МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПОДІЛЛЯ

(м. Хмельницький)

Клименко Леонід Павлович

УДК 621.891

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ТА ТЕХНОЛОГІЇ СТВОРЕННЯ

ВУЗЛІВ МАШИН З ПЕРЕМІННОЮ ЗНОСОСТІЙКІСТЮ

Спеціальність 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня доктора технічних наук

Хмельницький - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському державному морському технічному університеті ім. адмірала Макарова Міністерства освіти та науки України, м. Миколаїв

Науковий керівник - доктор технічних наук,

професор Запорожець Володимир Васильович,

Національний авіаційний університет,

завідувач кафедри ТЕСЗМА (м. Київ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Шевеля Валерій Васильович

Технологічний університет Поділля, професор кафедри фізики

доктор технічних наук, професор Марковський Євген Адамович,

Національна Академія наук України, Фізико-технологічний інститут

металів і сплавів, провідний науковий співробітник (м. Київ)

доктор технічних наук, професор Мнацаканов Рудольф Георгійович,

Національний авіаційний університет, професор кафедри машинознавства

(м. Київ)

Провідна установа:

Запорізький державний технічний університет Міністерства освіти та науки України, кафедра технології металів, м. Запоріжжя

Захист відбудеться 25 квітня 2002 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д70.052.02 при Технологічному університеті Поділля за адресою:

29016 Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й учбовий корпус

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Технологічного університету Поділля (вул. Кам’янецька, 110/1)

Автореферат розісланий 15 березня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Калда Г.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підвищення надійності і довговічності машин та механізмів є однією з головних проблем сучасного машинобудування. Аналіз характеру зносу робочих поверхонь типових вузлів тертя свідчить про їх нерівномірний знос. Наявність зон максимальних і мінімальних зносів призводить до погіршення макрогеометрії робочих поверхонь, зниженню точності машин, збільшенню витрат палива та мастила. Машини виходять з ладу при досягненні допустимих зносів в окремих точках, хоча більшість робочої поверхні знаходиться в працездатному стані.

Актуальність роботи визначається тим, що проблема створення вузлів тертя з заданою в кожній точці робочої поверхні перемінною зносостійкістю ще не вирішена і потребує нових підходів до її рішення. Створення вузлів тертя з заданими перемінними властивостями робочих поверхонь на основі нових технічних рішень дозволить значно підняти ресурс машин і механізмів та зменшити експлуатаційні витрати і особливо важливо для двигунів внутрішнього згорання, як самих розповсюджених енергетичних пристроїв.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. За темою дисертації виконано 10 госпрозрахункових і госбюджетних робіт за планом Миколаївського кораблебудівного інституту ім. адмірала С.О.Макарова (тепер Український державний морський технічний університет імені Макарова) та різними координаційними планами. Роботи виконувались з 1976 по 2000 рр. В усіх роботах автор був або відповідальним виконавцем (“Исследование влияния легирующих элементов в чугуне при работе пары “поршневое кольцо - втулка цилиндра”, номер державної реєстрації 78030793; “Разработка, исследование и внедрение технологии управления структурообразованием гильз цилиндров тракторных и комбайновых двигателей”, номер державної реєстрації 01870002436 або науковим керівником “Разработка и оптимизация технологии отливки и химического состава гильз цилиндров тракторных и комбайновых дизелей в условиях серийного производства при отливке в кокиль”, номер державної реєстрації 01870012338; “Разработка технологии изготовления и исследование свойств гильз цилиндров тракторных и комбайновых дизелей при отливке в титановый кокиль”, номер державної реєстрації 01900002392 та інш.

Мета і задачі досліджень. Створення основних засад теорії перемінної зносостійкості вузлів тертя і розробка на цій основі конструкторських та технологічних методів підвищення надійності та довговічності машин.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:

- вибрати типові критичні пари тертя, які визначають надійність та довговічність найбільш розповсюджених машин та розробити математичні моделі зношування їх в нормальних умовах експлуатації;

- встановити залежність зносостійкості матеріалів деталей типових вузлів від зовнішніх факторів тертя, таких як: швидкість сковзання, тиск тертя, температура поверхні та інші, а також залежність зносостійких властивостей від структури та механічних якостей матеріалів;

- розробити математичну модель динаміки трибологічних процесів в циліндрі ДВЗ, яка б дозволила б прогнозувати знос циліндра в кожній точці поверхні в залежності від конструктивних співвідношень двигуна, індикаторних та інших параметрів роботи, а також матеріалів деталей, що застосовуються, роду мастильних матеріалів та інших факторів;

- розробити програми розрахунків зносу циліндрів в різних умовах експлуатації і провести аналіз впливу цих умов на характер зносу циліндрів;

- розробити методологію побудови технологічного процесу отримання деталей циліндро-поршньової групи ДВЗ із заданими перемінними зносостійкими характеристиками робочої поверхні;

- розробити оптимальний хімічний склад чавунів для циліндрів, поршневих кілець, поршнів, двигунів та промислову технологію отримання деталей з цих чавунів;

- вивчити закономірності формування фізико-механічних властивостей чавунів для втулок і гільз циліндрів ДВЗ в залежності від параметрів технологічного процесу виготовлення деталей;

- розробити ряд нових технологічних процесів отримання втулок і циліндрів суднових та гільз автотракторних двигунів із заданими перемінними властивостями робочої поверхні при литті заготовок у піщано-глинясті форми відцентровим способом у пісчаний стержень, ізольований кокіль і кокіль із композиційних матеріалів;

- провести довготривалі стендові і експлуатаційні випробування двигунів для підтвердження;

- економічної ефективності заходів, що пропонуються.

Об’єкт дослідження. Закономірності процесів зношування деталей в залежності від зовнішніх параметрів навантаження та розробка на цій основі теоретичних основ створення вузлів машин з заданою перемінною зносостійкістю поверхонь тертя.

Предмет дослідження. Критичні пари тертя двигунів внутрішнього згорання і як основний вузол, лімітуючий ресурс двигунів до капітального ремонту – циліндропоршнева група.

Наукова новизна отриманих результатів.

Наукова новизна роботи полягає в розвитку теорії зносостійкості деталей машин шляхом отримання теоретичних та експериментальних даних і розробка на їх основі залежностей, які дозволяють створити науково-технічне підгрунття для отримання вузлів тертя з заданими перемінними зносостійкими властивостями поверхні, як функції координати. Основні положення, які характеризують новизну роботи, полягають у наступному:

1. Запропоновані основи структурного конструювання поверхневого шару перемінної зносостійкості, адекватної умовам зовнішнього навантаження. Епюри опору зносу при фрикційному контакті руйнування відповідають епюрам зовнішнього (руйнуючого) впливу. Досягається перемінна зносостійкість по поверхні тертя та глибині поверхневого шару, тобто двухкоординатне зміцнення, на відміну від відомих принципів градієнту властивостей по глибині, тобто однокоординатного зміцнення. Двухкоординатна система перемінної зносостійкості в найбільшому ступені відповідає системі навантаження: нормальне навантаження – сила тертя та ефектом, пов’язаним з об’ємно-напруженим станом поверхневих шарів при терті.

2. Вперше поставлено та вирішено проблему створення основ теорії перемінної зносостійкості робочих поверхонь деталей тертя критичних вузлів машин. Розроблено математичні моделі розрахунків зносів в кожній точці робочої поверхні в залежності від матеріалу, конструктивних співвідношень вузла і зовнішніх умов тертя, що дозволяють порівняти розрахункові та експериментальні дані при використанні статистичних характеристик. Встановлено, що основними факторами, які впливають на характер зносу деталей машин в нормальних умовах експлуатації, є: тиск на поверхні тертя, швидкість відносного руху та температура поверхні.

3. На відміну від відомих рішень на базі розробленої теорії перемінної зносостійкості вирішена проблема диференційованого підходу до формування фізико-механічних властивостей матеріалу в кожній точці поверхонь, що труться, в залежності від умов навантаження. Розроблено алгоритм керування процесами структуроутворення на поверхні тертя в кожній точці в залежності від конструктивних співвідношень та умов навантаження вузла.

4. Встановлені закономірності формування зносостійкої структури комплексно-легованих сірих та високоміцних чавунів в залежності від термодинамічних параметрів формування заготовки в умовах відливки в піщано-глинясті форми, в ізольований і композиційний кокіль при відцентровій відливки. Встановлено, що оптимальну зносостійку структуру чавуна можна отримати, лише, керуючи термодинамічними процесами кристалізації (зменшуючи швидкість кристалізації) і охолодження заготовки (прискорюючи проходження інтервалу перлітного перетворення і знову, зменшуючи швидкість охолодження для зняття термічних напруг). Вперше встановлені закономірності формування зносостійких характеристик матеріалів і деталей, отриманих при управлінні процесами структуроутворення при литті, які дозволили розробити ряд промислових технологій виготовлення гільз і втулок циліндрів ДВЗ із заданими перемінними зносостійкими властивостями робочих поверхонь, які забезпечують підвищений ресурс двигунів.

Практична цінність отриманих результатів. Методологічний підхід запропонований автором дав можливість:

- розробити математичну модель та програму розрахунку епюри зносу циліндрів двигунів різних типів в залежності від багатьох параметрів;

- розробити новий склад комплексно-легованого чавуну для втулок циліндрів суднових дизелів, нову лігатуру для отримання цих чавунів в умовах ваграночного виробництва, а також новий склад високоміцного чавуну для поршневих кілець і лігатуру для отримання чавуну в умовах серійного виробництва;

- розробити нову технологію виготовлення втулок циліндрів суднових дизелів ЧН 25/34 та ЧН 26/34 з нового комплексно-легованого чавуну при литті в пісчані форми та відцентровим способом із заданою перемінною зносостійкістю робочої поверхні на заводах “Первомайськдизельмаш” та Чорноморському суднобудівному (м. Миколаїв), підтверджену авторськими свідоцтвами на винахід;

- розробити нові технології відливки тракторних гільз циліндрів двигунів Д-240, Д-245, ГАЗ-24, ГАЗ-53, АЗЛК, МТ, СМД-14, СМД-18, СМД-19, СМД-20, СМД-21, СМД-31 при литті в піщаний стержень, на установках “Ротоліт” та в титановий композиційний кокіль, підтверджені авторськими свідоцтвами на винахід;

- розробити нову технологію виготовлення гільз циліндрів тракторних дизелів СМД-60 і СМД-61 з послідуючим загартуванням СВЧ, підтверджену авторським свідоцтвом на винахід;

- підвищити ресурс суднових та тракторних дизелів до капітального ремонту до 2 разів.

На захист виносяться:

1. Результати теоретичних та експериментальних досліджень процесів тертя та зношування деталей циліндропоршньової групи ДВЗ в несталих умовах вздовж напрямку сковзання.

2. Розроблена математична модель розрахунку зносу циліндрів ДВЗ в залежності від конструктивних співвідношень і параметрів роботи двигуна, яка дозволяє створити технології виготовлення деталей з перемінними зносостійкими властивостями.

3. Закономірності утворення зносостійкої структури чавуна при керуванні термодинамічними процесами формування заготовки.

4. Оригінальні технічні рішення, що забезпечують високу ефективність використання, розроблених під керівництвом автора технологій виготовлення основних деталей ДВЗ.

Достовірність результатів. Підтверджується проведенням різноманітних комплексних експериментів, теоретичними положеннями, застосуванням нових методик, використанням сучасного обладнання та обчислювальної техніки, задовільним збігом розрахункових та експериментально отриманих епюр зносу гільз та втулок циліндрів дизелів, як типових вузлів тертя.

Особистий внесок дисертанта полягає в обґрунтуванні наукового напрямку, формулюванні мети роботи; обґрунтуванні і розробці методик експериментальних досліджень, участі у постановці і проведенні експериментальних досліджень; розробці математичних моделей, встановлені теоретичних залежностей; формулюванні новизни та основних висновків за результатами роботи; аналізі та узагальненні отриманих результатів дослідження в дисертації, монографії, статях. Постановка завдання й обговорення результатів проведені разом із науковим консультантом.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і надруковані у збірках докладів та отримали позитивну оцінку на науково-технічних конференціях, семінарах, симпозіумах, з’їздах: “Повышение эффективности литейного производства и качества литых заготовок” (Комсомольск-на-Амуре, 1981 г.), “Пути повышения качества продукции литейного производства” (Киев, 1981 г.), “Триботехника – машиностроению” (Киев, 1983 г.), “ “Проблемы и опыт создания ресурсосберегающих технологий в судовом машиностроении” (Николаев, 1984 г.), “Вклад молодых ученых и специалистов в реализацию целевых комплексных научно-технических программ” (Севастополь, 1984 г.), Всесоюзная научно-техническая конференция “Современные проблемы триботехнологии” (Николаев, 1988 г.), “Пути повышения качества и экономичности литейных процессов” (Одесса, 1988 г.), “Ярмарка новых разработок по двигателестроению” (Владимир, 1989 г.), “Пути повышения стойкости и надежности режущих и штамповых инструментов” (Николаев, 1990 г.), International symposium on higher enginiring education” (Hangzhou, China, 1990), “Главные судовые двигатели” (Шанхай, КНР, 1990 г.), “2-nd international marine engineering conference” (Shaughai, China, 1991), “Проблемы качества в условиях рынка” (Херсон, 1993 г.), “Перший міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків” (Львів, 1993 р.), “3-rd international marine engineering conference” (Shaughai, China, 1996), “Проблеми суднобудування: стан, ідеї, рішення” (Миколаїв, 1997 р.), 100-річчя Чорноморського суднобудівного заводу (Миколаїв, 1997 р.), “Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок” (Запорожье, 2000 г.), “Mathematical simulation of complicated technoecological processes 4-th International modeling school of AMSE-VAPL” (Rzeszow, Poland, 2000), ІІІ Всеукраїнська науково-методична конференція за міжнародною участю “Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій” (Дніпродзержинськ, 2000 р.), “Пятый международный конгресс двигателестроителей” (Рыбачье, Крым, Украина, 2000 г.), “Научно-технические конференции НКИ-УГМТУ” (Николаев, 1980-2000 гг.), “Еколого-економічні проблеми розвитку підприємств регіону” (Ялта, 2000 р.), “Шестой международный конгресс двигателестроителей” (Рыбачье, Крым, Украина, 2001 г.), “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2001)” (м. Хмельницький, 2001 р.), “Y.P.Fuzzy-logic technique for synthesis of decision making and control. Book of abstracts of the Annaul Scientific Conference GAMM 2001” (ETH Zurich, 2001).

Публікації. Основні результати роботи опубліковані у одній монографії, 8-х статтях у наукових журналах, 14-ти збірках наукових праць, 16-ти трудах конференцій, 7-ми авторських свідоцтвах після захисту кандидатської дисертації.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів, висновків, списку літератури з 202 найменувань і додатку. Загальний обсяг роботи 366 сторінок, у тому числі 90 рисунків, 32 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі розкрито важливість обраної проблеми, обґрунтовано актуальність теми, цілі та задачі дослідження, сформульовано наукову новизну отриманих результатів, наведено практичну цінність впровадження результатів дослідження, зазначені джерела апробації та публікації основних положень дисертації.

У першому розділі висвітлені питання, пов’язані з проблемою створення вузлів машин з диференційованими властивостями поверхонь тертя. Показано, що практично всі поверхні в процесі експлуатації зношуються нерівномірно. Це відбувається внаслідок нерівномірних умов зовнішнього навантаження по площі поверхні тертя (різним тискам, швидкостям руху, температурам, умовам змащення, забруднення та інше) чи внаслідок різного часу знаходження у фрикційному контакті. Нерівномірний знос робочих поверхонь викликає порушення макрогеометрії сполучених поверхонь, зменшення точності руху машин та механізмів, падіння їх експлуатаційних параметрів, збільшенню втрат палива та мастила. Деталі виходять з ладу при досягненні граничних зносів в окремих точках робочої поверхні, хоча більшість поверхні тертя залишається в працездатному стані. Створення поверхонь тертя з диференційованими властивостями, заданими в кожній точці робочої поверхні, дозволить створити деталі, які в процесі експлуатації матимуть підвищений ресурс та зношуватимуться рівномірно по всій поверхні. Це забезпечить як збільшення довговічності машини або механізму, так і покращення їх експлуатаційних характеристик за рахунок поліпшення макрогеометрії і точності робочих поверхонь.

У роботі показано, що найбільш характерним прикладом виробу, який налічує вузли тертя, що зношуються нерівномірно, є двигун внутрішнього згоряння. Враховуючи надзвичайне значення двигунів внутрішнього згоряння для людства, (вони споживають три чверті нафти, що добувається в світі, їх потужність в декілька разів перевищує потужність всіх джерел енергії, взятих разом, їх доля в загальному забруднені атмосфери складає 60...70їх виготовляється сотні мільйонів на рік і таке інше), та їх широке розповсюдження, автор спрямував свої дослідження на створення типових вузлів тертя з заданими властивостями на прикладі саме двигунів внутрішнього згоряння.

У роботі показано, що нерівномірний знос робочих поверхонь відбувається через зміни зовнішніх параметрів тертя вздовж напрямку руху. Найбільший вплив на процеси зносу мають: тиск на поверхні тертя, швидкість руху та температура поверхні. В окремих вузлах деякі параметри можуть бути сталими, а деякі змінюватися. Наприклад, у підшипниках ковзання не сталим є тільки тиск на поверхні тертя. У кулачкових парах змінюються два параметри: тиск та швидкість. А в такому вузлі як циліндропоршньова група, змінюються вздовж поверхні тертя три параметри: тиск, швидкість та температура, що призводить до нерівномірного зносу робочої поверхні циліндра.

Забезпечення диференційованої зносостійкості робочої поверхні, що відповідає вимогам у кожній її точці, здійснюється за рахунок створення відповідних фізико-механічних властивостей матеріалу поверхні, перемінних в кожній точці робочої поверхні. Практичне здійснення цієї задачі можливо досягти за рахунок різних зміцнюючих технологій.

Проведений аналіз та створена класифікація технологічних методів зміцнення робочої поверхні циліндра ДВЗ, як головної деталі, яка забезпечує ресурс двигуна до капітального ремонту.

Проаналізовано вплив мастильних матеріалів на процеси тертя та зносу в основних типових вузлах двигунів та їх вплив на нерівномірність зносу поверхонь.

Показано, що існує нагальна потреба і доцільність створення вузлів із заданими зносостійкими характеристиками, але відсутнє теоретичне обґрунтування їх створення, методика розрахунку епюр зносу та промислові технології отримання деталей з заданими перемінними властивостями робочих поверхонь.

У другому розділі розглядаються результати розробки методологічного та технічного забезпечення досліджень. Загальний напрямок досліджень був спрямований на комплексне вирішення проблем підвищення ресурсу двигунів внутрішнього згоряння за рахунок створення вузлів тертя з перемінною зносостійкістю робочих поверхонь. Комплекс конструкторсько-технологічних робіт по підвищенню ресурсу двигунів наведений на рис. 1.

Рис. 1 Комплекс конструкторсько-технологічних заходів по підвищенню ресурсу двигуна

Ці роботи відповідно до кожної деталі виконуються за наступною послідовністю: розрахунок епюри зносу критичної поверхні; розробка хімічного складу матеріалу деталі; розробка способу отримання необхідного матеріалу; розробка технологічного процесу виготовлення деталі із заданими перемінними властивостями в залежності від епюри зносу; розробка обладнання та пристроїв для здійснення технологічного процесу виготовлення деталей; дослідження властивостей отриманих деталей. Технологія отримання деталей із заданими характеристиками робочої поверхні здійснювалася за наступним алгоритмом (рис. ).

В залежності від зовнішніх умов тертя розраховується епюра зносу поверхні по якій встановлюється зносостійкість в кожній її точці, яка б забезпечила б рівномірний знос деталі в процесі експлуатації. Відштовхуючись від зносостійкості матеріалу поверхні деталі переходимо до потрібної структури в кожній точці , чисельне відображення структури в установлених межах здійснюється через твердість матеріалу в даній точці . Від необхідної твердості в кожній точці переходимо до параметрів технологічного процесу виготовлення деталі – термодинамічних параметрів структуроутворення . Необхідну швидкість охолодження заготовки повинна забезпечити подача в кожну точку необхідної кількості хладагента в залежності від часу і місця . Таким чином, здійснюється безперервний ланцюг заходів по створенню деталей із заданими властивостями: задаючи умови тертя в узлі в кінці отримуємо параметри технологічного процесу виготовлення основних деталей.

Дослідження властивостей експериментальних деталей проводилися в лабораторних умовах та в умовах натурних випробувань. Металографічні дослідження проводились на оптичних мікроскопах ММР-2Р, МІМ-9М, “Neafot-21”, мікротвердомірі ПМТ-5 та електронних мікроскопах ЕМ-11 та УМВ-100К. Фазовий склад чавунів вивчався на приладі ДРОН-2, мікрорентгеноспектральному аналізаторі “Сameca” MS-46.

Встановлення тріботехнологічних характеристик дослідних зразків здійснювалося на машинах тертя типу СМЦ-2, СМТ та чотирьохпостовій машині тертя зі зворотньо-поступовим рухом зразків, обладнаних додатковими пристроями, що розширили можливості серійних машин тертя.

Стендові випробування експериментальних деталей здійснювалися на спеціальних дослідницьких стендах, обладнаних серійними двигунами та комплексом вимірюючих приладів відповідно до ГОСТ 18509-80. Стендові випробовування проводилися на заводах-виробниках гільз та двигунів: “Первомайськдизельмаш”, ВО “Київтрактородеталь”, “Мінський моторний завод”.

Рис. 2. Структура технологічного процесу виготовлення деталей з заданими властивостями

Тривалість стендових іспитів до 5000...20000 мотогодин забезпечує велику надійність отриманих результатів. Експлуатаційні випробування проводили на морських суднах різних пароплавств СНД та на дорожніх машинах.

Розрахунки епюр зносу, термодинамічних процесів формування заготовок деталей та виконавчих органів технологічних пристроїв та інші здійснювалися на ПЕОМ “Pentium III-800” з програмуванням мовою Си.

Результати вимірювань оброблені з використанням різноманітних методів математичної статистики.

У третьому розділі розглянуто математичну модель зносу циліндрів ДВЗ в нормальних умовах експлуатації. В першу чергу, визначено фактори, що впливають на фізику процесів зношування циліндрів. Деталі ЦПГ знаходяться у складних умовах експлуатації, тиск в зоні контакту кілець і циліндру досягає 12...15 МПа, швидкості ковзання перевищують 20 м/с, а температура поверхні доходить до 150...200 °С. Поверхня циліндра зазнає впливу дії агресивних продуктів згоряння, газовій ерозії, забруднюється абразивними частинками, що потрапляють у циліндр з повітрям та мастилом. На зносостійкість циліндра також впливають фізико-механічні властивості матеріалу циліндра, параметри шорсткості його поверхні, властивості масла та багато інших факторів. Точне аналітичне врахування всіх факторів, що впливають на знос циліндра, неможливе. Тому слід виділити головні фактори і прийняти необхідні й обґрунтовані припущення. Треба зменшити кількість факторів та встановити математичні залежності їх кількісних значень від величини кута повороту колінчатого вала чи ординати твірної циліндра. Факторами, якими не можна знехтувати та які об’єктивно впливають на знос циліндрів, будуть в першу чергу: тиск на поверхні тертя, швидкість ковзання та температура поверхні. Але головні труднощі полягають у тому, що зовнішні фактори, що впливають на тертя кілець, змінюються в залежності від положення поршня по висоті циліндра і є відмінними в кожній його точці. Навіть при усіх відомих внутрішніх і зовнішніх факторах впливу циліндр зношується від тертя всіх кілець в циліндрі і поршня. До того ж, кожне кільце працює в неоднакових умовах тертя і в різних зонах циліндра. Зноси циліндрів є результатом інтегрального впливу всіх факторів. У сучасних двигунах, що мають надійну систему очищення повітря і палива, та при використанні високоякісних масел вплив цих факторів можна не розглядати, а прийняти його сталим вздовж твірної циліндра і таким, що зміщує епюру зносу у бік збільшення або у бік зменшення її ординат в залежності від сорту палива чи масла, що використовується. Фізико-механічні властивості матеріалів деталей, що труться, не впливають лише на форму епюри зносу, а впливають на абсолютні значення зносу і тому їх також можна в першому наближенні не враховувати.

Функцію зносу можна представити у вигляді

де - загальна кількість компресійних кілець,

- функція, що означає “зону дії” j-го кільця, причому

,

- відстань від верхньої кромки поршня до j-го компресійного кільця,

- функція зносу стінки втулки циліндра, яка зумовлена наявністю j-го кільця.

Окрема складова , j=1, , …, , як відмічено вище, визначається впливом на величину зносу циліндра трьох головних факторів: тиску газів Pj(х), швидкості поршня C(x) та температури tj(х) в місці знаходження j-го кільця.

При проведенні обчислень за допомогою ЕОМ доцільно отримані в результаті експерименту залежності апроксиміювати аналітичними залежностями, які дозволяють знаходити значення відповідних величин не за допомогою зняття з графіка, а розрахунковим шляхом.

Найбільш доцільною є апроксимація кубічними сплайнами. Апроксимуюча сплайн-функція g(x) повинна задовольняти таким умовам:

- g(x), g'(x), g?(x) - неперервні на [а,b] функції,

- у вузлах хi i=0, 1, ..., n, мають місце рівності g(xi)=fi ,

- в кінцевих точка відрізка [а,b] задовольняються граничні умови g?(a)=g?(b)=0,

- на кожному частинному відрізку [хi-1, xi], i=1, , n, сплайн-функція g(x) є поліномом третього степеня.

, .

У виписаному співвідношенні послідовність знаходиться як розв’язок системи лінійних алгебраїчних рівнянь n-1 порядку, кожне з яких є розширеним записом умов диференційовності сплайн-функції g(x) у вузлах хi, i=1,2,...n-1,

,

,

де .

Значення величин m0 та mn визначаються з граничних умов, накладених на g(x) на кінцях відрізка [а,b], тобто

, .

Таким чином, з вище наведеного випливає, що для побудови сплайн-функції g(x), апроксимуючої функцію f(x) на відрізку [а,b], достатньо задати послідовності і ; та знайти розв’язок лінійної системи алгебраїчних рівнянь n-1 порядку.

У відповідності з описаним алгоритмом для кожної функції ip(P), iС(C), it(t) побудовано сплайн-функцію, причому з метою запобігання введення нових позначень і символів сплайн-функції позначено тими ж символами, що й самі функції, що апроксимуються.

Саме ці дані були використані при розробці програми обчислень за допомогою ЕОМ значень функцій ip(P), iС(C), it(t) в кожній точці їх областей визначення.

Створення математичної моделі зносу циліндра в умовах нормальної експлуатації двигуна дозволяє за допомогою комп’ютера проводити розрахунки зносу циліндрів в залежності від багатьох параметрів роботи двигуна, які впливають на результати через визначення значень тиску, лінійної швидкості поршня та температури поверхні циліндра. Найбільше значення для практики мають вплив зміни частоти обертання колінчатого валу та потужності двигуна. Зміна частоти обертання суттєво впливає на форму епюри зносу. При зменшенні частоти посилюються піки зносу в зонах реверсу поршня, а при значному збільшенні частоти обертання з’являється зона підвищеного зносу в середній частині циліндра (рис. 3).

Рис. 3. Епюри зносу циліндра двигуна ЧН /34 при різних частотах обертання колінчатого валу

а) 250 1/хв;

б) 500 1/хв;

в) 750 1/хв.

Існує оптимальна частота обертання колінчатого вала двигуна, при якій сумарний знос циліндра є мінімальним (рис. 4).

Рис. 4. Сумарний масовий знос циліндра в залежності від частоти обертання колінчатого валу

В умовах нормальної експлуатації зміни температурного рівня деталей не дають відчутного впливу на процеси зносу циліндрів (рис. 5).

Рис. 5. Залежність сумарного зносу циліндрів від температури охолоджуючої рідини

Зміни ступеню стиснення та ступеню наддуву приводять до зростання тиску на поверхні тертя та збільшення зносу робочої поверхні циліндра (рис. 6, 7).

Рис. 6. Знос циліндра при різних значеннях ступеню стиснення

Рис. 7. Залежність зносу циліндра від тиску повітря, що наддувається

а) ; б) ; в) .

Розроблені програми розрахунків дозволяють аналізувати вплив близько 40 параметрів роботи двигуна на знос його циліндрів.

У четвертому розділі проведений аналіз матеріалів, що застосовуються для втулок та гільз циліндрів ДВЗ, поршневих кілець, поршнів та деталей газорозподільчого механізму, сформульовані основні вимоги до структури матеріалу, що забезпечує найкращий комплекс службових характеристик. Враховуючи технічні та економічні показники експлуатації двигунів, оптимальним матеріалом для циліндрів суднових та автотракторних двигунів є сірий комплексно-легований перлітний чавун, для кілець – високоміцний, а для поршнів – вермикулярний чавун в литому стані.

Створення необхідної структури матеріалу деталі забезпечує її хімічний склад та термодинамічні параметри формування заготовки. Вплив легуючих елементів на службові характеристики чавуна проявляться через їх вплив на структуру.

Для поліпшення властивих циліндрам ДВЗ властивостей до складу циліндрового чавуну спеціально вводяться такі елементи як: Cr, Ni, V, Ti, Mo, Cu. Ці елементи по різному впливають на властивості чавуну, посилюючи взаємно позитивний вплив кожного та нейтралізуючи негативний. Головна проблема – знаходження оптимального співвідношення вмісту елементів як з технічної, так і з економічної точки зору.

Оптимальний хімічний склад чавуна для втулок циліндрів суднових дизелів типу ЧН 25/34 розроблений на підставі статистичного аналізу якостей чавунів різних хімічних складів, отриманих при дослідно-експериментальних плавках. Для цього в роботі застосований регресивний аналіз. Рівняння регресії отримано в результаті обробки масиву даних методом найменших квадратів. Знаходження значень коефіцієнтів регресії здійснювалося за допомогою критерію Стьюдента. За допомогою критерію Фішера перевірялася адекватність моделі. Значення коефіцієнтів регресії пропорційно впливу відповідного легуючого елемента на зносостійкі властивості чавуна. Оцінки залежностей між ознаками та ступеню впливу кожного хімічного елемента на зносостійкі властивості чавунів давалися на підставі методів парної кореляції. Аналіз парних коефіцієнтів кореляції дозволяє встановити зв’язок зносостійких властивостей чавунів з їх хімічним складом. Оптимізація рівняння регресії:

I = ,4 ,9C  ,6Si  ,2Mn  ,4P  ,5Ti  ,8S ,3Cr ,4Ni  ,9Cu  ,1V ,3Mo

дозволила встановити середнє значення вмісту легуючих елементів в чавуні, які забезпечують найкращу зносостійкість (табл.1):

Таблиця 1

Середнє значення вмісту легуючих елементів в чавуні, % мас.

С | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | V | Mo | Ti | Fe

3,2 | 2,0 | 0,8 | 0,1 | 0,05 | 0,52 | 0,30 | 0,65 | 0,1 | 0,35 | 0,15 | інше

Чавун цього складу має чисто перлітну структуру, твердість 230...260 НВ і міцність до . Для отримання чавуну цього складу розроблена і захищена свідоцтвом на винахід лігатура такого хімічного складу (табл.2).

Таблиця 2

Лігатура для сірого чавуну, % мас.

Si | Mn | P | Cr | Cu | V | Mo | Ca | Y | Ti | Fe

15...20 | 6...10 | 5...8 | 5...7 | 35...40 | 1,5...2,5 | 2...4 | 0,2...1,5 | 0,05...

0,1 | 1,5...2,0 | інше

Застосування лігатури дозволило отримати комплексно-легований чавун в умовах виплавки у вагранці на ВО “Первомайськдизельмаш” та мати економічний ефект 1,6 мл. руб. на рік (1989 р.)

Для надійної роботи пари “циліндр - кільце” важливе значення має матеріал контр-тіла, тобто кільця. Враховуючи умови роботи кілець форсованих дизелів та вимоги до матеріалу: висока міцність, термоупругість, зносостійкість, в умовах граничного тертя при малих та високих швидкостях ковзання, маслоємність, добра припрацьовуваність, задиростійкість та відносна дешевизна, був розроблений новий високоміцний чавун, захищений авторським свідоцтвом № 1109459. Чавун має такий хімічний склад, % мас. (табл.3).

Таблиця 3

Хімічний склад високоміцних чавунів, % мас.

Чавун | С | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | V | Mo | Mg | PЗМ | Fe

комплек-сно-легований | 3,2...3,6 | 2,0...

2,4 | 0,6...

0,8 | 0,10

...

0,15 | до 0,05 | 0,2...

0,4 | 0,2...

0,4 | 0,4...

0,6 | 0,05...

0,08 | 0,15...

0,35 | 0,03

...

0,06 | до 0,04 | інше

базовий | 3,0...3,6 | 2,0...2,5 | 0,7...1.1 | до 0,1 | до 0,06 | - | - | 0,7...1,1 | - | - | 0,05

...

0,08 | - | інше

Чавун має стабільну структуру у вигляді графіту кільчастої форми та металевої матриці у вигляді сорбітоподібного перліту. Міцність чавуну перевищує 500 МПа, а твердість - 101...102 НRВ. Зносостійкість комплексно-легованого чавуну перевищує зносостійкість базового майже у два рази при зменшенні коефіцієнту тертя з 0,062 до 0,053.

Для отримання зазначеного чавуну в умовах плавлення у вагранці була розроблена нова лігатура, захищена авторським свідоцтвом № 1076481 такого хімічного складу, % мас. (табл. ):

Таблиця 4

Хімічний склад лігатури для високоміцного чавуна, % мас.

Ti | Si | P | Cr | Ni | Cu | V | Mo | PЗМ | Fe

2...3 | 5...7 | 8...10 | 2...3 | 12...16 | 25...35 | 4...5 | 15...18 | 0,1...2 | інше

Лігатура отримана на основі міді та має низьку температуру плавлення. Вона вводиться на жолобі вагранки у кількості 12...14 кг на 1 тону рідкого металу.

Крім хімічного складу чавуну кілець було досліджено вплив технології отримання заготовки. Були проведені експериментальні відливки маслот в піщано-глинясті форми відцентровим методом та литтям вакуумним всмоктуванням. Результати лабораторних зносостійких випробувань чавуна при тиску 8 МПа і швидкості 1 м/с наведені у табл. 5.

Таблиця 5

Зносостійкі властивості високоміцних чавунів

Чавун | Інтенсивність зношування колодки мкм/106 циклів | Інтенсивність зношування пари мкм/106 циклів | Коефіцієнт тертя

Серійний ВЧ50 | 0,9 | 2,2 | 0,062

Комплексно-легований | 0,4 | 1,0 | 0,053

Відцентрова відливка | 1,2 | 1,8 | 0,068

Литво вакуумним всмоктуванням | 0,8 | 1,6 | 0,056

Найкращий комплекс антифрикційних якостей має високоміцний комплексно-легований чавун.

З метою збільшення ресурсу двигуна до капітального ремонту був виконаний комплекс досліджень по збільшенню працездатності поршнів суднових дизелів ЧН 25/34, який полягав у наступному. Виходячи з умов роботи поршню був розроблений комплексно-легований чавун з вермикулярною формою графіту. Цей чавун має високу міцність та теплопровідність при збережені добрих ливарний якостей, властивих сірому чавуну. Чавун отримано за допомогою РЗМ-вміщуючих лігатур, що дало можливість не використовувати автоклав та уникнути піроефекту.

Підвищення зносостійкості канавки під перше компресійне кільце, що лімітує ресурс поршня, досягли завдяки загартуванню поверхонь канавки струмами високої частоти (рис. 8). Форма індуктора та схема загартування забезпечують отримання робочих поверхонь канавки з перемінними властивостями: найбільшою зносостійкістю в зонах максимальних зносів.

Рис. . Поршень дизеля ЧН /34 при загартуванні СВЧ:

а) схема загартування канавок поршня;

б) розподіл твердості (НRСэ) по торцю.

Підвищення ресурсу другої пари тертя – розподільчого валу та важелів приводу клапанів, що регламентують ресурс двигунів до першої переборки, досягнуто за рахунок зміни зовнішніх умов навантаження вузла (рис. 9) та зміцнення тертьової поверхні важелів привода клапанів за рахунок хіміко-термічної обробки.

Рис. 9. Залежність зносу кулачків від зусилля стиснення клапанних пружин:

1 - зона роботи кулачків з двома пружинами;

2 – зона роботи кулачків з однією пружиною.

Причиною підвищених зносів кулачків розподільчих валів двигунів ВАЗ є завищений тиск в зоні контакту кулачка з важелем приводу клапана, викликаний надмірною жорсткістю клапанних пружин, що обумовлює роботу вузла в зоні критичних тисків. Зсунення робочих тисків в зону менших значень за рахунок зменшення жорсткості пружин забезпечує надійну роботу вузла та уникнення випадків катастрофічних зносів.

Зносостійкі властивості робочої поверхні кулачків розподільчих валів отримані також з перемінними параметрами (рис. ). Найбільшу твердість кулачків приводу клапанів забезпечено в зоні верхнього вистою клапана, де діють найбільші тиски та швидкості тертя. Ці заходи забезпечують надійну і безвідмовну роботу вузла до капітального ремонту двигуна.

Рис. . Твердість кулачків розподільчих валів двигунів ВАЗ

У п’ятому розділі наведені теоретичні передумови створення та описані технології виготовлення гільз циліндрів автотракторних та комбайнових двигунів з заданою диференційованою зносостійкістю робочої поверхні. Основний принцип, покладений у створення технології виготовлення деталей з заданими експлуатаційними властивостями, – це управління термодинамічними процесами формування заготовки протягом всього часу її формування, тобто управління процесами структуроутворення. На рис. зображена залежність температури відливки гільзи тракторного двигуна СМД-60 від часу при пасивному та керованому охолодженні.

Рис. . Залежність температури відливки гільзи СМД-60 від часу:

1 – пасивне охолодження;

2 – кероване охолодження;  – термін витримки чавуна в ковші при виплавці в електропечі; –

термін витримки чавуна в ковші при застосуванні лігатури;  – температура випуску при виплавці комплексно-легованого чавуну;  – температура випуску чавуна при застосуванні лігатури;  – температура заливки чавуна у форму.

Утворення тієї, чи іншої структури при одному і тому ж складі чавуна залежить від температури виплавки, швидкості кристалізації та охолодження заготовки.

Температура виплавки чавуна значною мірою впливає на розмір зерна та кількість графітових включень у зв’язку зі зменшенням центрів кристалізації через їх розчинення при зростанні температури виплавки. Шкідливий вплив на знососійкість чавуна високого перегріву металу для ввода необхідних лігуючих елементів уникнуто за рахунок застосування легкоплавких лігатур. Застусування лігатур також додатково рафінує метал та підвищує його якість в порівнянні з індивідуальним вводом лігуючих елементів.

Швидкість охолодження залежить від термодинамічних якостей форми і маси заготовки. Для забезпечення утворення графіту необхідного розміру і форми, усунення відбілу потрібно гальмування процесу кристалізації заготовки (рис. ). Для утворення необхідної металевої матриці у вигляді сорбітоподібного перліту необхідно прискорити охолодження в інтервалі температур перлітного перетворення. Далі, при температурах 400...500 ?С швидкість охолодження заготовки потрібно знову зменшити для забезпечення проходження процесу самовідпуску та зняття внутрішніх напруг. При некерованому процесі охолодження все відбувається навпаки. При заливці металу у форму швидкість охолодження дуже велика і відбувається швидка кристалізація чавуну з утворенням цементитних включень. По мірі охолодження заготовки і нагріву форми різниця температур між формою і заготовкою зменшується і проходження температур перлітного перетворення відбувається повільно. Як наслідок, утворюється структура крупнопластівчатого перліту та включень фериту. Частина цементиту, що утворюється під час первинної кристалізації, розпадається з утворенням міждендрітного графіту. Така структура чавуну, з точки зору зносостійкості, не є оптимальною. Таким чином, для отримання високозносостійкої структури чавуну, необхідно керувати термодинамічними процесами формування заготовки. Технологія керування процесами структуроутворення полягає у комплексі заходів по забезпеченню кожного її етапу. У процесі кристалізації необхідно забезпечити зменшення тепловіддачі від заготовки у навколишній простір. Це забезпечується при відцентровій відливці завдяки двом речам: застосуванню екзотермічних сумішей та використання кокілю з композиційних матеріалів на основі титану. Екзотермічні суміші, що подаються в кокіль перед заливкою, перемішуючись з рідким металом, рафінують його. Підіймаючись на внутрішню поверхню відливки вони палають і перешкоджають кристалізації заготовки з внутрішньої сторони, забезпечуючи направлену кристалізацію з зовнішнього боку в середину, зменшуючи припуск на механічну обробку. Застосування кокілю з композиційного матеріалу на основі губчастого титану дозволяє зменшити тепловіддачу від заготовки у зовнішнє середовище та знизити швидкість кристалізації.

Такі заходи дозволяють отримати в структурі чавуну оптимальні з точки зору антифрикційних властивостей крупнопластівчасті включення графіту без наявності точечного та междендрітного графіту. Відбіл заготовки також відсутній.

Після завершення процесу кристалізації охолодження заготовки з зовнішнього і внутрішнього боків йде в неоднакових умовах: основний тепловідвід відбувається з зовнішнього боку в тіло кокілю, а втрати тепла відливкою з внутрішньої поверхні незначні. Тому швидкість охолодження внутрішньої робочої поверхні гільзи повільна. Необхідно почати примусово охолоджувати внутрішню поверхню з метою усунення надмірного росту графітових включень та можливості подальшого утворення фериту. Це досягається підстудженням внутрішньої поверхні продуванням стислим повітрям. Після досягнення відливкою температури 800...900 °С починається її інтенсивне охолодження повітряно-водяною сумішшю (рис. ).

Рис. 12 Схема примусового охолодження гільз циліндрів:

1 – труба підводу охолоджуючої рідини; 2 – труба підводу повітря; 3 – регулююча гайка; 4 – відзеркалювач; 5 – відливка гільзи циліндра; 6 – композиційна вставка; 7 – кокіль; 8 – виштовхувач.

Обладнання (рис. ) дає можливість в промислових умовах отримувати гільзи циліндрів з високою зносостійкістю робочої поверхні диференційованою вздовж твірної циліндра. Твердість внутрішньої поверхні змінюється від 270...280 НВ у зоні верхньої мертвої точки до 210...220 НВ у нижній зоні гільзи (рис. ).

Рис. Поле твердості гільзи дизеля Д-240, НВ:

а) дослідна;

б) серійна.

При виготовлені гільз циліндрів з подальшим загартуванням струмами високої частоти (СВЧ) висока якість робочої поверхні забезпечується попередньою підготовкою структури під загартування СВЧ, що полягає в управлінні процесами структуроутворення, і