Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и анализ существующих технологий ремонта топливного насоса высокого давления (ТНВД) и задачи исследований 12
1.1 .Факторы, влияющие на износ элементов ТНВД 12
1.2. Обзор технологий по восстановлению ТНВД 15
1.3. Анализ кинематической цепи подвижных сопряжений элементов ТНВД 36
1.4. О необходимости исследований высокоэффективных технологий по восстановлению и упрочнению высокоточных подвижных соединений 44
1.5. Состояние теоретической оценки надежности ТНВД 46
Выводы по главе 1 и задачи исследований 55
Глава 2. Теоретические основы повышения эксплуатационной надежности ТНВД автотракторных дизельных двигателей 58
2.1. Теоретические методы оценки надежности сложных систем 58
2.2. Выбор и обоснование метода моделирования 61
2.3. Алгоритм получения интерполяционных моделей 63
2.4. Применимость предлагаемой эмпирической модели для оценки эксплуатационной надежности всех типов ТНВД 68
2.5. Предлагаемые высокоэффективные технологии по восстановлению и упрочнению подвижных соединений ТНВД 75
2.5.1. Классификация высокоэффективных технологий 75
2.5.2. Плазменные технологии по восстановлению геометрических размеров и упрочнению поверхностей деталей 79
2.5.3. Диффузионная металлизация 97
2.5.4. Применение присадочных материалов 101
2.5.5. ХАДО-технология 106
2.5.6. Электрообработка рабочих жидкостей 107
2.6. Новые возможности плазменных технологий по упрочнению поверхностей и нанесению износостойких покрытий 107
2.6.1. О свойствах плазмы и возможностях ее применения 107
2.6.2. Обоснование выбора высокочастотной индукционной плазмы низкого давления для нанесения износостойких покрытий и упрочнения поверхностей 109
2.6.3. Особенности нагрева газов в высокочастотном индукционном разряде низкого давления и определение его параметров для экспериментальной установки 111
Выводы по главе 2 117
Раздел 3. Программа и методики исследований 118
3.1. Программа исследований 118
3.2. Методика исследований характеристик работы ТНВД 119
3.3. Методика лабораторных исследований натурных образцов с покрытиями на износостойкость 123
ЗАМетодика исследований упругости пружин толкателей ТНВД 132
3.5. Методики ресурсных испытаний ТНВД 134
3.6. Методика экспериментальных исследований высокочастотного индукционного разряда низкого давления
3.6.1. Методика исследования энергетического баланса плазменной установки 144
3.6.2. Методика исследования высокочастотной плазменной струи низкого давления 1 3.7. Методика определения качества покрытий, нанесенных высокочастотной индукционной плазмой низкого давления 151
3.8. Методика определения качества поверхностей, обработанных
высокочастотной индукционной плазмой низкого давления 152
Глава 4. Разработка новых технологий по восстановлению элементов кинематической цепи привода ТНВД 154
4.1. Анализ ресурса работы подвижных сопряжений элементов кинематической цепи привода ТНВД 154
4.2. Разработка технологий восстановления плунжерных пар с максимальным использованием ремфонда 157
4.2.1. Постановка вопроса и особенности технологического процесса ремонта 157
4.2.2. Выбор режимов нанесения покрытий 163
4.2.3. Результаты лабораторных исследований натурных образцов с покрытиями 168
4.3. Разработка технологии восстановления пружин ТНВД 172
4.3.1. Состояние вопроса и обоснование способа восстановления пружин ТНВД 172
4.3.2. Новая технология восстановления пружин ТНВД 177
4.3.3. Особенности конструирования устройства для накатки пружин и рекомендуемые режимы накатки
4.4. Восстановление кулачкового вала ТНВД методом плазменного напыления 185
4.5. Нанесение износостойких покрытий и упрочнение поверхностей высокочастотной индукционной плазмой низкого давления 1 4.5.1. Экспериментальная установка высокочастотного индукционного разряда низкого давления 189
4.5.2. Результаты нанесения износостойких покрытий и упрочнения поверхностей высокочастотной индукционной
плазмой низкого давления 200
Выводы по главе 4 220
Глава 5. Экспериментальные и теоретические исследования характеристик работы ТНВД 223
5.1. Результаты ускоренных лабораторных испытаний ТНВД 223
5.2. Результаты эксплуатационных испытаний ТНВД 226
5.3. Формирование общего вида исследуемых поверхностей характеристик работы ТНВД 232 5.4. Исследование технических характеристик работы ТНВД с различными покрытиями плунжеров плунжерных пар 235
5.5.Проверка сходимости теоретических и экспериментальных зависимостей основных характеристик работы ТНВД с различными
покрытиями плунжеров 239
5.6. Применимость разработанной теоретической модели для оценки эксплуатационной надежности ТНВД 241
Выводы по главе 5 247
Глава 6. Технико-экономическая эффективность предлагаемых технологий восстановления элементов топливного насоса высокого давления 249
6.1. Технико-экономическая эффективность технологии восстановления деталей машин и оборудования и методика ее определения для предлагаемых технологий 249
6.2. Экономическая эффективность внедрения новой технологии восстановления плунжерных пар ТНВД 257
6.3.Рекомендации по внедрению предлагаемых технологий восстановления элементов ТНВД 265
Общие выводы 260
Литература
- Анализ кинематической цепи подвижных сопряжений элементов ТНВД
- Применимость предлагаемой эмпирической модели для оценки эксплуатационной надежности всех типов ТНВД
- Методика лабораторных исследований натурных образцов с покрытиями на износостойкость
- Состояние вопроса и обоснование способа восстановления пружин ТНВД
Введение к работе
Актуальность проблемы. Эффективность использования сельскохозяйственной техники, в первую очередь, зависит от ее эксплуатационной надежности, которая обеспечивается системой технического обслуживания и ремонта. Разработанная Федеральная система технологий и машин предусматривает доведение ресурса основных узлов и агрегатов машинно-тракторного парка до 10 – 15 тыс. часов. Эти требования относятся и к топливной аппаратуре автотрак-торных и комбайновых дизельных двигателей.
Топливная аппаратура включает в себя топливный насос высокого давления (ТНВД), муфту опережения впрыскивания топлива (АМОВТ), регулятор подачи количества топлива в цилиндры (РОВ), топливный насос низкого давления (ТННД) и форсунки. Практика показывает, что порядка 25 – 30 % всех отказов дизельных двигателей приходится на топливную аппаратуру. Из этих отказов 60 % доли приходится на ТНВД (Рисунок 1). Поэтому, данная работа посвящена исследованию возмож-
ностей повышения эксплуатацион-ной надежности ТНВД путем увели-чения его наработки и ресурса работы. Наработка и ресурс работы ТНВД являются основными опреде-ляющими показателями таких харак-теристик надежности изделия, как безотказность и долговечность.
Существующие традиционные технологии изготовления и восста-
Рисунок 1 – Распределение отказов новления узлов и деталей ТНВД
топливной аппаратуры по узлам не могут обеспечить его требуемый
ресурс работы. Анализ показал, что
увеличение ресурса работы ТНВД возможно только при использовании высокоэффективных методов обработки. В настоящее время отсутствует также метод общей теоретической оценки надежности ТНВД.
Объект исследований. Закономерности характеристик работы ТНВД в зависимости от технического состояния подвижных соединений кинематической цепи его привода.
Предмет исследований. Технологии восстановления и упрочнения высокоточных подвижных соединений, характеристики и ресурс работы ТНВД.
Цель исследований. Повышение эксплуатационной надежности ТНВД автотракторных дизельных двигателей и разработка теоретической модели основных характеристик его работы.
Методика исследований. В теоретических исследованиях и разра-
ботанных методах расчета использованы основные положения теории надежности, математической статистики, теории вероятностей и законы теплофизики, газодинамики и энергетики.
Экспериментальные исследования по определению основных характеристик ТНВД и процесса плазменной обработки материалов проводились согласно разработанным методикам. Оценку эксплуатационной надежности ТНВД производили согласно разработанной теоретической модели.
Научная новизна:
комплексное решение проблем восстановления элементов кинема-
тической цепи привода ТНВД с учетом их технического состояния;
теоретические основы математической модели для построения
характеристик работы ТНВД на основе структурно-функциональной
модели сложных систем и зависимости между развиваемым плунжерной
парой давлением и интенсивностью износа ее сопрягаемых поверхностей;
классификация высокоэффективных технологий по восстановле-
нию и упрочнению высокоточных подвижных соединений, основанных на процессах нанотехнологий;
методы плазменного упрочнения поверхностей деталей высокоточ-
ных подвижных соединений и нанесения на них износостойких покрытий, основанных на выборе оптимальных параметров режима обработки из широкого спектра энергетических, тепловых и газодинамических характеристик низкотемпературной плазмы газового разряда;
технологии по восстановлению элементов кинематической цепи
привода ТНВД с комплексным применением существующих и предлагаемых высокоэффективных технологий;
теоретическая модель для построения характеристик работы всех
типов ТНВД на основе предложенной математической модели и экспериментальных данных.
Практическая значимость работы:
комплексное решение проблем восстановления элементов кинема-
тической цепи привода ТНВД позволяет достижение его первоначального ресурса работы;
построенная теоретическая модель основных характеристик работы ТНВД позволяет ее применение при конструировании и изготовлении ТНВД с заданной эксплуатационной надежностью;
предложенные технологии ремонта плунжерных пар ТНВД позволяют восстанавливать плунжерные пары с любой степенью износа и обеспечить ресурс их работы не ниже ресурса работы новых плунжерных пар;
предложенная технология восстановления пружин толкателей
ТНВД позволяет достичь упругости новых пружин;
предложенная технология восстановления геометрических разме-
ров кулачков и шеек кулачкового вала ТНВД с применением плазменных покрытий позволяет достичь первоначального ресурса работы кулачкового вала;
разработаны плазменные методы упрочнения поверхностей
высокоточных подвижных соединений и создания на них покрытий с высокой твердостью и износостойкостью;
использование предложенных высокоэффективных технологий по
восстановлению и упрочнению высокоточных подвижных соединений позволит обеспечить ресурс работы ТНВД более 10 тыс. моточасов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
комплексное решение проблем восстановления элементов кинема-
тической цепи привода ТНВД с учетом их технического состояния;
теоретические основы математической модели для построения
характеристик работы ТНВД на основе структурно-функциональной модели сложных систем и зависимости между развиваемым плунжерной парой давлением и интенсивностью износа ее сопрягаемых поверхностей;
классификация высокоэффективных технологий по восстановле-
нию и упрочнению высокоточных подвижных соединений, основанных на процессах нанотехнологий;
методы плазменного упрочнения поверхностей деталей высокоточ-
ных подвижных соединений и нанесения на них износостойких покрытий, основанных на выборе оптимальных параметров режима обработки из широкого спектра энергетических, тепловых и газодинамических характеристик низкотемпературной плазмы газового разряда;
технологии по восстановлению элементов кинематической цепи
привода ТНВД с комплексным применением существующих и предлагаемых высокоэффективных технологий;
теоретическая модель для построения характеристик работы всех
типов ТНВД на основе предложенной математической модели и экспериментальных данных;
результаты лабораторных и эксплуатационных исследований.
Достоверность основных положений и научных выводов диссертации подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями, производственными испытаниями, а также практическим
использованием научно-технических разработок и рекомендаций.
Реализация результатов исследований.
Результаты исследований по повышению эксплуатационной
надежности топливной аппаратуры автотракторных дизельных двигателей переданы в Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Татарстан для внедрения.
Материалы исследований в виде монографии «Пути повышения
эффективности работы топливной аппаратуры автотракторных дизельных двигателей» используются в учебном процессе Казанского ГАУ, Марийского государственного университета, Чувашской ГСХА, Воронежской государственной лесотехнической академии и Чистопольского филиала Камской государственной инженерно-экономической академии.
Результаты исследований по плазменной обработке материалов используются на кафедре «Общая физика» КГТУ им. А.Н. Туполева при разработке методик исследований низкотемпературной плазмы и технологических процессов обработки различных материалов с целью получения изделий с улучшенными качественными параметрами.
Разработанные новые технологии восстановления плунжерных
пар, пружин толкателей и кулачковых валов ТНВД используются при ремонте топливных насосов на предприятиях НПО «Агросервис» РТ, в ОАО РМЗ «Алмаз» г. Казани, ООО «Дизель-сервис» г. Воронежа, ООО «Техцентр СМД» г. Чистополя РТ, ОАО «Транспортник» г. Чистополя РТ и ОАО «Чистопольский завод автоспецоборудование» РТ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных, Всесоюзных, Всероссийских, Республиканских и Межвузовских научно-практических конференциях в период с 1973 г. по настоящее время, проходивших в городах Москва, Санкт-Петербург, Казань, Пенза, Мичуринск, Ижевск и Самара. Организаторами конференций являлись аграрные, технические, технологические и политехнические университеты, ГОСНИТИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 научных работ, в том числе 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монография, 3 авторских свидетельства, 1 патент на полезную модель и 1 статья в международном журнале.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 385 страниц машинописного текста, в том числе 294 страницы основного текста, 82 рисунка и 35 таблиц. Диссертация содержит библиографию из 188 наименований.
Анализ кинематической цепи подвижных сопряжений элементов ТНВД
Bv советский период в государственном масштабе функционировала ремонтно-восстановительная система техники. По топливной- аппаратуре дизельных двигателей разработкой и исследованием занимался.Центральныш научно-исследовательский и конструкторский институт топливной аппаратуры автотракторных и стационарных двигателей (ЦНИТА). Результаты работ освещались в ежегодных изданиях «Труды ЦНИТА». По технологии производства топливной аппаратуры формировались отдельные выпуски, например [29].
Разработка гаражного (технологического) оборудования для технического обслуживания и ремонта транспортной техники и ее агрегатов, а также технических требований на капитальный ремонт этой техники, поручалась Государственному научно-исследовательскому технологическому институту ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ). Им разработаны технические требования на капитальный ремонт топливной аппаратуры автотракторных и комбайновых дизелей [30]. Технические требования разработаны на основе научно-исследовательских работ ГОСНИТИ и других институтов, обобщения опыта ремонтных предприятий, технической документации Алтайского моторного завода, Вильнюсского, Чугуевского, Ногинского и Ярославского заводов дизельной топливной аппаратуры, производственного объединения «Дизельаппаратура» Харьковского тракторного завода и являются обязательными для всех ремонтных предприятий и организаций Агропромышленного комплекса. ГОСНИТИ также разработаны технологические карты на ремонт дизельной топливной аппаратуры, ремонт и регулировку ТНВД [31-33].
Разработки ГОСНИТИ представляют собой ремонтную техническую документацию, в которой вначале приводятся основные дефекты деталей и сопряжений, даются сведения, необходимые для оценки технического состояния пружин, крепежных деталей, сальников и прокладок. Затем даются технические условия и указания на дефектовку основных деталей и узлов. Причем технические условия составлены так, что сначала приводятся указания по контролю узла, а затем по контролю составляющих узел деталей.
Карты на дефектовку составлены в форме таблиц. В них по графам приводится полная технология по дефектовке. В первой графе таблиц приведены цифры, указывающие места контроля на чертеже. Во второй графе указывается контролируемая величина или неисправность. В третьей графе указаны способы и средства контроля. В четвертой, пятой, шестой и седьмой графах помещены нормальные и допустимые размеры, зазоры и натяги или приведены специальные указания по каждому дефекту. На основании результатов дефектовки детали и узлы, удовлетворяющие техническим условиям, направляются на сборку. Узлы, не соответствующие техническим условиям, разбираются на детали. Не годные детали направляются на ремонт или бракуются.
В ремонтной технической документации на каждую деталь составляя 17 ется карта ремонта с приведением чертежа детали, технических условий на приемку в ремонт и описанием технологии ремонта, которая оформлена в виде таблиц. В первой графе таблицы указываются номера технологических операций. Во второй графе - наименование дефекта и способ его устранения. В третьей графе указывается вид операции и задается режим обработки. В четвертой графе приводятся конкретные оборудование, приспособления и инструмент для проведения технологической операции. В пятой графе даны технические условия для контроля качества выполненной технологической операции. В связи с тем, что вопросы технологии восстановления ТНВД в большей степени связаны с технологией восстановления элементов кинематической схемы силовой цепи ТНВД, ограничимся рассмотрением этих технологий. Его общая кинематическая схема элементов силовой цепи, осуществляющих впрыск топлива через форсунки в камеру сгорания двигателя, включает в себя нагнетательные клапаны, плунжерные пары, дозаторы, пружины толкателей, толкатели, ролики толкателей, кулачковые шайбы, кулачковый вал, подшипники, крышки подшипников, корпус ТНВД.
Нагнетательные клапаны, плунжерные пары и дозаторы (отсечные муфты) относятся к классу прецизионных деталей с высокоточным изготовлением и зазорами в сопрягаемых поверхностях порядка 1 мкм. Например, при механической обработке цилиндрической рабочей поверхности плунжера должны быть выдержаны эллипсность, граненость, корсетность и бочкообразность не более 1мкм. Аналогичные требования и к рабочей поверхности втулки плунжерной пары, но имеется дополнительное требование по конусности. Она не должна превышать 2 мкм на длину втулки. Весьма высокие требования предъявляются к выполнению рабочей поверхности отсечной муфты (дозатора). Некруглость этой поверхности допускается не более 0,2 мкм, нецилиндричность до 0,3 мкм [6]. Параллельность и перпендикулярность поверхностей, их соосность, а также допуска размеров при их изготовлении и восстановлении должны соответствовать техническим требованиям государственных и отраслевых стандартов [30,34,35].
В силу этого изготовление прецизионных деталей и восстановление их после износа представляет собой трудную задачу. По дефектам указанных прецизионных пар и способам их устранения с восстановлением их первоначальных форм и размеров имеется множество статей, публикаций и изданий различных авторов [3,5-7,13,15,17,36 - 39].
Среди вышеназванных прецизионных деталей плунжерная пара является самым ответственным элементом ТНВД. Но в то же время она и самый часто выходящий из строя элемент. Тем не менее, за период развития ТНВД с золотниковым дозированием конструкция его плунжерной пары принципиально не изменилась. Назначение плунжерной пары. — тюдача в полость, высокого давления топливной системы дозированного количества топлива с определенным высоким давлением за короткий промежуток времени в пределах 0,001 - 0,01 сек.
Неработоспособность плунжерной пары приводит к возникновению отказа ТНВД и дальнейшей- потере работоспособности транспортной техники. Неработоспособность плунжерной пары требует ремонта всего ТНВД в специализированных условиях, а это означает, что данная техника вынуждена будет надолго простаивать. Также необходимо иметь в виду, что комплект плунжерных пар ТНВД составляет от 15 до 30% стоимости всего агрегата.
Анализ технологий изготовления; в том числе заводского с применением специальных доводочных станков, и восстановления плунжерных пар показывает, что во всех технологиях присутствует операция «Ручная притирка». Притирка производится алмазными пастами и пастами ГОИ. Вначале притирают плунжер и его втулку (гильзу), а затем производится их совместная притирка. При притирке плунжера и его втулки доводят их шероховатость поверхности до Rz 0,8 и менее при допустимой овальности 0,2 мкм и конусности 0,4 мкм. Затем плунжеры разбивают на размерные группы с интервалом порядка 4 мкм и подбирают по соответствующим втулкам. Далее производится совместная притирка (доводка) плунжера и гильзы. Притирку и доводку обычно производят 3 пастами ГОИ: притирку - 28 мкм (светло-зеленого цвета), доводку - пастой 7 мкм (темно-зеленого цвета), конечную доводку (освежение) — пастой 1 мкм (черного цвета с зеленым оттенком). В последнее время для притирки и доводки с целью ускорения процесса обработки больше используют алмазные пасты соответствующей зернистости. После каждого процесса притирки и доводки детали необходимо тщательно промывать.
Процесс совместной притирки плунжерных пар осуществляется при вращении закрепляемой детали и медленном возвратно-поступательном движении вручную незакрепленной. Вращение закрепленной детали в пределах от 120 до 800 об/мин в зависимости от диаметра детали и условий притирки. При совместной притирке используется одномикронная паста 1М или другие мелкие пасты. После совместной притирки и их промывки плунжерную пару не обезличивают. Затем плунжерную пару проверяют на качество. В годной плунжерной паре не должно быть заедания плунжера во втулке. Наличие такого дефекта является выбраковочным признаком. Заедание отсутствует, если плунжер свободно опускается в разных положениях по углу поворота во втулке при установке пары под углом 45. Конечной проверкой годности плунжерной пары является ее испытание на гидроплотность на стенде типа КИ-3369 или КИ-759. Обеспечение динамического давления в 25 МПа означает, что зазоры в прецизионной паре отвечают техническим требованиям на геометрическую форму и не превышают 1-3 мкм [36].
Применимость предлагаемой эмпирической модели для оценки эксплуатационной надежности всех типов ТНВД
Согласно государственным стандартам и конструкторской документации, разработанной ЦНИТА, изготовленные топливные насосы и. их прецизионные пары должны иметь показатель надежности по ресурсу 5000 часов [5, 34, 51,52]
Oднaкo B реальной эксплуатации надежностью Ві том числе ТНВД, остается; очень низкой =[17]. Так, ресурс новых плунжерных пар составляет 700 - 3000 часов, нагнетательных клапанов— 1200 — 2000, а распылителей форсунок - 800 - 1600 (по; ЕОЄТу - 3000) часов: При этом затраты на техническое обслуживание и1 ремонт топливной аппаратуры; трактора достигают около і 30% от общих затрат на его обслуживание и ремонт. У тракторных двигателей от 20 до 50%; отказов приходится на топливную аппаратуру, из нихдо 50% - на форсунки и 20 — 30% — на плунжерные пары и нагнетательные клапаны.
Разработанная Федеральная система; технологий, m машин специалистами Россельхозакадемии, Минсельхоза РФ, а также других ведомств, предусматривает доведение ресурса; основных узлов и агрегатов машинно-тракторного парка до 10. — 15 тыс; часов и исключение. необходимости полнокомплектного: капитального- ремонта тракторов [45]. Эти требования относятся и к топливной аппаратуре автотракторных дизельных двигателей. При- этом предусматривается снижение затрат труда на техническое обслуживание, топливной аппаратуры путем увеличения межрегулировочных сроков работы насоса до 3000 часов, а форсунок - до 2000 часов [17].
В последнее время наблюдается крен на приобретение зарубежной техники. Действительно, ресурс этой техники существенно выше ресурса собственной. Однако доля зарубежной техники в системе АПК составляет порядка 3 - 5% [46]. Поэтому, реально оценивая существующее состояние дел, следует отметить, что в ближайшее время сельское хозяйство будет работать в основной своей массе на той технике, которая есть, и которой необходимо обеспечить эффективную работоспособность [47].
В то же время, эксплуатируемые сегодня мобильные технологические машины в сельском хозяйстве более чем на 75 — 85% выработали свой ресурс. По сравнению с 1990 г. количество тракторов сократилось в 2,5 раза, количество списываемой техники ежегодно в три-шесть раз превышает количество вновь поступившей [145]. В этих условиях острого кризиса в системе АПК РФ стратегическим направлением обеспечения работоспособности и продления сроков службы имеющегося машинно-тракторного парка является повышение качества и ресурса машин и агрегатов на основе освоения прогрессивных технологий восстановления их изношенных деталей [47].
Из анализа перспективных технологий по восстановлению и упрочнению высокоточных подвижных соединений следует, что поставленную задачу по повышению надежности и эффективности работы топливной аппаратуры автотракторных дизельных двигателей можно решить путем использования в технологии изготовления или восстановления ее деталей плазменного метода. При этом решение поставленной задачи предлагается реализовать в двух направлениях — созданием на поверхностях деталей модифицированного слоя в виде тонкой пленки, обладающей высокой твердостью и износостойкостью, и упрочнением поверхности детали с одновременным повышением ее класса шероховатости.
При выборе вида плазмы для выполнения указанной задачи необходимо выполнить следующие требования: 1. Плазма должна быть газоразрядной; 2. Плазма должна быть чистой, т. е. без продуктов эрозии электродов; 3. Плазменная технология должна позволять нанесение тонких пленок на различные поверхности из различных металлических, неметаллических и диэлектрических материалов; 4. Материал покрытий должен испаряться в разряде до парогазовой фазы; 5. Транспортировка продуктов испарения на поверхность подложки должна производиться плазменной струей ; 6. Под температурным воздействием плазмы не должны изменяться основные свойства материала поверхности детали; 7. Воздействием плазмы свойства поверхностного слоя детали должны существенно измениться в сторону улучшения качества; 8. Для удаления продуктов обработки использовать плазменную струю. Анализ свойств плазмы и возможностей ее применения показал, что указанным требованиям соответствует высокочастотный индукционный разряд низкого давления в потоке инертного газа. В электрических разрядах при высоких давлениях плазма находится в состоянии термического равновесия [146]. Однако газоразрядная плазма низкого давления является существенно неравновесной [147]. Подвижность электронов значительно выше подвижности ионов, поэтому энергия поля в основном передается электронам. Электроны свою избыточную энергию передают тяжелым частицам при столкновениях и частично затрачивают на ионизацию. С уменьшением давления частота столкновений снижается и поэтому возникает отрыв температуры электронного газа от температуры тяжелых компонентов плазмы.
Методика лабораторных исследований натурных образцов с покрытиями на износостойкость
Сопрягаемые поверхности деталей плунжерных пар не являются плоскими и проведение экспериментов непосредственно с этими деталями представляют определенные технические трудности. Поэтому взамен их была изготовлена партия пластин из стали ШХ-15 в кол. 40 шт. размерами 50x25 мм и толщиной 2 мм. Поверхность пластин подверглась механической обработке до 11-го класса шероховатости и термической закалке HRC 58. Партию пластин разбили на группы по 10 шт. Пластины назвали натурными образцами.
На поверхности пластин наносили покрытия из электролитического хрома, химического никеля и нитрида титана. Одну партию пластин оставили без покрытия. Толщина хромового покрытия составила 15 мкм, никелевого -30 мкм и нитрида титана — 2 - 3 мкм. Покрытие из никеля подвергали термозакалке при температуре 400С в течение 10 мин. Нитрид титана наносили на основу из покрытия никеля с указанной термозакалкой. Нанесение нитрида титана производили на модернизированной магнетронной установке УВН-4. По разработанной автором диссертации технологии нанесения тонких пленок из нитрида титана на детали наручных часов в 1990 году такая магнетронная установка была внедрена в ОАО «Чистопольский часовой завод». Фотография этой установки приведена на рисунке 3.3.
Замеры твердости покрытий производили на предприятии ОАО «Чистопольский часовой завод» на промышленном приборе для измерения твердости металлов и сплавов по методу Роквелла ТК-2М. Прибор ТК-2М предназначен для измерения твердости металлов и сплавов по методу вдавливания алмазного конуса или стального закаленного шарика под действием заданной нагрузки в течение определенного времени. В нашем случае из-за небольшой толщины покрытий вдавливание на образцы наносили алмазным конусом. На рисунке 3.4 приведена фотография прибора ТК-2М с нашим образцом. Измерения показали, что покрытия из хрома и никеля с термозакалкой имеют твердость HRC 58, равную твердости основного материала. Твердость покрытия из нитрида титана не определяли из-за малости толщины.
В экспериментах по определению сравнительных характеристик износостойкости покрытий в качестве износового инструмента использовали плитку от наждачного круга. Эксперименты по определению сравнительных характеристик износостойкости покрытий из хрома, никеля и нитрида титана проводили на машине трения 77МТ-1 кафедры «Ремонт машин» Казанского Государственного аграрного университета. Истирание производили методом сухого трения.
Истирание испытуемого образца производится за счет возвратно-поступательного движения износового инструмента по нему с приложением усилия через нагружающее устройство. В экспериментах линейный износ (толщина изношенного слоя) основы натурного образца составлял примерно 0,5 мкм за 1 мин. Износовый путь для образца выбрали 1 м за 1 мин.
Машина трения работает следующим образом. На входной вал-редуктора (4) (Рисунок 3.5) насажен эксцентрик кривошипно-шатунного механизма. Шатун (6) приводит в возвратно-поступательное движение ползун (7), на тележке которого закреплена подвижная тарелка с износовым инструментом- (11). Испытуемый образец (10) винтами закрепляется в нижней части стакана (9). В нашем случае испытуемые образцы плоские. Поэтому их крепление к стакану (9) произвели через специальную оснастку.
Таким образом, образцы приводятся в относительное возвратно-поступательное движение, скорость которого регулируется изменением частоты вращения электродвигателя (3) посредством ручки регулятора (13). 5 ІЗ 4 14 6 15 1-основание; 2-станина; 3-двигатель постоянного тока; 4-редуктор; 5-панель управления; 6-шатун; 7-ползун;8-рычаг; 9-стакан; 10-истираемый (испытуемый) образец; 11 -подвижная тарелка с износовым инструментом (нижний образец); 12-навеска с гирями; 13-регулятор скорости движения подвижной тарелки; 14-индикатор напряжения сети; 15-сетевой выключатель
Нагрузка на образцы обеспечивается нагружающим устройством, которое состоит из навески с гирями (12). Навеска с гирями через рычаг (8) и пружину давят на стакан (9), прижимая неподвижный испытуемый образец (10) к подвижному износовому инструменту (11) с усилием согласно выражению:
В экспериментах нагрузку на образцы подобрали таким образом, чтобы линейный износ (толщина изношенного слоя) основы натурного образца составлял примерно 0,5 мкм за 1 мин. Износовый путь за счет частоты двойных ходов тележки выбрали 1 м за 1 мин. На рисунке 3.6 приведены фотографии машины трения 77МТ-1, его узлов и испытанных образцов. Измерения масс образцов до и после испытаний производили на аттестованных лабораторных весах модели ВЛР-200 г ОАО «Чистопольский элеватор». Весы лабораторные равноплечие 2-го класса модели ВЛР-200 г предназначены для точного определения массы вещества при проведении лабораторных анализов в различных отраслях народного хозяйства.
Весы лабораторные равноплечие 2-го класса модели ВЛР-200 г являются точным прибором, поэтому предварительно необходимо определить вес образцов в граммах с точностью двух знаков после запятой. Это можно сделать с помощью весов модели ВЛР-1. На рисунке 3.7 приведена фотография процесса предварительного замера весов образцов на таких весах.
Замер весов образцов на весах ВЛР-200 г (Рисунок 3.8) производится согласно инструкции по работе на этих весах. Замер весов образцов происходит следующим образом: в изолированном положении весов помещают взвешиваемый груз на левую чашку весов и уравновешивают его накладными гирями из набора Г-2-210 и встроенными гирями, навешивая их специальной ручкой на правое плечо коромысла. Гири подбирают в соответствии с предварительным весом груза, определенным с помощью весов ВЛР-1. Ручкой в нижней части прибора вводят весы в рабочее положе
Состояние вопроса и обоснование способа восстановления пружин ТНВД
В проведенных исследованиях плазменной обработке были подвергнуты образцы из титана, стали, меди, алюминия, платино-иридия, стекол различных марок. Размер образцов доходил до 40 мм. На рисунке 4.20 приведены фотографии микроструктур поверхностей некоторых образцов, полученных на электронном микроскопе УЭМВ-100А, до и после обработки плазмой. Сопоставление фотоснимков для одного и того же образца показывает, что существовавшие микродефекты поверхности после обработки плазмой исчезают и образуется совершенно новая, более сглаженная и однородная микроструктура поверхности. Анализ этих фотографий и результатов других исследований позволили сделать вывод о том, что в процессе обработки образцов высокочастотной индукционной плазмой низкого давления происходит удалении дефектного слоя поверхности и ее дальнейшая полировка. При продолжении обработки общая картина микроструктуры поверхности сохраняется. Глядя на фотографии микроструктур поверхности образцов, сразу возникает вопрос о ее степени чистоты или, правильнее будет говорить, о ее классе шероховатости. Для измерения шероховатости поверхности существуют различные точные устройства. В данном случае оценка производилась известным способом определения класса шероховатости по размерам зерен микроструктуры. Обратим внимание, что ширина фотографии в формате листа А4 при указанном 20 000 кратном увеличении будет соответствовать длине на поверхности образца в 4 мкм. Отсюда можно перейти к определению класса шероховатости. Укажем, что шероховатость поверхности образцов до обработки плазмой соответствует 10 - 11 -му классу. После обработки достигается 13 - 14-й класс шероховатости поверхности. Заметим, что таблица класса шероховатости по ГОСТу заканчивается 14-м классом. Это теоретически достигаемый класс шероховатости. Практически же, существующие способы обработки не позволяют достижение класса шероховатости выше 12-го. Изменяя продолжительность обработки поверхности, можно исследовать процесс изменения микроструктуры. На рисунке 4.21 приведены фотографии микроструктур поверхности сапфира при различных длительностях обработки. Отметим, что сапфир является одним из твердых, прочных и прозрачных стекол, применяемым в оптической промышленности. Поэтому его механическая полировка представляет большие трудности. Зная эти его качества, для его обработки плазмой был выбран наиболее эффективный режим №3 с большей длительностью времени. Сопоставление фотоснимков показывает, что при обработке плазмой сначала происходит раздробление больших микродефектов на более мелкие и затем удаление их с поверхности потоком плазмы. Обработка происходит за счет бомбардировки поверхности ионами, электронами, возбужденными атомами, фотонами, а также в результате механического и теплового воздействия потока высокочастотной индукционной плазмы, т.е. поверхность образца находится под комплексным воздействием энергетических, тепловых и газодинамических параметров потока плазмы.
Для того, чтобы убедиться в удалении дефектного слоя поверхности и уменьшении ее шероховатости воздействием плазмы, были проведены исследования по измерению коэффициента рассеяния света и лучевой прочности поверхностей оптических стекол до и после обработки их потоком ВЧИ-плазмы низкого давления. При пропускании светового луча через стекло основные потери энергии зависят от загрязненности и шероховатости его поверхности. Поэтому эти количественные параметры будут конкретно характеризовать эффект воздействия плазмы на поверхность материала.
Измерения рассеяния света проводились на нестандартной лазерной установке измерения рассеяния ЛУИР, основанной на сравнении коэффициентов рассеяния образцов и эталонной пластины. Рассеяние определялось на длине волны 632,8 нм в «S»- поляризованном излучении лазера. Индекс «S» означает поляризацию, когда электрический вектор перпендикулярен к плоскости падения излучения. Результаты измерений коэффициента рассеяния для 14 стекол К8 показали, что ВЧИ- плазменная обработка при низких давлениях позволяет в 2-3 раза уменьшить коэффициент рассеяния стекол. Лучевую прочность поверхностей образцов определяли на специальном стенде с помощью лазера ЛТИ-5. Измерения показали, что после ВЧИ-плазменной обработки лучевая прочность поверхностей стекол К8 повысилась в 1,5-2 раза. Уменьшение коэффициента рассеяния света оптических стекол в 2-3 раза после ВЧИ плазменной обработки их поверхностей, с одновременным повышением лучевой прочности в 1,5-2 раза, является убедительным доказательством удаления дефектного слоя поверхности и повышения ее класса шероховатости.
Обычно при обработке поверхности образца требуется сохранять ее геометрию. Для определения неплоскостности и неровности поверхностей образцов был применен интерференционный метод Физо. Измерения проводились для 4 образцов из стекла К8, обработанных ВЧИ-плазмой в режиме №3 в течение 30 мин. Данные измерений по каждому образцу оказались идентичными до и после обработки их поверхностей плазмой. Этот результат был ожидаемым. Тем не менее, количественная оценка является более убедительной.
Проводя обработку поверхностей образцов из титана, стали, меди, алюминия и платино-иридия, получили аналогичные результаты, как и для материалов из стекла. Следовательно, не имеет значения, из какого материала изготовлена деталь. Эффект будет тот же. Лишь бы материал детали выдерживал температуру порядка 100 - 200 С. В качестве примера на рисунке 4.22 приведены фотографии микроструктуры поверхности образца из титанового сплава ВТ6 и стали Ст. 45 до и после обработки ВЧИ- плазмой низкого давления. По ним видно, что после обработки плазмой на поверхности материала практически не осталось следов механической обработки, и резко повысился ее класс шероховатости.
