  использовать на ОАО Звезда, АО Коломенский завод и АО Завод им. Ленина г. Астрахань.

ичный вклад соискателя состоит в:

• непосредственном участии соискателя в получении исходных данных и научных расчетно-экспериментальных исследованиях,
• ичном участии в апробации результатов исследований,
• разработке новых технологий нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца при участии автора,
• разработке экспериментальных стендов и установок, выполненным лично автором,
• обработке и интерпретации экспериментальных данных, полученных при участии автора,
• участии автора в подготовке основных публикаций и монографии по выполненной работе.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы доложены на конференции Транстрибо, СПбГПУ, 2010г, научно практической конференции Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, 2011, ООО Плазмацентр, научно-технических семинарах кафедры СПГУВК, 2008-2009г.г.

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в монографии и шести печатных работах, в том числе четырех работах в изданиях, рекомендованных ВАК. 

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и результатов, списка использованных источников и приложения. Содержит 135 страниц, 67 рисунков, 26 таблиц, список использованных источников из 113 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, роль узла поршень - поршневые кольца - втулка цилиндра с учетом вибрационного и напряженно-деформируемого состояния при  повышении уровня форсирования судовых ДВС.

В первой главе  представлен обзор работ по проблеме повышения износостойкости узла цилиндровая втулка - поршневое компрессионное кольцо-поршень. Как известно, основное назначение компрессионных колец - обеспечение уплотнения между камерой сгорания и картером. При износе поршневого кольца возрастает прорыв газов в картер, что уменьшает мощность двигателя, увеличивает дымность отработавших газов, увеличивает возможность коррозии поверхностей, контактирующих с выхлопными газами, ухудшает пусковые свойства двигателя. Верхнее компрессионное кольцо во время работы дизеля испытывает напряжение сжатия от давления отработавших газов, напряжение изгиба, вибрационные нагрузки и трение о втулку цилиндра и поршневую канавку.

Основную роль в обеспечении уплотнения играют рабочие поверхности кольца, контактирующие одновременно с цилиндровой втулкой и с нижней частью поршневой канавки. Здесь решающее значение для износостойкости имеет материал и технология нанесения покрытия на рабочую поверхность поршневого кольца, а также эпюра  напряжения поршневого кольца в зоне его контакта. С повышением уровня форсирования судовых ДВС прежние технологии нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца пористым хромом в меньшей степени удовлетворяют возросшим требованиям к покрытиям в условиях более высоких температур и давлений.

Приведён литературный обзор технологических процессов изготовления поршневых колец и методов нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности колец.

Фундаментальной проблеме повышения эффективности работы деталей судовых механизмов посвящены научные труды учёных В.М. Кряшкова, М.А. Масино, М.К. Овсянникова, А.П. Семёнова, Л.И. Погодаева, Ю.Н. Цветкова и др.

Многие вопросы теории и практики, связанные с повышением работоспособности машин и механизмов, рассмотрены в работах Андрияхина В.М., Борчевского О.А., Кулика А.Я., Кудинова В.В., Буше А.В., Хмелевской В.Б. и др.

Отсутствие комплексного подхода к разработке ресурсосберегающих технологий приводит к большому износу деталей цилиндропоршневой группы. Несмотря на большой объём выполненных исследований и проведённых экспериментальных работ, к настоящему времени проблема повышения износостойкости поршневых колец, а также связанная с ней повышение степени форсированности судового дизеля, остается весьма актуальной. 

Повышение износостойкости поршневых колец представляет собой комплексную задачу, где необходимо учесть множество конструктивных и режимных параметров судового дизеля. На износостойкость поршневых колец влияют следующие факторы:

• режим работы дизеля;
• вибрация компрессионных колец;
• конструкция кольца и поршневой канавки;
• материалы поршня, кольца и цилиндровой втулки;
• материал и технология нанесения покрытия на рабочие поверхности компрессионных колец.

В результате воздействия максимального давления сгорания газов деформируется кольцо, втулка и поршневая канавка, что в свою очередь меняет положение кольца в поршневой канавке. Эти изменения ведут к перераспределению эпюры контактных напряжений кольца, что может повлиять на его уплотняющее свойство. Эти явления тесно взаимосвязаны и не подлежат дифференциации. Поэтому проблему повышения износостойкости высокофорсированных судовых дизелей необходимо решать комплексно, а не расчленять ее путем совершенствования  отдельных элементов. Подобное направление пока не нашло отражения в научно-технических публикациях.

Анализ литературы показал, что в настоящее время отсутствует комплексный подход к решению таких разнородных задач как повышение износостойкости и долговечности узла трения. Комплексный подход позволит сформулировать более объективные требования, предъявляемые к износостойким покрытиям поршневых колец с учетом адгезионной прочности и нагрузки схватывания при контактном взаимодействии, а также критериальной теории оценки виброактивности судовых дизелей.

Во второй главе приведены результаты численного моделирования напряженно деформируемого состояния узла трения поршень - поршневое кольцо - цилиндровая втулка при повышенном максимальном давлении сгорания в цилиндре методом конечных элементов.

По мере увеличения давления в цилиндре увеличивается и прижатие кольца к стенке цилиндра, а также давление газов на нижнюю часть поршневой канавки, что должно приводить к деформации поршневой канавки. Знание перемещений и напряжений в зонах контакта кольца с цилиндровой втулкой и поршнем позволит сделать более обоснованный выбор материалов и покрытий для этих деталей при заданных высоких давлениях сгорания. С помощью численного моделирования сборки поршень - кольцо - цилиндровая втулка методом конечных элементов можно определить вышеупомянутые перемещения и напряжения.

В качестве объекта моделирования был выбран цилиндропоршневой узел дизеля типа ЧН 15/18.

Исследовательское моделирование проведено при трех значениях максимального давления сгорания: 7 - 16 - 25МПа. Расчетная схема узла трения показана на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная схема цилиндропоршневого фрагмента узла трения

1 - днище поршня, 2- втулка цилиндра, 3 - первое поршневое кольцо, 4 - зазор, 5 - заколечный объем первой поршневой канавки, 6 - заколечный объем второй поршневой канавки, 7-плоскость закрепления поршня, 8 - цилиндрическая грань закрепления втулки цилиндра.

В результате расчета были получены числовые значения деформации и напряжения кольца, поршня и втулки при статической нагрузке. Картина деформации узла трения для максимального давления 25 МПа показана на рис.а2.

Рис. 2. Деформации кольца, поршневой перемычки и втулки при увеличении 100.

Из рисунка видно, что профиль компрессионного кольца и поршневой перемычки после статической нагрузки приобретают тарельчато-образную форму, а концентрация напряжения кольца находится в верхней части рабочей поверхности.

В результате перемещения поршневой перемычки рабочая поверхность кольца скользит по зеркалу цилиндра с некоторым поворотом, в результате чего происходит перераспределение контактного напряжения по высоте кольца, таким образом, напряжение поверхности в нижней части кольца в 4 раза меньше, чем в верхней. Разница в перемещениях верхней и нижней частей кольца составляет всего 1мкм и достигает абсолютной величины около 32 мкм. Величина перемещения 1 мкм является, очевидно, результатом сжатия кольца, в то время как 31 мкм результат изгиба поршневой перемычки. Результаты расчета эпюры напряжений (МПа) на цилиндрической рабочей поверхности кольца h (мм), в зависимости от максимального давления сгорания, приведены на рис. 3.

Рис. 3. Эпюры напряжений (МПа) на цилиндрической рабочей поверхности кольца h (мм), в зависимости от максимального давления сгорания.

На графике видно, что из-за деформации кольца эпюра напряжений на рабочей поверхности кольца носит нелинейный характер, причем наиболее интенсивный характер снижения напряжения происходит от верхней кромки кольца до высоты 1 мм. Так, например, снижение напряжения при максимальном давлении 25 МПа составило от 65,5 МПа до 26 МПа. Соответственно при 16 МПа это снижение составило от 26 до 10,4 МПа, а при 7 МПа  от 14,1 до 5,6. Нетрудно заметить, что величина отмеченного снижения в 2,5 раза меньше наибольшего напряжения на верхней кромке кольца (до фаски). Исходя из полученных данных, можно предположить, что наиболее интенсивный износ можно ожидать в зоне наибольших контактных напряжений, т.е. на длине 1 мм высоты  кольца в его верхней части, что соответствует  около 1/3 высоты кольца. При этом адгезионная прочность и нагрузка схватывания износостойкого покрытия, нанесенного на зону наибольших контактных напряжений, играют существенную роль.

Вторым этапом является исследование напряжения в нижней плоскости поршневой канавки и кольца. Несмотря на их непосредственный контакт величины напряжений у них существенно различаются, что наглядно демонстрирует рис. 4.

Рис. 4 График распределения напряжений канавки поршня и поршневого кольца.

Как видно из графика, пик напряжения нижней плоскости канавки находится не в месте заделки поршневой перемычки, а на расстоянии 0,7 мм от неё и составляет 128 МПа, далее до 2,1 мм идет интенсивное равномерное снижение напряжения до 46 МПа. Последующее равномерное снижение до 16 МПа проходит почти при постоянной разнице напряжений (15 МПа) между плоскостью канавки и плоскостью кольца. Колебания напряжений на поверхности нижней поверхности кольца не так значительны и составляют от 21 МПа до 8 МПа. Из расчёта следует, что покрытие на поршневое кольцо должно обладать высокой нагрузкой схватывания с материалом поршня. Проведенные численные эксперименты указывают на необходимость повышенных требований к адгезионной прочности покрытия с основным материалом кольца.

Однако пропуск отработавших газов между зеркалом цилиндра и поршневым кольцом во многом зависит от свободных резонансных частот кольца в поршневой канавке и формы колебаний кольца. Знание резонансной частоты кольца позволит определить критическую частоту вращения коленчатого вала, при которой может произойти интенсивный прорыв газов в картер. Результаты численного моделирования резонансных частот первого поршневого кольца приведены в следующем подразделе.

Одной из основных причин увеличения утечки газов из цилиндра является потеря контакта между кольцом и цилиндром вследствие резонансных колебаний поршневого кольца. Очевидно, что степень утечки будет зависеть от формы колебания кольца. Поэтому кроме определения резонансных частот необходимо выявить форму колебания кольца. Для этого используем программу Solid Works 2010 приложение COSMOS Xpress. Результаты численного моделирования  семи первых резонансных частот и формы колебаний поршневого кольца сведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты численного моделирования семи первых резонансных частот и формы колебаний поршневого кольца.

№	Резонансная частота, Гц	Начальная форма колебания	Конечная форма колебания
1.	80,3
2.	165,5
3.	380
4.	702,7
5.	1122,7
6.	1633,8
7.	2231,8

Как видно из таблицы, минимальная резонансная частота составляет 80,3 Гц, что соответствует частоте вращения коленчатого вала 4818 мин-1. Однако судовые дизели на такой частоте вращения не эксплуатируются, поэтому нет опасения входа поршневого кольца в режим резонанса и его разрушения от воздействия частоты вращения коленчатого вала. Тем не менее, в основе решения проблемы повышения долговечности должен быть системный анализ, где бы учитывались все параметры, влияющие на износостойкость и надежность поршневого кольца.

Исходя из результатов численного моделирования поведения первого компрессионного кольца в узле трения, при высоких максимальных давлениях сгорания, а также обзора технологий нанесения покрытий на поршневые кольца, можно сформулировать требования к износостойким покрытиям. Покрытия на поршневые кольца должны удовлетворять следующим требованиям:

• обладать низким коэффициентом трения с сопряжённой парой (втулкой цилиндра);
• иметь стойкость при фреттинг изнашивании с материалом поршня;
• покрытия должны иметь хорошую прирабатываемость узла трения с незначительным износом цилиндровой втулки;
• иметь повышенную адгезионную стойкость с основой и отсутствие схватывания при высоких температурах;
• обладать необходимой вибрационной стойкостью;
• иметь высокую нагрузку схватывания кольца с втулкой;
• иметь мелкодисперсные продукты изнашивания;
• обладать повышенными коррозионными свойствами.

В третьей главе разработаны методики исследования параметров износостойких покрытий компрессионных поршневых колец, новая технология нанесения износостойких покрытий по сформулированным требованиям, предъявляемым к покрытиям на поршневые кольца судовых дизелей при повышенных максимальных давлениях сгорания. Основу этой технологии составляет метод осаждения паровой фазы плазменной струи и плазменное напыление с послойной ультразвуковой обработкой.

В качестве прототипа использована технология нанесения хрома на рабочие поверхности кольца гальваническим способом. Эффективность использования указанных технологий  нанесения покрытий была оценена с использованием перечисленных методик по следующим параметрам:

1. Адгезионной прочности (методом Хасуя и склерометрическим методом);
2. Триботехническим характеристикам (на модернизированной машине трения СМЦ-2);
3. Коррозионной стойкости (на потенциостате);
4. Адгезионной стойкости при высоких температурах (на установке Войнова);
5. Структуры покрытий для определения причины изменения свойств (на атомно-силовом микроскопе и ДРОН);
6. Вибрационной стойкости покрытий (на приборе акустической эмиссии ФТИ).
7. Износу поршневых канавок при фреттинг испытаниях (на магнитострикционном приборе);
8. Определение коэффициента трения при введении в масло фуллеренов.

В четвертой главе сравниваются результаты испытаний покрытий на рабочих поверхностях поршневых колец нанесённых новым методом осаждения паровой фазы плазменной струи кремнийуглеродного реагента SiC2OH и традиционным гальваническим нанесением хрома.

В результате исследований установлено, что новый метод нанесения покрытий путем осаждения паровой фазы плазменной струи кремнийуглеродного реагента SiC2OH  по сравнению с традиционным гальваническим нанесением хрома приводит к:

• увеличению адгезионной прочности, определенной склерометрическим способом в 1,8 раза;
• увеличению нагрузки схватывания;
• уменьшению величины износа при полусухом трении и в масле;
• увеличению коррозионной стойкости;
• увеличению температуры прилипания покрытия с 200С до 400С;
• уменьшению величины фреттинг изнашивания;
• уменьшению структуры покрытия.

Результаты исследований адгезионной прочности покрытий и триботехнических испытаний приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2

Результаты исследования адгезионной прочности

Покрытия	Адгезионная прочность,
	По методике Хасуя, МПа	Склерометрическим способом на отрыв, Н
Хром, нанесенный гальваническим способом	18,5	36
Кремнийорганический реагент SiC2OH, нанесенный методом ОПФПС	18,6	65

Таблица 3

Результаты триботехнических испытаний

Наименование покрытия	Нагрузка, кг	Износ,  мм	Износ сопряжённой пары, мм	Время испытания, ч	Ктр
Гальванический хром	100	0,002	0,05	3 часа полусухое трение	0,07 0,075 0,08
реагент SiC2OH, нанесенный методом ОПФПС	100	-	-	3 часа полусухое трение	0,06 0,06 0,06
реагент SiC2OH, нанесенный методом ОПФПС	300	0,001	0,001	3 часа полусухое трение	0,06 0,06 0,065
Гальванический хром	200	0,004	0,04	27 часов в масле	0,075
реагент SiC2OH, нанесенный методом ОПФПС	300	0,001	0,002	27 часов в масле	0,05 0,055 0,06

Из таблиц видно, что величина износа при полусухом трении и в масле при использовании покрытий реагентом SiC2OH, нанесённым методом осаждения паровой фазы плазменной струи, меньше чем при гальваническом покрытии хромом в среднем в три раза даже при высокой нагрузке.

Фотографии структур гальванического хрома и покрытия SiC2OH приведены на рис. 5 и 6

Рис. 5.  Структура гальванического хрома (увеличение 800).

 

Рис. 6. Структура покрытия SiC2OH  (увеличение 800).

Из фотографий видно, что покрытие SiC2OH имеет заметно более мелкую структуру, чем покрытие гальваническим хромом.

На графике рис. 7 приведена диаграмма зависимости момента трения от нагрузки при исследовании образца с гальваническим покрытием хрома.

Рис. 7. Зависимость нагрузки схватывания и момента трения гальванического покрытия хромом в паре с чугуном (I - нагрузка 50 кгс, II - нагрузка 100 кгс).

Из рисунка видно, что при нагрузке в 100 кгс происходит схватывание гальванического покрытия с чугуном.

На рис. 8 приведена диаграмма зависимости момента трения от нагрузки при исследовании образца с покрытием нанесенным методом осаждением паровой фазы плазменной струи.

Рис. 8. Зависимость момента трения от нагрузки для покрытия реагентом SiC2OH, нанесённого методом ОПФПС в паре с чугуном (I - нагрузка 50 кгс, II - нагрузка 150 кгс, III - нагрузка 300 кгс).

Из графика видно, что даже при нагрузке в 300 кгс не происходит схватывания покрытия осаждением паровой фазы плазменной струи с чугуном.

В процессе эксперимента получены дифрактограммы рентгенострук-турного анализа, позволяющие оценить структуру покрытий. Результаты рентгеноструктурного анализа демонстрируются на рис. 9, которые показывают в основном аморфизированную структуру, что и делает понятной причину повышения нагрузки схватывания и увеличение износостойкости.

 

Рис. 9. Дифрактограмма рентгеноструктурного анализа покрытия SiC2OH.

Однако экспериментальные исследования выявили главный недостаток покрытий осаждением паровой фазы плазменной струи заключающийся в низкой усталостной прочности.

Сравнительные данные исследований показали более высокие свойства покрытий осаждением паровой фазы плазменной струи по сравнению с гальваническими покрытиями.

В пятой главе приводятся результаты исследования и получения наноструктурированных покрытий, описывается метод исследования влияния ультразвуковой обработки плазменных покрытий на их свойства.

Приводятся результаты исследования ультразвуковой обработки износостойких покрытий при использовании ультразвуковых установок с различной частотой,  амплитудой и мощностью излучения при различных углах ввода ультразвукового волновода.

Схемы ввода ультразвукового волновода при плазменном нанесении покрытия показано на рис. 10.

Рис. 10. Схемы ввода ультразвукового волновода.

С помощью алгоритма поиска материалов, разработанного д.т.н. Марлеем М.И., в базе данных, составленной на основе исследований Хмелевской В.Б. и Погодаева Л.И, был выбран материал ПН85Ю15 с 15 % карбида хрома для нанесения в качестве износостойкого покрытия на рабочие поверхности поршневых колец.

Фотография установки для нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца по новой технологии показана на рис. 11.

Рис. 11. Нанесение износостойких покрытий плазменным напылением с ультразвуковой обработкой.

Результаты испытаний на адгезионную прочность плазменного напыления покрытия ПН85Ю15+15% CrС с ультразвуковой обработкой и без неё приведены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты испытаний на  адгезионную прочность

Покрытия	Прочность сцепления, МПа	пр, МПа
Плазменное покрытие	16,5	215
Плазменное покрытие с ультразвуковой обработкой	20,6	250

Из таблицы можно сделать вывод, что воздействие ультразвуковой обработки повышает адгезионную прочность сцепления на 25% и уменьшает разрушение при склерометрической нагрузке, что определяет уменьшение износа при ударном воздействии на поршневое кольцо.

Проведенные исследования влияния ультразвуковой обработки и нагрузки схватывания на износ покрытий ПН85Ю15 с 15% карбида хрома, при испытании на машине трения, по схеме 1, приведены в таблице 5 (3часа - полусухое трение, 27 часов трение с маслом).

Таблица 5

Данные триботехнических характеристик. 3 часа - полусухое трение,

27 часов трение с маслом М-14В2.

1	2	3	4	5	6	7	8	9
Нанесение покрытий	Нагрузка, кгс	Износ, мг	СП, мм	Время,ч	Рсх,	Ктр	Ктр в конце	н,
Без УЗО	200	0,2	0,003	3	120	0,065 0,065 0,070	0,070	+10
Схема 1 рис. 10.	200	-	-	3	300	0,055 0,055 0,05	0,040	-300
Схема 1 рис. 10.	200	0,1	0,001	27	350	0,045 0,045 0,04	-	-300
Схема 1 рис. 10.	300	-	-	3	300	0,055 0,055 0,05	-	-300

1	2	3	4	5	6	7	8	9
Схема 1 рис. 10.	300	0,1	0,001	27	300	0,045 0,045 0,04	0,035	-300
Схема 5 рис. 10.	200	-	-	3	300	0,051	0,05	-300
Схема 5 рис. 10.	300	0,1	0,001	3	300	0,051	0,05	-300
Схема 5 рис. 10.	300	0,1	0,001	27	300	-	0,05
Схема 3 рис. 10.	200	0,2	0,003	3	200	0,065 0,067 0,07	0,07	-250
Схема 3 рис. 10.	200	0,2	0,003	27	200	0,06 0,065 0,065	0,065	-200

Продолжение таблицы 5.

Как видно из таблицы, ультразвуковая обработка способствует снижению износа, при этом нагрузка схватывания возросла.

На рис. 12 приведена зависимость момента трения от нагрузки для плазменного покрытия с ультразвуковой обработкой (при вводе волновода по схеме 1 рис. 9).

Рис. 12. График испытания триботехнических характеристик покрытия

(при вводе волновода по схеме 1 рис. 10)

при плазменном напылении с ультразвуковой обработкой.

График показывает отсутствие схватывания, что определяет высокую износостойкость при создании покрытий на поршневых кольцах с сопряжённой парой из чугуна Сч24 (материал втулки).

На рис. 13 приведена дифрактограмма плазменного покрытия ПН85Ю15 с 15% карбида хрома при вводе волновода по схеме 1, показывающая при расчёте уширения получение структуры размером 10 нм.

Рис. 13. Дифрактограмма плазменного покрытия при введении ультразвукового

волновода по схеме 1.

При расшифровке дифрактограмм удалось установить устойчивую закономерность, а именно: с увеличением расстояния ввода ультразвукового волновода от пятна плазмы увеличиваются и размеры частиц в структуре покрытия. Так, например, при вводе ультразвука в пятно под плазмой (схема 1 рис. 10) размер частиц составляет 10-12 нм, а по пятой схеме - 400-550нм.

На рис. 14 приведена фотография структуры износостойкого покрытия с ультразвуковой обработкой по схеме 1 (рис.10), полученная на атомносиловом микроскопе.

Рис. 14. Структура покрытия плазменного напыления с ультразвуковой обработкой при угле ввода индентора 15-20 при увеличении 5000.

Исследования коррозионной стойкости в серной кислоте были проведены на кафедре физической химии СПбГПУ на потенциостате. Результаты исследований приведены на графике рис. 15.

 

Рис. 15. Поляризационные кривые: 1 - гальваническое покрытие хромом,

2 - плазменное напыление, 3 - покрытие осаждения паровой фазы плазменной струи,

4 - плазменное напыление с ультразвуковой обработкой.

Результаты исследований показывают более высокие коррозионные свойства образцов с покрытием осаждения паровой фазы плазменной струи и плазменного напыления с ультразвуковой обработкой по сравнению с традиционным гальваническим хромовым покрытием. Исследования структуры поверхности после помещении образцов с покрытиями  в раствор масла с 5% серной кислоты и выдержке в течение месяца показали, что покрытие плазменного напыления с ультразвуковой обработкой по схеме 1 (рис. 10) не разрушается. Покрытие, нанесенное методом осаждения паровой фазы плазменной струи, имеет незначительное коррозионное разрушение, а покрытие гальванического хрома имеет значительное коррозионное разрушение на всей поверхности. 

Причины увеличения коррозионной стойкости, при плазменном напылении с ультразвуковой обработкой, описаны  в работах Костецкого Б.И. где исследовалось создание тончайшей плёнки на мелкодисперсных частицах.

Результаты исследования разрушения износостойкого покрытия при вибрации с использованием метода акустической эмиссии приведены на рис. 16.

Рис. 16. Результаты испытаний вибрационных характеристик покрытий: 1 - гальваническое покрытие, 2 - покрытие осаждением паровой фазы плазменной струи, 3 - плазменное покрытие с ультразвуковой обработкой.

Проведённые исследования показывают более высокую вибрационную стойкость плазменного покрытия с ультразвуковой обработкой, которая характеризует уменьшение отслоение износостойкого покрытия при вибрации.

Проведенные испытания введения фуллеренов в масло при триботехнических испытаниях показал, что происходит прилипание фуллеренов к покрытию ПН85Ю15, это дополнительно уменьшает коэффициент трения и повышает износостойкость. Прилипание фуллереновой сажи к покрытию ОПФПС не происходит.

Проведенные триботехнические исследования покрытий ПН85Ю15 с карбидом хрома при испытании на машине трения показали, что ультразвуковая обработка позволяет:

• снизить износ;
• повысить адгезионную прочность сцепления покрытия с основой;
• уменьшить разрушение при склерометрической нагрузке, что определяет уменьшение износа при ударном воздействии поршневого кольца;
• повысить нагрузку схватывания;
• улучшить триботехнические характеристики;
• снизить коррозионное изнашивание;
• повысить стойкость к электрохимической коррозии;
• снизить  фреттинг изнашивание.

Анализ результатов исследований, показывает, что процесс нанесения покрытия ОПФПС даёт лучшие результаты при его использовании на поршневых кольцах при их изготовлении и несколько меньшая целесообразность при восстановлении, т.к. толщина покрытия ОПФПС составляет 8-10 мкм и покрытия нельзя наносить на остатки гальванического хрома. Метод плазменного напыления с послойной ультразвуковой обработкой можно использовать как для упрочнения новых поршневых колец, так и для восстановления изношенных, но технологический процесс требует более сложного оборудования.

Основные выводы и результаты.

1. Проведен анализ современных тенденций отечественного и мирового судового дизелестроения, методов и средств повышения износостойкости деталей ЦПГ, который позволил сформулировать цель и задачи повышения износостойкости поршневых компрессионных колец, как основы увеличения уровня форсирования судовых дизелей.
2. Изложены условия определения собственных частот и формы колебаний поршневого кольца и втулки цилиндра. Проведены численные исследования вибрационного и напряженно-деформированного состояния узла трения: втулка-кольцо-поршень и предложены новые требования, предъявляемые к износостойким покрытиям на компрессионные поршневые кольца судовых дизелей при повышенных максимальных давлениях сгорания. Теория критериев оценки виброактивности судовых дизелей построена на известных, проверяемых фактах и согласуется с опубликованными экспериментальными данными по теме диссертации.
3. Учтено влияние вибрационного и напряженно-деформированного состояния на адгезионную прочность износостойких покрытий и технологии их нанесения на рабочие поверхности компрессионных поршневых колец, позволившее уточнить предельный режим работы судовых дизелей.
4. Разработан и результативно использован комплекс существующих базовых экспериментальных методик испытания износостойких покрытий. Создана система практических рекомендаций, позволяющих увеличить адгезионную прочность, определенную склерометрическим способом примерно в 2 раза, увеличить нагрузку схватывания в 3 раза, уменьшить величину износа более чем в 3 раза, увеличить коррозионную стойкость, увеличить температуру адгезии покрытия с материалом втулки с 200С до 400С, уменьшить величину фреттинг изнашивания в 3 раза.
5. Разработана новая технология нанесения износостойких  покрытий на рабочие поверхности компрессионных поршневых колец методом плазменного напыления с ультразвуковой обработкой. Установлено, что ультразвуковая обработка покрытия ПН85Ю15 с карбидом хрома, способствует: снижению износа в 3 раза, повышению адгезионной прочности покрытия на 25%, повышению нагрузки схватывания в 2 раза, улучшению триботехнических характеристик, снижению коррозионного изнашивания, повышению стойкости к электрохимической коррозии, снижению  фреттинг изнашивания с алюминиевым поршнем в 3 раза.
6. Доказана возможность управления структурой износостойкого слоя и получение наноструктурированного покрытия за счет изменения расстояния от источника ультразвукового излучения до зоны плазменного напыления. Определены пределы и перспективы практического использования разработанной технологии. Раскрыты противоречия влияния фуллероидных наночастиц, введенных в моторное масло, на коэффициент трения.
7. Проведена модернизация существующего алгоритма выбора материала износостойкого покрытия. Представлены предложения по дальнейшему повышению износостойкости поршневых компрессионных колец при увеличении уровня форсирования судовых дизелей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

Монография

Мяконьков М.Б. Технологические процессы восстановления и упрочнения деталей механизмов. / М.Б. Мяконьков, В.М Петров, В.Б. Хмелевская.   Санкт-Петербург: Изд-во политехнического университета, 2010. 192 с.

В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Мяконьков М.Б, Разработка нанотехнологий для упрочнения деталей судовых механизмов. /М. Б. Мяконьков, В.Б Хмелевская // Металлообработка. 2009. № 2.  С. 47 50.
2. Мяконьков М.Б. Сравнительные исследования способов нанесения покрытий на поршневые кольца для уменьшения их износа. /  М. Б. Мяконьков, В.Б Хмелевская // Металлообработка.  2010. № 3.  С. 36 39.
3. Мяконьков М.Б. Применение наностуктурированных покрытий. /М. Б. Мяконьков, В.Б Хмелевская  // Металлообработка.  2011. № 2.  С. 35 40.
4. Мяконьков М.Б. Исследования напряжения поршневого кольца и канавки поршня судового дизеля при максимальном давлении сгорания. / О.К. Безюков, Н.Б.Ганин, М.Б. Мяконьков // Журнал университета водных коммуникаций. СПб.: СПГУВК 2011. Вып.4. С. 48-51.

Публикации в других изданиях

5. Мяконьков М.Б. Упрочнение поршневых колец. / М.Б. Мяконьков, В.Б. Хмелевская. // Материалы межвузовской науч-практ. конф. №3 сб. статей. СПб.: СПбГПУ 2009. С. 43 47.
6. Мяконьков М.Б. Влияние ультразвукового воздействия на плазменные технологические процессы. / М.Б. Мяконьков, В.Б. Хмелевская, Б.А. Юшин  // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей. Сб. статей. Изд-во политехнического ун-та, 2008. С. 142 145.

Подписано в печать 23.01.12  Сдано в производство 23.01.12

Формат 6084 1/16  Усл.-печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1.

Тираж 100 экз.  Заказ № б/н

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций

198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФБОУ ВПО СПГУВК

198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям