Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Технологические приемы уменьшения износа и увеличения долговечности гильз 11
1.1.1 Упрочнение поверхностей гильз цилиндров 11
1.1.2 Повышение эксплуатационных свойств рабочих поверхностей гильз 14
1.1.3 Финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО) 17
1.1.3.1 Использование твердосмазочных покрытий при ФАБО 20
1.1.3.2 Существующие методы ФАБО при обработке гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания 21
1.1.4 Нанесение приработочных покрытий при производстве деталей цилиндро-поршневой группы 22
1.2 Формирование поверхностей трения при обкатке двигателя 24
1.2.1 Факторы, влияющие на эффективность приработки 25
1.2.1.1 Нагрузка 25
1.2.1.2 Исходная шероховатость 26
1.2.1.3 Механические свойства материалов и смазки 26
1.2.2 Анализ направлений повышения качества обкатки двигателей 27
1.3 Анализ современных антифрикционных материалов 28
1.3.1 Реметаллизанты (металлоплакирующие композиции) 29
1.3.2 Полимерсодержащие препараты 30
1.3.3 Геомодификаторы 33
1.3.4 Кондиционеры поверхности 35
1.3.5 Слоистые добавки 37
1.3.6 Нанопрепараты 39
1.3.7 Комбинированные препараты 42
2 Расчетно-теоретическое обоснование уменьшения времени приработки и приработочного износа гильз цилиндров в результате применения финишной обработки антифрикционными материалами 44
2.1 Взаимодействие выступов контактирующих поверхностей в процессе приработки 44
2.2 Физико-механические свойства поверхностных слоев 45
2.3 Характеристики микрогеометрии поверхностей 47
2.4 Расчет опорной поверхности гильз цилиндров 50
2.5 Расчет коэффициента трения и среднего арифметического отклонения профиля при приработке цилиндро-поршневой группы 53
3 Методика экспериментальных исследований 58
3.1 Общая методика исследования 58
3.2 Методика лабораторных исследований по выбору и оптимизации режимов финишной обработки антифрикционными материалами гильз цилиндров двигателя Д-240 60
3.3 Методика лабораторных исследований по выбору антифрикционных материалов для финишной обработки гильз цилиндров 64
3.4 Методика проведения стендовых испытаний по приработке сопряжения «гильза-поршневые кольца-поршень» двигателя Д-240 65
3.4.1 Устройство стенда для моделирования процесса приработки цилиндро-поршневой группы 66
3.4.2 Методика стендовых испытаний 69
3.5 Оценочные параметры при испытаниях 71
3.5.1 Температура 71
3.5.2 Давление сжатия 72
3.5.3 Потери мощности на трение 72
3.5.4 Шероховатость 73
3.6 Методика обработки экспериментальных данных 74
4 Экспериментальные исследования 76
4.1 Определение рациональных режимов финишной обработки гильз цилиндров антифрикционными материалами 76
4.2 Определение антифрикционных материалов, применяемых для финишной обработки гильз цилиндров 88
4.3 Стендовые испытания 98
5 Эффективность применения финишной обработки гильз цилиндров антифрикционными материалами 108
Литература 113
Приложение 126
- Формирование поверхностей трения при обкатке двигателя
- Физико-механические свойства поверхностных слоев
- Методика лабораторных исследований по выбору и оптимизации режимов финишной обработки антифрикционными материалами гильз цилиндров двигателя Д-240
- Определение антифрикционных материалов, применяемых для финишной обработки гильз цилиндров
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из факторов, определяющих долговечность двигателей, является состояние поверхностей трения. Известно, что износостойкость зависит от финишной (окончательной) технологической обработки поверхностей деталей. Имеются экспериментальные исследования по влиянию шероховатости поверхностей трения на интенсивность изнашивания. Для широко распространенных сочленений выявлены оптимальные значения параметров шероховатости, при которых износ деталей минимален. Установлено, что от финишной обработки деталей зависит не только первоначальный (приработочный) износ, но и установившийся износ, т.е. первоначальная приработка может влиять на интенсивность изнашивания при длительной эксплуатации машин. Прежде всего, это относится к деталям цилиндро-поршневой группы (ЩИ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС). При формировании поверхностей трения необходимо обеспечивать получение оптимальных триботехнических характеристик сопрягаемых поверхностей, таких как низкий коэффициент трения, высокая износостойкость, оптимальные физико-механические свойства. В значительной степени они определяются способами обработки поверхностей трения. В последнее время разработаны новые технологические процессы финишной обработки, которые позволяют снизить приработочный износ и повысить антифрикционные свойства (повысить смазку деталей, снизить коэффициент трения и т.д.), а также уменьшить время приработки пар трения.
Однако, анализ информации, полученной из печатных и электронных источников, дает возможность утверждать, что не все резервы интенсификации процессов приработки ЦПГ в части применения новых способов финишной обработки гильз цилиндров исчерпаны.
В последнее время быстро развивается рынок разнообразных антифрикционных материалов, присадок и добавок в масла, которые образуют защитные пленки на трущихся поверхностях. Возможность применения таких препаратов для придания рабочим поверхностям гильз оптимальных триботехнических характеристик на этапе их окончательной обработки при ремонте или изготовлении ДВС мало изучена. Поэтому влияние обработки гильз цилиндров различными антифрикционными материалами при ремонте или изготовлении ДВС на характеристики рабочих поверхностей и процессы приработки сопряжений является актуальной темой для исследований.
Цель исследования. Совершенствование процессов приработки ЦПГ путем применения финишной обработки гильз цилиндров антифрикционными материалами.
Объект исследования. Процесс трения в сопряжении «гильза-поршневое кольцо» при приработке ЦПГ.
Предмет исследования. Антифрикционные и противоизносные свойства поверхностей трения гильзы и кольца, обработанных разными препаратами.
Научная новизна. Научную новизну представляют:
технология финишной обработки гильз цилиндров антифрикционными материалами;
методика оценки эффективности применения антифрикционных материалов при проведении финишной обработки гильз цилиндров капитально отремонтированных дизельных двигателей;
данные по изменению параметров шероховатости гильз цилиндров и параметров приработки пары трения «кольцо - гильза цилиндра» дизельного двигателя Д-240 при проведении стендовой обкатки после хонингования гильз цилиндров и после их финишной обработки антифрикционными материалами.
Практическая ценность работы. Практическая значимость работы заключается в рекомендациях по применению специальных антифрикционных материалов и рациональных режимов при проведении финишной обработки гильз цилиндров отремонтированных дизельных двигателей. Данная обработка позволяет обеспечить дополнительную подготовку рабочих поверхностей гильз к восприятию высоких нагрузок, повысить скорость приработки ЦПГ, уменьшить интенсивность изнашивания в период приработки, снизить значение величины коэффициента трения, снизить приработочный износ, получить параметры шероховатости трущихся поверхностей, соответствующие параметрам после холодной обкатки по типовой технологии.
Апробация. Основные положения и результаты исследований представлены, обсуждены и одобрены на ежегодных научных конференциях Санкт-Петербургского государственного аграрного университета в 2005-2010 гг.
Внедрение. Материалы исследований приняты для разработки новых составов композиций в ООО «ПИОТР» (Санкт-Петербург). Результаты исследований используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.
Публикации. По результатам исследований опубликованы пять статей, в том числе три - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка литературы из 127 наименований и приложения, изложена на 127 страницах, включает 18 таблиц и 43 рисунка.
Формирование поверхностей трения при обкатке двигателя
В первый период работы ЦПГ после изготовления или ремонта детали не способны сразу воспринимать эксплуатационные нагрузки, на них еще не сформирован поверхностный слой. В этих условиях высока вероятность схватывания (металлический контакт) в местах фактического контакта поверхностей, что может привести к их тяжелым повреждениям, иногда делающим невозможной дальнейшую приработку.
Приработка - это изменение геометрии поверхностей трения и физико-механических свойств поверхностных слоев материалов в начальный период трения, проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания. Приработку деталей двигателей производят в периоды их стендовой обкатки на заводах и эксплуатационной обкатки в хозяйствах.
Обкатка - заключительная технологическая операция производства и капитального ремонта двигателей, качественное проведение которой позволяет уменьшить отказы в период эксплуатации и повысить их ресурс. В процессе обкатки происходит окончательное формирование трущихся поверхностей. На обкатку двигателя требуется 30-60 ч. [4, 19, 20, 118].
В зависимости от толщины смазочной пленки в процессе работы узла трения могут быть реализованы три основных вида смазки (рис. 1.7) [1].
Приработка деталей протекает на отдельных участках в режимах полусухого, граничного и полужидкостного трения. При этом происходит повышенное накопление продуктов износа. Возможно отделение крупных частиц при выкрашивании и срабатывании наиболее выступающих неровностей. После приработки масло в картерах загрязняется, и его следует считать отработанным.
Критерии оценки окончания приработки: - переход на прямолинейный участок кривой износа (можно установить по содержанию железа в масле); - достижение минимума мощности, потребной на холостой ход машины; - стабилизация момента трения и температуры; - достижение наибольшей эффективной мощности двигателя при заданной скорости; - достижение определенной степени прилегания контактирующих поверхностей.
Факторы, влияющие на эффективность приработки Многочисленные факторы можно подразделить на основные и сопутствующие. К основным можно отнести нагрузочные (нагрузка, скорость), исходные физико-механические свойства материалов и смазочную среду. К сопутствующим относятся температура, повышающаяся при трении, и связанные с ней различные физико-химические изменения на фрикционном контакте. Все факторы взаимосвязаны, поэтому изучение их влияния на приработку и установление конечной, оптимальной для данных условий шероховатости, представляет значительные трудности.
Нагрузка Нагрузка оказывает существенное влияние на качество и продолжительность приработки. С увеличением нагрузки в начальный момент приработки растет доля пластической деформации тонкого поверхностного слоя, что приводит к увеличению общей работы, количества выделяемого тепла и поглощенной энергии. Высокие механические напряжения, обусловленные увеличением давления на площадях контакта, вызывают большую дефектность структуры поверхностей трения, что увеличивает активность металла.
Экспериментальные исследования, проведенные различными учеными, показывают, что с увеличением давления до величины, не превышающей некоторого критического значения, качество прирабатываемой поверхности улучшается. Существуют зависимости шероховатости поверхности от контурного давления, механических свойств, сдвигового сопротивления молекулярной составляющей и коэффициента гистерезисных потерь.
Исходная шероховатость Исходная шероховатость, определяемая технологией изготовления деталей, влияет на износостойкость сопряжения в основном только через приработку. Шероховатость, наиболее близко соответствующую равновесной, как правило, определяли опытным путем. Экспериментально показана V-образная зависимость коэффициента трения, износа и температуры трения от шероховатости трущихся поверхностей [44, 46, 47, 68, 94, 100, 107].
Механические свойства материалов и смазки Этот вопрос является наиболее сложным при изучении кинетики приработки и установлении равновесной шероховатости потому, что физико-механические свойства поверхностного слоя материалов трущихся пар могут испытывать различные изменения в результате воздействия силовых, температурных факторов и химических превращений в присутствии смазочной среды.
Имеющийся в практике накопленный экспериментальный опыт представляет несомненную ценность. Однако приводимые рекомендации для выбора величины оптимальной шероховатости справедливы только для конкретных исследуемых сопряжений с регламентированными для этих узлов условиями эксплуатации.
Результаты исследований И.А. Вяткина, Ю.В. Волкова и В.Т. Фонотова [17] по влиянию некоторых условий трения на величину приработанной шероховатости стальных образцов показали, что скорость скольжения, твердость образцов практически не оказывают влияния на равновесную шероховатость. Из рассмотренных ими факторов наибольшее влияние на характеристики приработочной шероховатости оказывает нагрузка.
Смазочный материал при прочих неизменных условиях трения оказывает существенное влияние на изменение микрогеометрии при приработке.
Физико-механические свойства поверхностных слоев
Свойства поверхностных слоев детали существенно отличаются от объемных свойств материала, из которого она изготовлена [3, ПО, 111]. Силовое поле, создаваемое атомами поверхностного слоя, обладает высокой адсорбционной способностью, вследствие чего поверхность, как правило, покрыта адсорбированными слоями воздуха, воды и различных органических веществ. Под влиянием адсорбирующихся поверхностно-активных веществ (ПАВ) происходит ослабление взаимодействия между атомами, расположенными на поверхности. Проникая в микротрещины, ПАВ создают давление, направленное в сторону дальнейшего развития щели вглубь твердого тела и ослабляют прочность поверхностного слоя (эффект Ребиндера).
На поверхности металла, как правило, имеются окисные пленки, особенно интенсивно образующиеся при повышенных температурах. Свойства материала в поверхностном слое существенно зависят от характера обработки. При обработке материала резцом перед его передней гранью образуется зона пластической деформации, в которой происходит размельчение зерен структуры. Этот слой с нарушенной структурой простирается на глубину в десятки микрометров, а при грубой обработке - на сотни. Аналогичные явления наблюдаются и при шлифовании. При применении высокодисперсного абразива и малой скорости обработки поверхность имеет наименьшую шероховатость при минимальной толщине деформированного слоя.
Процессы, сопровождающие трение, также в значительной мере влияют на свойства поверхностных слоев. Вследствие внедрения контактирующих выступов при тангенциальном перемещении имеет место упруго-пластическое передеформирование поверхностных слоев. Толщина деформированного слоя зависит от скорости скольжения, она уменьшается с увеличением скорости. Многократные упругие деформации поверхности приводят к возникновению усталостных явлений. Пластическая и упругая деформации поверхностного слоя в процессе трения приводят не только к изменению его свойств, но и к образованию нового микрорельефа, типичного для данных условий трения. Высокая температура, развивающаяся при трении, ведет к отжигу и размягчению поверхностного слоя и сглаживанию микронеровностей, к структурным изменениям материала, а также к возникновению диффузионных процессов. Существенное влияние на свойства поверхности трения оказывает градиент температуры по глубине, приводящий к градиенту механических свойств. Изменение структуры поверхностного слоя существенно меняет его механические свойства. Оценивать механические свойства поверхностного слоя можно по результатам измерения его микротвердости. Обычно поверхностный слой металлов имеет большую твердость, что объясняется его наклепом. Этот наклепанный слой может быть обнаружен методами рентгеноструктурного анализа.
Неровности поверхностей деталей машин разделяют на шероховатость, волнистость и макроотклонения формы. К макроотклонениям относят единичные, регулярно не повторяющиеся отклонения поверхности от номинальной формы (выпуклость, вогнутость, конусность и т.д.). Волнистость представляет собой совокупность периодических, регулярно повторяющихся, близких по размерам выступов и впадин, расстояния между которыми — шаг волн SB, значительно больше их высоты Hg (SB / Нв 40). Под шероховатостью поверхности понимают совокупность неровностей с относительно малым шагом (2 — 800 мкм) и высотой (0,03 — 400 мкм) [24, 110].
Шероховатость поверхности образует ее микрорельеф, информацию о котором можно получить различными методами. Наибольшее распространение получил метод, который реализован в профилографах. Графическое изображение профиля поверхности (профилограмма) показано на рис. 2.1. Для оценки качества поверхности снимают профилограммы на трассе, равной базовой длине /.
Базовая длина / (рис. 2.1) - длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности и для количественного определения ее параметров; средняя линия (MjM — базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля от этой линии минимально; линия выступов профиля (AjAz) - линия эквидистантная средней линии, проходящая через высшую точку профиля в пределах базовой длины; линия впадин профиля (B]B2) - линия эквидистантная средней линии, проходящая через низшую точку профиля в пределах базовой длины [ПО]. Базовой линией, служащей для оценки геометрических параметров поверхности, является средняя линия. Как частный случай средней лини профиля предусмотрена центральная линия, имеющая форму номинального профиля и расположенная параллельно направлению профиля в пределах базовой длины таким образом, что суммы площадей, заключенных между этой линией и профилем по обе стороны от этой линии, равны между собой.
Методика лабораторных исследований по выбору и оптимизации режимов финишной обработки антифрикционными материалами гильз цилиндров двигателя Д-240
Выбор режима обработки гильз цилиндров был осуществлен на основе лабораторных исследований, которые проводились с использованием сверлильного станка 2А125 (рис. 3.2).
Для нанесения на гильзы цилиндров приработочных покрытий применялось устройство для нанесения покрытия (рис. 3.3), которое крепилось в сверлильном патроне станка, и устройство для крепления гильзы (рис. 3.4), которое в свою очередь крепилось на рабочем столе станка. Для исследований применялись гильзы двигателя Д-240 размерной группы «С», предварительно отхонингованные.
Гильза 1 двигателя Д-240 крепилась буртом вниз, за который она притягивалась болтами с помощью фланца 3 к плите 2 (см. рис. 3.4). При этом гильза устанавливалась во вставку 4, которая имеет паз того же диаметра, что и бурт гильзы. Это позволило устанавливать гильзу соосно со шпинделем станка от одного эксперимента к другому. Плита имеет цилиндрическое отверстие (больше внутреннего диаметра гильзы) для возможности выхода рабочего инструмента и обработки всей поверхности гильзы. Также в отверстии плиты располагалась емкость для сбора отработки.
Устройство (см. рис. 3.3) имеет гибкий шток 6, что позволило ему самоцентрироваться относительно внутренней поверхности гильзы. Также это устройство для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность гильзы имеет бруски 3 из мягких металлов. При этом бруски для натирания легко заменяются, что дало возможность проводить нанесение покрытий с применением брусков различной твердости. В результате проведенных пробных испытаний выяснилось, что наилучшие характеристики при натирании гильз показывают латунные бруски, в сравнении с алюминиевыми или оловянными. Бруски самоустанавливаются по образующей гильзы, т.к. они могут свободно вращаться на шариках. Давление брусков на поверхность гильзы регулировалось за счет сжатия гайкой 5 пружины 4, разжимающей рычаги 2 (см. рис. 3.3). Тарировочный график пружины представлен нарис. 3.5.
При площади контакта бруска с поверхностью гильзы равной 40 мм с помощью данной пружины возможно создавать давления от 1,5 до 4,2 МПа.
Сверлильный станок обладает возможностью регулировки частоты вращения шпинделя от 97 до 1360 мин"1, что позволило выяснить оптимальную скорость движения бруска. Возможные обороты шпинделя станка и соответствующие им окружные скорости бруска при движении в гильзе двигателя Д-240 представлены в табл. 3.1.
С учетом технических возможностей сверлильного станка 2А125 были приняты границы варьирования скорости брусков от 0,56 до 7,83 м/с.
Диапазон изменения времени обработки при выяснении ее оптимального режима приняли от 5 до 30 мин. Максимальное время обработки (30 мин) выбрано исходя из того, что большая продолжительность обработки на этапе внедрения в производство будет существенно увеличивать общее время обработки гильз цилиндров двигателя и влиять на экономическую целесообразность применения данной операции.
Материал покрытия подавался в зону трения брусков и гильзы капельным способом. От одного эксперимента к другому выставлялся одинаковый поток рабочей среды с антифрикционным материалом. В качестве рабочей среды использовалось минеральное масло Лукойл Стандарт SAE 10W-30.
Эффективность обработки оценивалась с помощью измерения параметров шероховатости поверхности. Шероховатость поверхности — один из основных и важнейших параметров, по которому оценивают процессы, происходящие в парах трения и качество поверхностей этих пар после обработки. Измеряли следующие параметры шероховатости: Ra — среднеарифметическое значение отклонений профиля поверхности, Rz — высота профиля по десяти точкам.
Измерения производились до обработки гильзы (после хонингования) и после обработки антифрикционными материалами. Путем сравнения и анализа этих параметров выяснялись оптимальные значения режима обработки и оптимальные материалы по минимизации шероховатости.
Определение антифрикционных материалов, применяемых для финишной обработки гильз цилиндров
Предварительная оценка влияния композиций на основе антифрикционных материалов на изменение микрогеометрии поверхности гильз цилиндров при их финишной обработке и выбор композиций, рекомендуемых для обработки, были произведены на основе однофакторного эксперимента с восемью уровнями. Уровни фактора имеют качественный характер. Исследования проводились по методике, приведенной в п. 3.2. Эффективность применения антифрикционных материалов оценивалась по минимизации значений высотных параметров шероховатости обработанной поверхности гильз цилиндров двигателя Д-240. В качестве функций отклика были выбраны: - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости поверхности гильзы Ra; - средняя высота неровностей профиля по десяти точкам Rz; - максимальная высота неровностей профиля Rmax. Как было сказано в п. 3.3, для оценки эффективности применения антифрикционных материалов при обработке гильз цилиндров были отобраны следующие: Liqui Moly Oil Additiv (Ликви), RVS Engine Treatment (PBC), СУРМ ускоренная обкатка (СУРМ УО), Renom Engine (Реном), Ресурс, ЕЗООО (Энергия), ТСК-ВЮО+СУРМ-КВ (ТСК+СУРМ). Применяемые для опытов материалы и композиции представлены в табл. 4.5. Данными антифрикционными материалами были обработаны гильзы двигателя Д-240. Также, для сравнения, были обработаны гильзы чистым маслом. Обработка производилась на выбранном после предыдущей серии испытаний (п. 4.1) режиме: при скорости брусков 5,53 м/с, нагрузке 3 МПа и времени обработки 20 мин, согласно плану (табл. 4.6). Концентрация мате риалов в композициях, как говорилось в п. 3, выбиралась из рекомендаций изготовителя. После обработки проводились измерения параметров шероховатости поверхности обработанных поясов гильз, результаты которых представлены в табл. 4.7. Для возможности последующего сравнения с результатами других испытаний (в частности стендовых) параметры шероховатости поверхности выражены в относительных единицах. Для возможности сравнения значений параметров шероховатости до и после обработки, предварительно были проведены их измерения на необработанных гильзах. Эти данные представлены в табл. 4.8. Гильзы №9 и №10 были обработаны композициями Liqui Могу, RVS, СУРМ-УО, RENOM. Гильзы №11 и №12 были обработаны композициями Ресурс, Энергия 3000, ТСК-ВЮО+СУРМ-КВ, чистым маслом. На основании значений параметров шероховатости, представленных в табл. 4.7 и 4.8, были построены графики (рис. 4.7).
