Тарапата Всеволод Всеволодович

УДК 621.431:621.436

УДОСКОНАЛЮВАННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЇ

СУДНОВИХ ДИЗЕЛІВ РЕГЕНЕРАЦІЄЮ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ЇХ ОСНОВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Спеціальність 05.08.05 – Суднові енергетичні установки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії

Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: | доктор технічних наук, професор Євдокимов

Вадим Дмитрович,

Одеський національний морський університет,

завідуючий кафедрою

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Капустін Віктор Володимирович,

Севастопольський національний технічний

університет, декан факультету Морських

технологій і судноплавства

доктор технічних наук, професор Барсуков Сергій Іванович,

Одеський інститут сухопутних військ Міністерства оборони України, професор кафедри

доктор технічних наук, професор Яровенко Володимир Олексійович,

Одеський національний морський університет,

завідуючий кафедрою

Провідна установа: | Національний університет кораблебудування

їм. адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України (м. Миколаїв)

Захист відбудеться 24 березня 2005 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої Ученої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ОНМА.

Автореферат розісланий 15 лютого 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради,

д.т.н., професор Голіков В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Судноплавні компанії морського флоту України пред'являють усе більш високі вимоги до забезпечення безпеки мореплавання, рівня технічної експлуатації та економічності суднових енергетичних установок, які працюють у специфічних, екстремальних умовах – хитавиці при штормі, частого реверсування головного двигуна, неможливості одержання допомоги з боку берегових організацій в усуненні відмовлення під час переходу та ін. Підвищення їх надійності і довговічності являє собою комплексну задачу, що розв'язується як при виготовленні, так і в період технічної експлуатації, однією з важливих і необхідних складових якої є ремонт.

Основною задачею ремонту суднового дизеля (СДВЗ) є повне або часткове відновлення будівельної ефективності процесів енергоперетворення в його робочих циліндрах. Її рішення вимагає регенерації вихідних властивостей (розмірів, маси, зазорів і ін.) основних елементів дизеля (голівок поршнів, втулок, паливної апаратури та ін.) і досягається усуненням характерних експлуатаційних ушкоджень з різко вираженим нерівномірним розмірним і масовим зносом.

Стан морегосподарського комплексу України в даний час достатньо складний. З одного боку, бази технічного обслуговування флоту (БТОФ) і судноремонтні заводи (СРЗ) переживають спад, основною причиною якого є їх технологічна відсталість. Недостатньо повно використовуються в ремонті дизелів можливості технологічного устаткування й екіпажів суден.

З іншого боку, відсутній єдиний, науково обґрунтований підхід до рішення проблеми підвищення довговічності СДВЗ на основі комплексного аналізу технологій, які помітно відрізняються друг від друга. Це утрудняє їх оцінку і вибір для проведення регенерації властивостей робочих поверхонь при ремонті відповідальних деталей суднових дизелів.

Таким чином, неможливість оптимального рішення задач практики на основі існуючих теоретичних підходів робить обрану тему досліджень актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані відповідно до планів НДР ОНМА і технічною політикою держави на морському флоті, відбитої в документах: "План прискорення науково-технічного прогресу на морському транспорті на 1986-1989 р. і на період до 2000 р. і заходи щодо його забезпечення"; "Закон України про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки"; "Національна програма дослідження і використання ресурсів Азовсько-Чорноморського басейну на період до 2000 року"; Постанова Кабінету міністрів України "Про затвердження пріоритетів іноваційної діяльності в Україні на 2001-2002 р"; "Закон України об пріоритетних напрямках інноваційної діяльності до 2013 року". Результати досліджень, що ввійшли в дисертаційну роботу, відбиті в звітах по НДР: №№ ДР 7050427; 79067566; 01840057776; 81092584; 01860110146; 01860110147; 01860110148, 0194U002038, 0196U018695 та 0102U007164. В них автор дисертації брав участь як виконавець, відповідальний виконавець, науковий керівник ряду тем і розділів, заступник наукового керівника галузевої лабораторії ОНМА "Підвищення надійності і терміну служби деталей ДВЗ, механізмів і вузлів судна.

Мета і задачі дослідження. Метою дійсного дослідження була розробка й обґрунтування принципів забезпечення заданої довговічності суднових ДВЗ протягом всього життєвого циклу дизеля шляхом регенерації властивостей його основних елементів.

Для досягнення мети в роботі вирішувалися такі основні задачі.

1. Обстеження й аналіз процесів деструкції, експлуатаційних ушкоджень відповідальних деталей суднових дизелів і методів регенерації їх робочих поверхонь при ремонті.

2. Розробка концептуального підходу до забезпечення довговічності деталей СДВЗ на основі оптимізації процесів масопереносу при їх експлуатації, технічному обслуговуванні і ремонті.

3. Теоретичне дослідження технологій підвищення довговічності основних деталей суднових дизелів.

4. Розробка варіаційного принципу аналізу існуючих і синтезу нових технологій підвищення довговічності основних елементів СДВЗ.

5. Дослідження і розробка нових технологій регенерації основних деталей у багатомірних полях при ремонті суднових дизелів в умовах СРЗ, БТОФ і експлуатації судна.

6. Розробка статистичного підходу до оцінки елементів режимів технологій підвищення довговічності, які застосовують при виготовленні і ремонті робочих поверхонь деталей СДВЗ, та їх властивостей.

Об'єкт дослідження – процеси деструкції, руйнування і регенерації основних елементів (деталей) суднових дизелів, що забезпечують замкнутість робочого циклу двигуна і його довговічність.

Предмет дослідження – підвищення довговічності суднових дизелів регенерацією властивостей їх основних елементів при ремонті до рівня, необхідного для експлуатації СДВЗ без яких-небудь обмежень.

Методи дослідження вибиралися з урахуванням складності об'єкта і предмета досліджень, взаємодії векторів технологій підвищення довговічності й умов експлуатації основних елементів СДВЗ.

Теоретичні дослідження базуються на сучасних уявленнях термодинаміки рівноважних і нерівноважних процесів, фізичної хімії, трибології, теорії імовірностей і використанні відповідного їм математичного апарату. В експериментальних дослідженнях застосовувалися відомі фізико-хімічні методи оцінки параметрів технологічних процесів і властивостей робочих поверхонь, при необхідності адаптовані до умов експлуатації судна, БТОФ і СРЗ. Обробка отриманих результатів здійснювалася з використанням методів математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному.

1. Вперше запропонована наукова концепція розгляду процесів енерго-перетворення в СДВЗ, деструкції їх основних елементів при експлуатації і регенерації під час ремонту з загальної позиції, заснованої на уявленнях термодинаміки необоротних процесів. Показано структурну подібність зазначених процесів.

2. На цій основі запропоновано єдиний підхід до проблеми підвищення довговічності деталей суднових енергетичних установок з описом процесів зміцнення їх робочих поверхонь при виготовленні, пошкоджуваності в період експлуатації і компенсації ушкодженого шару при ремонті шляхом введення уявлення про формування і взаємодію потоків речовини в різних полях.

3. Запропоновано і реалізовано новий підхід до регенерації властивостей робочих поверхонь деталей суднових дизелів з обліком їх специфічних експлуатаційних ушкоджень, який полягає в створенні неоднорідних (нерівномірних) полів, раціональному виборі умов переносу речовини на поверхню деталі, що відновлюється, та керуванні ними на основі розробленої системи градієнтів. Отримано основні рівняння регенерації.

4. З урахуванням показаної подібності методів підвищення довговічності СДВЗ при їх роботі і ремонті, що мають у своїй основі різну природу, для аналізу існуючих та синтезу нових технологій запропоновано варіаційний принцип, заснований на уявленнях термодинаміки необоротних процесів і використанні її математичного апарата для опису процесів масопереносу.

5. Запропоновано для коректного зіставлення технологій і результатів підвищення довговічності основних деталей СДВЗ замість дискретних оцінок, що використовуються у даний час, визначати їх інтегральні характеристики шляхом статистичної обробки існуючого масиву даних по елементам режимів технологій і властивостям одержаних робочих поверхонь, розглядаючи їх як випадкові величини.

6. Встановлено структуру і запропоновано моделі різних технологій регенерації і підвищення довговічності деталей суднових дизелів. Надано фізичну інтерпретацію ряду коефіцієнтів масопереносу при хіміко-термічній обробці робочих поверхонь основних деталей СДВЗ.

7. Показано можливість використання отриманих моделей не тільки для керування технологіями підвищення довговічності відповідальних елементів СДВЗ при їх виготовленні і ремонті, але і для опису процесів енергоперетворення в суднових дизелях.

Практичне значення отриманих результатів. На основі виконаного комплексу досліджень і отриманих наукових результатів:

1. Розроблені феноменологічні і математичні моделі переносу речовини на робочі поверхні деталей, які регенеруються; це дозволяє одержати якісні і кількісні оцінки технологій підвищення довговічності та використовувати їх при порівнянні і виборі шляхів забезпечення заданої довговічності СДВЗ.

2. Рекомендовано класифікацію технологій підвищення довговічності деталей суднових дизелів, що враховує число і склад полів, які створюють потоки переносимої речовини; це дозволяє, у першому наближенні, прогнозувати результати їх використання.

3. Запропоновано методику аналізу існуючих і синтезу нових технологій з використанням варіаційного підходу і розроблених моделей переносу речовини в різних полях. Показано можливість виявлення недоліків існуючих процесів і шляхів їх удосконалювання.

4. Запропоновано методику оцінки і вибору ресурсоенергозберегаючих технологій підвищення довговічності відповідальних деталей СДВЗ, яка заснована на використанні системи узагальнених показників режимів і одержаних експлуатаційних властивостей їх робочих поверхонь.

5. Отримано авторське посвідчення СРСР № 1488324 "Спосіб відновлення рухливих сполучень прецизійних деталей", що стало основою для розробки ряду технологій регенерації плунжерних пар паливних насосів високого тиску (ПП ПНВТ) СДВЗ.

6. Розроблені і погоджені з Регістром технології відновлення голівок поршнів (ГП) і ПП ПНВТ, що базуються на керуванні потоками речовини за допомогою градієнтів полів й забезпечують підвищення їх довговічності. На базі СРЗ "Україна" відновлено спробні партії деталей.

7. Розроблено рекомендації для суднових механіків на вибір деталей із заданим ресурсом роботи і їх використанню при ремонті дизелів, а також пропозиції по доукомплектуванню суден устаткуванням і приладами, необхідними для підвищення якості ремонту робочих поверхонь деталей СТЗ в умовах експлуатації.

Особистий внесок здобувача в одержання наукових результатів, викладених у роботі, складається в: формулюванні цілей і задач дослідження; наукових положень, що виносяться на захист, і їх теоретичному обґрунтуванні; розробці математичних моделей; організації й участі в проведенні експериментів; обробці, аналізі й інтерпретації результатів експериментів; розробці методик оцінки технологій підвищення довговічності деталей, принципових схем ряду технологічних процесів; участі в розробці і впровадженні технологічних інструкцій на СРЗ; формулюванні висновків і написанні дисертації.

Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідалися й обговорювалися на наукових конференціях і семінарах: 1) Галузевий семінар ММФ "Сучасні методи зварювання, наплавлення і відновлення деталей суднових технічних засобів і підйомно-транспортних механізмів", м. Клайпеда, 14 -17 травня 1990 р.; 2) Міжгалузева науково-практична конференція "Стан і перспективи розвитку морського флоту", м. Ізмаїл, УДП, 11-13 жовтня 1999 м.; 3-5) Міжнародні наукові конференції "Сучасні технології. Якість. Реструктуризація", м. Кишинів, Технічний університет Молдови: 27-29 травня 1999 р., 23-25 травня 2001 р. і 29-31травня 2003 р.; 6) Науково-технічна конференція, м. Миколаїв, УДМТУ, 24-26 квітня 2000 р.; 7) Міжнародна науково-технічна конференція "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин – 2000", 16-19 травня 2000 р., м. Хмельницький; 8) Семінар "Сучасний стан ремонтно-відбудовчої бази підприємств морегосподарського комплексу України і шляхи його подальшого розвитку. Прогресивні технології зварювання і з'єднання матеріалів у судноремонті", м. Одеса, 24-25 червня 2003 р.; 9) Науково-технічні семінари "Удосконалювання технічної експлуатації суднових енергетичних установок морських транспортних судів", м. Одеса, ОНМА: 10-12 грудня 2003 р. і 26-28 травня 2004 р.; 11) Наукові конференції професорсько-викладацького складу ОНМА (1988-2004 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 29 статтях (у тому числі 14 – без співавторів) у наукових журналах і збірниках наукових праць, що входять у Перелік ВАК, матеріалах конференцій; отримано 1 авторське посвідчення. Додаткова інформація відбита у 9 тезах семінарів.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку літератури з 246 найменувань і додатків. Загальний обсяг роботи – 383 стор., у тому числі: 263 стор. основного тексту, 16 стор. списку літератури, 109 рисунків, 40 таблиць і 48 стор. додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності обраної тематики, мети і задач досліджень. Укрупнено розглядаються наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі надано аналіз існуючого стану довговічності СДВЗ і можливостей її підвищення при технічному обслуговуванні і ремонті, формулюються напрямок, мети і задачі дослідження.

Сучасне морське судно являє собою складний інженерно-технічний комплекс, експлуатація якого найчастіше протікає в екстремальних умовах. Суднові дизельні установки займають у ньому ведуче місце, від них значною мірою залежить безпека мореплавання, а число відмовлень досягає 70...78 % від загальної кількості по судну. Питанням їх надійності і довговічності присвячені численні роботи: Васильєва Б.В., Горбова В.М., Івановського В.Г., Капустіна В.В., Молодцова М.С., Овсянникова М.К., Тімошевського Б.Г., Фоміна Ю.Я., Ханмамедова С.А, Шишкіна В.А., Шостака В.П. й ін.

Однак проблема підвищення довговічності для основних елементів СДВЗ, як і раніше, остається актуальною. Виконане нами обслідування показало, що процеси деструкції робочих поверхонь приводять до значних експлуатаційних ушкоджень, раптовим і поступовим відмовленням голівок поршнів (ГП), плунжерних пар паливних насосів високого тиску (ПП ПНВТ) та інших деталей (рис. 1 і 2).

Рис. 1. Втомне руйнування голівки поршня дизеля МАN K6Z57/80С після раптового відмовлення (а) і зовнішній вигляд плунжерів ПНВТ СОД з різними експлуатаційними ушкодженнями (б, в)

У подальшому основна увага була зосереджена на поступових відмовленнях – зносових і корозійних, на які приходиться до ~ 20% і 7% (відповідно). Їх принципово важливі відзнаки: а) параметричний характер, що дозволяє відслідковувати стан об'єкта в часі за показниками приладів і при проведенні планово-попереджувальних технічних оглядів; б) зменшення в порівнянні з номінальною масою об'єкта. Саме їх урахування може бути основою удосконалювання експлуатації суднових дизелів – як при їх технічному використанні, так і під час регенерації властивостей робочих поверхонь деталей при ремонті.

Виконаний нами структурно-частотний аналіз показав, що на сучасному морському судні понад 2-х тисяч відповідальних трибосполучень працюють в умовах реверсивного тертя і вимагають підвищення довговічності. При цьому процеси деструкції деталей дизелів приводять в результаті до ушкоджень, які мають яскраво виражений нерівномірний розмірний і масовий знос, багато в чому обумовлений саме специфікою експлуатації СДВЗ. Для ГП вони широко відомі: знос 1-ої канавки і корозійне руйнування вогневої поверхні. Виявлено надійну кореляцію з технологією виготовлення деталі дефектів (рис. 2), які найбільше часто зустрічаються практично у всіх ПП ПНВТ середньообертових суднових дизелів (СОД).

Рис. 2. Частота (%) експлуатаційних ушкоджень плунжерів ПНВТ СОД

Виявлені при дефектуванні експлуатаційні ушкодження деталей плунжерних пар значно відрізняються по своїм геометричним параметрам: площі, довжині, глибині. Однак для розробки технології регенерації вирішальне значення має останній – глибина.

В зв'язку з тим, що оцінка довговічності суднових деталей тільки по зміні їх розмірних характеристик не завжди дозволяє робити однозначні висновки, нами запропоновано додатково використовувати уявлення про потоки зношування їх робочих поверхонь Jзн:

,

де ?матер – щільність матеріалу деталі, що зношується; hзн – найбільш припустимий знос (глибина ушкодження); Трес - ресурс деталі.

Введення такої додаткової оцінки дозволило: а) обійти розходження у фізико-хімічній природі процесів, розглядаючи і зносові, і корозійні відмовлення однієї групи деталей з єдиних позицій; б) зіставляти по зносостійкості деталі різних груп; в) визначати потрібну величину потоків матеріалу і, відповідно, вибір технології їх регенерації і підвищення довговічності.

У відповідності з тенденціями, відбитими у введеній з 2003 р. Схемі планово-попереджувального техобслуговування (СППР/PMS), роль і відповідальність екіпажів в удосконалюванні технічної експлуатації суднових дизелів і підвищенні їх довговічності буде безупинно зростати. При цьому на старшого механіка покладається відповідальність за ухвалення рішення про те, за якою схемою і з використанням яких технологій, у залежності від результатів безперервного огляду згідно СОН/CMS і СППР/PMS, буде вироблятися ремонт СДВЗ.

Основна роль у рішенні цієї проблеми у світовій практиці надається судноремонтним заводам і фірмам. Як морська держава, Україна має досить розвиту інфраструктуру морегосподарського комплексу – у її склад входять 6 СРЗ. Однак, як показало проведене в 1981-1994 р. галузевою лабораторією ОНМА (у минулому – ОВІМУ) обслідування при участі автора, для них у питаннях регенерації і підвищення довговічності зношених деталей характерна значна відсталість, обумовлена відсутністю сучасного устаткування і технологічних інструкцій (ТІ).

В аналогічному стані знаходяться питання, зв'язані з ремонтом СТЗ без виведення суден з експлуатації силами баз технічного обслуговування флоту. Традиційними причинами недостатньої довговічності деталей, що регенеруються екіпажами під час рейса, є практично повна відсутність можливості надання на них теплового впливу (термообробки, підігріву перед зварюванням і ін.) і ТІ по ремонту.

Найважливішою причиною такої ситуації є відсутність єдиної наукової платформи при розгляді природи довговічності, що формується, власне кажучи, як під час експлуатації, так і при ремонті зношених деталей – ці 2 частини одного поняття зараз вивчаються ізольовано друг від друга, з різних теоретичних позицій. Враховуючи найбільш розповсюджене на суднах граничне тертя, питання підвищення довговічності при експлуатації розглядаються з позицій молекулярної фізики і вирішуються за рахунок створення в зазорі підшипника за допомогою поверхнево-активних речовин орієнтованого шару молекул мастила товщиною до 10...20 мкм. Молекулярній взаємодії приділяється вирішальна роль і при описі процесів адгезії і схоплювання. Для розрахунку параметрів зносу пара тертя часто використовуються уявлення про контактну взаємодію твердих тіл і засновані на ньому методи.

Аналогічний підхід складає основу опису процесів окислювання, що ведуть до деструкції, руйнування і виникнення не тільки корозійних ушкоджень, але і окисного зносу, який часто має місце в трибосполученнях. У цьому випадку про його інтенсивність судять за результатами термодинамічного аналізу.

Теоретична база технологій підвищення довговічності під час регенерації з урахуванням робіт, виконаних в інших галузях техніки, також досить різноманітна. Так, дослідження процесів хіміко-термічної обробки (ХТО) часто включає розрахунки рівноважних складів середовища, що насищає, з використанням представлень класичної термодинаміки. Обов'язковим елементом практично всіх робіт є металографічний аналіз. Починаються досить успішні спроби впровадження комп'ютерних технологій, широкого використання математичного пакета Mathcad і ін. Велика увага приділяється вивченню взаємодії з матеріалом робочої поверхні деталей висококонцентрованих джерел енергії та їх практичному впровадженню.

Таким чином, існуюча тенденція до ускладнення технологій регенерації деталей вимагає їх розгляд з єдиних позицій і створення загальної теоретичної основи процесів зношування і регенерації властивостей поверхонь деталей, що дасть можливість намітити шляхи керування ними і подальшого розвитку (див. мети і задачі дослідження).

Другий розділ присвячений методологічним аспектам дослідження.

В основу запропонованого підходу було покладено, як необхідна умова, забезпечення замкнутості робочого простору циліндра дизеля, тобто відсутність або наявність масообміну з навколишнім середовищем – витоку газоподібних продуктів згоряння або повітряного заряду з його понадпоршневої порожнини. Основна роль у її забезпеченні приділялася ГП, що знаходиться при експлуатації в найбільш несприятливих умовах і має наступні основні властивості: масу mГП; зазор ? Зазор розглядається як комплексна величина, що включає: а) зазор між тілом голівки поршня втулкою; б) зазори між поршневими кільцями и канавками ГП між деталями остова дизеля і поршнем, що рухається; розміри робочих поверхонь (опорної поверхні канавок під поршневі кільця, зовнішньої циліндричної поверхні) і (корозійних ушкоджень, чисельно рівної площі діаметрального переріза робочого циліндра SГП). При навантаженні вона здатна пружно деформуватися силою , а її переміщення щодо втулки створює силу тертя , яка залежить від властивостей матеріалу ГП (коефіцієнта тертя, твердості й ін.) і спрямована убік, протилежний рухові. Тому що абсолютна маса і форма ГП при роботі змінюються мало, то зусилля і можна вважати постійними. Тоді в новому двигуні, коли властивості утворюючих камеру згоряння деталей рівні будівельним, силовий вплив на поршень можна представити у виді:

де - сила, що розвивається при згорянні палива та забезпечує рух голівки поршня;

– корисне зусилля, що передається на колінчатий вал дизеля.

Після наробітку ? виникає збурююче зусилля Fзбур(ф, Мдет), яке має двояку природу і зменшує силу, що забезпечує рух:

Трибологічна складова обумовлена зносом і викликає витік продуктів згоряння (повітряного заряду) у підпоршневу порожнину. Причиною виникнення корозійної складової є вигоряння днища, що веде до небажаного збільшення обсягу камери згоряння до ~ 15%. У кінцевому рахунку, ці збурювання ведуть до зменшення середнього індикаторного тиску рi, рушійної сили , площі індикаторної діаграми і виробленої дизелем корисної роботи.

Для відновлення рi, яке періодично фіксується судновими механіками при експлуатації дизеля, в рамках реалізації різних схем моніторингу технічного стану: а) збільшується циклова подача ПНВТ, що веде потім до інтенсифікації його зносу; б) робиться заміна поршневих кілець; в) здійснюється заміна або регенерація ГП.

Якщо перші 2 дії знаходяться в рамках заходів щодо технічного обслуговування дизельної установки, то останнє є прерогативою досліджуваної в дійсній роботі проблеми регенерації основних елементів суднового дизеля, до яких, безсумнівно, відносяться ГП.

До цієї ж категорії належать і ПП ПНВТ, що мають ідентичні поверхні тертя і характер відносного руху деталей, що сполучаються. Дійсно, при збільшенні зазорів по циліндричній прецизійній поверхні відбувається: з одного боку – зростання витіка палива і зменшення його циклової подачі в робочий циліндр; з іншого боку - зниження тиску упорскування і дисперсності крапель, що веде до неповного згоряння палива і зниження таким чином ефективності експлуатації дизеля.

У розвиток викладеного підходу і з урахуванням однозначного зв'язку між масою деталі і величиною зносу, автором запропоновано розглядати її зміну у виді ділянок функції з областю значень Мном…Ммін (рис. 3), що відповідають періодам роботи деталі та її відновлень при ремонті дизеля на тимчасовому відрізку 0…n. Після ряду перетворень вона може бути виражена як сукупність потоків маси, що характеризує інтенсивність зношування в період наробітку і нанесення речовини при регенерації деталі :

Рис. 3. Циклограми зміни маси деталі в період від її виготовлення до списання: а – що не відновлюється, б – що відновлюється

Зважаючи викладене раніше, проблему підвищення довговічності відновлюваних деталей суднових дизелів, які швидко зношуються, пропонується розглядати з єдиної позиції, заснованої на описі процесів їх пошкоджуваності при експлуатації і компенсації ушкодженого шару при ремонті шляхом введення уявлення про формування і взаємодію потоків речовини в різних полях протягом наступних друг за другом циклів "експлуатація – ремонт" (рис. 4).

Рис. 4. Принципова схема формування потоків масопереносу в різних полях на поверхні вала суднового дизеля при його експлуатації (ліворуч) і ремонті (праворуч)

При експлуатації в умовах характерного для більшості трибосполучень суднових дизелів граничного тертя і нормального механохімічного окисного зносу маса матеріалу, що відноситься з поверхні деталі, буде визначатися інтенсивністю 2-х потоків – чисто механічного та окисного зносу. Ці потоки попадають у мастило і надалі виводяться з зони тертя.

У той же час при експлуатації можливе створення 2-х потоків на базі виборчого переносу, відкритого Гаркуновим Д.М., Крагельским І.В. і розвитого в роботах Кравця І.А. та інших авторів. Вони приводять до утворення на поверхні вала сервовитної плівки, яка частково компенсує механокисневий знос, помітно знижує його інтенсивність і вже в період роботи забезпечує регенерацію пари тертя.

При ремонті для формування потоків речовини, що наноситься на поверхонь, можна використовувати до 5-и полів: концентрації, електричного, теплового й ін. Тоді кожний з локальних потоків можна виразити добутком градієнта поля, який створює потік, на відповідний феноменологічний коефіцієнт і представити модель i-го "життєвого циклу" деталі як

Отримане вираження показує, що з погляду складу полів між експлуатацією і регенерацією зношених деталей принципові розходження відсутні (табл. 1). При роботі трибосполучення поля, що приводять до віднесення маси, виникають спонтанно і споживають частину енергії, яка одержується в робочому циліндрі дизеля при згорянні палива. Для створення полів, що формують потоки речовини при виборчому переносі і репаративної регенерації, потрібні спеціальні умови та додаткова енергія зовнішніх джерел.

Таблиця 1

Порівняльна характеристика полів, деталей, що формуються при експлуатації, і регенерації властивостей їхніх зношених поверхонь

Параметр

порівняння | Експлуатація | Регенерація при ремонті

Діюче

поле | Концентрації (окисл. знос) | Механічних напруг | Концентрації речовини (ВП) | Електричне

(репарат.) | Концентрації речовини | Температурне | Електричне | Механічних напруг | Магнітне

Градієнт полючи

Джерела енергії, що споживається | Внутрішні

(паливо) | Внут.,

зовніш. | Зовні-шні | Зовнішні

Напрямок потоку речовини *) | + | + | + | + | + | + | +

Середовище | Рідке або консистентне

мастило | Газоподібне або рідке

Співвідношення поверхонь

Співвідношення мас деталі

Відстань між поверхнями | 0…0,9 мм | ~ 5…1000 мм

Час існування потоку, ч

Примітка: напрямок потоку, що збільшує масу деталі і збігається з віссю Х, приймався

позитивним (див. рис. 4)

Принципово важливим є те, що у всіх зазначених полях (за винятком поля механічних напруг) і середовищах, які оточують деталь, взаємодія і перенос речовини відбуваються на атомарному або молекулярному рівні. Це дозволяє використовувати при їхньому аналізі підходи термодинаміки незворотних процесів (ТНП), що оперує уявленнями про локальну рівновагу часток мікросвіту.

Таким чином, результати аналізу показали практично повний збіг опису таких, здавалося б, різнорідних процесів, як зношування і регенерація робочих поверхонь, дозволили намітити шляхи керування довговічністю деталей суднових дизелів як під час їх експлуатації, так і при ремонті.

Для досягнення мети дослідження автором застосовувалися методи, які відповідають принципу достатності й забезпечують вірогідність одержуваних результатів.

В експериментах використовувалися спеціальні рознімні зразки, що дозволило одержати максимальний обсяг даних при мінімумі експериментів, уникнути тимчасового "дрейфу" параметрів установок і матеріалів.

Для одержання робочих поверхонь деталей суднових дизелів і зразків використовувалося устаткування як промислового виготовлення (електропечі СУОЛ-0,25.1/12-М1 та ін.; гальванічна установка з джерелом харчування ВАКГ-12/6-630У4; машини тертя МІ-1М и ін.), так і спеціальне.

Металографічні дослідження проводилися за допомогою стандартних методик і устаткування (мікроскопи "Neofot-21" і МІМ-7; мікроаналізатори МАР-1 і "Cameka"; твердоміри ПМТ-3, ТК-14-250 і ТП-7Р-1). Безпосередньо на судах і великогабаритних деталях використовувалася портативний твердомір "ERNST HARTEPRUFER SA 6814" (Швейцарія). Ударна в'язкість визначалася за допомогою маятникового копра МК-30.

Контроль температури здійснювався електронними потенціометрами. Безконтактне визначення температури велося пірометрами ОППИР-17 і "Cyklop-33" (Швейцарія).

Шорсткість робочих поверхонь деталей визначалася профілографом-профілометром мод. 250, некруглість прецизійних поверхонь плунжерних пар – приладом "Talerund – 4".

Обробка отриманих результатів здійснювалася методами математичної статистики з використанням пакета програм Mathcad PLUS 7.0 PRO. Оцінка масивів даних велася шляхом визначення інтервалів варіювання, при перевірці гіпотез про закони їх розподілу довірча імовірність складала 0,95. Регресійний аналіз виконувався методом найменших квадратів.

Систематична погрішність при вимірах виключалася шляхом використання приладів і інструментів, які пройшли державну перевірку, а також рандомізацією вимірів. Це дозволило оцінити відносну величину середньоквадратичної помилки експериментальних даних при вимірах наступними значеннями (не більш): а) прецизійних поверхонь плунжерних пар ПНВТ 0,008%, інших поверхонь 0,05%; б) температури термічної і хіміко-термічної обробки 4%; в) твердості 5%; г) величин зносу при прискорених іспитах 8%.

Третій розділ присвячений розробці теоретичних основ формування довговічності деталей шляхом керування процесами переносу речовини на їхні робочі поверхні в багатомірних полях при регенерації.

З урахуванням виникнення нерівновагих структур, характерних для зміцнених поверхонь, що володіють підвищеною довговічністю, пропонується розглядати процеси їх формування з позицій ТНП і використовувати для опису технологій регенерації її базове рівняння , де: Ji - сумарний потік; Lij- феноменологічні коефіцієнти, що залежать від градієнтів діючих полів; Хі - градієнт поля (рушійна сила); i, j = 1, 2, 3 ... k.

Тому що практично при всіх технологіях регенерації і підвищення довговічності передбачається перенос на оброблювані поверхні деталі речовини з якого-небудь зовнішнього джерела, у загальному випадку робочий технологічний простір був представлений у виді 3-х основних зон (рис. 5). У зоні А наносима речовина переводиться в стан, придатний для транспортування через зону Б: розплавлений – для наплавлення, атомарний – при вакуумній металізації, хімічну сполуку – для ХТО і т.д. Досягаючи зони В, вона в результаті гетерофазної взаємодії формує робочу поверхню деталі.

Рис. 5. Узагальнена схема переносу речовини під впливом градієнтів полів, що створюються під час виготовлення, експлуатації та регенерації деталей суднових енергетичних установок

У результаті аналізу встановлений склад полів, що можуть бути використані для організації масопереносу при регенерації, запропонована їх класифікація (табл. 2) і феноменологічна модель регенерації, яка включає 5 рівнянь з однаковою структурою:

де Lij – коефіцієнти, що відповідають градієнтам і видам потоків.

Таблиця 2

Класифікація технологій підвищення довговічності

по числу діючих полів

Групи технологій зміцнення

і регенерації | Створювані градієнти полів

1. Загартування (власне термообробка) | +

2. Термомеханічна обробка | + | +

3. Хіміко-термічна обробка (ХТО) | + | + | + | +

4. Осадження гальванічних покрить | + | +

5. Осадження хімічних покрить | +

6. Електродугове наплавлення | + | + | + | + | +

7. Високошвидкісне тертя | + | +

8. Лазерне зміцнення | +

Вони враховують не тільки масоперенос Jm, але і потоки тепла JQ, електричного струму JI та ін.

Тому приведена система або її окремі компоненти, на нашу думку, може бути використана і для опису процесів енергоперетворення в дизелі (див. нижче).

Напрямок і інтенсивність потоків, що формуються, залежать від складу полів і величини їх градієнтів. Потоки можуть збігатися по напрямку або мати кут розорієнтації в діапазоні 0…1800, вступати у взаємодію один з одним на границях розподіла зон АБ і БВ, кінцевими результатами якого є будівля і властивості нанесених покрить, а також ефективність регенерації (табл. 3).

Таблиця 3

Вплив інтенсивності потоків

на будівлю поверхні деталі після зміцнення (відновлення)

Мембрана | Співвідношення

інтенсивності

потоків речовини | Фазі, які створюються між

наносимою речовиною і матеріалом деталі

Чиста

речовина | Вищі хімічні сполуки | Нижчі хімічні сполуки | Тверді

розчини

АБ | | Співвідношення нераціональне,

приводить до підвищених витрат енергії і матеріалів

Оптимальне співвідношення

Співвідношення нераціональне, не забезпечує

достатньої інтенсивності процесу

БВ | Присутня | Розвиті

шари | Практично відсутні (малі товщини)

Відсутня | Ступень розвитку визначається

інтенсивністю потоку

Слабко розвиті шари | Розвиті шари

Порівняльний аналіз технологій по групах показав, що найбільш простими, з позицій ТНП, є термообробка і лазерне зміцнення; до складних варто віднести електродугове наплавлення і ХТО. Однак останньої надалі при аналізі був відданий пріоритет, тому що вона володіє адитивністю, що дозволяє поетапно збільшувати число діючих полів і в такий спосіб розділити створювані ними ефекти.

При ХТО серед зон технологічного простору була виділена найбільш складна і найменш вивчена – зона транспортування наносимої речовини. Тому подальші дослідження і створення локальних моделей проводилися стосовно саме до неї в 2 етапи: а) аналіз процесів переносу, визначення виду діючих полів і створення феноменологічної моделі; б) трансформація феноменологічної моделі у фізико-математичну, враховуючі параметри молекул, склад і тиск середовища, розміри технологічного простору й ін.

Прикладом реалізації запропонованого підходу може служити виконане автором моделювання процесів транспортування наносимої речовини при ХТО в установці з 2-я температурними зонами (рис. 6):

Рис. 6. Принципова схема температурного поля зони переносу речовини при наявності в ній хімічної взаємодії між компонентами (ліворуч) і вплив узагальненої характеристики хімічно активного газового середовища w (праворуч) на температуру зони транспортування (Тдж = 1400 К, Тдет = 900 К): 1 – w=105; 2 – w=2· 105; 3 – w= - 105 (K/м2)

Математична модель найбільш важливого для регенерації потоку – масопереносу наносимої речовини – має вигляд:

Аналогічні моделі отримані для всіх полів і потоків наносимої речовини, що можуть використовуватися в процесах ХТО (див. табл. 2). Величини, що входять до їх складу, відбивають фізичні, хімічні, теплофізичні та інші властивості речовин, а також елементи режими технологій підвищення довговічності деталей і розміри установок.

Слід відзначити, що отримана модель температурного поля може бути застосована для аналізу процесів згоряння палива у робочому циліндрі СДВЗ в залежності від його виду, розмірів камери згоряння і капель палива після упорскування. Для цього необхідно ввести до неї відповідні параметри робочого циліндра дизеля, паливної апаратури і власне палива.

Порівняльний аналіз феноменологічних і математичних моделей, розроблених з урахуванням дії різних полів, показав, що вони мають однакову структуру локальних складових потоку речовини – як того, що видаляється з робочої поверхні деталі при її експлуатації, так і того, що наноситься на неї під час регенерації властивостей. Це дає можливість при аналізі і синтезі моделей зношування або будь-якої технології відновлення застосувати варіаційний принцип, представивши загальний потік у виді суми компонентів – "блоків", кожний з яких є добутком характерного для даного поля градієнта на відповідний йому феноменологічний коефіцієнт (табл. 4).

Таблиця 4

Зведена структура "блоків", використовуваних
для побудови феноменологічних і математичних моделей
операцій ХТО відповідно варіаційного принципу

Градієнт | Порядковий

номер градієнта | Умовне визначення компонентів

феноменологічних

коефіцієнтів | діючих

градієнтів | локальних потоків речовини, викликаних градієнтом

А | В | С

Концентрації | 1 | А1 | В1 | С1

Температури | 2 | А2 | В2 | С2

Напруги (електр.) | 3 | А3 | В3 | С3

Тиску | 4 | А4 | В4 | С4

Приведена таблиця є аналогом електронного робочого документа математичного пакета Excel, кожній комірці якого відповідає визначена формула феноменологічної або математичної моделі операції ХТО. Для розглянутого вище процесу титанирування (рис. 6) сумарний потік наносимої речовини в газовій фазі в умовному (згорнутому) виді має вигляд:

;

Проаналізувавши фізико-хімічну природу умов переносу, визначивши аналітичні вираження для коефіцієнтів і градієнтів та зв'язавши їх з елементами режиму технології, можна побудувати математичну модель будь-якого процесу будь-якої складності. При зменшенні числа градієнтів (спрощенні технології) кількість складових загального потоку – "блоків" – у зазначених моделях відповідно зміниться. Аналогічний підхід можливий і при оцінці зношування трибосполучень.

Перевірка коректності запропонованого підходу проводилася шляхом застосування розроблених моделей до аналізу найбільш відомої технології підвищення довговічності – цементації сталей. Найпростішим її способом є цементація у твердому карбюризаторі (рушійна сила – градієнт концентрації С), самим складним – іонна цементація.

Застосовуючи варіаційний принцип побудови фізико-математичних моделей, запишемо найбільш повне вираження для потоку вуглецю до поверхні деталі в зоні транспортування під дією всіх 4-х градієнтів (табл. 4):

Зіставлення розрахункових даних з результатами практики підтверджує висновок про те, що в цілому збільшення числа полів приводить до інтенсифікації масопереносу (табл. 5). Однак з погляду інтенсифікації насичення використання градієнта температури невиправдано – він зменшує загальний потік. З огляду на то, що у всіх випадках товщина цементованого шару складала близько 1 мм, відповідність розрахункових і експериментальних даних у 1-ом наближенні варто вважати задовільною.

Таблиця 5

Порівняльна характеристика різних технологій цементації

Метод

цементації | Теоретичні значення потоків вуглецю,

створюваних градієнтами, кг/м2·с | Маса вуглецю,

що знаходиться у шарі, кг/м2

Загальний | Модель ТНП | Закон Фіка

У твердому

карбюризаторі | 1,206·

10-6 | - | - | - | 1,206·

10-6 | 0,040 | 0,0294

Газова в середовищі эндогаза | 1,809·

10-6 | - | - | 0,76·

10-6 | 2,569·

10-6 | 0,071 | 0,0345

Іонна в парах бензолу | 2,056·

10-5 | -2,009·

10-6 | 3,75·

10-6 | 4,43·

10-6 | 26,673·

10-6 | 0,033 | 0,038

Примітка: | Розрахунки велися по узагальнених параметрах технологій (див. розд. 5). Температура при насиченні у твердому карбюризаторі – 932,2 0С, тривалість витримки – 9,2 години. Для газової та іонної цементації температури 939,1 0С и 940 0С, витримка 7,68 і 1 година (відповідно)

Таке ж зіставлення, виконане для технологій насичення кремнієм, незважаючи на обумовлені зміною параметрів газового середовища кількісні розходження, привело до аналогічних якісних результатів.

Таким чином, запропонований варіаційний принцип аналізу та синтезу технологій підвищення довговічності є коректним і дає припустимі на стадії прогнозних оцінок результати.

У четвертому розділі наведені результати дослідження і розробки технологій регенерації властивостей робочих поверхонь основних елементів СДВЗ у неоднорідних полях.

До числа найважливіших задач існуючих технологій регенерації деталей відноситься усунення нерівномірного зносу їх поверхонь. Традиційний підхід до її рішення полягає в механічній обробці зношених поверхонь для одержання правильної геометричної форми, прагненні нанести на неї рівномірне покриття і наступній обробці в заданий розмір. Однак така схема нераціональна, тому що на всіх етапах потрібно гарантувати одержання рівномірного шару. При регенерації деталей суднових дизелів з яскраво вираженою нерівномірністю розмірного hзн і масового зносу в залежності від координати поверхні Хпов. рішення цих питань особливо актуально.

Не менш гострою є задача зменшення загальних деформацій деталі.

З урахуванням викладених вище підходів рішення цих задач у n – мірному полі може бути представлено основними рівняннями регенерації:

при компенсації нерівномірного зносу:

для запобігання (зменшення) деформацій:

Реалізація викладеного принципу була розглянута на прикладі відновлення властивостей основних елементів суднового дизеля.

Вибір способу регенерації плунжерних пар ПНВТ вироблявся з урахуванням технології їх виготовлення і глибини експлуатаційних ушкоджень. Дослідження