Повышение энергетической эффективности судовых малоразмерных дизелей путем совершенствования конструкции цилиндропоршневой группы Проватар Алексей Геннадиевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Принципы повышения функциональных показателей судовых ДВС 10

1.1. Задачи обеспечения износостойкости зеркала цилиндровых втулок 10

1.2. Уменьшение потерь мощности на преодоление сил трения в цилиндропоршневой группе 16

1.3. Перспективы повышения качества и надёжности судовых дизелей их элементов 24

1.4. Задачи повышения энергетической эффективности судовых дизелей 34

1.5. Выводы. Цель и научно-технические задачи исследования 37

2. Совершенствование эксплуатационных показателей судового дизеля за счёт форсирования по частоте вращения коленчатого вала 40

2.1. Актуальность задачи форсирования ДВС по частоте вращения коленчатого вала 40

2.2. Расчётно-теоретическое исследование показателей рабочего процесса дизелей типа Ч9,5/11 при их форсировании по частоте вращения коленчатого вала 44

2.3. Факторы, влияющие на форму камеры сгорания 47

2.4. Выбор камеры сгорания 53

2.5. Выводы по второй главе 57

3. Теоретические основы и методики повышения, работоспособности деталей цилиндропоршневой группы судовых двигателей внутреннего сгорания 58

3.1. Потери мощности на преодоление сил трения в цилиндропоршневой группе судовых ДВС 58

3.2. Регулярные микрорельефы 64

3.3. Формирование регулярных микрорельефов на сопрягаемых поверхностях цилиндропоршневой группы 68

3.4. Многокомпонентные покрытия 81

3.5. Выводы по третьей главе 87

4. Конструкторско-технологическое обеспечение качества и надёжности элементов ДВС 89

4.1. Аддитивные технологии в двигателестроении 89

4.2. Технологическое обеспечение правильной геометрической формы цилиндра в процессе обработки 98

4.3. Повышение качества поверхностного слоя зеркала рабочего цилиндра поршневых ДВС 105

4.4. Коррозионная и кавитационная стойкость цилиндровых втулок судовых дизелей 113

4.5. Выводы по четвертой главе 128

Заключение 130

Список литературы 132

Приложение 135

• Перспективы повышения качества и надёжности судовых дизелей их элементов
• Факторы, влияющие на форму камеры сгорания
• Формирование регулярных микрорельефов на сопрягаемых поверхностях цилиндропоршневой группы
• Коррозионная и кавитационная стойкость цилиндровых втулок судовых дизелей

Введение к работе

Актуальность. На современном этапе научно-технического развития с учётом всё возрастающих требований к качеству двигателей, созданию новых прогрессивных конструкций, в соответствии со стратегией развития поршневого дизелестроения в России до 2020 г., по-новому следует трактовать и научные основы прогрессивного проектирования, конструирования и технологического развития дизелестроения. Поэтому, научной основой современного и перспективного дизелестроения является такой комплекс теоретических, расчётно-аналитических и экспериментальных исследований, который, базируясь на общих принципах фундаментальной науки и научных основах прогрессивной техники и технологии, имеет своей конечной целью решение конкретных производственных задач изготовления двигателей высокого качества, в необходимом количестве. Всё это обосновывает актуальность исследований, направленных на разработку и внедрение в практику конструирования и производства дизельных двигателей теоретических, расчётно-аналитических и экспериментальных принципов обоснования их качественных показателей, исходя из их функционального назначения.

Объект исследования – судовые дизельные двигатели.

Предмет исследования – процессы конструкторской и технологической модернизации.

Целью диссертационной работы повышения энергетической эффективности и работоспособности судовых форсированных малоразмерных дизелей.

В соответствии с поставленной целью было необходимо решить ряд научно-технических задач, а именно:

1. Обосновать основные принципы повышения функциональных показателей судовых малоразмерных дизелей.

2. Провести теоретические исследования по совершенствованию эксплуатационных показателей судового дизеля за счет форсирования по частоте вращения коленчатого вала.

3. Обосновать оптимальную компоновку камеры сгорания малоразмерного дизеля.

4. Разработать практические рекомендации по модернизации камеры сгорания малоразмерных дизелей типа Ч9,5/11.

5. Разработать методику снижения теплонапряженности деталей цилиндропоршневой группы судовых дизелей.

6. Разработать конструкторские мероприятия, позволяющие на стадии производства судовых малоразмерных дизелей повысить их эксплуатационные характеристики.

7. Разработать мероприятия по повышению работоспособности деталей цилиндропоршневой группы судовых малоразмерных дизелей с использованием высокоорганизованных форм углерода.

8. Разработка методик проведения экспериментальных исследований по снижению погрешностей монтажа втулок цилиндра судовых малоразмерных дизелей.

Объектом исследования является судовой малоразмерный двигатель. Предметом исследования являются процессы, протекающие в камере сгорания двигателя.

Методы исследования. В проведенных исследованиях применялись теоретический и расчёт-но-аналитический методы. Методологической базой диссертационной работы являются работы В.А. Ваншейдта, Н.Н. Иванченко, П.А. Истомина М.Г. Круглова, А.С. Орлина, Л.И. Погодаева, В.Н. По-ловинкина, Ю.Г. Шнейдера, Ю.И. Матвеева, В.Н. Бочкарёва, А.Ф. Дорохова, Н.Я. Яхьяева и др.

Личное участие автора состоит в комплексном решении проблемы повышения надежности и функциональных характеристик дизелей типа 4Ч 9,5/11 и получения научных результатов, отраженных в опубликованных работах, разработке рекомендаций по совершенствованию конструкции и технологии выпускаемых судовых дизелей.

Достоверность и обоснованность работы обеспечивалась комплексом теоретических и рас-чётно-аналитических исследований, который, базируется на общих принципах фундаментальной науки и научных основах прогрессивной техники и технологии. Экспериментальные исследования проводились на действующих стендах специализированных лабораторий ФГБОУ ВО «АГТУ» и «КИМРТ».

Научная новизна:

9. На основании расчетно-аналитических исследований для форсирования малоразмерных дизелей типа Ч9,5/11 определен оптимальный угол расположения отверстий распылителя форсунки в камере сгорания.

10. Теоретическими исследованиями обоснована оптимальная компоновка камеры сгорания и форсуночного узла малоразмерного дизеля. 3.Установлено что основными направлениями форсирования дизелей типа Ч9,5/11 является интенсификация процессов смесеобразования за счет закрутки воздушного заряда.

3. Доказано, что формирование регулярных микрорельефов на «зеркале» цилиндра повышает работоспособность форсированных малоразмерных дизелей.

4. Разработана методика формирования регулярного микрорельефа для различных зон цилиндра судовых дизелей.

5. Предложена методика формирования многокомпонентного приработочного покрытия на «зеркале» цилиндра.

6. Разработана методика снижения теплонапряженности деталей цилиндропоршневой группы для форсированных дизелей.

Практическая значимость:

1. Даны практические рекомендации по модернизации камеры сгорания форсированных малоразмерных дизелей.

2. Предложены конструкторские разработки, позволяющие повысить энергетическую эффективность судовых малоразмерных дизелей.

3. Разработан комплекс мероприятий, позволяющий на стадии производства малоразмерных дизелей повысить их эксплуатационные показатели.

4. На основании разработанной методики даны практические рекомендации по снижению погрешности базирования при монтаже втулок цилиндров.

5. Результаты работы получили одобрение Российского морского регистра судоходства, используются в учебном процессе в ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет» и в «Каспийском институте морского и речного транспорта» - филиал ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

Положения выносимые на защиту:

6. Результаты теоретических исследований и рекомендации по повышению энергетической эффективности судовых малоразмерных дизелей.

7. Теоретические исследования по совершенствованию эксплуатационных показателей судового дизеля за счет форсирования по частоте вращения коленчатого вала.

8. Методики снижения теплонапряженности деталей цилиндропоршневой группы судовых дизелей.

9. Результаты исследований формирования регулярных микрорельефов на зеркале цилиндров для повышения работоспособности форсированных малоразмерных дизелей.

10. Теоретические исследования обоснования оптимальной компоновки камеры сгорания и форсуночного узла малоразмерных дизелей.

11. Методика использования высокоорганизованных форм углерода для повышения работоспособности деталей цилиндропоршневой группы судовых малоразмерных дизелей.

12. Конструкторские разработки для формирования регулярных микрорельефов на зеркале цилиндра судовых малоразмерных дизелей. Технические решения по снижению погрешностей монтажа втулок цилиндров.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались,
обсуждались и были одобрены на международной научно-практической конференции
«Инновационное развитие транспортно-логистического комплекса Прикаспийского

макрорегиона»(г. Астрахань, 2013 г.-2016 г.),международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития технических наук» Научный цент «Аэстерна» (г. Уфа, 2015 г.), международной научно-практической конференции Агентство международных исследований (г. Сургут, 2016 г.). А так же на ежегодных семинарах научных работников специализированных кафедрах ФГБОУ ВО «АГТУ» и «КИМРТ» (2014 г.-2017 г.)

Личный вклад. В диссертации представлены результаты исследования, полученные автором самостоятельно.

Автору принадлежит:

постановка задачи исследования;

анализ литературных источников;

разработка методик и проведение экспериментальных исследований;

обработка полученных результатов и их обобщение;

выработка практических рекомендаций.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в одиннадцати печатных работах, в том числе в шести научных изданиях рецензируемых ВАК Российской Федерации.

Объем работы. Диссертация состоит из введения. Четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 34 рисунка и список литературы, включающий 127 наименований.

Перспективы повышения качества и надёжности судовых дизелей их элементов

Современная технология производства судовых дизелей, используемая для производства дизельных двигателей, построена на классических принципах двигателестроения [24,25,26,27] и состоят в следующем:

- производство должно быть обеспечено заготовками только высокого качества (должны использоваться специальные химические составы материалов, много переходные комплексы задания внутреннего напряжённого состояния изделий, получение заготовок должно производиться методами соответствующими форме готовой детали и др.);

- должны достигаться высокие значения коэффициентов запасов прочности и оптимальных припусков на обработку;

- должен обеспечиваться принципа единства и постоянности баз;

- стремление к максимально возможной равномерности снятия наружных и внутренних припусков;

- производство осуществляется с использованием программно-управляемого оборудования с установленными оперативными системами управления;

- максимально снимается припуск при выполнении операций черновой обработки;

- осуществляется много инструментальная и многопозиционная обработка деталей на станках агрегатного и карусельного типов;

- обеспечивается много переходность операций финишной и суперфинишной обработки, при сборке активно используются методы полной и групповой взаимозаменяемости и т. д.

В результате, обеспечивая выполнение всех перечисленных выше принципов, можно достигнуть необходимого уровня качества двигателей, регламентированного ГОСТ 10.150-88 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Общие технические условия». Отметим, что качество продукции - это совокупная характеристика основных свойств, определяющих способность удовлетворять соответствующие потребности наиболее приемлемым и экономичным способом. Этот достигнутый результат и является качеством изготовления двигателя производством. Однако полученный результат ориентирован только на выполнение требований ГОСТ и обеспечивает его высокую надёжность, но не учитывает новые производственные, экономические и товарные условия в области эксплуатации дизелей. При этом эти условия стали требовать нового инновационного качества двигателей [28,29].

Инновация - итоговый результат внедрения научного достижения с целью удовлетворения потребностей рынка (производства) путем изменения объекта управления или получения экономического, социального, экологического, научно-технического или другого вида эффекта. Инновационные процессы, представляют собой совокупность прогрессивных, качественно новых изменений в техническом, экономическом, организационном, юридическом и социальном подходе к развитию субъектов хозяйствования и существования организационных систем. Нововведения разрабатываются в научной среде, а развиваются в производственной сфере, образуя единую, целостную и гармоничную систему.

В этой связи инновационное качество - это качество, отвечающее его традиционной характеристике [30] и приобретённое путём внедрения научных достижений, как оформленного результата прикладных или фундаментальных научных исследований, в производство того или иного вида промышленной продукции.

Дизельные двигатели относятся к промышленной продукции и, согласно, методики оценки качества этого вида продукции выделяется 8 групп показателей качества:

- показатели назначения - определяют полезный эффект, получаемый от использования оборудования по назначению, и задают область его применения; - показатели технологичности

- определяют эффективность конструктивно-технологических решений, применяемых при производстве и ремонте продукции, с целью обеспечения высокой производительности труда;

- показатели надежности - характеризуют безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость изготовленной продукции;

- показатели стандартизации и унификации - определяют степень использования в изготовленной продукции стандартизированных изделий, а также уровень унификации составных частей изделия;

- экономические показатели - отражают затраты понесенные на разработку, изготовление и эксплуатацию изделий, а также экономическую эффективность эксплуатации продукции.

- эргономические показатели - определяют систему «человек - изделие -среда» и учитывают комплекс физиологических, антропологических и гигиенических свойств человека, проявляющихся в производственных и бытовых процессах;

- патентно-правовые показатели - определяют степень патентоспособности изготовленной продукции в России и за рубежом;

- эстетические показатели - определяют внешние свойства продукции, такие как оригинальность, выразительность, соответствие среде и стилю и т. д.;

Оценка качества изготавливаемой продукции, относительная и количественная, является важной научно-технической задачей. Создание и совершенствование всех методов оценки качества как дифференциальных, так и комплексных (интегральных), прогнозирование уровня качества, выявление закономерностей и взаимосвязей между различными показателями качества, параметрами назначения продукции являются задачей научной дисциплины «квалиметрия». Квалиметрия рассматривает качество изделия как некую иерархическую совокупность свойств, представляющих интерес для конечного потребителя продукции. Качество в целом в квалиметрии рассматривается на самом низком уровне иерархической совокупности свойств, а его составляющие, менее обобщенные свойства - на более высоком, первом уровне иерархии. В свою очередь каждое из выделенных свойств также может состоять из некоторого числа еще менее общих свойств, лежащих на еще более высоком втором уровне иерархии и т. д. Так образуется иерархическое «дерево свойств» в котором количество уровней рассмотрения может постоянно возрастать (Рисунок 1.3) [31].

В квалиметрии оценка качества производится двумя возможными способами: 1) нахождением абсолютного значения показателя Pij и 2) определением относительного значения показателя качества Kij. В квалиметрии понятия «измерение» и «оценка» разделяются. Измерение - это вычисление значения показателя Рij, который определяет абсолютное значение этого свойства в заданных единицах измерения. А понятие «оценка» подразумевает под собой результат, полученный в результате сравнения значения Рij с соответствующим ему «базовым» значением Рijбаз, принятым за эталон.

Базовым значением показателей качества считаются значения показателей качества для базовой модели российского или зарубежного производства, имеющего на данный момент наивысший уровень качества. Но в данном случае необходимо помнить, что эти оценки всегда будут субъективными, так как выбор базовой модели чаще всего не объективен, и напрямую зависит от квалификации, информированности человека, принимающего решение.

Факторы, влияющие на форму камеры сгорания

Исследования, проведенные ЦНИДИ [107,108,109,110]и ОАО «Завод «Дагдизель», показывают – для форсированного по n дизеля (3000 мин1) с диаметром цилиндра до 100 мм наиболее приемлемым является применение впрыска топлива непосредственно в полуразделённую камеру сгорания. При таком способе смесеобразования можно добиться хороших пусковых качеств, а также экономию топлива. Можно выделить две основные группы полу разделённых камер сгорания – камера сгорания с узкой горловиной и камера сгорания с широкой горловиной. Четкой грани между этими двумя типами камер сгорания нет. Главным достоинством камеры сгорания с узкой горловиной является возможность ее работы без предварительной закрутки заряда на всасывании. Это дает возможность отказаться от специально профилированных впускных каналов, которые требуют постоянного обслуживания для поддержания высокого качества. Высокая скорость потока воздуха или газа из надпоршневого пространства и обратно (рисунок 2.4) создает хорошие условия для качественного смесеобразования и обеспечения высокой экономии топлива [76].

Описанное выше достоинство камер сгорания с узкой горловиной стало причиной их тиражного применения на отечественных дизелях, а также на некоторых моделях двигателей зарубежного производства. Но камеры сгорания с узкой горловиной также имеют и недостатки – перегрев кромок горловины и соплового наконечника распылителя форсунки.

В результате форсирования двигателей по n форма камеры сгорания в поршне также изменялась. А именно, производилось расширение горловины, и увеличивался радиус скругления между днищем и конусообразной образующей для улучшения условия смесеобразования внутри камеры сгорания. Эти изменения позволили улучшить условия образования тороидальных вихрей внутри камеры сгорания и формирования слоя топливной плёнки на ее стенках.

Процесс образования вихрей внутри камеры сгорания поддерживается за счет ее формы. Форсунка устанавливается с наклоном в 55 градусов относительно плоскости огневого днища головки цилиндров, смещение точки пересечения её оси с плоскостью огневого днища (от оси цилиндра) – 11 мм. Для создания необходимого соотношения между свободными длинами полёта топливных струй при впрыске камера сгорания смещена от оси поршня на 3 мм в направлении расположения форсунки (рисунок 2.5) [111].

Впрыск топлива форсункой ФД22в камеру сгорания осуществляется с помощью распылителей ВЗТА (4х0,28х120). Для дизелей типа Ч9,5/11оптимальные значения регулировочных параметров были подобраны экспериментально, а именно следующие параметры: угол опережения подачи топлива, давление начала подачи топлива, выступание носика распылителя относительно огневого днища головки цилиндров. Сравнивая высчитанное положение поршня в разные моменты с направлением топливных факелов можно заметить, что для обеспечения попадания вершин факелов на кромки камеры сгорания необходимо увеличить выступание распылителя от значения. Оптимальным будет значение выступания соплового наконечника распылителя примерно 1,8 1,9 мм (рисунок 2.6). При этих значениях характеристика рабочего процесса, по углу опережения подачи топлива, протекает полого в области 23 30 градусов п.к.в, до ВМТ и удельный расход топлива практически не изменяется.

Давление начала впрыска составляет 17,2 МПа.

В процессе эксплуатации, при переходе с одного скоростного режима на другой, положение распылителя по высоте изменяться не может. В связи с этим для определения значения рационального выступа распылителя берется значение для наиболее часто встречающихся режимов. Увеличение опережения впрыска при повышении n и более раннее развитие факелов в камере сгорания не приводит к существенному сдвигу фаз топливоподачи. Интенсивность перетекания заряда обычно характеризуется их скоростью в двух контрольных сечениях.

Радиальная скорость Wp и осевая скорость Wo, принятые в этих сечениях, являются условными, так как топливные факелы обдуваются потоками, изменяющими своё направление в плоскости горловины камеры сгорания. Будет рациональным, если период топливоподачи будет перекрывать зоны высоких значений этих скоростей (Рисунок 2.6).

На основе работ ведущих на рынке двигателестроительных фирм нами изучен характер изменений конструкций камеры сгорания современных малоразмерных высокооборотных дизелей. И полученные результаты говорят о том, что происходит переход на непосредственный впрыск топлива с параллельной организацией объёмного смесеобразования. Этому способствуют тенденции к увеличению степени сжатия (до 19), давления впрыска топлива (до 200 МПа), максимального давления цикла (до 18 МПа) и электронного управления процессом впрыска топлива. Кроме этого удается достичь значений удельных расходов топлива 185 190 г/(кВт час). Такие показатели были получены путем внедрения в производство дизелей компаниями Caterpillar (США), Isotta Fraschini (Италия), MTU, SKL (Германия) новейших технологических решений.

С целью достижения качественного объёмного смесеобразования требуется достаточно сильное организованное движение воздушного заряда в камере сгорания. Кинетическая энергия заряда в полуразделённых камерах сгорания складывается в большей степени из энергии, полученной при перетекании заряда в камере сгорания при вытеснении заряда поршнем. Эта энергия зависит от n,и при разных частотных режимах работы двигателя интенсивность движения заряда будет изменяться. Использование в дизеле типа Ч9,5/11 устройства завихрения заряда при впуске (аналогично конструкции Санаева Н.К. и других исследователей, в соответствии с Рисунок 2.7 [5]) и неразделённой КС (в соответствии с Рисунок 2.8), позволили значительно увеличить интенсивность движения заряда, обеспечить достаточное смесеобразование и получить высокие значения показателей рабочего цикла

Формирование регулярных микрорельефов на сопрягаемых поверхностях цилиндропоршневой группы

Метод формирования регулярного микрорельефа направлен на создание на сопрягаемых поверхностях деталей специального текстурного рельефа, который придает поверхности тронка поршня и зеркала втулки цилиндра определенные свойства, такие как повышенная маслоемкость, сокращение и упрочнение площади контакта трущихся рабочих поверхностей. Приобретенные деталью новые полезные свойства в результате обработки детали указанные методами (вибронакатывания и виброраскатывания), позволяют уменьшить силы сопротивления движению деталей цилиндропоршневой группе и свести к минимуму механические потери двигателя на трение, и кроме этого еще и увеличить износостойкость деталей двигателя и сократить время приработки деталей в период обкатки двигателя.

Специальные виды регулярных микрорельефов.

Сточки зрения повышения качественного уровня судовых дизелей весьма рациональным представляется направление улучшения эксплуатационных показателей, базирующееся на внедрении в производство серийных или модернизируемых двигателей известных или новых технических решений.

Каждое такое решение может давать небольшой количественный прирост эксплуатационных показателей, но будучи применёнными в совокупности, в силу принципа суперпозиции, они могут дать ощутимый эффект. Для выявления возможности применения конструкторско-технологического метода вибрационного раскатывания внутренних рабочих поверхностей цилиндровых втулок в технологии ремонта на судоремонтных предприятиях рассмотрим технологию ремонта дизельных ДВС, а также техническую оснащенность, на предприятиях Астраханской области. В связи с географическим расположением Астраханской области (в северной части Каспийского моря и с обширной дельтой реки Волга) на территории региона расположено большое число предприятий, осуществляющих судостроительную и судоремонтную деятельность. В этих отраслях в Астраханской области ведущими промышленными предприятиями являются [1]: ЗАО «Ахтубинский судостроительно-судоремонтный завод», ЗАО «Судостроительно-судоремонтный завод имени В.И. Ленина», ЗАО «ПК «Эко Плюс», ОАО «Астраханское Судостроительное Производственное Объединение», ОАО «Судостроительный завод «Красные Баррикады», ОАО «Волго-Каспийский судоремонтный завод», ОАО «Судостроительный завод «Лотос», филиал «Астраханский СРЗ» ОАО «ЦС «Звездочка», ООО «Галактика».

Граница между судостроительным и судоремонтным предприятием латентна, так как завод, может быть одновременно и судостроительным, и судоремонтным. Отличие в том, что одни предприятия создают объекты судовой отрасли, а другие стараются продлить их ресурс, за счет проведения регулярного ремонта объектов, являясь своего рода «лекарем» проявлений эксплуатации. В связи с тем, что затраты на ремонт машин и их техническое обслуживание в процессе эксплуатации в несколько раз превышают их стоимость [17], то нужно уделить особое внимание технологиям ремонта, направленным на выравнивание планки стоимости новой детали с её отремонтированным или модернизированным аналогом. При необходимости замены цилиндровых втулок, они приобретаются у фирменного завода-изготовителя и его поставщиков, или изготавливаются в условиях собственного производства, например, так это происходит на ЗАО «Судостроительно-судоремонтный завод имени В.И. Ленина» и на «Астраханском тепловозоремонтном заводе" – филиал ОАО «Желдорреммаш», производящим ремонт дизельных двигателей.

Снижение потерь мощности на преодоление сил трения.

Основным фактором для улучшения показателей эксплуатации поршневых двигателей внутреннего сгорания, является снижение потерь мощности на преодоление в цилиндропоршневой группе сил трения. С точки зрения технологии, наиболее простым вариантом является достаточно известный метод формирования на зеркале цилиндра регулярного микрорельефа [18]. Согласно известным рекомендациям [60] для применения в технологии ремонта дизелей метода вибрационной обработки необходимо иметь на предприятии токарные станки. В этом случае нет необходимости закупки специальных станков для внедрения этого метода в производство. Токарные станки, имеющиеся в оснащении на каждом производстве, легко переоборудуются для вибрационной обработки поверхностей с помощью специальных приспособлений и устройств. Это позволяет достигать значений всех параметров регулярного микрорельефа с широким диапазоном регулирования, варьируя частотой вращения шпинделя и скоростями подач.

Если обратить внимание на дизели, ремонт которых на этих предприятиях разрешен Российским Речным Регистром, то наибольший внутренний диаметр цилиндровых втулок будет на дизелеNVD48, с Dц до 400 мм. В станок 16К20 можно будет установить цилиндровую втулку такого диаметра, так как максимальный допустимый диаметр обрабатываемой заготовки этим станком над станиной 440 мм.[19]. Но, иногда на заводы на ремонт приходят крупнотоннажные суда, обладающие мощными энергетическими установками, имеющие большие наружные диаметры цилиндровых втулок, чем может обработать станок 16К20. В подобных случаях необходимо провести анализ максимально-возможных диаметров закрепления цилиндровых втулок на всех используемых в производстве токарных станках судоремонтных заводов (Таблица 3.1).

Из Таблица 3.1, следует что, на судоремонтных предприятиях Астраханской области используя токарно-винторезные станки можно обработать цилиндровые втулки с максимальным наружным диаметром до 1000 мм. По сути это значительный запас по диаметру, подходящий для обработки методом вибрационного накатывания разных типоразмеров цилиндровых втулок.

С целью установки на планшайбе токарного станка цилиндровых втулок, предлагаем изготовить специальное приспособление, используя прочную конструкцию с ребрами жесткости, которая позволит исключить все возможные деформации цилиндровой втулки при воздействии на нее сил, создающихся при виброраскатке. На рисунке 3.6 представлена схема конструкции указанного приспособления, позволяющего установить цилиндровые втулки дизелей на планшайбе токарно-винторезного станка.

В данном случае показано закрепление цилиндровой втулки двигателя ЯМЗ-238М2 в приспособлении. Но, в связи с тем, что цилиндровые втулки производятся разных типоразмеров, то обычно, с увеличением диаметра втулки увеличивается и ее длина, поэтому приспособление обладает такими габаритными размерами и имеет универсальную систему зажима, чтобы принимать цилиндровые втулки диаметром от 145 до 230 мм. (6ЧН12/14, ЯМЗ-238М2, NVD26А-3,6ЧН18/22 и др.), а также втулки с диаметром от 250 до 350 мм. (NVD48, NVD36 и др.).

Представленная на Рисунок 3.4 конструкция приспособления имеет ребра жесткости по своей окружности, это обеспечивает общую жесткость конструкции в целом вместе с закрепленной в ней цилиндровой втулкой. Кроме этого приспособление оснащено самоцентрирующимся зажимным механизмом, который состоит из подвижных планок, предназначенных для закрепления цилиндровой втулки в нем. При одновременной подаче под давлением гидропласта [80] в полость над планками, которые начинают выдвигаться из своих посадочных мест и сдавливать поверхность цилиндровой втулки, одновременно центрируя её.

Коррозионная и кавитационная стойкость цилиндровых втулок судовых дизелей

Втулке цилиндра, кроме высокой прочности и жесткости, предъявляют высокие требования по её кавитационной стойкости износостойкости. Износостойкость зеркала цилиндра, при этом, зависит от способности втулки сохранять правильную геометрическую форму под действием механических и термических нагрузок, микрорельефа втулки, качества рабочей поверхности втулки, и степени использования средств, способствующих более быстрой прирабатываемой. Химико-термические и физико-механические процессы, используемые для достижения указанных целей, хорошо известны[76].

Например, интенсивность кавитации наружной поверхности втулки цилиндра, приводящей к её разрушению, снижают следующими путями: специальным профилированием тронка поршня (овально-бочкообразная форма тронка); уменьшением зазора между поршнем и втулкой; химико-термической обработкой; повышением жесткости втулки цилиндра; увеличением проходного сечения охлаждающей полости. Влияние жесткости втулки цилиндра на её кавитационный износ связан с тем, что, чем больше радикальная жесткость втулки (толщина стенки), тем меньше её высокочастотная вибрация, в результате которой возникают очаги сверхвысоких микроразмерных (по охвату поверхности) напряжений.

Если проанализировать кавитационное разрушение отдельных изделий можно увидеть, что оно зависит от большого количества факторов, которые определяют скорость эрозии изделия на протяжении срока его эксплуатации – это такие факторы как природа материала изделия, кавитирующей жидкость, характер течения разрушения и другие факторы. Однако одним из главных факторов взаимодействия, которое вызывает кавитационное разрушение, является механическое.

Согласно существующей модели, объединяющей образование при кавитации больших импульсных давлений, разрушение изделия происходит в результате воздействия на его поверхность ударных волн. Волны же возникают при схлопывании пузырьков вблизи поверхности. По оценкам многих исследований оказывающее на поверхность детали давление вблизи схлопывающейся каверны может достигать тысячи бар. При этом значимым фактором является увеличение интенсивности волны, которая сходиться к центру впадины, а ее стенки служат своего рода волноводом [112]. Этот фактор усиливает влияние ударной волны, возникающей при схлопывании пузырька над уже существующей впадиной.

Кроме этого при кавитации в преобладающем числе случаев механическому разрушению также сопутствует коррозионный износ.

Два фактора указанные выше, взаимно усиливая друг друга, влекут к более активной эрозии материала, чем когда они просто одновременно воздействуют на поверхность. В результате механического влияния удаляется оксидная пленка, защищающая поверхность от коррозии. А коррозионные впадины в свою очередь, концентрируя волны от схлопывания пузырьков, усиливают микро ударное воздействие жидкости на поверхность металла.

Согласно множеству экспериментальных данных видно, что эрозия возникает вследствие механического воздействия (в описанном случае гидравлического ударного воздействия), локализованного в объемах, соизмеримых с объемом отдельного зерна или части зерна, т.е. в микрообъемах металла. Из этого мы можем сделать очевидный вывод, что прочность материала заданная его конструкцией будет определяться не условными механическими характеристиками, которые, как правило, оцениваются пределами прочности, упругости, текучести и др., а прочностью отдельных микрообъёмов –свойствами и структурой зерна и границ этого зерна [113].

Основной сложностью при изучении поведения отдельных зерен является то, что зерно можно рассматривать только как составную часть поликристаллического образования, и нельзя рассмотреть его как отдельный монокристалл. При локальном воздействии на отдельное зерно получим реакцию и в соседних кристаллах, окружающих это зерно. А окружающие зёрна, в свою очередь, наоборот воздействуют на деформированные, препятствуя дальнейшему распространению деформации. Это обстоятельство приводит к различному характеру распространения по изделию волны деформации, как поверхности, так и вглубь изделия. В одних металлах и сплавах вся нагрузка, полученная от волны, воспринимается телом зерна, а в других видах металлов и сплавов – границами зерна. В итоге в зерне происходят сдвиговые процессы, или происходит перемещение границ зерна. Различный характер деформации микрообъёмов и распределения деформационной волны по изделию требует и использования различных способов повышения прочности, соответственно и долговечности, деталей машин. В одних случаях требуется повышать прочность зерна, а в других случаях – прочность его границ.

При внешних условиях постоянного воздействия жидкости на поверхность детали эффективнее заниматься повышением прочности зерна, чем повышением прочности его границ[114]. Интенсивность же, с которой происходит разрушение в результате воздействия жидкости на материал, зависит от скорости потока этой жидкости и физико-механических свойств жидкости. При низких скоростях потока преобладает коррозионное разрушение, а при высоких скоростях потока преобладает механическое. Чтобы провести оценку скорости, с которой происходит кавитационное разрушение, используют разнообразные критерии: количество и глубину раковин, образующихся за заданное время испытания, площадь эрозии за период её эксплуатации, потерю массы детали за единицу времени, длительность эксплуатации до достижения необходимой степени разрушения и так далее [115]. Чаще всего интенсивность разрушения характеризуется зависимостью потери деталью своей массы от времени кавитационного воздействия на нее. На Рисунок 4.8 приведена диаграмма кинетики разрушения материалов при кавитации.

На первой (начальной) стадии проводимого испытания существует инкубационный период (на схеме стадия I), на протяжении которого эрозия практически отсутствует. В инкубационном периоде изменяется состояние поверхности металла (фазовые превращения, пластическая деформация, образование и дальнейшее развитие микротрещин и т.д.). Следующим за инкубационным периодом, идет период, когда происходит резкое увеличение интенсивности эрозионного разрушения (на схеме стадия II). Этот период сопровождается большой потерей изделием своей массы. Для третьего периода (на схеме стадия III) характерна относительно постоянная скорость разрушения. На протяжении этого периода всю поверхность, находящуюся под воздействием кавитационного разрушения [87], постепенно покрывают раковины. С практической точки зрения в данном случае имеет значение длительность первого периода (инкубационного) и частично второго периода (когда происходит резкое возрастание скорости эрозионного разрушения). Существует множество разнообразных методов борьбы с кавитационной эрозией. Наиболее широким практическим применением пользуются технологические методы, предназначенные для защиты металлов от эрозии, а именно: создание кавитационно-стойких сплавов, нанесение металлических и неметаллических анти эрозионных защитных покрытий и термическая обработка.

Особенности кавитационной эрозии чугунов.

Чугуны из всех железоуглеродистых сплавов в исходном состоянии обладают самой низкой кавитационной стойкостью. Их разрушение начинается практически сразу, без «инкубационного периода», в течение которого в сталях протекают процессы образования очагов кавитационного разрушения. У чугунов такие очаги уже имеются в виде графитных включений, обладающих низкой механической прочностью[116]. Кавитационная прочность в значительной мере определяется формой, размерами и количеством графитных включений. С увеличением их количества и размеров скорость кавитационной эрозии растет. Самой неблагоприятной формой графитных включений является пластинчатая, поэтому серые чугуны имеют наиболее низкую кавитационную стойкость.

Механизм кавитационного разрушения чугуна, основываясь на результатах многочисленных исследований, можно представить следующим образом: в начальный период под влиянием гидравлических ударов и промывающего действия жидкости происходит разрушение графитных включений, выходящих на поверхность детали, подрезая металлическую основу между соседними графитными включениями ослабляя ее сопротивление выкрашиванию. Под действием повторных гидравлических ударов и расклинивающего действия жидкости металлическая основа выкраивается и на поверхность, соприкасающуюся с жидкостью, выходят новые графитные включения, и процесс разрушения повторяется.