Введение к работе
Актуальность проблемы
Опыт эксплуатации судов внутреннего и смешанного река-море плавания показывает, что надежность судовых дизелей в значительной степени зависит от скорости изнашивания верхних поршневых колец, которая определяется их вибрационным и напряженно-деформируемым состоянием, а также составом и технологией нанесения износостойких покрытий.
Однако до сих пор действительный ресурс верхних поршневых колец значительно ниже долговечности других деталей ЦПГ судовых ДВС. Так, широко применяемый гальванический способ нанесения хрома на рабочую поверхность поршневых колец всего лишь на 30% снижает интенсивность изнашивания по сравнению с нехромированными кольцами, что явно недостаточно особенно при повышенных давлениях сгорания в цилиндре, характерных для форсированных судовых дизелей.
Таким образом, исследование вибрационного и напряженно-деформируемого состояния и разработка новых технологий нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца при работе на повышенных давлениях сгорания, является актуальным как для судоходных компаний, так и дизелестроительных и судоремонтных предприятий.
Объект исследования
Объектом исследования являются судовые дизельные двигатели.
Предмет исследования
Предметом исследования являются поршневые кольца судовых дизелей и износостойкие покрытия, нанесенные на рабочие поверхности компрессионных колец.
Цель работы
Повышение износостойкости высокофорсированных судовых дизелей путем определения требований, предъявляемым к поршневым кольцам, и разработки прогрессивных технологических процессов нанесения износостойких покрытий на поршневые компрессионные кольца с учетом их вибрационного и напряженно-деформированного состояния.
Задачи работы
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
Провести анализ современных тенденций форсирования судовых дизелей, выявить причины износа и пути дальнейшего повышения износостойкости и эксплуатационных свойств пар трения втулка-кольцо-поршень при общемировой тенденции увеличения уровня форсирования судовых дизелей.
Провести численные исследования вибрационного и напряженно-деформированного состояния узла трения втулка-кольцо-поршень и сформулировать требования, предъявляемые к покрытиям на компрессионные поршневые кольца судовых дизелей, при высоком уровне форсирования.
Исследовать влияние вибрационного и напряженно-деформированного состояния на адгезионную прочность износостойких покрытий и технологию их нанесения на рабочие поверхности компрессионных поршневых колец.
Разработать методики испытаний износостойких покрытий для компрессионных поршневых колец;
Разработать современные технологии нанесения износостойких покрытий, обеспечивающие повышение износостойкости поршневых колец по сравнению с традиционным хромированием и разработать новую технологию, позволяющую управлять структурой износостойкого покрытия.
Выполнить исследование параметров долговечности износостойких покрытий, нанесенных с использованием новых технологий, обеспечивающих повышение износостойкости поршневых колец.
Методы исследований и достоверность результатов
Поставленные задачи решены путем проведения численного моделирования напряженно-деформированного состояния узла втулка-кольцо-поршень с использованием программного комплекса Solid Works и сравнительных экспериментальных исследований свойств покрытий на поршневые компрессионные кольца.
Достоверность экспериментальных исследований обеспечена корректным использованием сертифицированного контрольно измерительного оборудования и удовлетворительной сходимостью результатов лабораторных исследований и известных закономерностей теории трения и износа.
Научная новизна заключается в разработке:
методики определения собственных и резонансных частот, формы колебаний поршневых колец и втулок цилиндров с учетом частоты вращения коленчатого вала;
комплекса требований к износостойким покрытиям с учетом вибрационного и напряженно-деформированного состояния узла трения при увеличении уровня форсирования судовых дизелей;
технологических процессов нанесения износостойких покрытий, позволяющих управлять структурой износостойкого слоя и получать наноструктурированные покрытия.
Практическая ценность
Разработаны технологические процессы нанесения кремнийуглеродного покрытия SiC2OH, на рабочие поверхности поршневых колец методом осаждения паровой фазы плазменной струи и покрытия ПН85Ю15 с 15% карбида хрома, нанесённого плазменным напылением с ультразвуковой обработкой, что позволяет повысить их износостойкость по сравнению с традиционным покрытием гальваническим хромом.
На защиту выносятся результаты:
исследования напряженно-деформированного и вибрационного состояния поверхностей износа узла трения: втулка-кольцо-поршень и его влияние на адгезионную прочность покрытия;
определения собственных частот и формы колебаний поршневого кольца и втулки цилиндра;
исследований свойств покрытий, нанесенных на чугунные поршневые кольца методом осаждения паровой фазы плазменной струи и плазменным напылением с учетом и без учета ультразвуковой обработки по сравнению с традиционным методом хромирования;
исследования влияния фуллероидных наночастиц, введенных в моторное масло, на коэффициент трения.
Реализация результатов работы
Результаты работы предполагается использовать на ОАО «Звезда», АО «Коломенский завод» и АО «Завод им. Ленина» г. Астрахань.
Личный вклад соискателя состоит в:
непосредственном участии соискателя в получении исходных данных и научных расчетно-экспериментальных исследованиях,
личном участии в апробации результатов исследований,
разработке новых технологий нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца при участии автора,
разработке экспериментальных стендов и установок, выполненным лично автором,
обработке и интерпретации экспериментальных данных, полученных при участии автора,
участии автора в подготовке основных публикаций и монографии по выполненной работе.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы доложены на конференции «Транстрибо», СПбГПУ, 2010г, научно практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин», 2011, ООО «Плазмацентр», научно-технических семинарах кафедры СПГУВК, 2008-2009г.г.
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в монографии и шести печатных работах, в том числе четырех работах в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и результатов, списка использованных источников и приложения. Содержит 135 страниц, 67 рисунков, 26 таблиц, список использованных источников из 113 наименований.
