МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Лисенко Сергій Володимирович

УДК 621.891: 631.171

ПІДВИЩЕННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ ВІДРЕМОНТОВАНИХ

ДИЗЕЛЬНИХ ДВИГУНІВ ПРИСКОРЕНОЮ ОБКАТКОЮ ЕЛЕКТРОТРИБОХІМІЧНИМ МЕТОДОМ

Спеціальність 05.02.04 – тертя та зношування в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Хмельницький – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Кіровоградському національному технічному університеті (КНТУ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент

Аулін Віктор Васильович,

Кіровоградський національний технічний університет, доцент кафедри "Експлуатації та ремонту машин".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Клименко Леонід Павлович,

Миколаївський державний гуманітарний університет ім. Петра Могили, ректор.

кандидат технічних наук, доцент

Замота Тарас Миколайович,

Луганський національний аграрний університет, доцент кафедри "Ремонту машин та технологій конструкційних матеріалів".

Провідна установа: Вінницький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться "13" жовтня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.02 при Хмельницькому національному університеті за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й учбовий корпус.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Хмельницького національного університету за адресою: м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/1.

Автореферат розісланий "7" вересня 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор _________ Г.С. Калда

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із головних агрегатів мобільної сільськогосподарської техніки є дизельний двигун, від довговічності роботи якого суттєво залежить довговічність роботи машини в цілому.

Відомо, що ця техніка експлуатується переважно в надважких умовах зі змінною питомою потужністю, яка підвищує теплове і механічне навантаження на деталі циліндро-поршневої групи, що призводить до таких негативних наслідків, як зниження задиро- і зносостійкості робочих поверхонь деталей в період обкатки та експлуатації двигунів; збільшення механічних втрат в парах тертя, і як наслідок, зростання витрат пального та масла на вигар; підвищення прориву газів в картер; зменшення терміну експлуатації двигунів.

В зв'язку цим, до дизельних двигунів висуваються такі вимоги:

–

–

–

Зазначене дає підстави для розробки нових перспективних методів прискореної обкатки двигунів. Особливо це стосується трибологічних методів з використанням спеціальних присадок, які додаються у масло, паливо та повітря під час обкатки.

Найбільш прийнятним для прискореної обкатки дизельних двигунів є електротрибохімічний метод із використанням композиційного масла.

Дослідження і впровадження цього методу є безумовно актуальним, оскільки дозволяє скоротити тривалість обкатки двигунів мобільної сільськогосподарської техніки порівняно з обкаткою на базовому маслі, а також підвищити триботехнічні характеристики робочих поверхонь деталей циліндро-поршневої групи і подовжити міжремонтний ресурс дизельного двигуна.

Зв’язок роботи з науковими програмами та темами. Робота виконувалась у відповідності до державної цільової програми №062 "Програма виробництва технологічних комплексів машин та обладнання для агропромислового комплексу" на 1998 – 2005 р.р. (постанова Кабінету Міністрів України від 30 березня 1998 р. №403, від 11 квітня 2001 р. №350); плану науково-дослідницьких робіт Кіровоградського національного технічного університету за тематикою "Розробка та впровадження нових технологій у виробництві та ремонті сільськогосподарської техніки" на 1995-2005 р.р. та держбюджетній темі "Підвищення зносостійкості деталей і спряжень СГТ композиційними покриттями та матеріалами", держреєстрація №104U000633 на протязі 2003-2005 р.р.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення довговічності відремонтованих дизельних двигунів мобільної сільськогосподарської техніки та покращення триботехнічних характеристик деталей циліндро-поршневої групи прискореною обкаткою з використанням електротрибохімічного процесу.

Задачі дослідження:

–

–

–

–

–

–

–

Об’єктом дослідження є V-подібні дизельні двигуни мобільної сільськогосподарської техніки.

Предметом дослідження є закономірності прискореного припрацювання сполучень деталей циліндро-поршневої групи з використанням електротрибо-хімічного процесу.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводили з використанням основних положень теорії електрохімічних процесів, фізики твердого тіла, теорії вибіркового переносу, теорії тертя та зношування, законів впливу електричного струму на активне середовище. Закономірності електротрибохімічного процесу, триботехнічні характеристики і якість робочих припрацьованих поверхонь досліджували на модернізованих машинах тертя СМЦ-2 та 77 МТ-1. Властивості плакованого шару міді досліджували фізичними методами аналізу поверхні тертя: фазовий склад – рентгеноструктурним аналізом; хімічний склад – оже-електронною та рентгенівською фотоелектронною спектроскопією; структуру та тонку структуру поверхні – оптичною та електронною растровою мікроскопією. Перевірку впливу режимів запропонованої технології обкатки на ресурс, техніко-економічні показники відремонтованих дизельних двигунів мобільної сільськогосподарської техніки проводили шляхом стендових і експлуатаційних випробуваннях в реальних умовах.

Наукова новизна одержаних результатів:

–

–

–

–

–

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

–

–

–

–

Особистий внесок здобувача. Результати проведених досліджень отримано автором самостійно. Постановка проблеми і задач досліджень виконано спільно з науковим керівником. Теоретично обґрунтовано і експериментально доведено можливість використання електротрибохімічного методу для прискореної обкатки двигунів; одержано аналітичні залежності для визначення оптимальних параметрів електротрибохімічного процесу; експериментально досліджено властивості шару міді, нанесеної на робочі поверхні деталей циліндро-поршневої групи; визначено триботехнічні характеристики цих поверхонь; розроблені режими прискореної обкатки двигунів СМД-60, СМД-62; проведені стендові та експлуатаційні випробування дизельних двигунів; розроблено технологію та дано техніко-економічну оцінку запропонованого методу обкатки.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися на наук.-техн. конференціях викладачів, аспірантів та співробітників Кіровоградського національного техн. університету (2000-2006 р.р.), 3-ій міжнародній наук.-практ. конференції "Проблеми конструювання, виробництва і експлуатації сільськогосподарської техніки (м. Кіровоград, 26-28 вересня 2001 р.), міжнародній наук.-техн. конференції "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2001)" (м. Хмельницький, 17-19 жовтня 2001 р.), першій міжнародній наук.-техн. конференції "Машинобудування та металообробка – 2003" (м. Кіровоград, 17-19 квітня 2003 р.), міжнародній наук.-техн. конференції "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2003)" (м. Очаків, 17-19 вересня 2003 р.), 4-ій міжнародній наук.-техн. конференції "Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки (м. Кіровоград, 22-24 жовтня 2003 р.), міжнародній наук.-техн. конференції "Сучасні проблеми триботехніки" (м. Миколаїв, 29 вересня – 1 жовтня 2005 р.), 5-ій міжнародній наук.-техн. конференції "Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки" (м. Кіровоград, 2-4 листопада 2005 р.), 4-ій міжнародній наук.-техн. конференції "Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки" (м. Харків, 9-11 листопада 2005р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 14 наукових праць, в тому числі, 10 статей у наукових фахових виданнях України, 4 публікації тез наукових конференцій, 1 деклараційний патент України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 156 сторінках і містить 29 таблиць, 68 рисунків та додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита сутність дисертаційної роботи і обґрунтована актуальність її теми, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

В першому розділі дано аналіз робіт вітчизняних та зарубіжних вчених у напрямку підвищення довговічності дизельних двигунів шляхом прискореної обкатки та вибіркового переносу. Показано, що дизельні двигуни мобільної сільськогосподарської техніки не виробляють запланованого ресурсу через інтенсивне зношування робочих поверхонь деталей циліндро-поршневої групи. Збільшити ресурс двигуна після його капітального ремонту дозволяють трибологічні методи прискореної обкатки (рис.1).

Серед них перспективними є методи з використанням композиційного масла, що містить металоорганічну присадку. Але їм властиві окремі недоліки:–

протизношувальні та протизадиркові присадки не довговічні й обмежені за температурним фактором і питомим тиском у зоні тертя; –

поверхнево-активні присадки також обмежені за температурним фактором; –

інактивні присадки випадають в осад при тривалому зберіганні; –

присадка до дизельного палива АЛП-2 погіршує роботу форсунок, порушує процес згоряння палива і зменшує потужність двигуна.

Нанесення твердих покриттів є складним технологічним процесом, а робочі поверхні сполучених деталей потребують попередньої обробки.

При обкатці двигунів із застосуванням електричного струму у масло потрапляють продукти зносу, які є абразивом й обумовлюють додаткове спрацювання робочих поверхонь деталей.

Трибохімічний метод з використанням металоорганічної присадки (гліцерат міді) для прискорення обкатки має недолік, який полягає в тому, що при обкатці вільна мідь наноситься на поверхні тертя тільки під дією навантаження.

Рис. 1. Трибологічні методи прискореної обкатки дизельних двигунів.

Використання електротрибохімічного процесу дозволяє зменшити тривалість припрацювання сполучених деталей, підвищити їх триботехнічні характеристики, а отже є перспективним методом покращення роботи дизельних двигунів.

За матеріалами першого розділу була сформульована мета і задачі досліджень.

У другому розділі наведено програму, методи та методики теоретичних і експериментальних досліджень. Обґрунтовано склад композиційного масла. Дано опис модернізованих машин тертя СМЦ-2 і 77МТ-1 для реалізації ЕТХП та методику дослідження триботехнічних характеристик поверхонь тертя сполучення "ролик – колодочка" і зразків деталей ЦПГ: коефіцієнт тертя, знос, температура в зоні тертя, момент тертя, тривалість припрацювання, витрати потужності на тертя і зношування. Наведено методики визначення ступеня заповнення поверхні тертя шаром міді, дослідження його структури, складу, фізичних та фізико-механічних властивостей. Дано обґрунтування використання металографічного, рентгеноструктурного, дюрометричного, рентгенівського мікроспектрального, оже-спектрального аналізів, вимірювання твердості і шорсткості робочої поверхні та міцності зчеплення нанесеного мідного шару з основою, розподілу мікротвердості за глибиною та щільності дислокацій.

Прискорену обкатку дизельних двигунів СМД-60, СМД-62 з використанням ЕТХП здійснювали на обкаточно-гальмівному стенді КИ-1868В. Дано характеристику стенду та методику обкатки дизельних двигунів після капітального ремонту. При цьому перевіряли відповідність параметрів деталей ЦПГ технічним вимогам згідно ГОСТ , визначали швидкість спрацювання деталей ЦПГ, кількість продуктів спрацювання в маслі, питому витрату палива, витрату масла на вигар і прорив газів в картер.

Експлуатаційні випробування досліджуваних двигунів, встановлених на тракторах Т-150, Т-150К, виконували за загальновідомою методикою.

Обробка та аналіз результатів експериментальних досліджень здійснювали математико-статистичними методами з використанням пакетів прикладних програм на ПЕОМ.

В третьому розділі розглянуто механізм формування мікрогеометрії поверхонь тертя деталей ЦПГ при обкатці двигуна з використанням ЕТХП, наведена динаміка зміни мікрооб'ємів в трибосистемі "гільза циліндра – поршневе кільце" з урахуванням механізму формування поверхневого шару міді (рис.2) та характеру взаємодії композиційного масла з поверхнями тертя.

Показано, що припрацювання поверхонь тертя з ЕТХП характеризується спрямованим на них переносом іонів металу з композиційного масла й формуванням антифрикційного шару металу під впливом зовнішнього електричного поля постійного струму. Інтенсивність протікання процесів залежить від фізико-хімічних властивостей композиційного масла і матеріалів деталей ЦПГ.

В області використаних на практиці концентрацій присадок в композиційному маслі при ЕТХП спостерігаються як процеси зношування робочих поверхонь деталей, так і нанесення на них шару антифрикційного металу. Ці процеси можна описати системою диференціальних рівнянь:

; (1)

, (2)

де І1,І2 – відповідно інтенсивність зношування і нарощування антифрикційного металу на поверхневі шари деталі в композиційному маслі; , де В=І02 – початкова інтенсивність зношування, що характеризує реакційну здатність середовища до матеріалів тертя; с – концентрація присадки в маслі; К1, К2 – емпіричні коефіцієнти, що характеризують швидкість подавлення та ініціювання процесів зношування.

В умовах урівноваженості зазначених процесів, маємо:

. (3)

де І01 – інтенсивність зношування матеріалу в маслі без присадки.

Рис. 2. Механізм формування покриття при електротрибохімічному процесі.

З рівняння (3) можна одержати оптимальне значення концентрації присадки в маслі, з урахуванням процесів в трибосистемі:

, (4)

де ; . (5)

Зауважимо, що вираз (4) має зміст при умові: .

Показано, що при протіканні процесу ЕТХ необхідну величину сили струму можна оцінити за виразом:

, (6)

де Vпод – швидкість подачі масла, Vел – швидкість іонів металу обумовлена електричним полем, m, q – відповідно маса і заряд іону металу.

Використовуючи закони Фарадея, з урахуванням підведеної напруги до сполучених деталей, одержано вираз для оцінки необхідної величини сили струму та мінімального шару мастильного матеріалу як функцій технологічних режимів процесу ЕТХ і геометричних розмірів зони тертя.

Показано, що основу моделі довговічності відремонтованих дизельних двигунів при обкатці складають процеси спрацювання і відновлювання робочих поверхонь деталей його лімітуючих сполучень.

В процесі відновлення робочих поверхонь деталей антифрикційним металом змінюється його вміст в композиційному маслі:

, (7)

де – густина металу; І – інтенсивність зношування робочої поверхні спряжених тіл; Vм – об'єм композиційного масла в сполученні.

Розв'язок диференціального рівняння (7) дає можливість отримати залежність зміни вмісту антифрикційного металу в композиційному маслі в часі:

, (8)

де m0 – маса металу в композиційному маслі перед початком обкатки дизельного двигуна.

Вважали, що у випадку застосування композиційного масла при обкатці двигунів величина спрацювання поверхонь описується функцією , де Кр – емпіричний коефіцієнт, що залежить від режиму роботи сполучення; t – термін напрацювання; – показник зміни інтенсивності спрацювання робочої поверхні деталі, який визначається з експерименту. Враховуючи це процес нарощування шару міді з композиційного масла при ЕТХП на робочих поверхнях деталей описується диференціальним рівнянням:

. (9)

Якщо проінтегрувати рівняння (9), з урахуванням виразу (8), то отримаємо вираз, який є математичною моделлю зносу деталей дизельного двигуна на стадії його обкатки із застосуванням активних присадок в композиційному мастилі, що містять мідь:

. (10)

Знаючи граничне значення зносу () за виразом (10) можна оцінити ресурс tR двигуна після капітального ремонту.

В четвертому розділі наведено експериментальні результати формування шару міді на поверхнях тертя при ЕТХП та його основні фізичні і фізико-механічні властивості.

Показано, що при роботі сил тертя підвищується температура в зонах контакту до 475...495 К. Це обумовлює протікання трибохімічної реакції розпаду гліцерату міді в композиційному маслі і відкладення на поверхнях тертя шару міді товщиною від 0,5...10 мкм. В роботі, з використанням металографічних цифрових зображень (рис. 3) на ПЕОМ, визначено коефіцієнт заповнення поверхні тертя металу в залежності від вмісту присадки, щільності електричного струму та тиску.

а) б) в)

Рис. 3. Зразки поверхні з покриттям міді, отриманих при різній тривалості припрацювання: а) tпр=20хв.; б) tпр=40хв.; в) tпр=80хв. (х500, світлі ділянки –покриття міді, а чорні – її відсутність).

Аналіз отриманих результатів свідчить про те, що при певному значенню тиску існує оптимальна щільність струму, при якій ступінь заповнення поверхні тертя міддю є максимальною. При тиску Р=10 МПа, j=247 А/м2 і =95%. Зі збільшенням щільності струму спостерігається тенденція незначного зменшення . В межах щільностей струму j=500...700 А/м2 спостерігається деяке спрацювання поверхні тертя через електричну ерозію.

Металографічний аналіз показав, що при ЕТХП в результаті трибохімічної реакції в композиційному маслі і спрямовуючої дії електричного струму на поверхні тертя утворюється якісно нова речовина (проміжковий метал), яка є неактивною у хімічному відношенні, але підвищує фізико-механічні та протиспрацювальні властивості робочих поверхонь деталей.

Мікроструктура поперечного перерізу зразка з шаром міді наведена на рис. 4. При збільшенні тривалості протікання процесу і зміни концентрації гліцерату міді товщина шару зростає. Її максимальна товщина формується при 4,5 % вмісту присадки при ЕТХП. Збільшення навантаження практично не сприяє зростанню товщині шару міді. Швидкість нарощування шарів міді набуває стаціонарності коли щільність струму становить 350 А·м–2 (табл. 1).

Твердість поверхні нанесеного шару міді змінювалась в межах 180...230В. Мікротвердість на поверхні зразків в зоні тертя і поза її межею відрізняється в 1,25...1,40 разів. Виявлено, що мікротвердість покриттів при ЕТХП змінюється за глибиною поверхневого шару: зростає з 200 до 320 МПа на товщині до 10 мкм, далі її величина не змінюється. Величина мікротвердості прямопропорційно залежить від навантаження трибосистеми.

Зі збільшенням щільності струму мікротвердість поверхні змінюється нерівномірно (рис. 5).

Рис. 4. Мікроструктура поперечного перерізу шліфа з мідним покриттям сформованим при ЕТХП (х500). | Рис. 5. Зміна мікротвердості поверхні шару міді відкладеної на чавуні СЧ-18 в залежності від щільності струму: 1 – 10 МПа; 2 – 8 МПа; 3 – 6 МПа.

Таблиця 1

Залежність швидкості нарощування мідного шару від параметрів ЕТХП процесу (v=1 м/с, =4%, tпр=45 хв.)

№ п/п | Щільність струму j, А/м2 | Сила струму І, А | Тиск Р, МПа | Швидкість нарощування шару міді , 10–3 мкм/с

1 | 70,5 | 0,5 | 1,0 | 0,83

2 | 141,0 | 1,0 | 2,0 | 1,17

3 | 211,5 | 1,5 | 3,0 | 1,61

4 | 282,0 | 2,0 | 4,0 | 2,00

5 | 352,5 | 2,5 | 5,0 | 2,02

6 | 423,0 | 3,0 | 6,0 | 2,00

7 | 495,5 | 3,5 | 7,0 | 1,96

8 | 564,0 | 4,0 | 8,0 | 1,82

9 | 634,5 | 4,5 | 9,0 | 1,76

Підвищення твердості в зоні тертя можна пояснити збільшенням щільності дислокацій, зменшенням розмірів блоків та збільшенням величини спотворення кристалічної гратки міді в поверхневому шарі нанесеного покриття.

Виявлено ефект пластифікування шару міді при ЕТХП, який впливає на роботу сил тертя і виділення кількості тепла, залежного від питомого тиску в трибосистемі.

Експериментально доведено, що міцність зчеплення нанесеного шару міді нелінійно залежить від його товщини. На величину міцності зчеплення при терті впливає і дифузія атомів міді в матрицю (чавун СЧ-18). Виявлено формування ефективного дифузійного потоку атомів міді в основу деталі на глибину порядку 0,5...0,8 мкм й утворення інтерметалідної сполуки FeCu.

Спостерігається зміна елементного складу за глибиною нанесеного антифрикційного шару міді. Про це свідчить порівняння оже-спектрів знятих на різній глибині (рис. 6).

а) б)

Рис. 6. Характерні оже-спектри зняті зі зразків при ЕТХП: а) вихідна поверхня; б) на глибині 10 мкм. Режими ЕТХП: Р=8 МПа, v=1 м/с, =4%, tпр=45 хв., І=1 А, U=1,2 В.

Під час припрацювання в процесі ЕТХП шорсткість поверхонь змінюється, набуваючи врівноваженого стану, а інтенсивність зношування приймає мінімальне значення. За таких обставин можна керувати граничними умовами тертя, зосереджуючи деформації зсуву не тільки в шарі масла, але і в нанесеному тонкому шарі пластифікованого металу, особливо при значних питомих навантаженнях.

Результати дослідження динаміки зміни шорсткості поверхні тертя при досягненні припрацювання наведено на рис. 7.

На шорсткість поверхні при ЕТХП неоднозначний вплив має щільність струму (рис. 8).

Рис. 8. Зміна шорсткості поверхні шару міді від щільності струму при ЕТХП: 1 – Р=10 МПа; 2 – Р=8 МПа; 3 – Р=6 МПа (n=35 с–1; t=105 хв.; =4%; І=1,5 А; U=0,4 В).

Наведену залежність шорсткості від щільності струму можна пояснити тим, що зі збільшенням щільності струму швидкість осадження міді, досягнувши певної величини, починає зменшуватись, якість поверхонь погіршується, а відповідно шорсткість збільшується. При великій концентрації іонів міді в маслі відбувається інтенсивне відкладення міді на поверхні тертя, шорсткість поверхні починає збільшуватися і спостерігається локальне мікросхоплювання. Якщо щільність струму більша 350 А/м2 характер формування мікрогеометрії поверхні тертя подібна до характеру її зношування. |

Рис.7. Вплив електротрибохімічного процесу на шорсткість поверхні: а – базове масло М-10Г2 (Р=8 МПа, v=1 м/с); б – композиційне масло з використанням ТХП (Р=8 МПа, v=1 м/с, =4%); в – композиційне масло з використанням ЕТХП (Р=8 МПа, v=1 м/с, =4%, І=1 А, U=1,2 В).

Тонкий шар міді, нанесений при ЕТХП, заповнює і западини мікронерівностей поверхні. Внаслідок цього збільшується фактична площа контакту і зменшується питомий тиск в зоні тертя. Це упереджує прояв процесів задиру та схоплювання. Знижується також процес мікрорізання і утворення оксидів, тобто спостерігається переважність процесу пластифікування.

Протікання процесу припрацювання поверхонь тертя фіксували за стабілізацією температури, моменту сили тертя і втрати потужності на тертя. Визначено, що період припрацювання при ЕТХП в композиційному маслі в 1,1…1,5 разів менший ніж на базовому маслі.

Результати досліджень процесу зношування зразків, вирізаних з деталей ЦПГ, показали, що при навантаженнях Р=6,0…10,0МПа величина зносу в середовищі композиційного масла з використанням ЕТХП в 2,5…3,5 рази менша, ніж в базовому маслі М10-Г2.

Вплив зовнішнього електричного поля постійного струму на величину зносу зразків дає порівняльний аналіз процесів, при яких в різних умовах на поверхнях тертя формується шар міді (рис.9, рис. 10).

Рис. 9. Діаграма залежності спрацювання зразків гільз циліндрів від товщини шару міді: – ТХП (Р=8 МПа; =4%; n=35 с–1); – ЕТХП (Р=8 МПа; n=35 с–1; =4%; І=1,5 А; U=0,4 В): 1 – =2мкм; 2 – =4мкм; 3 – =8мкм; 4 – =9мкм. | Рис. 10. Діаграма залежності спрацюван-ня зразків від вмісту присадки у композиційному маслі: – ТХП (Р=8 МПа; n=35 с–1); – ЕТХП (Р=8 МПа; n=35 с–1; І=1,5 А; U=0,4 В): 1 – =1,0%; 2 – =3,0%; 3 – =4,5%; 4 – =6,0%; 5 – =8,0%.

Характер зміни спрацювання від концентрації присадки у маслі можна пояснити тим, що при концентраціях більших оптимальної, в зонах контакту хімічна енергія починає перевищувати трибохімічну.

Виявлено, що при ЕТХП з плином часу і збільшенням щільності постійного електричного струму змінюються властивості композиційного масла: підвищується електропровідність, зменшується величина крайового кута змочування, лужне число КОН та ін. Разом з тим встановлення закономірностей цих змін потребує подальших досліджень.

Експериментальні дослідження ЕТХП дали можливість запропонувати технологію прискореної обкатки відремонтованих дизельних двигунів.

П’ятий розділ містить результати стендових, експлуатаційних випробувань, оцінку довговічності та розрахунок економічної ефективності відремонтованих дизельних двигунів обкатаних за запропонованою технологією. Ефективність цієї технології оцінювали за такими критеріями: характер зміни величини моменту механічних втрат на тертя, величина зносу основних деталей ЦПГ, шорсткість робочих поверхонь гільз циліндрів, питома витрата палива, витрата картерних газів і спектральний аналіз масла.

Момент механічних втрат після обкатки в середовищі композиційного масла при ЕТХП на 14,3 % менший ніж на базовому маслі. Аналіз зносного стану гільз циліндрів дизельних двигунів СМД-60, СМД-62 показав, що знос гільз при випробуваннях на композиційному маслі з ЕТХП в 1,5 рази знизився у порівнянні з випробуваннями на маслі М-10Г2, а знос верхніх компресійних кілець – відповідно зменшився в 1,4 рази.

За результатами спектрального аналізу моторного масла вміст заліза у пробах масла М-10Г2 збільшився з 7 до 38 г/т, а композиційного масла з ЕТХП – з 5 до 21 г/т, вміст хрому – відповідно з 0 до 3 і 0 до 1 г/т.

Витрата картерних газів у дизельних двигунів СМД-62, випробуваних на композиційному маслі з ЕТХП, знизилась на 8,7 %, а у СМД-60 – на 8,1 %, у порівнянні з базовим маслом М-10Г2.

Було виявлено, що дизельні двигуни СМД-62, випробувані на композиційному маслі з ЕТХП, працюють ефективніше ніж на базовому маслі: середня ефективна потужність дизельних двигунів, випробуваних на маслі М-10Г2 при номінальній частоті обертання колінчатого вала, була 110,5 кВт, середня питома витрата палива при цьому становить – 237,0 г/кВтгод, а на композиційному маслі з ЕТХП – ці показники відповідно дорівнюють 121,2 кВт і 225,1 г/кВтгод.

Експлуатаційні випробування показали, що середнє напрацювання дизельних двигунів на маслі М-10Г2 склало 2510 мото-годин, середнє квадратичне відхилення – 283 мото-годин, на композиційному маслі з ЕТХП – відповідно 3240 і 249 мото-годин. Функція розподілу міжремонтного ресурсу дизельних двигунів СМД-60, СМД-62 підкоряється закону розподілу Вейбула-Гнеденка.

Для двигунів, відремонтованих і обкатаних за стандартною технологією, середнє значення швидкості надходження заліза у картерне масло складає 0,2310-3 кг/мото-год, а за пропонованою технологією – 0,1210-3 кг/мото-год.

Середній міжремонтний ресурс двигуна, розрахований за математичною моделлю прогнозування довговічності становить 3780 мото-годин, а експлуатаційний – 3240 мото-годин.

Показано, що економічний ефект від впровадження запропонованої технології обкатки відремонтованих дизельних двигунів СМД-60 з використанням ЕТХП досягається за рахунок зниження її собівартості, зменшення витрат картерного масла на вигар і підвищення міжремонтного ресурсу відремонтованих двигунів.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Вперше запропоновано електротрибохімічний метод прискореної обкатки для підвищення довговічності дизельних двигунів. Напрацювання двигунів СМД-60, СМД-62, обкатаних по запропонованому методу, збільшилось на 30-35% у порівнянні з двигунами обкатаними за стандартною технологією.

2. Показано, що кількісні і якісні характеристики взаємодії композиційного масла з поверхнями тертя залежать від фізико-хімічних властивостей масла і матеріалів сполучених деталей, триботехнічних та електричних параметрів процесу.

3. На основі умови врівноваженості процесів формування і зношування шару міді при ЕТХП отримано аналітичний вираз для визначення оптимальної концентрації гліцерату міді в композиційному маслі, яка становить 4,5...5,0%, що узгоджується з даними експериментальних досліджень.

4. Встановлено, що під час припрацювання деталей ЦПГ в композиційному маслі з використанням ЕТХП можна досягти врівноваженої шорсткості (Ra=0,08 мкм) поверхонь тертя за 40 хв., в той час як такий рівень шорсткості при ТХП можна отримати за 60 хв. При обкатці на базовому маслі значення врівноваженої шорсткості не спостерігали. За 60 хв. припрацювання шорсткість мала рівень тільки Ra=0,24 мкм.

5. Виявлено неоднозначний вплив щільності струму на мікрогеометрію поверхні деталей при ЕТХП. Шорсткість зменшується зі збільшенням щільності струму до величини j=350 А/м2, а далі збільшується. При великій щільності струму спостерігається переважність процесів зношування над процесами нарощування шарів міді на поверхнях тертя.

6. Дослідження динаміки формування шару міді показали, що залежність його товщини при ЕТХП від концентрації гліцерату міді має нелінійний характер, а швидкість нарощування при цьому в 1,3...1,7 разів більша ніж при відсутності зовнішнього електричного струму. Щільність дислокацій у поверхневих шарах міді на 2...3 порядки нижча ніж при терті у звичайних умовах, встановлено також наявність ефекту пластифікування нанесених шарів міді, який є більш виражений при збільшенні питомого тиску в трибосистемі. В залежності від режимів протікання процесу ЕТХП твердість нанесеного шару міді змінюється в межах 180...230 НВ. Мікротвердість в зоні тертя пропорційна навантаженню і має нелінійну залежність від щільності струму. Її величина в 1,25...1,40 рази більша від мікротвердості поза нею і характерним є зміна її величини за глибиною.

7. Використання ЕТХП зменшує тривалість припрацювання в 1,3...1,5 разів у порівнянні зі стандартною обкаткою. Витрати потужності під час припрацювання запропонованим методом на 35...40% менші ніж при стандартній обкатці.

8. Проведені стендові випробування відремонтованих двигунів СМД-60, СМД-62 показали, що величина зносу гільз циліндрів з використанням ЕТХП в 1,5 рази менша, а верхніх компресійних кілець – в 1,4 рази менше ніж за стандартною технологією обкатки. При цьому момент механічних втрат знизився на 14,3%, середні витрати картерних газів знизились у двигунів СМД-62 на 8,7%, а у СМД-60 – на 8,1% у порівнянні зі стандартною технологією обкатки. Середнє напрацювання відремонтованих і обкатаних з використанням ЕТХП двигунів СМД-62 в умовах агропідприємств Кіровоградської області становить 3240 мото-годин, що у 1,25...1,30 разів більше від традиційного методу.

9. Очікуваний економічний ефект від впровадження запропонованої технології обкатки з ЕТХП на один двигун за рахунок зменшення її тривалості, зменшення витрат масла на вигар і підвищення міжремонтного ресурсу становить 1003,76 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лисенко С.В. Електротрибохімічний процес для прискореної обкатки відремонтованих двигунів // Зб. наук. праць Кіровоградського держ. техн. університету / Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. – 2001. – №8. – С. .

2. Власенко М.В., Лисенко С.В. Деякі теоретичні аспекти прискореної обкатки відремонтованих двигунів мобільних сільськогосподарських машин із застосуванням електротрибохімічного методу // Зб. "Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин". – Кіровоград. – 2001. – №30. – С. 149-155. (Отримано вираз для розрахунку сили струму в ЕТХП).

3. Власенко М.В., Аулін В.В., Лисенко С.В. Електротрибохімічний метод прискореного припрацювання пар тертя при обкатці двигунів // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – Хмельницький. – 2001. – №2(18). – С.3-7. (З теоретичної точки зору розкрито сутність ЕТХП).

4. Власенко М.В., Аулін В.В., Лисенко С.В. Вплив електротрибохімічного процесу на швидкість припрацювання та зносостійкість поверхонь тертя // Міжнародна науково-технічна конференція "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2001). Тези доповідей. – м. Хмельницький. – 2001. – С. 34-35. (Експериментально досліджено вплив ЕТХП на швидкість припрацювання і зносостійкість поверхонь тертя).

5. Власенко М.В., Лисенко С.В. Визначення коефіцієнта тертя при електротрибохімічному методі припрацювання в процесі прискореної обкатки двигунів СМД-60 // Зб. "Техніка в сільськогосп. виробництві, галузеве машинобуд., автоматизація". – 2003. – №13. – С. . (Проведені експериментальні дослідження динаміки зміни шорсткості та спрацювання гільз циліндрів і поршневих кілець).

6. Власенко М.В., Лисенко С.В. Коефіцієнт тертя при обкатці дизельних двигунів електротрибохімічним методом // Перша міжн наук-техн. конф. "Машинобудування та металообробка – 2003". Тези доповідей. – Кіровоград. – 2003. – С. 39-40. (Експериментально визначені зміни коефіцієнта тертя).

7. Власенко М.В., Аулін В.В., Лисенко С.В. Триботехнічні характеристики поверхонь тертя при електротрибохімічному методі припрацювання // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – Хмельницький. – 2003. – №3,4. – С.140-144. (Експериментально досліджені триботехнічні характеристики).

8. Власенко М.В., Аулін В.В., Лисенко С.В. Визначення оптимальних параметрів прискореної обкатки двигуна СМД-60 // Міжн. наук.-техн. конф. "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2003). Тези доповідей. – м. Очаків. – 2003. – С. 47-48. (Проведено стендові випробування).

9. Власенко М.В., Аулін В.В., Лисенко С.В. Утворення мідної плівки на поверхнях тертя при електротрибохімічному методі прискореної обкатки двигунів // Зб. "Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин". – Кіровоград. – 2004. – №34. – С. 111-118. (Теоретично і експериментально досліджено швидкість нарощування шару міді при ТХП і ЕТХП).

10. Аулін В.В., Лисенко С.В., Батєхін В.Б. Фізичне моделювання процесу припрацювання спряження деталей ЦПГ // Сучасні проблеми триботехніки: Матеріали міжн. наук.-техн. конф. – Миколаїв: НУК, 2005. – С. 91-93. (Запропонована фізична модель ЦПГ).

11. Аулін В.В., Лисенко С.В. Підвищення довговічності дизельних двигунів, обкатаних з реалізацією електротрибохімічного процесу // Зб. наук. праць Луганського національного аграрного університету. Серія: Техн. науки. –ЛНАУ. – 2005. – №49(72). – С. 32-38. (З теоретичної точки зору проведено обґрунтування підвищення довговічності ЦПГ при ЕТХП).

12. Аулін В.В., Лисенко С.В., Батєхін В.Б. Аналіз та можливості технологій триботехнічного відновлення спряжених деталей // Зб. "Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин". – Кіровоград. – 2005. – №35. – С. 165-172. (Розкрито механізм зносу і відновлення ЦПГ при ЕТХП).

13. Аулін В.В., Солових Є.К., Лисенко С.В. Використання можливостей технологій триботехнічного відновлення для підвищення довговічності відремонтованих дизельних двигунів // Вісник Харківського нац. техн. університету сільгосп. ім. Петра Василенка / Техн. сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосп. машинобудуванні. – Харків. – 2005. – №39. – С. 105-111. (Проведені експериментальні дослідження ЕТХП на модифікованих машинах тертя СМЦ-2 і 77МТ-1).

14. Аулін В.В., Лисенко С.В., Солових Є.К., Жулай О.Ю. Формування та швидкість нарощування шару міді на поверхнях тертя при електротрибохімічному процесі // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – Хмельницький. – 2006. – №1. – С.164-172. (Запропоновано методику визначення ступеню заповнення поверхні тертя покриттям ).

15. Пат. 9496 Україна, МПК 7 В 23 H 9/00, F 02 B 79/00. Спосіб припрацювання механізму / Аулін В.В., Лисенко С.В. (Україна); Кіровоградський національний технічний університет. – № а 200500192; Заявл. 10.01.2005; Опубл. 15.09.2005; Бюл. № .

АНОТАЦІЯ

Лисенко С.В. Підвищення довговічності відремонтованих дизельних двигунів прискореною обкаткою електротрибохімічним методом. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 – Тертя та зношування в машинах. – Хмельницький національний університет, Хмельницький, 2006.

Дисертація присвячена питанням підвищення довговічності відремонтованих V-подібних дизельних двигунів шляхом їх прискореної обкатки із застосуванням електротрибохімічного методу з використанням композиційного масла. Це забезпечує робочим поверхням деталей циліндро-поршневої групі двигуна оптимальну мікрогеометрію, необхідні фізико-механічні властивості й підвищення довговічності двигуна вцілому.

Розкрито механізм електротрибохімічного процесу, виявлені його основні закономірності та встановлено аналітичні залежності впливу параметрів цього процесу на тривалість обкатки. Теоретично і експериментально доведено покращення триботехнічних характеристик деталей ЦПГ в процесі прискореної обкатки дизельних двигунів електротрибохімічним методом.

Проведені стендові та експлуатаційні дослідження впливу електротрибохімічного процесу на тривалість, якість припрацювання деталей ЦПГ і післяремонтний ресурс двигуна.

Показано, що економічний ефект від впровадження запропонованої технології прискореної обкатки досягається за рахунок зниження собівартості обкаточних робіт, зниження витрат картерного масла на вигар та підвищення міжремонтного ресурсу двигунів.

Ключові слова: електротрибохімічний процес, прискорена обкатка двигуна, циліндро-поршнева група, композиційне масло, припрацювання, знос, шар міді, постійний електричний струм, ресурс, довговічність.

АННОТАЦИЯ

Лысенко С.В. Повышение долговечности отремонтированных дизельных двигателей ускоренной обкаткой электротрибохимическим методом. – Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 – Трение и износ в машинах. – Хмельницкий национальный университет, Хмельницкий, 2006.

Диссертация посвящена вопросам повышение долговечности отремонтированных V-ных дизельных двигателей путем их ускоренной обкатки с применением электротрибохимического метода и использования композиционного масла. Это обеспечивает рабочим поверхностям деталей ЦПГ оптимальную микрогеометрию, необходимые физико-механические свойства и повышение долговечности двигателя в целом.

Теоретически обоснована возможность использования электротрибохимического процесса в триботехнологии ускоренной обкатки дизельных двигателей. Рассмотрен механизм формирования микрогеометрии поверхностей трения деталей ЦПГ в среде композиционного масла с использованием постоянного электрического тока. Приведена динамика изменений микрообъемов в системе "гильза цилиндра – поршневое кольцо" с учетом механизма формирования антифрикционного слоя металла.

Для условий компенсации процессов изнашивания и восстановления поверхностей трения получено выражение для оптимальной концентрации присадки в композиционном масле. Показана направляющая и ускоряющая роль внешнего электрического поля постоянного тока, обоснована оптимальная величина электрического тока и напряжения.

Исходя из закономерностей износа, а также его граничного значения, получено выражение для оценки ресурса двигателя после капитального ремонта и ускоренной обкатки с использованием электротрибохимического процесса.

Экспериментально показано улучшение физических и физико-механических свойств сформированного слоя меди при электротрибо-химическом процессе. Выявлено, что степень заполнения рабочих поверхностей деталей антифрикционным металлом зависит от приложенного давления, скорости относительного перемещения, концентрации присадки, а также от характеристик электрического тока.

Микротвердость на поверхности трения и вне этой зоны отличается в 1,25…1,40 раза. Экспериментальными исследованиями показано, что в зоне трения наблюдается эффект пластифицирования металла, увеличение плотности дислокаций и искажений решетки, уменьшение размеров блоков, диффузия атомов меди в основной материал на глубину до 0,8 мкм и образования интерметаллидного соединения FeCu, что существенно повышает прочность сцепления полученного покрытия с основой.

Исследована зависимость изменения шероховатости зон трения от триботехнических и электрических характеристик электротрибохимического процесса.

Показано, что при удельных нагрузках 6,0…10,0 МПа в трибосистеме в среде композиционного масла период приработки уменьшается в 1,1…1,5 раза, а износ – в 2,5…3,5 раза в сравнении с базовым маслом М-10Г2.

Выявлено, что при электротрибохимическом процессе с течением времени и увеличением плотности постоянного электрического тока изменяются свойства композиционного масла: повышается электропроводность, уменьшается величина краевого угла смачивания, кислотное число и другие.

Экспериментальные исследования электротрибохимического процесса дали возможность разработать и предложить технологию ускоренной обкатки отремонтированных дизельных двигателей. Эффективность предложенной технологии обкатки оценивали за критериями: характер изменения величины момента механических потерь на трение, величина износа основных деталей ЦПГ, шероховатость рабочих поверхностей гильз цилиндров, удельный расход топлива, расход картерных газов и спектральный анализ масла. Были сняты регуляторные характеристики отремонтированных двигателей после стандартной и обкатки по предложенной технологии.

Проведены стендовые и эксплуатационные исследования влияния электротрибохимического процесса на продолжительность и качество приработки деталей ЦПГ и послеремонтный ресурс.

Показано, что экономический эффект от внедрения предложенной технологии ускоренной обкатки достигается за счет снижения себестоимости обкаточных работ, снижение затрат масла на угар и повышения