Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 14
1.1 Процесс изнашивания поверхностей пар трения 14
1.2 Анализ традиционных технологий восстановления поверхностей трения 20
1.3 Анализ препаратов для безразборного восстановления поверхностей трения 27
1.4 Общий обзор ремонтно-восстановительного состава «rvs technology1m» 32
1.5 Механизм действия ремонтно-восстановительных составов
На поверхностный слой пар трения 37
1.6 Существующие проблемы применения рв с технологии 44
1.7 Выводы 46
1.8 цели И задачи исследования 47
Глава 2. Теоретические исследования процессов
Происходящих в зоне контакта трущихся поверхностей 48
2.1 Контактирование, оценка сил связи и адгезия 48
2.2 Температура в зоне фрикционного контакта 56
2.3 Моделирование контактирования взаимодействующих поверхностей и образования металлокерамического покрытия 63
2.4 Выводы 70
Глава 3. Методика экспериментальных исследований по определению воздействия ремонтно-восстановительных составов на поверхности трения 71
,3.1 Общая методика 71
3.2 Разработка экспериментальной установки 72
3.3 Методика обработки ремонтно-восстановительным составом 78
3.4 Методика исследования площади образования металлокерамического покрытия на профильных поверхностях кулачкового вала 79
3.5 Разработка приспособления к мим-7 для ориентировки , кулачкового вала в пространстве при проведении микроскопического исследования профильных поверхностей 82
3.6 Определения исследуемых точек на поверхности профиля кулачка 85
13.7 Определение линейных скоростей и усилий в исследуемых точках на профильных поверхностях кулачков 88
3.8 Определение площади образования металлокерамического покрытия на профилях кулачкового вала 91
3.9 Методика исследования толщины образованного металлокерамического покрытия на профильных поверхностях кулачкового вала 95
3.10 Определение толщины образованного металлокерамического покрытия на профильных поверхностях кулачкового вала 96
3.11 Методика проведения сравнительных износных стендовых и эксплуатационных испытаний при наработке без и с введённым ремонтно-восстановительным составом 98
3.12 Выводы 99
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований по определению воздействия ремонтно-восстановительных составов на поверхности трения и их обсуждение 101
4.1 Исследования по определению физического воздействия рвс
; на поверхности трения 101
4.2 Исследования по определению площади образования покрытия на профильных поверхностях кулачкового вала 109
4.3 Определение толщины образующегося покрытия на профильных поверхностях кулачкового вала 117
4.4 Исследования по определению концентрации продуктов износа в масле при наработке без рвс и с введенным рвс 119
4.5 Сопоставление и обсуждение полученных экспериментальных данных 122
4.6 Выводы 125
Глава 5. Расчет экономической эффективности от применения рвс в кулачковых механизмах автотракторных двигателей 127
Общие выводы 131
Библиографический список использованной литературы
- Анализ препаратов для безразборного восстановления поверхностей трения
- Температура в зоне фрикционного контакта
- Методика обработки ремонтно-восстановительным составом
- Исследования по определению площади образования покрытия на профильных поверхностях кулачкового вала
Введение к работе
Количественно возрастная структура машинно-тракторного парка характеризуется его катастрофическим сокращением и физическим старением. В настоящий момент в нашей стране по данным многих авторов парк сельскохозяйственной техники изношен на 70-80% [2, 145, 149], количество новой техники, вводимой в эксплуатацию, значительно меньше техники подлежащей списанию. Надежность новой техники (отечественной) заметно не повысилась. С каждым годом количество нагрузки на 1 машину возрастает, приводя к ещё более ускоренному старению парка машин.
Из-за низкого коэффициента готовности машинно-тракторного парка (МТП) выполнение сезонных работ превышает агротехнические сроки на пахоте в 1,5-2,5 раза, на уборке урожая в 2,5-3,5 раза [2].
В связи со спадом надежности машин потребность в техническом обслуживании и ремонте их агрегатов увеличилась. В то же время объемы работ по техническому обслуживанию и их ремонту на необходимом техническом уровне уменьшились. Объемы этих работ сократились из-за необоснованного упразднения ремонтных заводов и специализированных мастерских сельхозтехники. Принцип специализации и концентрации ремонтного производства оказался утерянным.
К числу важнейших средств повышения эффективности использования машин относится их своевременное техническое обслуживание и ремонт, следовательно, и система использования прогрессивных методов восстановления изношенных деталей, узлов и сопряжений. Именно в восстановлении деталей скрываются основные резервы снижения стоимости и увеличение ресурса отремонтированных машин, сокращения расхода запасных частей, экономия общественного труда и материальных затрат.
Существующая система технической подготовки и оснащения производства восстановления деталей не в состоянии обеспечить в полной мере не только разработку и внедрение гибкой технологии восстановления деталей, но и выполнение работ по срокам.
, 6
При сложившейся системе ремонта машин в АПК производственные мощности на ремонт тракторов составили 44%, на изготовление запасных частей 34%, а на изготовлении новых тракторов 22% [2, 4]. Таким образом, на ремонт только тракторов за период их эксплуатации затрачивается в 4 раза больше производственных мощностей, чем на изготовление новых.
Одним из путей решения проблемы содержания МТП в состоянии готовности является уменьшение затрат на ТО и РМ. Необходимости в РМ возникает естественно с выходом из строя соединений механизмов.
По сведениям ряда авторов [33, 81, 96, 152] одной из самых острых проблем современности, связанной с трением, является износ соединений. Около 85...90%) всех деталей машин выходит из строя из-за износа. Расходы на их восстановление ежегодно возрастают и составляют 30...40%) стоимости новой машины. В настоящее время от 1/3 до 1/2 мировых энергетических ресурсов расходуется на трение и износ.
Износ является следствием трения. Процесс трения устранить нельзя т. к. он связан с движением тела и естественно превращением механической энергии в другие её виды. Но уменьшить в определенных пределах эффект изнашивания можно. Или, не меняя процесс трения, можно повысить износостойкость материала поверхности трения. Однако повышение износостойкости, как правило, связано с дополнительными операциями, требующими дополнительных капиталовложений и в результате с повышением себестоимости ремонта машин.
Многие методы восстановления деталей с применением наращивания наплавкой, напеканием, напылением энергоемки и, кроме того, они вызывают нежелательные структурные и геометрические изменения в результате чрезмерного нагрева и деформации, требующие дополнительных операций обработки.
В работах академиков Кормановского Л. П., Черноиванова В. И., ЛялякинаВ. П. [145, 147, 149] придается большое значение энергосберегающим
и ресурсосберегающим технологиям восстановления изношенных деталей машин, а также экологически чистым процессам при их ремонте.
В настоящее время в связи с конверсией результатов более чем 50-летней работы научных институтов ВПК в области трибологии машиностроение сориентировано на т. н. "Безизносное трение".
Средством безизносного трения наукой предложены препараты в составе соединений металлов, катализаторов, полимеризирующих веществ, различных ПАВ и полирующих абразивов.
Механизм образования покрытия в локальных местах износа объясняется физико-химическим состоянием поверхностного слоя деталей при работе пар трения. Известно, что при работе пар трения силовое и тепловое воздействие приводит к изменению физических свойств материала в поверхностном слое [37, 71, 136]. Атомы у ювенильных поверхностей на местах прогрессирующего разрушения имеют односторонние связи (кластеры). Эти кластеры как магниты захватывают и удерживают восстановительный препарат в месте начинающего износа. Зона анамальной активности уменьшается, с уменьшением энергии трения исчезает, и рост покрытия прекращается.
В связи с этим является актуальной задачей изучение возможности восстановление деталей на основе разработки новых прогрессивных, энергоресурсосберегающих технологических процессов. Решение этих вопросов сопряжено с разработкой и внедрением ремонтно-восстановительной технологии и интенсификации нанесения керамических покрытий.
Актуальность темы. Поршневые двигатели внутреннего сгорания широко применяются в энергетике, в частности в сельском хозяйстве. По данным ЦМИС двигатели сельскохозяйственных и транспортных машин наиболее уязвимы к износу. За наработку 3000 моточасов предельное состояние наступает у 34,4% двигателей, это наибольший процент среди других агрегатов. Как известно, важной задачей является повышение их надёжности и улучшение
Кластеры - соединения с химическими связями.
мощностных, экономических и экологических показателей. Надежность двигателей в значительной степени зависит от технического состояния деталей и соединений кулачковых механизмов, в частности механизма газораспределения ДВС и привода плунжера ТНВД. Механизм газораспределения является одним из наиболее нагруженных узлов двигателя. Долговечность его работы в значительной степени определяется износостойкостью деталей, в частности кулачков распределительного вала. Износ профилей кулачков приводит к нарушению кинематики движения клапанов, увеличению динамических нагрузок на клапаны и детали привода, что интенсифицирует их износ. В результате износа деталей соединений уменьшается высота подъема клапана и их «время сечения», что приводит к уменьшению коэффициента наполнения цилиндров свежим воздухом, увеличение количества остаточных газов и вызывает падение мощности и экономичности двигателя. Всё это ухудшает характеристики ДВС, а также снижает его надёжность. Установлено, что с износом кулачков снижение мощности автотракторного двигателя может достигать 8% при малых частотах вращения коленчатого вала и 9,2% на режимах близких к номинальным [27, 28]. При этом заметно увеличивается токсичность отработавших газов. Износ рабочей поверхности кулачкового вала ТНВД приводит к изменению закона движения плунжера и скорости его перемещения. В результате чего угол подачи топлива сдвигается в позднюю сторону, снижается максимальная скорость плунжера, впрыск растягивается по времени и как следствие уменьшается давление впрыска. Все это приводит к ухудшению запуска дизеля, снижению мощности, повышению удельного расхода топлива, увеличению дымности отработавших газов.
Проблемой ремонтного производства в сельском хозяйстве в современных условиях является повышение качества и эффективности технологического процесса восстановления при снижении себестоимости восстановленной детали [73, 146, 149]. Восстановление деталей - мероприятие технически обоснованное и экономически оправданное. Экономическая
сторона работ по восстановлению деталей заключается в снижении себестоимости ремонта за счет сокращения затрат на новые запасные части. Существующие в ремонтной практике традиционные технологии восстановления деталей машин на основе наращивания поверхностей трения с нагревом, вызывающим нежелательные структурные и геометрические изменения металла, остаточные напряжения и деформации, требующие дополнительных технологических операций, связанных с их устранением, нельзя отнести к эффективным, они энергоёмкие и трудоёмкие. На этих операциях используется дорогое металлорежущее оборудование и занято много станочников. Около 45% наращенного металла во время обработки превращается в стружку. Применение таких технологий, как правило, возможно, только при централизованном восстановлении. Также эти методы ремонта связаны с разборкой, мойкой, сборкой и обкаткой, что образует значительные затраты труда и средств в доле себестоимости восстановления деталей. В настоящее время в большинстве ремонтных мастерских сельскохозяйственных предприятий отсутствует необходимое оборудование, и ремонт проводится заменой изношенных деталей на запасные части, которые имеют чрезвычайно высокую цену и, как правило, низкое качество.
Сокращение затрат труда и средств на современном этапе науки было бы возможно применением безразборной технологии восстановления подвижных соединений на основе триботехнологии ремонтно-восстановительных составов (РВС), но их использование не получило широкого распространения из-за недостаточной изученности закономерностей воздействия на поверхности трения. В связи с этим исследование и апробация новых энерго- ресурсосберегающих технологий безразборного восстановления поверхностей трения является актуальным и имеет большое научно-практическое значение.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР кафедры «Технологии машиностроения и технического сервиса» ФГОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет» в рамках государственной темы №
01.0.40002128 «Методология обеспечения надёжности с.-х. техники в период её эксплуатации путём управления качеством технологического процесса восстановления деталей и соединений» и договором №27 от 17.03.2005г. на выполнение научно-исследовательской работы с Министерством сельского хозяйства и продовольствия Омской области по теме: «Исследовать и разработать технологию безразборного восстановления трущихся поверхностей деталей сельскохозяйственных машин в процессе их работы путем применения ремонтно-восстановительных составов».
Цель исследования. Повышение ресурса профильных поверхностей кулачкового вала без разборки механизма в процессе штатной эксплуатации путём применения ремонтно-восстановительных составов.
Объект исследования. Процесс снижения интенсивности изнашивания профильных поверхностей кулачкового вала при использовании РВС.
Предмет. Закономерности образования и изнашивания
металлокерамического покрытия на профильных поверхностях кулачкового вала от применения РВС в зависимости от действия различных факторов, интенсифицирующих процесс.
Рабочая гипотеза. Применение ремонтно-восстановительных составов в процессе эксплуатации механизмов автотракторных двигателей позволит увеличить их ресурс и повысить технико-экономические характеристики двигателя.
Научная новизна:
разработана методика определения фактического воздействия ремонтно-восстановительного состава на поверхности трения, по которой выявлено образующееся на них покрытие;
разработана методика определения площади и толщины образующегося металлокерамического покрытия на поверхностях трения;
разработана методика и приспособление к МИМ-7 для микроскопического исследования профильных поверхностей кулачковых валов ТНВД марок 4ТН9х10 и УТН-5 с сохранением значений координат исследуемых точек при демонтаже;
выявлены закономерности образования защитного металлокерамического покрытия в зависимости от скорости скольжения и величины нагрузки, действующей на сопряжение кулачок - ролик толкателя;
установлена цикличность образования и изнашивания МКП, приводящая к снижению интенсивности изнашивания.
На защиту выносятся:
методика определения воздействия ремонтно-восстановительных составов на поверхности трения;
зависимости площади и толщины образующегося металлокерамического покрытия на профильных поверхностях кулачкового вала от скорости скольжения и величины нагрузки действующей на сопряжение кулачок -ролик толкателя.
Практическая значимость. Применение ремонтно-восстановительного состава в различных кулачковых механизмах ДВС позволяет увеличить их ресурс путём снижения интенсивности изнашивания за счет циклического модифицирования поверхностей трения в локальных взаимодействующих зонах и улучшить технико-экономические показатели автотракторных двигателей.
Апробация работы. Основные положения отдельных вопросов и результаты работы докладывались на:
научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГОУ ВПО ОмГАУ (г.Омск, 2004-2009 гг.);
международной научно-практической конференции «Прогрессивная технология восстановления изношенных деталей машин гальваническими сплавами и перспективные технологии, и средства
технического обслуживания машин в сельском хозяйстве» (г.Иркутск, 2005
г.);
III международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» (г.Омск, 2005 г.);
научно-технической конференции «Совершенствование технологий, машин и оборудования в АПК» (г.Омск, 2005 г.);
международной научно-технической конференции «Перспективные технологии и техническое обеспечение АПК» (г.Новосибирск, 2006 г.);
научно-техническом совете Министерства сельского хозяйства и продовольствия Омской области (г.Омск, 2006г.);
научно-техническом совете ФГОУ ВПО ОмГАУ (г.Омск, 2008г.);
международной научно-практической конференции «Машинно-технологическое, энергетическое и сервисное обеспечение сельхозтоваропроизводителей Сибири» (г.Новосибирск, 2008г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 в изданиях рецензируемых ВАК, свидетельство о регистрации интеллектуального продукта.
Анализ препаратов для безразборного восстановления поверхностей трения
Анализ традиционных способов восстановления деталей кулачковых механизмов с учетом их трудоемкости и затрат показал целесообразность более полного изучения ресурсосберегающих технологий.
Существующие в ремонтной практике способы восстановления деталей механизма газораспределения на основе наращивания поверхностей с нагревом, вызывающим структурные изменения металла, остаточные напряжения и деформации, требующие дополнительных процессов на их устранение, нельзя отнести к эффективным.
В работах академиков Кормановского Л. П., Черноиванова В. И., Лялякина В. П. [93, 145, 149] придается большое значение восстановлению изношенных деталей машин, энергосберегающим и ресурсосберегающим технологиям, и экологически чистым процессам при их ремонте. Одним из направлений является безразборное восстановление, позволяющее продлить ресурс машины и снизить расходы на её ремонт и эксплуатацию.
В настоящее время в России и за рубежом разрабатываются, и все более активно предлагаются к продаже препараты и средства, позволяющие в процессе эксплуатации, не производя разборки узлов и агрегатов, частично восстанавливать изношенные поверхности трения с одновременным повышением их износостойкости и других технико-экономических показателей. ї
Все препараты различаются по способам применения — введения в трущиеся соединения. Большинство составов вводят в моторные и трансмиссионные масла, топливо или пластичные смазки. Некоторые из них подают через систему питания (впускной трубопровод) в виде аэрозолей и добавок к топливо-воздушным смесям. Ряд препаратов подаётся непосредственно в зону трения, например в цилиндро-поршневую группу.
В зависимости от состояния и растворимости в топливе, масле и других эксплуатационных жидкостях эти вещества имеют разное название. Органические маслорастворимые продукты называют присадками, они составляют самую распространённую группу. Твёрдые нерастворимые вещества, как правило, неорганического происхождения, называют антифрикционными добавками. Некоторые препараты, изменяющие материал трущихся соединений часто именуют модификаторами.
По нашему мнению В. И. Балабанов [12] наиболее правильно классифицировал эти восстановители по компонентному составу, физико-химическим процессам их взаимодействия, с трущимися поверхностями, свойствам получаемых покрытий (защитных пленок), а также механизму функционирования в процессе дальнейшей эксплуатации, разделив их на 3 основные группы:
; Металлоплакирующие композиции.
Термин «металлоплакирующий» введен Д. Н. Гаркуновым, В. Г. Шимановским и В. Н. Лозовским в связи с изобретением ими смазочного материала, реализующего эффект избирательного переноса при трении (авторское свидетельство СССР №179609 от 14.05.1962 г.) [33]. Недостатком металлоплакирующих композиций является повышение окисляемости моторного масла и снижение срока его эксплуатации [12].
Полимеризующиеся вещества.
В конце 50-х гг. 20в. X. В. Германсом и Т. Ф. Иганом было обнаружено явление образования органических отложений на релейных контактах телефонной и телеграфной связи. На основании экспериментов было установлено, что отложения в зоне контакта образуются вследствие химических превращений паров органических веществ, выделяемых некоторыми изоляционными материалами. Во всех случаях образовавшиеся отложения снижали коэффициент трения в контактной паре и ухудшали токопроводность. В дальнейшем рядом ученых [95, 117, 153] были предприняты попытки создания искусственных «полимеров трения» за счет введения в смазочный материал специальных присадок, которые были названы ими полимерообразующими. В основном используют такие полимерсодержащие материалы как: политетрафторэтилен (тефлон), перфторполиэфир карбоновой кислоты (эпилам), фторопласт-4, перфторпропиленоксид и др. Недостатком полимерных покрытий является постепенное насыщение мелкодисперсными частицами износа и абразива, и как следствие ускоренный износ трущихся соединений, а так же при введении в зону высоких температур может наступить преждевременная полимеризация [12, 154].
Металлокерамические восстановители. " Восстановление и упрочнение подвижных соединений металлокерамическими материалами осуществляется за счет формирования на поверхности трения структур повышенной прочности, подавления процессов водородного изнашивания и охрупчивания металла, повышения термодинамической устойчивости системы поверхность трения - смазочный материал. Поверхностно активные вещества металлокерамического восстановителя подготавливают поверхности трения химически (катализ) и физически (суперфиниш), очищая их от нагара, оксидов, отложений и т.д. В очищенную зону трения происходит внедрение вместе с катализатором керамических частиц (фибрилл). Зона контакта обедняется свободным водородом, а поверхностные слои изменяют свою структуру и увеличивают прочность в несколько раз.
Температура в зоне фрикционного контакта
Поверхностные атомы вследствие свободных связей обладают большей энергией, нежели атомы внутри твердого тела. Избыток энергии, отнесенный к единице поверхности, называют удельной поверхностной энергией или просто поверхностной энергией. Полная энергия кристалла состоит из внутренней и поверхностной энергии. Последняя пропорциональна поверхности раздела фаз, поэтому особенно возрастает при диспергировании твердых тел. Она во многом определяет свойства высокодисперсных систем — коллоидов.
При соприкосновении двух тел поверхностная энергия исчезает и может выделится в виде теплоты или затратиться на подстройку в кристаллической решетке одного кристалла к другому [53, 71].
При относительном скольжении двух тел вследствие деформирования материала, участвующего в образовании и разрушении фрикционных связей, в тонком поверхностном слое образуется тепло. Повышение при этом температуры может привести к местному размягчению и расплавлению материала. Тепло распространяется от пятен контакта вглубь обоих контактирующих тел, причём тепловые потоки распределяются в зависимости от теплофизических свойств контактирующих тел, из размеров и условий теплоотвода [80].
Передача тепла происходит по нормали к изотермической поверхности (рис. 2.3) от мест с большей температурой к местам с меньшей температурой. Наибольший перепад температуры происходит в направлении нормали к площади образованной единичным выступом. Интенсивность теплового потока зависит от работы трения и величины площадки, на которой она генерируется.
Возникающие в микрообъёмах поверхностного слоя температурные импульсы распространяются вглубь поверхностного слоя трущихся пар в виде температурных волн. Чем выше скорость скольжения, тем на меньшую глубину распространяются температурные волны. Вместе с тем при возрастании величины шага неровностей на трущейся поверхности глубина распространения температурных волн в поверхностном слое увеличивается [59].
При стационарном тепловом режиме механическая энергия, превращенная в микрообъемах поверхностного слоя в тепловую, передаётся в глубь массы трущихся тел за счёт теплопроводности не полностью. Часть её в результате структурных превращений в поверхностных слоях, термоионных и термоэлектронных эмиссий, термодиффузий и т. д. рассеивается непосредственно в окружающую среду [59, 80].
При трении следует различать [81]: среднюю объёмную температуру; поверхностную температуру; температуру вспышки на единичном пятне; суммарную температуру на поверхности трения.
Когда одна шероховатая поверхность скользит по другой, то касание осуществляется лишь в отдельных точках, которые весьма непродолжительное время находятся в контакте. Время существования единичного пятна может составлять 10" - 10" с [36]. На единичном пятне возникают кратковременные единичные температурные вспышки. Температура вспышки может достигать значительной величины, что влияет на условия взаимодействия трущихся поверхностей.
При микроскопическом исследовании контакта деталей машин в условиях высоких нагрузок и температур установлена [40, 81] возможность образования магмы-плазмы (рис. 2.5). Взаимодействие микроконтактов происходит за очень короткое время (10" ...10" с), в течение которого к контакту подводится большая энергия. Для таких условий законы классической термодинамики не выполняются; материал тонкого поверхностного слоя преобразуется, в результате в зоне соударения неровностей образуется магма-плазма; процесс сопровождается эмиссией электронов [36].
Как было уже показано, в трущихся телах возникают две температурные области (зоны): область микрообъёмов поверхностного слоя, где происходит распространение температурных волн определённой амплитуды и частоты, а следовательно, при всех режимах трения возникает колебание температур, и область где при стационарном режиме температура остаётся неизменной.
Предельная температура на поверхности трения определяется как сумма температурной вспышки, возникающей при трении на фактическом пятне касания (6ВС), плюс температура от равномерно распределенного по всей номинальной площади теплового потока (6а), т. е. 0nn = 0ec + Ua (1)
X. Блок на основании своих экспериментальных работ рекомендует производить расчёт температуры поверхности трения исходя из предположения, что источник тепла возникает в виде мгновенного теплового удара постоянной мощности и равномерно распределяется в плоскости трения. Уравнение для определения средней температуры нагрева поверхностного слоя при трении полученное в работе [81], на основе анализа теоретических и практических работ Ф. П. Боудена, X. Блока, М. П. Левитского, Г. А. Прейса имеет вид: уа = — _ _ (2) J Am+Knycx2,6J—Vv v V;L J где 8 - коэффициент распределения тепла на трущейся поверхности; Р - удельное давление; Я - коэффициент теплопроводности; К,, - эмпирический коэффициент, характеризует относительную величину тепловой энергии, рассеиваемую непосредственно микрообъёмами поверхностного слоя в результате термоэлектронных и термоионных эмиссий, термодиффузии, структурных превращений и других явлений; у - удельный вес массы трущейся поверхности; С - удельная теплоёмкость; а - коэффициент теплоотдачи поверхности; Яд - длинна волны неровностей на трущейся поверхности;
Методика обработки ремонтно-восстановительным составом
Методика обработки строго соответствует рекомендациям производителей ремонтно-восстановительных составов. В качестве смазывающей жидкости использовано моторное масло для дизельных двигателей Sibimotor М8Г2К ГОСТ8581-78. 1. Через масло заливную горловину в картер корпуса ТНВД заправить 0,7 литра моторного масла. 2. При помощи нагревателя масло в картере ТНВД разогрето до температуры 50-60С. Измерение и контроль температуры производилось ртутным термометром со шкалой от 0С до 100С ГОСТ 2823-59 способом погружения в масляную ванну. 3. Приготовить смесь из двух компонентов (тюбик с гелем 10мл + бутылка с моторным маслом 190мл) входящих в комплект "RVS Technology Engine Treatment" категория 3 - для дизельных двигателей с объёмом моторного масла от 2 до 4 литров, пропорционально среднему значению концентрации РВС. Составляем пропорцию для расчета объёма ремонтно восстановительного состава в масляной ванне ТНВД. Исходные данные: объём масла в картере ТНВД 0,7 литра; среднее значение объёма моторного масла в картере двигателя для 3 категории состава будет 3 литра; объём геля 10 миллилитров; объём бутылки с моторным маслом 190 миллилитров. Для геля: — 0,7 = 2,34 мл. 3 190 Для бутылки с моторным маслом: ——0,7 = 44,34 мл. 3 Измерения объёма вводимого препарата производились способом измерения массы на весах ВЛА — 200г — М. 4. Тщательно взболтать смесь и залить 1/3 часть в масляную ванну ТНВД, включить экспериментальную установку на 15 минут. 6. Остановить установку, взболтать и залить 1/2 часть от оставшейся смеси в масляную ванну ТНВД, включить экспериментальную установку. 8. Остановить установку, взболтать и залить оставшуюся смесь в масляную ванну ТНВД, запустить экспериментальную установку.
В основу исследования положено поэтапное выявление пятен металлокерамического покрытия на профильных поверхностях кулачкового вала при изменении скорости относительного взаимодействия и контактной нагрузки в сопряжении кулачок — ролик толкателя.
Выявление пятен образованного покрытия проводится по разработанной ранее методике путем травления поверхности профиля кислотой и определения непротравленных зон. Данная методика разработана на основании проведённых предварительных экспериментальных исследований по поиску способов определения изменения физических параметров взаимодействующих пар трения в присутствии ремонтно-восстановительных составов и подробно описанная в главе 4. Травление профильных поверхностей при микроскопическом исследовании проводилось 2% раствором азотной кислоты в этиловом спирте.
Определение площади МКП на профилях кулачкового вала проводилось путём металлографического исследования на микроскопе МИМ-7. Для получения более качественных микрошлифов профильные поверхности кулачкового вала были отполированы до начала исследования.
Кулачковый вал, не распиливая на мелкие части невозможно обработать на стандартном оборудовании для изготовления микрошлифов, поэтому было изготовлено приспособление, позволяющее провести полировку профилей кулачкового вала (рис. 3.5).
При поведении исследования площади образования МКП угловая скорость кулачкового вала была принята 850 об/мин, что соответствует номинальной частоте вращения кулачкового вала ТНВД 4ТН9х10. При этом изменение линейной скорости взаимодействия кулачка и ролика толкателя находилось в пределах 1,42 - 2,31 м/с, что соответствует изнашиванию при схватывании II рода, характеризующемуся высокой степенью интенсивности.
Интервалы варьирования нагрузки на кулачки определялись исходя из проведённого анализа по создаваемым усилиям в реальных кулачковых механизмах (приложение Б).
Измерение усилия сжатия пружин проводились на приборе КП.0507-В.
В итоге были отобраны 4 пружины создающие усилие в интервале от 35Н до 463,5Н и имеющие примерно 50% перекрытие по создаваемому усилию для двух пружин относительно друг друга (рис. 3.7). На рис. 3.6 и 3.7 пружина 9 - составная из пружин 1 и 3. Нагрузочные пружины настроены на следующие интервалы сжатия по кулачкам: 1 кулачок - 40-50мм и 30-40мм. 2 кулачок - 30-40мм. 3 кулачок - 30-40мм. 4 кулачок - 40-50мм. После проведения экспериментальных опытов нагрузочные пружины проверялись на изменение жесткости (усадку). Время общей наработки экспериментальной установки при определении закономерностей площади образуемого покрытия 120 ч, периоды дефектовки через каждые 20 ч наработки.
Исследования по определению площади образования покрытия на профильных поверхностях кулачкового вала
Определение площади образования металлокерамического покрытия на профильных поверхностях кулачкового вала выполнялось согласно методике, изложенной в главе 3.
Исследования проводились на экспериментальной установке при изменении скорости качения от 1,42 м/с до 2,31 м/с, и усилия действующего на кулачок от 35 Н до 463 Н. Общее время наработки с введенным ремонтно-восстановительным составом «RVS technology» 120 ч, периоды дефектовки каждые 20 ч.
До и в ходе исследования через каждые 20 ч наработки проводился демонтаж кулачкового вала, и выполнялись следующие операции: - промывка в воде с жидкостью содержащей ПАВ; - протирка салфеткой, смоченной в спирте, и сушка в сушильном шкафу в течение 20 минут при температуре 60 С; - травление 2%-ым раствором азотной кислоты в этиловом спирте; - промывка в воде; - протирка салфеткой, смоченной в спирте, и сушка в сушильном шкафу в течение 20 минут при температуре 60 С; - исследование поверхности профиля кулачка на микроскопе МИМ-7 и фотографирование в каждой исследуемой точке; - подготовка кулачкового вала к последующим 20 ч наработки на экспериментальной установке (установка подшипников качения и сборка экспериментальной установки).
После проведения испытания, полученные фотографии обрабатывались на компьютере в графических редакторах ACDSee 5.0 и Adobe Photoshop 7.0 и сортировались для дальнейшего анализа.
В приложении Е по результатам дефектовки показаны зоны на профильных поверхностях кулачкового вала, в которых произошло
образование металлокерамического покрытия в различных интервалах времени. Для простоты понимания в каждом интервале времени зона присущая, какому то кулачку обозначена римской цифрой в соответствии с номером кулачка.
Площадь образованного покрытия в одной и той же исследуемой точке на поверхности профиля кулачка с течением времени непостоянна, она изменяется в больших пределах, а в некоторых временных интервалах вообще отсутствует. Это позволяет сделать вывод о цикличности протекания процесса образования металлокерамического покрытия и подтверждает гипотезу, что составы образуют на поверхности тонкое покрытие, чередуясь стадиями образования и изнашивания этого покрытия.
На рисунках 4.11, 4.12, 4.13, 4.14 показаны экспериментально подтвержденные стадии образования и изнашивания металлокерамического покрытия на профилях кулачкового вала ТНВД 4ТН9х10, изготовленного из стали 45 с ТВЧ закалкой и низким отпуском. ФотогКак видно на рис. 4.11 в момент начала образования площадь металлокерамического покрытия состоит из множества локальных площадок, имеет незначительную величину и размытые границы. По мере увеличения количества циклов нагружения (взаимодействия) локальные площадки начинают объединяться между собой (рис. 4.12), создавая площадки больших размеров (рис. 4.13), в итоге увеличивая общую площадь образованного металлокерамического покрытия.
Границы этих площадок определяются по ширине осевыми зазорами кулачкового вала и ролика толкателя, а по длине сменой локальных точек взаимодействия кулачка и ролика с каждым последующим оборотом.
При взаимодействии наступает момент, когда все контактирующие зоны покрываются слоем металлокерамики, процесс образования прекращается и начинается процесс изнашивания образованного слоя (рис. 4.14).
На поверхности профиля кулачка в одной и той же исследуемой точке давление и скорость постоянны. Изменяется лишь материал в зоне фактического контакта с металл - металл на металлокерамика металлокерамика и наоборот. Таким образом, фактором оказывающим влияние на уменьшение энергии на пятне контакта является модифицирование поверхностного слоя.
В рамках исследуемых временных интервалов наиболее сформированное металлокерамическое покрытие было образовано после 60 ч наработки установки или 3 060 000 циклов взаимодействия исследуемой точки профиля кулачка с роликом толкателя, менее сформированное после 80 ч или 4 080 000 циклов взаимодействия. После 20 ч наработки или 1 020 000 циклов взаимодействия металлокерамическое покрытие отсутствовало во всех точках на поверхности кулачков. В разрезе 40, 100 и 120 часов работы или 2 040 000, 5 100 000 и 6 120 000 циклов взаимодействия соответственно поверхностный слой находился либо в стадии начала формирования покрытия, лишь в некоторых точках объединившись в более крупные, либо в стадии изнашивания.
Площадь образованного металлокерамического покрытия рассчитывалась после 60 и 80 ч наработки экспериментальной установки с введённым ремонтно-восстановительным составом. В этих временных интервалах покрытие было сформированным, имело максимальную площадь и четко различимые границы. В остальных интервалах площадь покрытия была очень маленькой, как и количество точек в которых можно было выполнить расчёт, поэтому они в расчет не брались.
Расчет площади металлокерамического покрытия во всех точках его образования в одном временном интервале не представляется возможным. Кулачковые валы, используемые при исследовании, брались с топливных насосов имеющих приличную наработку. И, как следствие, видимые невооруженным глазом, в некоторых точках рабочего профиля кулачка, следы износа. В частности царапины, задиры, и выкрашивания. При их микроскопическом исследовании сложно понять границы локально образованного металлокерамического покрытия, т. к. поверхностный слой имеет весьма неровную структуру, особенно в местах выкрашивания.
Расчет площади образования металлокерамического покрытия проводился в чертежно-конструкторском редакторе КОМПАС-ГРАФИК. Полученные значения для каждой исследуемой зоны, имеющей различные значения скорости качения и усилия сжимающего взаимодействующие поверхности, сведены в таблицу (приложение М и Н) и представлены на рис. 4.15,4.16.
