Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и задачи исследований . 18
1.1 Направления улучшения эксплуатационных показателей автомобилей 18
1.2 Направления улучшения эксплуатационных показателей автомобильных двигателей 21
1.3 Улучшение работоспособности бензиновых двигателей модифицированием внутренней поверхности гильз цилиндров ... 35
1.4 Способы и средства улучшения работы сопряжения "поршень-цилиндр" 45
1.5 Микродуговое оксидирование поршней как способ улучшения показателей работы бензиновых двигателей 48
1.6 Научная проблема, обоснование темы и задачи исследований
2 Формирование модели улучшения эксплуатационных показателей автомобилей ... 63
3 Расчетно-теоретическое обоснование улучшения эксплуатационных показателей автомобилей металлизацией гильз цилиндров и оксидированием поршней 73
3.1 Математическое описание процесса образования антифрикционного слоя на рабочей поверхности гильз цилиндров ДВС 73
3.1.1 Теория взаимодействия трущихся поверхностей при внешнем трении 73
3.1.2 Теоретическое обоснование применения различных цветных металлов для снижения износа деталей ЦПГ 76
3.1.3 Теоретическое обоснование снижения износа за счет вставок из цветного металла 79
3.1.4 Обоснование геометрических параметров канавок, нарезаемых для металлизации гильзы цилиндра 85
3.2 Математическое описание процесса образования оксидной пленки методом микродугового оксидирования на днище поршней ДВС 94
3.2.1 Процесс формирования оксидированного слоя 94
3.2.2 Влияние режимов микродугового оксидирования на параметры оксидированного слоя днища поршня 98
3.2.3 Влияние толщины оксидированного слоя на изменение температуры поршня 109
3.2.4 Влияние оксидированного слоя на днище поршня на рабочий процесс бензинового двигателя 120
3.2.5 Влияние оксидированного слоя на головке поршня на износ деталей сопряжения «поршневая канавка – поршневое кольцо» 134
3.3 Определение влияния модернизированной цилиндропоршневой группы с оксидированными поршнями и модифицированными рабочими поверхностями гильз цилиндров на технико-эксплуатационные показатели двигателя и топливную экономичность автомобиля 136
3.4 Результаты расчетно-теоретического обоснования 147
3.5 Оптимизация технологического режима процесса микродугового оксидирования днищ и головок поршней 155
Выводы 157
4 Программа и методика экспериментальных исследований 160
4.1 Программа экспериментальных исследований 160
4.2 Методика металлизации рабочей поверхности гильз цилиндров 160
4.3 Методика микродугового оксидирования поршней 165
4.4 Лабораторные исследования качества покрытия рабочих поверхностей гильз цилиндров, днищ и головок поршней
4.4.1 Методика определения площади покрытия медью рабочей поверхности типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором БАРС-3 167
4.4.2 Методика определения свариваемости меди и чугуна методом цветной дефектоскопии 168
4.4.3 Методика определения износа гильз цилиндров методом микрометража 170
4.4.4 Методика определения износа гильз цилиндров весовым методом... 173
4.4.5 Методика исследования гильз цилиндров на прочность на специализированном стенде НП-150 174
4.4.6 Методика определения шероховатости рабочей поверхности металлизированной гильзы цилиндров 175
4.4.7 Методика определения элементного состава поверхности трения типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором Х-МЕТ 5100 177
4.4.8 Методика определения микротвердости покрытия днища и головки поршня 178
4.4.9 Методика определения пористости покрытия днища и головки поршня 180
4.4.10 Методика определения температуры нагрева днища поршня 181
4.4.11 Методика определения структуры и элементного состава фрагмента оксидированного образца 183
4.5 Методика определения свойств гильз цилиндров и опытных образцов оксидированного поршня 185
4.5.1 Методика исследования износа рабочей поверхности образцов металлизированной гильзы на машине трения СМТ-1 185
4.5.2 Методика ускоренных лабораторных испытаний гильз цилиндров на износостойкость 189
4.6 Методика сравнительных моторных исследований серийного и экспериментального двигателей УМЗ-417 по показателям износа, рабочего цикла, мощностным, экономическим и экологическим показателям 190
4.6.1 Оборудование и приборное обеспечение 190
4.6.2 Методика стендовых исследований бензинового двигателя при работе с типовой и экспериментальной ЦПГ 195
4.6.3 Методика определения износа при проведении моторных исследований 198
4.6.4 Методика измерения токсичности отработавших газов бензинового двигателя 201
4.6.5 Методика определения механических потерь двигателя 203
4.6.6 Обработка результатов стендовых исследований 204
4.7 Методика сравнительных эксплуатационных исследований автомобилей УАЗ с серийным и экспериментальным двигателями 205
Выводы 207
5 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 208
5.1 Результаты исследования качества покрытия рабочих
поверхностей гильз цилиндров и днищ и головок поршней 208
5.1.1 Результаты определения элементного состава поверхности трения типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором Х-МЕТ 5100 208
5.1.2 Результаты определения площади покрытия медью рабочей поверхности типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором БАРС-3 209 5.1.3 Результаты определения свариваемости меди и чугуна
методом цветной дефектоскопии 211
5.1.4 Результаты определения износа гильз цилиндров весовым методом и методом микрометража 212
5.1.5 Результаты исследования гильз цилиндров на прочность на специализированном стенде НП-150 219
5.1.6 Результаты определения шероховатости рабочей поверхности трения гильз цилиндров 220
5.1.7 Результаты исследования влияния режимов микродугового оксидирования на параметры формируемого оксидированного покрытия на днище и головке поршня 221
5.1.8 Результаты исследования фактической микротвердости оксидированного слоя на рабочих поверхностях днища и головки поршня 224
5.1.9 Результаты исследования пористости оксидированного слоя днища и головки поршня 228
5.1.10 Результаты исследований температуры наружной и внутренней поверхностей днища типового поршня и поршня с оксидированными рабочими поверхностями днища и головки... 229
5.1.11 Результаты исследований толщины, структуры и элементного состава шлифа фрагмента оксидированного слоя на рабочихповерхностях днища и головки поршня 231
5.2 Результаты сравнительных моторных исследований серийного и экспериментального двигателей УМЗ-417 и их анализ 241
5.2.1 Результаты моторных исследований двигателя УМЗ-417 с типовой и экспериментальной ЦПГ 241
5.2.2 Результаты определения износа при проведении моторных исследований 244
5.2.3 Результаты определения токсичности отработавших газов 248
5.2.4 Результаты определения механических потерь двигателя 248
5.3 Результаты сравнительных исследований автомобилей с серийным и экспериментальным двигателями в производственных эксплуатационных условиях и их анализ 251
5.4 Технико-эксплуатационные показатели автомобильных двигателей с улучшенными параметрами ЦПГ 256
Выводы 258
6 Технико-экономическая оценка результатов исследований по улучшению эксплуатационных показателей автомобилей 260
6.1 Расчет стоимости изготовления экспериментальной ЦПГ 261
6.2 Расчёт экономической эффективности от применения экспериментальной ЦПГ 265
Выводы 269
Заключение 270
Рекомендации производству 273
Перспективы дальнейшей разработки темы 273
Список использованной литературы
- Улучшение работоспособности бензиновых двигателей модифицированием внутренней поверхности гильз цилиндров
- Теоретическое обоснование применения различных цветных металлов для снижения износа деталей ЦПГ
- Методика определения элементного состава поверхности трения типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором Х-МЕТ 5100
- Расчёт экономической эффективности от применения экспериментальной ЦПГ
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Как известно, двигатели автомобилей работают на различных (установившихся и неустановившихся) скоростных и нагрузочных режимах, которые существенным образом предопределяют эксплуатационные показатели автомобилей. В свою очередь они во многом зависят от характера протекания рабочего процесса и показателей двигателя. Так, на тягово-скоростные свойства автомобиля влияют мощность и крутящий момент двигателя, топливно-экономические – эффективный КПД двигателя.
Механический КПД современных поршневых транспортных двигателей составляет 0,75…0,85, т.е. 15…25 % индикаторной мощности двигателя расходуется на преодоление механических потерь, значительную часть которых составляют потери на трение. Расход топлива, обусловленный затратами на преодоление сил трения в сопряжениях ДВС может достигать 7...11 % от суммарного расхода топлива.
Из-за высокой температуры нагрева поршня и резких перепадов температур при протекании рабочего процесса, происходит снижение предела прочности материала поршня. В результате возникают термонапряжения, которые совместно с силами инерции и давления газов негативно воздействуют на поршень. Для того, чтобы поршень выдерживал эти воздействия необходимо совершенствовать конструкцию и технологию его изготовления.
Одним из эффективных методов улучшения эксплуатационных показателей автомобилей является металлизация гильз цилиндров и микродуговое оксидирование (МДО) днищ поршней. В процессе металлизации на поверхности трения деталей наносится незначительный по толщине слой мягких металлов, который обладает антифрикционными свойствами. Микродуговое оксидирование днищ поршней позволяет создавать поверхностные покрытия, имеющие совершенно новые трибологические и теплопроводные свойства, чем материал детали. Однако, как показывает литературный и патентный обзор научной информации, недостаточно полно исследовано влияние металлизации рабочих поверхностей гильз цилиндров и МДО поверхностей поршней на эксплуатационные показатели автомобиля, оснащенного бензиновым двигателем.
Поэтому научное обоснование, разработка, апробация и использование в двигателях автомобилей металлизированных гильз цилиндров и оксидированных поршней, позволяющих улучшить эксплуатационные показатели автомобилей, является актуальной научной и практически значимой задачей.
Степень разработанности темы исследования. Вопросами снижения механических потерь, улучшения индикаторных и эффективных показателей ДВС, топливной экономичности автомобиля занимались Баширов Р.М., Денисов А.С., Ждановский Н.С., Николаенко А.В., Суркин В.И., Тимохин С.В., Уханов Д.А. и др. ученые. Способы снижения износа и повышения износостойкости деталей автотракторной техники описаны в работах Батищева А.Н., Власова П.А., Гаркунова Д.Н., Гордиенко П.С., За-городских Б.П., Казанцева И.А., Котина А.В., Крагельского И.В., Малышева В.Н., Новикова А.Н., Сафонова В.В., Сенина П.В., Симдянкина А.А., Спицына И.А., Суми-нова И.В., Федорова В.А., Черненко В.И., Эпельфельда А.В. и др. исследователей.
Исследования по нанесению на рабочие поверхности деталей двигателя различных покрытий с целью улучшения эксплуатационных показателей двигателя и автомобиля получили свое развитие в 70-80-х годах прошлого века и успешно продолжаются в настоящее время. Основными целями нанесения покрытий являлись сниже-
ние износа трущихся поверхностей, сокращение времени приработки сопряжений и защита от коррозии. Микродуговое оксидирование поршней в основном рассматривалось как способ повышения износостойкости поршней, в частности юбки, а оксидирование головок – для сокращения приработки. Результаты исследований влияния оксидирования днищ и головок поршней на термодинамический процесс, теплопередачу в камере сгорания, ресурс работы ЦПГ, эксплуатационные показатели двигателя и автомобиля до сих пор имеют противоречивый характер. Кроме того отсутствуют данные о совокупном влиянии антифрикционных и теплоизолирующих покрытий деталей ЦПГ на рабочий процесс и топливную экономичность автомобиля. Несмотря на значимость научных исследований, посвященных обоснованию различных аспектов нанесения антифрикционных и теплоизолирующих покрытий на рабочие поверхности деталей двигателя, вопросы улучшения эксплуатационных показателей автомобилей в полном объеме остаются не решенными до настоящего времени.
Работа выполнена в рамках Стратегии инновационного развития Российской Федерации на период до 2020 года; Государственной программы Ульяновской области «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия в Ульяновской области» на 2014-2020 годы; в соответствии с планами НИОКР Ульяновской ГСХА: на 2006-2010 гг. «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства» (рег. № 01200600147); на 2011-2015 гг. «Разработка ресурсо-, энергосберегающих технологий и средств механизации сельского хозяйства» (рег. № 01201157951); на 2016-2020 гг. «Повышение эффективности использования энергетических ресурсов разработкой и совершенствованием энергоресурсосберегающих, энергоэффективных и экологически безопасных средств и технологий» (номер гос. рег. АААА-А16-116041110197-6).
Цель исследований – улучшение эксплуатационных показателей автомобилей нанесением покрытий на детали цилиндропоршневой группы бензиновых двигателей.
Задачи исследований:
-
Проанализировать методы покрытий рабочих поверхностей гильз цилиндров и поршней транспортных ДВС и выбрать наилучшие для повышения мощностных, топливно-экономических и экологических показателей автомобилей.
-
Разработать математические модели процессов формирования металлизированного и оксидированного покрытия на рабочих поверхностях гильз цилиндров и поршней ДВС.
-
Разработать технологические режимы и параметры металлизированных и оксидированных покрытий, изготовить комплекты экспериментальной цилиндропорш-невой группы с металлизированными медью гильзами цилиндров и поршнями с оксидированными днищами и головками.
-
Исследовать типовые и экспериментальные ЦПГ (металлизированные гильзы цилиндров и поршни с оксидированными днищами и головками) в лабораторных условиях по параметрам физико-механических свойств сформированных покрытий.
-
Исследовать двигатели со штатными и экспериментальными ЦПГ в стендовых условиях, провести их сравнительную оценку по мощностным, топливно-экономическим и экологическим показателям.
-
Исследовать автомобили в эксплуатационных условиях, оснащенных двигателями в штатной и экспериментальной комплектациях ЦПГ и оценить экономическую эффективность от использования автомобилей с двигателями, оснащенных ЦПГ
с металлизированным и оксидированным покрытием на рабочих поверхностях гильз цилиндров и поршнях.
Объект исследований. Процессы формирования металлизированных и оксидированных покрытий на рабочих поверхностях деталей цилиндропоршневой группы бензинового ДВС, процесс работы двигателей и автомобилей с экспериментальными ЦПГ.
Предмет исследований. Параметры металлизированного и оксидированного покрытий на рабочих поверхностях гильзы цилиндров, днище и головке поршня, а также эксплуатационные показатели двигателей и автомобилей с экспериментальными ЦПГ.
Научную новизну работы составляют:
систематизация и анализ существующих перспективных методов повышения эксплуатационных показателей автомобилей;
научно-обоснованные требования к покрытиям, формируемым на деталях ци-линдропоршневой группы, и концепция повышения эксплуатационных показателей автомобилей металлизацией рабочих поверхностей гильз цилиндров (антифрикционное покрытие) и оксидированием днища и головки поршня (теплоизолирующее покрытие);
математические модели процессов образования антифрикционного металлизированного покрытия на рабочей поверхности гильзы цилиндров и теплоизолирующего оксидированного покрытия на днище и головке поршня;
режимы и параметры технологических процессов металлизации рабочих поверхностей гильз цилиндров и оксидирования днищ и головок поршней;
расчетно-теоретическое обоснование улучшения эксплуатационных показателей автомобиля нанесением антифрикционного металлизированного покрытия на рабочие поверхности гильз цилиндров и теплоизолирующего оксидированного покрытия на днища и головки поршней ДВС;
количественная оценка параметров физико-механических свойств металлизированных гильз цилиндров и оксидированных поршней, результаты моторных исследований бензиновых двигателей и экспериментальных исследований автомобилей в штатной и экспериментальной комплектациях;
технические решения по улучшению эксплуатационных показателей автомобилей нанесением покрытий на рабочие поверхности гильз цилиндров, днищ и головок поршней ДВС.
Новизна технических решений подтверждена 8 патентами РФ.
Теоретическая и практическая значимость работы. Обобщена и развита теория формирования антифрикционного покрытия металлизацией рабочих поверхностей гильз цилиндров и теплоизолирующего оксидированного покрытия на днище и головке поршня. Полученные теоретические зависимости позволяют определить требуемые параметры формируемых покрытий, обеспечивающие снижение механических потерь двигателя (за счет снижения потерь на трение) и расхода топлива, повышение эффективной мощности и крутящего момента и, как следствие, улучшение эксплуатационных показателей автомобиля.
Применение металлизированных медью гильз цилиндров в совокупности с поршнями, имеющими оксидированное покрытие днища и головки, позволяет снизить механические потери в бензиновом двигателе на 11,9 %, повысить его эффективную мощность на 10,8 %, уменьшить часовой и удельный расходы топлива соответственно на 14% и 6,3 % по сравнению с двигателем, укомплектованным штатной ЦПГ
(без нанесения покрытий). В эксплуатационных условиях путевой расход топлива автомобиля, оснащенного двигателем с экспериментальной ЦПГ, снижается в среднем на 4,5 % по сравнению с автомобилем, оснащенным штатной ЦПГ. Использование ЦПГ с металлизированными гильзами цилиндров и оксидированными поршнями позволяет получить годовую экономию 11634 рублей на один автомобиль типа УАЗ-3303.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории трибологических процессов пар трения, теории двигателей внутреннего сгорания, методов математической статистики, сравнения результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также сравнительными исследованиями двигателей и автомобилей, оснащенными штатными и экспериментальными ЦПГ.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных методик (ГОСТ 14846-80, ГОСТ 9450-76, ГОСТ 9.302-88, ГОСТ 8.452-82, ГОСТ 18442-80, ГОСТ 14846-81 и ОСТ 26-5-99). За метод исследования принят метод сравнительных исследований двигателей и автомобилей, оснащенных ЦПГ в штатной и экспериментальной комплектациях. Обработка экспериментальных данных выполнена с применением прикладных программ Statistica 6.1, Microsoft Excel, Math-Type 6.7 и др.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
научно-обоснованные требования к покрытиям, формируемым на деталях ци-линдропоршневой группы ДВС, и аспекты их получения;
математические модели процессов образования антифрикционного покрытия на рабочей поверхности гильзы цилиндров и теплоизолирующего покрытия на днище и головке поршня;
параметры режимов МДО и технологические процессы нанесения покрытий на рабочие поверхности гильз цилиндров и поршней;
теоретические зависимости, устанавливающие степень влияния параметров покрытий на рабочих поверхностях гильз цилиндров, днище и головке поршней на показатели бензиновых двигателей и эксплуатационные показатели автомобилей;
конструктивные особенности металлизированной гильзы цилиндров с антифрикционным покрытием рабочей поверхности и поршня с оксидированным теплоизолирующим покрытием днища и головки;
количественные оценки показателей, характеризующих результаты лабораторных, моторных и эксплуатационных исследований по установлению требуемых параметров формируемых покрытий на рабочих поверхностях гильз цилиндров, днищах и головках поршней.
Реализация результатов исследований. Технологический процесс изготовления металлизированных гильз цилиндров прошел производственную проверку в условиях ОАО «Ульяновский моторный завод» и ООО «Легато» Ульяновской области. Сравнительные стендовые исследования бензиновых двигателей в штатной и экспериментальной комплектациях проводились в лаборатории испытаний ДВС Ульяновской ГСХА и в лаборатории стендовых испытаний отдела главного конструктора ОАО «Ульяновский моторный завод». Результаты НИОКР переданы в ОАО «УМЗ» для использования в проектно-конструкторской деятельности и ООО «ИНЭКС» Ульяновской области для организации экспериментального производства оксидированных поршней для двигателей УМЗ. Сравнительные эксплуатационные исследования автомобилей осуществлялись в производственных условиях СПК им. Н.К. Крупской, ООО «Приморье», ООО «Ульяновская Нива» Ульяновской области и ООО «ЛиКаТРАНС»
Московской области. Министерством сельского, лесного хозяйства и природных ресурсов Ульяновской области результаты НИОКР рекомендованы предприятиям АПК для внедрения.
Степень достоверности и апробация результатов исследований. Достоверность результатов исследований обеспечена системной проработкой проблемы, корректностью поставленных задач и их решением, результатами сравнительных стендовых исследований двигателей с штатными и экспериментальными (металлизированные рабочие поверхности гильз цилиндров и оксидированные днища и головки поршней) цилиндропоршневыми группами и эксплуатационных исследований автомобилей с двигателями укомплектованными штатными и экспериментальными ЦПГ с использованием тензотермометрической аппаратуры и разработанного измерительно-регистрирующего комплекса, положений теорий поршневых двигателей, тепло- и триботехники, обработкой экспериментальных данных с использованием апробированных методик, сходимостью и воспроизводимостью теоретических и экспериментальных результатов исследований.
Основные положения диссертации и ее результаты доложены и одобрены на региональных, всероссийских и международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВО Волгоградская ГСХА (2004г., 2009г.), ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА (2005-2007г., 2009-2012г., 2016г.), ТИ-филиал ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА (г. Ди-митровград, 2008-2010г., 2012г.), ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА (2010г., 2012г., 2013г.), ФГБОУ ВО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (2012г., 2013г.), НП «Сибирская АК» (г. Новосибирск, 2013г.), IХ international research and practice conference «Modern Scientific Achievements» (г. Прага, 2013г.), III international research and practice conference «Science and Education» (г. Мюнхен, 2013г.), X международная научно-практическая конференция «Новости передовой науки - 2014» (ООО «Руснаучкнига», г. София, 2014г.).
Личный вклад соискателя состоит в непосредственном исполнении всех этапов работы, а именно критический обзор существующих технологий и материалов покрытий деталей для улучшения работы ЦПГ и эксплуатационных показателей автомобилей, постановка проблемы, формулировка научной гипотезы, цели и задач исследований, выявление перспективных направлений улучшения эксплуатационных показателей автомобилей, теоретическое обоснование повышения эксплуатационных показателей двигателей нанесением покрытий на гильзу, днище и головку поршня, разработка технологий оксидирования поршней и металлизации гильз цилиндров, экспериментальное подтверждение теоретических предпосылок и выявление оптимальных режимных параметров процесса оксидирования поршней и конструктивных параметров формируемых покрытий в лабораторных условиях, их влияние на эксплуатационные показатели автомобиля в производственных условиях, а также определение экономической эффективности использования разработанных решений.
Публикации результатов исследований. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 73 работах, в том числе 17 статей в перечне рецензируемых изданий, по перечню ВАК РФ, 8 статей в зарубежных изданиях, получено 8 патентов РФ на изобретения и полезные модели, изданы 2 монографии. Общий объем публикаций составляет 38,88 п.л., из них 18,34 п.л. принадлежит автору.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованной литературы из 355 наименований и приложения на 160 с.. Работа изложена на 317 с., включает 143 рис. и 18 табл.
Улучшение работоспособности бензиновых двигателей модифицированием внутренней поверхности гильз цилиндров
Процесс избирательного переноса реализуется в процессе трения стали по медным сплавам определенного состава (латунные и бронзовые) при наличии в месте контакта определенной среды (наиболее известными являются глицерин и спиртоглицериновые среды) и изменений условий работы сопряжений в определенных диапазонах [59-62, 197, 211].
В процессе трения в присутствии восстановительной среды (глицерина или другого вещества) осуществляется анодное избирательное растворение содержащихся в бронзе легирующих элементов. Атомы легирующих элементов отводятся в среду между трущимися контактами, при этом поверхностный слой бронзы начинает обогащаться медью. Наличие восстановительной среды не позволяет меди окисляться, что обеспечивает ее высокую активность. Благодаря высокой активности медь, схватываясь со стальной поверхностью, покрывает ее тонким поверхностным слоем. В процессе формирования в медном слое образуется значительное количество вакансий, при этом одна часть их образует в формируемом слое поры, заполняемые молекулами восстановительной среды (например, глицерина). В результате на стальной поверхности толщиной 1…2 мкм формируется так называемая сервовитная пленка, имеющая низкую прочность на сдвиг и высокие адсорбирующие свойства по отношению к растворенным элементам трущихся сплавов и элементов деструкции смазочного материала. Другим свойством сервовитной пленки является ее высокая теплопроводность, что обеспечивает отвод тепла, выделяющегося при трении, в нижележащие слои трущихся материалов, и тем самым обеспечивается снижение температуры в трибоузле. [59, 60, 134, 197, 211].
Несмотря на всю эффективность, избирательный перенос не может быть реализован в широких пределах, поскольку работает только лишь при изготовлении трущихся поверхностей из определенных материалов, наличия в контакте трения восстановительной среды, а также в узком интервале из 38 менений, воздействующих на сопряжение скоростных, температурных и нагрузочных факторов.
Повышение износостойкости может быть достигнуто повышением качества (чистоты) заключительной (финишной) технологической обработки сопрягаемых поверхностей деталей. Одним из таких способов является финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО). Суть финишной обработки заключается в формировании на трущейся поверхности детали тонкого слоя цветного металла (меди, латуни или бронзы). Формирование пленки основано на методе переноса цветного металла при повышенном трении наносимого и обрабатываемого металла. Технологический процесс формирования цветного слоя осуществляется после обезжиривания покрываемой поверхности и обработки ее глицерином или глицериновой смесью (две части глицерина и одна часть 10%-го раствора соляной кислоты). При последующем трении под воздействием нанесенного состава имеющаяся на стальной поверхности окисная пленка разрыхляется, а медного сплава поверхность пластифицируется, что обеспечивает схватывание меди со сталью. Формируемый медный или латунный слой имеет толщину 1-2 мкм. Преимуществами метода перед другими финишными (чистовыми) операциями является простота технологического процесса, а также отсутствие необходимости в дорогостоящем и сложном технологическом оборудовании. Формируемые на поверхности цветные слои придают стальным или чугунным поверхностям высокие антифрикционные и антизадирные свойства. Использование данного метода для улучшения поверхностей цилиндров двигателей внутреннего сгорания позволяет снизить в 2…3 раза время на приработку деталей и увеличить в 1,6…1,75 раза износостойкость гильз цилиндров, а поршневых колец - в 1,35…1,4 [19, 119, 201].
Не менее широкую известность получил метод – как во время обкатки двигателей, так и в процессе их эксплуатации – использования различного рода присадок. Используемые присадки делятся по физико-химическому воздействию на трущиеся рабочие поверхности деталей на следующие группы: Присадки с использованием ПАВ (ОГМ – 1, 2, 3; ДФИ – 1и др.). Присутствующие в присадках поверхностно-активные вещества в силу своих физико-химических свойств образуют на поверхностях трения деталей адгезионную высокопрочную пленку, которая позволяет снизить коэффициент трения, а тем самым снизить износ деталей в режиме больших нагрузок. Однако при высоких температурах в трибоузле эффективность ПАВ снижается, что может привести к возникновению задиров трущихся поверхностей[180].
Инактивные присадки (Ресурс; Гарант; Градис; Деста – М; АЛП – 1,2; Ремол – 1; Моликот – А и др.). Действие этих присадок основано на выравнивании микрогеометрии поверхности путем заполнения впадин, при этом изменяется микрогеометрия поверхностного слоя детали, а сама структура поверхности детали не изменяется. В процессе эксплуатации, по причине низкой растворимости присадки в смазочном материале, она смывается с поверхности, что приводит к обнажению выступов и, соответственно, их снятию при соприкосновении деталей. [17, 34].
Химически активные присадки (активаторы) (ДК-8; ОКМ; ОМ-2 [56, 140]). Имея высокую химическую активность, они вызывают образование на рабочих поверхностях трения химически измененного поверхностного слоя. Образующийся слой играет роль прослойки между трущимися поверхностями. Обладая высокой несущей способностью, он предотвращает контакт металла и снижает возможность возникновения задира и дальнейшего схватывания металла. Необходимо отметить, что формирование химически измененного слоя зависит от температуры и нагрузки в трибоузле и зачастую приводит к усилению коррозионно-механического изнашивания поверхностей деталей. К тому же эти присадки весьма токсичны.
Теоретическое обоснование применения различных цветных металлов для снижения износа деталей ЦПГ
Взаимодействие поверхностей деталей при трении сопровождается контактом выступов неровностей поверхностей, образующих так называемые пятна контакта, при этом в контакте участвуют не только выступы неровностей поверхностей, но и материалы, прилегающие к контактным выступам. Контакт выступов сопровождается деформацией материала, из которого изготовлены трущиеся поверхности.
Изменение поверхностных слоев трущихся материалов происходит под воздействием существенных деформаций, которые возникают и развиваются в поверхностном слое деталей. Причинами изменений поверхностных слоев являются процессы, возникающие по причине физического и химического взаимодействия трущихся поверхностей. Данные процессы сопровождаются окислением поверхностных слоев, диффузионным насыщением их элементами из зоны контакта (окружающей среды) и, как следствие, понижением адсорбционной прочности.
Это приводит к тому, что в процессе трения участвуют поверхности с измененным материалом, по сравнению с материалом, из которого они изготавливались. Таким образом, можно говорить о двойственной молекулярно-механической природе трения, процесс которого обусловлен преодолением межмолекулярных связей, возникающих в момент контакта участков трущихся поверхностей и объемной деформацией этого материала [60-62]. Поскольку поверхности трущихся деталей имеют шероховатую неоднородную по своему составу структуру, то процесс их контакта при трении сопровождается внедрением более жесткого элемента одной из поверхностей в более мягкий элемент другой поверхности (контртело). В процессе внедрения более жесткий элемент, перемещаясь в тангенциальном направлении плоскости трения, деформирует контактируемый материал, смещая его в том же направлении (направлении движения). В результате этого впереди деформируемого материала формируется полусферический отвал металла (валик). При этом параметры валика будут определяться относительным внедрением h более жесткого материала (где h - глубина внедрения материала, мкм, R R радиус неровности внедрившейся жесткой поверхности, мкм), прочности соединительного мостика сварки двух материалов и адгезионной прочности связи материала (где S - предел текучести материала), возникающей S между пленками, находящимися на поверхностях трущихся тел.
То есть одной из причин появления износа является нарушение условий пластического перемещения твердым материалом более мягкого материала одной из поверхностей. При увеличении нагрузки глубина внедрения микронеровностей твердой поверхности увеличивается, это приводит к переходу от упругой деформации к пластической и затем к микрорезанию поверхности или задиру (т.е. контакт двух тел из внешнего трения переходит во внутреннее). При этом условием перехода внешнего трения во внутреннее будет прекращение обтекания одной поверхностью другую [132, 133 где h - глубина внедрения неровностей, мкм; R - радиус неровности внедрившейся поверхности (индентора), мкм; т - прочность адгезионной связи на срез, МПа; JT - предел текучести материала, МПа. Из соотношения (3.1) видно, сохранение внешнего трения будет осуществляться в случае, когда у тонкого поверхностного слоя прочность на сдвиг будет меньше прочности основного материала. И чем меньше прочность, тем меньше вероятность возникновения внешнего трения. Не менее важным фактором, обеспечивающим снижение вероятности возникновения внешнего трения, является разница значений прочности адгезионной связи между поверхностными и нижележащими слоями материала. В случае, когда адгезионная связь меньше прочности нижележащего слоя, реализуется положительный градиент механических свойств по глубине, т.е. [132, 133]: dx 0, (3.2) dz где x - напряжение в направлении плоскости касания, МПа; z – координата точки касания, перпендикулярная к плоскости поверхности трения, мкм.
Сохранение положительного градиента обеспечивает внешнее трение в контакте. Исходя из этого, одним из условий сохранения положительного градиента и снижения износа трущихся поверхностей будет снижение прочности тонкого контактирующего поверхностного слоя. Снижение прочности может быть достигнуто одним из следующих методов: - адсорбционное или хемосорбционное изменение тонкого поверхностного слоя, приводящее к снижению его прочности на сдвиг; - введением в контакт трущихся поверхностей тонкого слоя вещества с сопротивлением на сдвиг меньшим, чем материал трущихся поверхностей (смазочный материал или металл с минимальным сопротивлением на сдвиг).
Для обеспечения длительного эффекта необходимо, чтобы минимальное значение прочности на сдвиг сохранялось в широком диапазоне воздействующих факторов (температуры и давлений).
Наиболее перспективным методом является введение в контакт цветных металлов. В процессе трения пленка цветного металла, вступая в адгезионную связь с основным материалом, покрывает его тонким слоем, защищая нижележащий слой основного материала от схватывания. Этот процесс получил название металлизации. В настоящее время для металлизации поверхностей трения используют такие материалы, как латунь, медь, олово и их сплавы, обладающие прочностью на сдвиг намного ниже, чем сталь и чугун.
Номинальная площадь контакта SН трущихся поверхностей представляет собой условную площадь контакта, равную сумме контурных площадей касания SК, образованных объемным смятием неровностей контактируемых поверхностей и суммарное значение фактических или физических площадей контакта SФ (сумма фактических малых площадок контактов тел) (рисунок 3.1).
В трибоузле происходят следующие процессы. Под воздействием прилагаемой нагрузки находящиеся в контакте отдельные неровности трущихся поверхностей сжимаются, действующая нагрузка через них передается на основание поверхности детали. При увеличении нагрузки происходит сближение поверхностей, сопровождающееся увеличением контактов отдельных неровностей. Одновременно с этим происходит увеличение площади смятия вершин неровностей. Все это приводит к изменению фактической площади касания трущихся поверхностей. Для определения площади контакта трущихся поверхностей принят ряд расчетных моделей, предусматривающих различные виды контактируемых поверхностей: - в виде упругого контактирования неровностей в форме сфер; - в виде контактирования отдельных неровностей; - в виде упруго - пластического контактирования неровностей с жесткой плоскостью.
Методика определения элементного состава поверхности трения типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором Х-МЕТ 5100
Тепловая напряженность двигателя и температурное напряжение в стенках деталей определяется разницей температур нагрева их поверхности и температурой на поверхности отвода тепла. То есть температурный перепад между стенками детали будет формировать ее температурное напряжение. Температура нагрева определяет предел прочности материала детали, а перепад температур между ее стенками определяет её запас прочности, соответственно, ресурс и надежность эксплуатации деталей будут зависеть от температуры ее нагрева. При этом возрастание температуры и особенно температурного перепада приводит к снижению эксплуатационных показателей деталей. Величина температур нагрева поверхностей деталей и, соответст венно, температурные перепады в них, будут зависеть от размеров деталей, свойств материала, из которого они изготовлены, так как все материалы имеют различную теплопроводность и термическое сопротивление, степени охлаждения поверхностей в процессе работы. Таким образом, температурные напряжения, формируемые в детали при ее нагреве, в процессе работы будут определять её тепловое состояние, получившее в литературных источниках название "теплонапряжённость" или "тепловая напряжённость". В соответствии с представленным определением, применительно к двигателям внутреннего сгорания, можно заключить следующее. Поскольку в ДВС источником выделения высоких температур является камера сгорания, соответственно именно температурные состояния деталей цилиндропоршневой группы будут определять теплонапряжённость всего двигателя [1, 12, 23, 26, 54, 65, 96, 114, 115, 144, 160, 211, 217, 277, 293, 328, 335, 341-355].
В соответствии с рассмотренным выше, теплонапряженность деталей ЦПГ, и в частности днища и головки поршня, будет определяться разницей температур на внешней поверхности днища и головке со стороны газов камеры сгорания и на внутренних поверхностях - со стороны картера двигателя. В этом случае определение изменения теплонапряжённости поршня может быть проведено по определениям изменения удельного теплового потока при прохождении его в направлении от головки и днища поршня к внутренней поверхности поршня.
Приняв допущение, что температура охлаждающей жидкости в двигателе остается неизменной и размеры поршня остаются практически неизменными, определение его тепловой напряженности может быть проведено как установление значения удельного теплового потока q, проходящего через плоскую стенку. Тогда на величину удельного теплового потока будут оказывать влияние не только температура газов при сгорании горючей смеси в камере сгорания t2, определяющая температуру поверхности теплопередаю-щей стенки t2C2, но также и коэффициент теплоотдачи аг от газов к стенке поршня. В этом случае перепад температур в днище и головке поршня At будет определяться разностью температуры газа tzcz со стороны внутренних поверхностей днища и головки поршня и температурой внутренней поверхности поршня tZCK со стороны картера, то есть At = tzcz– tZCK. Тогда, учитывая теплопроводные свойства материала поршня (коэффициент теплопроводности материала поршня X) и толщину стенок днища и головки поршня 8, с учетом установленных зависимостей теплового потока от разности температур нагрева (т.е. параметров аг, tz, tZCK,), значение теплового потока может быть определено следующим выражением [23, 26, 54, 65, 96, 211, 217, 277, 355]: q = a2-(t2- 1гсг) = -j (іжг - tXK), (3.97) и где q - средний удельный тепловой поток через днище и головку поршня двигателя, Вт/м2; аг- коэффициент, учитывающий теплоотдачу от газов к днищу и головке поршня; tz– средняя температура газов в камере сгорания за такт работы двигателя, К; tzcz– температура стенки днища и головки поршня со стороны газов, К; tZCK– температура днища и головки поршня со стороны картера, К; к - коэффициент, учитывающий теплопроводность материала днища и головки поршня, Вт/м К; 8п - толщина стенки днища и головки поршня, м. Рассматривая количество передаваемого тепла qi как количество тепла, передаваемого через единицу площади кольцевого сечения головки и днища поршня, получим: qn-7i-R2=2-7i-R-q1-8, (3 98) где qn - количество тепла, подводимое к днищу и головке поршня, Вт; R радиус кольцевого сечения, мм. Температурные напряжения по краю днища поршня и нижней части головки поршня ниже, чем в центральной части, поэтому значение R принимаем равным радиусу поршня.
Расчёт экономической эффективности от применения экспериментальной ЦПГ
Поршни помещают в электролитическую ванну с водным раствором электролита до уровня, подлежащего формированию оксидированного слоя (соответствующего зоне расположения головки поршня), вниз днищем. К обрабатываемым поршням (анод) и внутренней поверхности ванны (катод) закрепляются электроды, по которым подается ток. При подаче тока заданных характеристик (силы и плотности) и нахождении поршня в электролите происходит структурное изменение его поверхности, т.е. формирование оксидированного слоя. Для обеспечения одинаковых условий формирования оксидированного покрытия на всей обрабатываемой поверхности и одинаковой скорости охлаждения поршня, по мере формирования на днище и головке поршня покрытия, поршень перемещают относительно свободной поверхности электролита с одновременным охлаждением, не погруженной в электролит поверхностью поршня, сжатым воздухом.
Технологический процесс микродугового оксидирования днищ и головок поршней, а также режимы оксидирования обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями и защищены патентом РФ на изобретение № 2439211.
Операции по формированию оксидированного слоя на днище и головке поршня проводились в ниже представленной последовательности (рисунок 4.6).
Методика определения площади покрытия медью рабочей поверхности типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором БАРС-3 Оценка поверхности трения опытных образцов по элементному составу проводилась согласно инструкции по эксплуатации бездифракционным анализатором рентгеновским спектральным БАРС-3 (рисунок 4.7) [27]. Рисунок 4.7 – Бездифракционный анализатор БАРС-3 а) вид анализатора со счетным устройством; б) место установки исследуемого образца Принцип работы прибора БАРС-3 заключается в том, что происходит считывание металлов при прохождении через специальные фильтры ионов (количество импульсов), образующихся при -, -, -излучении поверхности образцов. Для того чтобы определить количество содержания Fe и Cu, образцы типовой и металлизированной гильзы цилиндров помещали в камеру, где и происходило считывание количества импульсов. Для начала подготавливали прибор БАРС-3 к работе, после чего устанавливали образец в камеру, выбирали канал Fe и начинали снимать показа 168 ния, то же самое проделывали по каналу Cu (для каждого опыта проводили 5 замеров). Количество формируемых по каналу Fe фоновых импульсов рассчитывали по формуле: СFe=СЭ – СО, (4.1) где СЭ – количество импульсов, соответствующее эталону Fe; СО - количество импульсов, соответствующее исследуемому образцу Fe. Количество формируемых по каналу Cu импульсов фона рассчитывали по формуле: СCu=СЭ – СО, (4.2) где СЭ – количество импульсов, соответствующее эталону Cu; СО - количество импульсов, соответствующее исследуемому образцу Cu.
Данные исследования проводились для определения и подтверждения количества перенесенного металла из канавки на поверхность трения фрагментов. По результатам проведенных исследований установлено процентное содержание Cu, наносимое на поверхность трения исследуемого образца.
Перед началом проведения исследований осуществлялась тарировка прибора соответствия количества импульсов определенному весу исследуемого металла. Результаты тарировок представлены в Приложениях П. 2.15, П. 2.16.
Для определения оценки свариваемости меди и чугуна была проведена цветная дефектоскопия поверхности металлизированной гильзы цилиндров по ГОСТ 18442-80 и ОСТ 26-5-99 [60,159], которая основана на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей по слепым и сквозным капиллярам исследуемого материала с последующим визуальном осмотром и фиксацией индикаторных следов. Данный метод позволяет контролировать объекты лю 169
бых конфигураций и размеров, изготовленных как из черных, так и цветных металлов и их сплавов. Для этого использовали целевой набор (совместимые дефектоскопические материалы), представленные на рисунке 4.8.
Последовательность проведения цветной дефектоскопии: 1) подготовка образца к контролю – очистка контролируемой поверхности от всевозможных загрязнений, моющих составов, удаление заусенцев (если они есть), обезжиривание этиловым спиртом, промывание дистиллированной водой и сушка поверхности; 2) обработка контролируемой поверхности дефектоскопическими материалами - нанесение индикаторного пенетранта DP-55 и сушка поверхности в течение 5 минут, обработка поверхности очистителем DR-60 для удаления индикаторного пенетранта и сушка поверхности в течение 5 минут, нанесении проявителя D-100 и сушка поверхности в течение 5 минут; 3) обнаружение дефектов (наблюдение и регистрация индикаторного следа) и расшифровка результатов контроля. Свариваемость металлов считается качественной, если на контролируемой поверхности не обнаружено индикаторных следов малинового цвета, что свидетельствует об отсутствии в местах наплавки пор, непроваров, подрезов, трещин, шлаковых включений.