Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов подготовки поверхностей трения гильз цилиндров к эксплуатации 9
1.1 Материалы и условия работы.деталей соединения «гильза-поршневое кольцо» 9
1.2 Способы восстановления гильз цилиндров 11
1.3 Комплекс мероприятий для повышения ресурса ІДІ11 22
1.3.1. Поверхностная пластическая деформация деталей 23
1.3.2 Финишная антифрикционная безабразивная обработка 25
1.3.3. Ускоренная приработка деталей 32
Выводы. Цель и задачи исследования 24
2. Теоретическое обоснование упрочняюще-антифрикционной обработки поверхности трения гильз цилиндров двигателей 36
2.1 Факторы, влияющие на триботехнические характеристики деталей цилиндропоршневой группы двигателя 36
2.2 Комплексный критерий условий работы деталей цилиндропоршневой группы двигателей 39
2.3 Теоретическое обоснование нанесения антифрикционных покрытий при пластическом деформировании поверхности трения 42
2.4 Состояние упрочненной поверхности и влияние смазочных пленок 46
2.5 Теоретический расчет площади контакта, глубины внедрения и упрочнения поверхности трения гильзы 51
2.6 Кинематические и конструктивные параметры раскатывания гильз цилиндров многороликовой раскаткой 55
2.7 Теоретический расчет интенсивности изнашивания деталей ЦПГ 60
2.8 Разработка устройства для упрочнения внутренней поверхности гильз цилиндров 66
Выводы 68
3. Методика экспериментальных исследований 70
3.1 Структурная схема проведения исследований. Требования к испытаниям 70
3.2 Оценка качества обработки деталей при проведении исследований 73
3.3 Установка для проведения трибологических испытаний 74
3.4 Определение момента силы трения и температуры в зоне трения 79
3.5 Определение шероховатости поверхностей трения 80
3.6 Определение износа образцов деталей 82
3.7 Определение физико-механических свойств поверхностей трения 83
3.8 Электронная микроскопиями микрорентгеноспектральный анализ 84
3.9 Оборудование и режимы обкатки 86
3.10 Определение механических потерь на трение в двигателях 89
3.11 Определение мощности, развиваемой двигателем и расхода топлива 90
3.12 Определение износа гильз цилиндров и поршневых колец 92
3.13 Определение расхода картерньгх газов 93
3.14 Эксплуатационные испытания дизелей 94
3.15 Оценка точности измерений 100
4. Трибологические исследования упрочняюще-антифрикци онной обработки деталей 103
4.1 Оценка антифрикционных свойств поверхностей трения
4.2 Влияние метода обработки^ гильз цилиндров на противозадирную стойкость 104
4.3 Влияние методов обработки на качество поверхностей трения образцов 105
4.4 Износные испытания деталей после хонингования и поверхностной пластической деформации с применением технологических жидкостей 110
4.5 Изучение физико-механических свойств поверхностей трения гильз цилиндров 113
4.6 Распределение напряжений в поверхностном слое упрочненных гильз цилиндров 116
4.7 Определение состава поверхностей методами рентгено-структурного анализа 121
Выводы 194
5. Стендовые испытания двигателей ЗМЗ-51Г.10 с гильзами после хонингования и упрочняюще-антифрикционной обработки 125
5.1 Подготовка стенда и двигателей к испытаниям 125
5.2 Определение механических потерь на трение во время холодной обкатки двигателей 125
5.3 Определение расхода картерных газов 127
5.4 Изменение давления и температуры масла за время испытаний 127
5.5 Эффективная мощность, часовой и удельный расход топлива двигателей 129
5.6 Износ деталей цилиндропоршневой группы двигателей 132
5.7 Определение качества подготовки гильз цилиндров к эксплуатации 133
5.8 Результаты стендовых испытаний 136
6 Эксплуатационные испытания двигателей 138
6.1 Определение количества двигателей в испытаниях 138
6.2 Данные о ресурсах отремонтированных двигателей ЗМЗ -511.10, обкатанных по типовой и ускоренной технологии 139
6.3 Обработка результатов эксплуатационных испытаний 140
Выводы 143
7. Внедрение результатов исследований в производство. Расчет экономического эффекта 144
7.1 Внедрение технологии упрочняюще-антифрикционной обработки в производство 144
7.2 Приготовление смазочно-охлаждающего технологического состава (СОТС) для антифрикционной обработки гильз цилиндров 147
7.3 Расчет экономического эффекта от внедрения нового технологического процесса ремонта гильз цилиндров 150
Выводы 157
Общие выводы
Список использованной литературы
Приложения
- Финишная антифрикционная безабразивная обработка
- Установка для проведения трибологических испытаний
- Эффективная мощность, часовой и удельный расход топлива двигателей
- Приготовление смазочно-охлаждающего технологического состава (СОТС) для антифрикционной обработки гильз цилиндров
Введение к работе
Актуальность темы. Долговечность двигателя в значительной степени зависит от износа деталей цилиндропоршневой группы, в частности гильз цилиндров, лимитирующих его ресурс.
Предлагаемая технология упрочняющей обработки гильз поверхностно-пластическим деформированием (ППД) с одновременным нанесением антифрикционного покрытия позволяет снизить себестоимость ремонта двигателей, уменьшить износ гильз цилиндров, сократить время приработки деталей и повысить ресурс соединения «гильза-кольцо».
Цель исследований. Повышение ресурса восстанавливаемых гильз цилиндров методом поверхностно-пластического деформирования с одновременным нанесением антифрикционного покрытия.
Объект исследования. Технология упрочняюще-антифрикционной обработки гильз цилиндров двигателей ЗМЗ-511.10.
Предмет исследования. Поверхности трения гильз цилиндров.
Научные положения и результаты работы, выносимые на защиту:
Теоретическое обоснование повышения ресурса гильз цилиндров методом поверхностной пластической деформации с применением антифрикционных покрытий;
Результаты сравнительных лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний двигателей с типовыми и экспериментальными гильзами.
Технология восстановления гильз цилиндров методом поверхностной пластической деформации в ремонтный размер с одновременным нанесением антифрикционного покрытия.
Научная новизна заключается в обосновании зависимости глубины и степени упрочнения гильз цилиндров от технологических параметров обработки.
Методика исследований включала проведение лабораторных трибологических исследований образцов деталей и смазочно-охлаждающих составов, стендовые испытания двигателей с экспериментальными двигателями и эксплуатационные испытания.
Практическая значимость. Разработанный технологический процесс ремонта гильз цилиндров двигателей ЗМЗ-511.10 с применением поверхностной пластической деформации и одновременным нанесением антифрикционного покрытия по сравнению с типовым позволяет:
снизить износ гильз цилиндров в 1,3 раза;
сократить время стендовой обкатки двигателей в 1,9 раза;
увеличить ресурс двигателей на 11%;
получить экономический эффект за счет сокращения двух операций хонингования и сокращения времени обкатки двигателя.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в ОАО «Глинищеворемтехпред» Брянской обл.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены, обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях Брянской ГСХА.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, включая 5 публикаций по списку ВАК РФ и патент №76274 РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов и списка использованной литературы из 152 наименований. Работа изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 26 таблиц и 4 приложения.
Финишная антифрикционная безабразивная обработка
Для снижения трения и износа производят финишную антифрикционную безабразивную обработку (ФАБО). Сущность ФАБО состоит в нанесении в процессе трения на поверхность тонкого (0,5...5,5 мкм) слоя металла, обладающего высокими антифрикционными свойствами [17, 68]. Образующиеся антифрикционные покрытия применяются в, триботехнике для» увеличения несущей способности и повышения ресурса узлов трения. Для покрытий применяют мягкие металлы, обладающие низкой прочностью на срез (Pb, Cd, Си, Sn, А1 и др.) в виде тонких пленок на более твердой поверхности [85, 86].
В работе [10] описываетя способ получения антифрикционного покрытия и поверхностного упрочнения путем омеднения зеркала гильзы цилиндров методом избирательного переноса при раскатывании поверхности гильзы в металлоплакирующей среде. Пластичное медное покрытие уменьшает не только коэффициент трения, но и служит твердой смазкой в процессе трения. Это позволяет сократить время приработки двигателя» в 2.. .2,5 раза и уменьшает первоначальный износ восстановленных гильз.
Авторами [135] предлагается использовать состав антифрикционного материала из оксида меди, диоксида циркония и ортофосфорной кислоты. Данный состав позволит повышать адгезию покрытия к изделию.
Антифрикционное— деформационное хонингование позволяет получить на поверхности трения прочный антифрикционный слой дисульфида молибдена, графита, меди или олова.
При ФАБО износостойкость зеркала гильзы повышается в 1,5...2,0 раза, сокращается время приработки, устраняются задиры, увеличивается ресурс двигателя. Для ФАБО могут использоваться прутковый материал (латунь) и специальная1 смазка, обеспечивающая восстановление меди на поверхностях трения. За 90... 120 с можно получить покрытие 5...7 мкм, что вполне достаточно. Финишная антифрикционная безабразивная обработка трущихся поверхностей деталей может проводиться в металлоплакирующих рабочих средах, когда защитная антифрикционная металлическая пленка формируется при механической активации поверхностей трения. При этом необходимые удельные нагрузки на два порядка меньше, чем при ФАБО прутковыми материалами. ФАБО также можно проводить неметаллическими инструментом с использованием растворов поверхностно-активных веществ, содержащих соли меди, олова и др. [19, 70, 88, 90, 126]. В настоящее время кроме ФАБО применяется ряд других модификаций процесса [124].
Известен способ нанесения твердосмазочных покрытий (Авт. св. №83427, БИ №20, 1981), преимущественно дисульфида молибдена, на поверхности трения, включающий нанесение подслоя меди натиранием в среде глицерина с последующим нанесением слоя галлия. Получение подслоя меди осуществляется путем обработки поверхности трением образцом из бронзы БРАЖ-9-4. Недостатки способа: малая производительность, особенно для крупногабаритных деталей и сложность технологии.
В патенте №1838447, БИ №32, 1993 предложен способ нанесения медьсодержащих покрытий из раствора СОЖ на» предварительно обработанную механическим путем- поверхность с последующим поверхностно - пластическим деформированием (ППД). При этом осаждение меди происходит контактным методом из раствора СОЖ: вытеснением ионов меди из раствора металлом; основы, который осуществляется без энергетических затрат простым нанесением раствора: на обрабатываемую поверхность. Однако практическое применение данного способа показало, что износостойкость обрабатываемых методами ППД поверхностей зависит от адгезии контактно осажденнойt меди к металлу основы и ее толщины. С ростом толщины адгезия уменьшается, что не всегда дает возможность управлять процессом осаждения меди и вызывает повышенный износ индентора и снижение работоспособности деталей.
В авт.св. №1838447 кл. С23 С 17/00, 1993 предложен следующий способ нанесения покрытий. После предварительной пластической деформации поверхности в зону контакта с обрабатывающим инструментом подают медьсодержащую смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ). Осаждение меди на рабочей поверхности происходит контактным методом из СОЖ, дополнительно содержащей композиции высокодисперсных металлов, которые при ППД взаимодействуют с медьсодержащим подслоем с образованием новых покрытий, обладающим низким коэффициентом трения. В качестве композиции высокодисперсных металлов могут быть использованы медь и никель; никель и цинк; медь и цинк.
В Германии, применение технологии ФАБО велось под руководством профессора Польцера Г. Распространение получила технологическая жидкость FRT-1, содержащая ионы меди и глицерин, которая используется при фрикционном латунировании деталей ДВС и полиграфического оборудования [87, 88].
Известный метод ФАБО деталей в металлоплакирующих средах позволяет устранить ряд недостатков при обработке. В данном случае покрытие формируется не только за счет переноса материала с натирающего штифта, пластины или ролика, а также в результате осаждения пластичных металлов из рабочей среды в процессе физико-химических взаимодействий с обрабатываемой поверхностью [132]. Механическая активация поверхности обрабатываемой детали может осуществляться в этом случае и неметаллическим инструментом (резиновым или войлочным) (рисунок 1.5).
Необходимые нагрузки при этом меньше, чем при ФАБО прутковым инструментом, и составляют 0,5... 1,0 МПа. В качестве металлоплакирующей среды использован состав [90], состоящий из следующих компонентов: хлорид меди 0,5...5,0 мае. %, глюкоза 0,5...3,0 мае. %, окись кремния 1...4 мае. %, глицерин - остальное.
На рисунке 1.6 показано приспособление для нанесения покрытий на внутренние поверхности деталей, которое может быть использовано для ФАБО в металлоплакирующих рабочих средах. Недостаток этого устройства -сложность конструкции, что сдерживает его использование на практике [133].
С целью повышения производительности, в Кировоградском институте сельскохозяйственного машиностроения, разработано устройство для фрикционно - механического нанесения покрытий, содержащее механизм вращения и натирающий узел, рабочая поверхность которого выполнена с чехлом из упругопористого материала.
Натирающий узел выполнен в виде колодок, установленных шарнирно с возможностью перемещения за счет центробежных сил. На колодки надеты чехлы их упругопористого материала (например, войлока, фетра, асбеста и др.) [29] (рисунок 1.7).
Для осуществления ФАБО в металлоплакирующих рабочих средах гильз цилиндров и коленчатых валов в качестве инструмента использованы войлочные притиры на основе хонинговальных головок и устройств для финишной обработки валов. Притиры пропитываются технологической средой, а в процессе обработки производят их подпитку из резервуара [29]. С целью еще большего повышения долговечности деталей рекомендуется наносить многослойные покрытия из дисульфида молибдена и меди (сочетание контактного намазывания и ФАБО в металлоплактрующих средах).
В МГАУ им. В.П. Горячкина Некрасовым С.С. и Приходько И.Л. разработан новый технологический процесс ФАБО гильз цилиндров двигателей, соединяющий в себе ФАБО в металлоплакирующий рабочих средах и антифрикционное хонингование [71]. Для нанесения антифрикционных медных покрытий на хонинговальных станках предложено использовать следующий состав рабочей среды: хлорид меди, эмульсол НГЛ-205, глицерин и воду. В качестве брусков для хонголовки рекомендуется использовать антифрикционные бруски MA (М5-15), позволяющие при обработке в медьсодержащей среде получать комбинированное покрытие из меди и дисульфида молибдена.
Процесс позволяет повысить износостойкость гильз цилиндров в 1,6...2,3 раза, поршневых колец в 1,35... 1,8 раза. Ресурс двигателей ЗМЗ-511.10 при обработке гильз по новой технологии ФАБО повышается на 30 % [19,70].
Автором [86] предложены следующие способы нанесения твердосмазочных покрытий из дисульфида молибдена и меди с учетом пути и коэффициента трения (таблица 1.4).
Установка для проведения трибологических испытаний
Трибологические испытания проводили на машине трения ИИ-5018 (рисунок 3.2). Технические характеристики машины трения даны в таблице 3.1. Для улучшения точности результатов испытаний проведен ряд усовершенствований. Испытания проводили по схеме «колодка - ролик». При испытании колодку удерживали при помощи шарика, что позволило ей самоустанавливаться относительно поверхности ролика. Такое крепление обеспечивало хорошую воспроизводимость результатов при повторных опытах.
Для поддержания в зоне трения температур, приближенных к реально существующим в двигателе, изготовили устройство для охлаждения масла в процессе испытаний (рисунок 3.3).
С целью непрерывной регистрации суммарного износа трибосопряжения установку оснастили автоматическим устройством, представляющим собой усовершенствованный вариант устройства по А.С. СССР №68886. Датчик давления ДТМ-25А включен в электрическую схему устройства (рисунок 3.4). Шток датчика перемещается по мере износа колодки и ролика, фиксируя, таким образом, суммарный износ образцов. Сигналы от датчика записывали потенциометром КСП-4.
Испытания проводили при п — 300; 500, 1000, 1500; мин , нагрузку изменяли от 0 до 2500Н.
Образцы пар трения изготавливали из материалов; двигателя ЗМЗ-511.10.: Исследованию; подвергали;соединение «гильза?— поршневое кольцо». Колодки изготавливали; из материала: поршневых колец. Ролики изготавливали из материла гильзJ цилиндров двигателей ЗМЗ-511". 10r (СЧ24, ГОСТ 1412 -70): шероховатость, рабочей поверхности і? з=0,32 мкм; пару образцовиспытывали один раз повторность опытов трехкратная Обработку поверхностей трения гильз/цилиндров проводили с, использованием- расточного, хонинговального и сверлильного станков.
Расточку и хонингование осуществляли в соответствии с заводской технологией ремонта гильз.
Операцию поверхностной пластической деформации поверхности трения проводили на сверлильном станке мод. 2Н135 после расточки (рисунок 3.5.) с использованием многороликовой раскатки (рисунок 3.6), установленной в пиноли суппорта. Частота вращения гильзы п = 500мин" ; подача S = 0,10 мм/об; натяг равен А = 0,1мм.
Проведя различную обработку гильз цилиндров, получили несколько различных пар трения деталей. Для сравнения использовали также гильзу бывшую в эксплуатации. Общий вид экспериментальных гильз показан на рисунке 3.7.
Эффективная мощность, часовой и удельный расход топлива двигателей
Для определения эффективной мощности и ее изменения проведен эксперимент, в ходе которого при нагрузке ЗООН и начальной частоты вращения 2400 мин" следили за изменением частоты вращения в течение 5 минут. Результаты сведеныв таблицу 5.3.
Одним из обязательных показателей, определяемых после ремонта двигателей, является расход топлива или удельный расход топлива.
Согласно методике, часовой расход топлива определяли при п=2000, 2200, 2400мин" (таблица П8). С помощью прибора АИР - 50.
По графикам видим (рисунок 5.3), что расход топлива у экспериментальных двигателей меньше на всех режимах работы двигателяина 23% . Снижение расхода топлива зависит от сопротивления прокручиванию коленчатого вала, т.е. механических потерь на трение в двигателе: Снижение потерь мощности на трение приводит к увеличению КПД двигателя, как следствие, к снижению расхода топлива, увеличению мощности.
Величина компрессии в испытуемых двигателях больше нормативных значений. Величина компрессии свидетельствует о состоянии деталей цилиндропоршневои группы двигателя. Это, прежде всего износ деталей (гильз цилиндров, поршневых колец и др.).
Взаимосвязь величины компрессии и суммарного износа поршневых колец и гильз цилиндров имеет вид.
Как показал эксперимент, начальная компрессия в камерах сгорания двигателей не является постоянной величиной (таблица ГТ9). Отсюда, чтобы получить сравнимые данные при расчетах величины износа деталей за время испытаний формулу (5.3) преобразовали так, чтобы учитывала изменение компрессии
Р, =[Л-]+Д - =U5-14436] X, (5.4)
где [і /]=1,15 МПа - средняя величина компрессии в начале испытаний типовых двигателей;
АРГ - средняя величина изменения компрессии за время испытаний, МПа. Учитывая, чго величина [РГ] принята для всех случаев постоянной, то формула 5.4 приняла вид РГ= 0.2-144365] И0 (5.5)
Используя экспериментальные данные, полученные при испытаниях двигателей ЗМЗ-511.10, определено среднее соотношение между скоростями износа гильз цилиндров и поршневых колец (1:6,25).
В таком случае зависимость для определения за время испытаний выглядит следующим образом
2 Я = 0,86 Ик +0,14 Иг, (5.6)
где 0,86 Ик- доля суммарного износа, приходящаяся на поршневые кольца; 0,14 Иг д,оля суммарного износа, приходящаяся на гильзы цилиндров. Таким образом, испытания позволили получить зависимость, связывающую величину компрессии в камерах сгорания с износом гильз цилиндров и поршневых колец, на примере двигателей ЗМЗ - 511.10. Изложенная методика расчета может быть использована и для других моделей двигателей. Конкретные коэффициенты определяются экспериментально.
Приготовление смазочно-охлаждающего технологического состава (СОТС) для антифрикционной обработки гильз цилиндров
В настоящее время нет промышленного производства разработанного состава для антифрикционных покрытий на поверхностях трения гильз.
В условиях ремонтных заводов возможно приготовление ЄОТЄ с помощью установки; обеспечивающей приготовление 100:.. 120л COTG в течение одного часа (рисунок 7.1).
Для; нанесения антифрикционных медных покрытий на хонинговальных станках, целесообразно использовать=предложенный состав рабочей среды, содержащий хлорид меди,, эмульсол НЕЛ-205; глицерин; и воду. В качестве брусков; для хонголовки рекомендуется использовать антифрикционные бруски МА; (М5-15), позволяющие: при обработке в медьсодержащей среде получать комбинированное покрытие из меди: и дисульфидамолибдена.
Основной, задачей . при; проектировании ; являлось , создание конструкции установки, обеспечивающей; приготовление СОТС требуемого; качества в, необходимых количествах при определенной механизации; и авторизации процесса. Техническая характеристика установки представлена в таблице 7.3.
Исходными компонентами СОТС являются жидкие (при комнатной температуре) поверхностно — активные вещества и порошкообразные органические, и минеральные соли антифрикционных металлов.
Технологический процесс приготовления присадок занимает 0,5:.. 1,0 часа при постоянном перемешивании и температуре 383...393К. Для установки используют бак 1 емкостью 140л, изготовленный из нержавеющей стали. Учитывая, что в процессе приготовления происходит теплоотдача; в окружающую среду необходима теплоизоляция. Для этого между основным баком и наружными боковыми стенками, дном укладывают теплоизоляционный материал 2 (асбестовые листы).
Сверху баю. закрыт крышкой толщиной 8мм. Внутри бака, устанавливаются» ТЭНы 3 (2 ніт. ПО 2 кВт)? для; нагрева компонентов присадки; ТЭНы желательно ставить в нержавеющем исполнении.
Перемешивание компонентов присадки происходит за счет воздуха от компрессора 4:- с помощью барботажного устройства: 5. Барботажное устройство обеспечивает кроме струйного перемешивания компонентов- их мелкодисперсное распыливание и дробление: Для удаления;воздуха из;бака, в крышке делают сапун; 6 диаметром 90мм, на который; надевают трубу (шланг) соединенную с вентиляцией.
Конструкция установки выполнена, таким; образом, что монтаж всех устройств, кроме нагревательного; элемента; выполнен на крышке бака. Это облегчает демонтаж установки при профилактических осмотрах и чистке.
В крышке бака устанавливают; датчик температуры 7 (тракторный) ют 373 Д0І393К для; контроля нагрева, компонентов присадки:
Слив готовой; присадки. производят через выпускной; патрубок.; 8 (диаметр; 1 дюйм) с краном .9, имеющим притертую пробку. Кран не должен; иметь резиновых уплотнений; т.к. при больших температурах; такие уплотнения: могут выйти из строя.
На этом же патрубке предусмотрен; отвод; со; стеклянной трубкой;; позволяющей ; контролировать уровень присадки в установке. Указатель уровня СОТС 10 должен иметь отметку максимального залива компонентов СОТЄ (120; литров): Рядом с установкой располагается бак - отстойник 11 емкостью: 120л.
Для включения ТЭНов установка должна иметь пульт управления 72.
