Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ литературы по вопросу долговечности и безотказности наиболее напряженных трибосопряженных узлов дизеля 8
1.1. Определение наиболее нагруженных трибосопряжений дизеля, влияющих на долговечность и безотказность автомобильного дизеля 8
1.2. Виды изнашивания поверхностей в трибосопряжениях дизеля 11
1.3. Характер изнашивания деталей ЦІ И 14
1.4. Условия смазки сопряжения верхнее компрессионное кольцо -гильза цилиндра 17
1.5. Задирообразование в цилиндропоршневой группе 21
1.6. Критерии задиростойкости трибосопряжений 34
1.7. Выводы 39
1.8. Постановка задач 41
2. Физические основы микроконтактных явлений в трибосопряженных деталях автомобильных дизелей 42
2.1. Микроконтактное схватывание 42
2.1.1. Факторы, влияющие на развитие процесса микроконтакт-ного схватывания трибосопряжений 42
2.1.2. Адгезионный механизм трения 45
2.2. Фазовые превращения в тонких приповерхностных слоях трибосопряженных деталей .47
2.3. Взаимная приспособляемость поверхностей в трибосопряжений 53
2.4. Методика металлофизических и микроскопических исследований деталей 57
2.4.1. Оптическая микроскопия 57
2.4.2. Металлографические исследования трущихся поверхностей и подповерхностных структур 58
2.4.3. Рентгеноструктурный анализ трущихся поверхностей 59
2.5. Выводы 59
3. Моделирование типичных механизмов изнашивания и разрушения трибосопряженных элементов автомобильных дизеле 61
3.1. Общие сведения о проблеме моделирования изнашивания 61
3.1.1. Феноменологические модели 63
3.1.2. Концептуальные и эмпирические модели 67
3.1.3. Металлофизические модели 71
3.1.4. Термодинамические, кинетические и синергетические модели 72
3.2. Влияние теплофизических процессов на изнашивание трибосоп ряженных элементов 77
3.2.1 Термофрикционные модели 77
3.2.2 Термомеханические модели 82
3.3. Выводы 86
4. Теплофизическая модель поверхностных явлений в трибосопряжении .87
4.1. Метод оператора дробного интегрирования для определения поверхностных температур в трибосопряжениях 88
4.2. Энергетический уровень моделирования тепловых и износных характеристик трибосопряжении 93
4.2.1. Энтропийная модель износа трибосистемы 93
4.2.2. Кинетический уровень описания теплофизических процессов в трибосопряжении ...97
4.2.3. Адекватность теплофизической модели для различных трибосопряжении 100
4.3. Температурные вспышки в теплофизической модели трибосоп-ряжения 102
4.4. Учет смазочного слоя 113
4.5. Выводы 117
5. Теплофизический анализ явлений в трибосопряженных узлах автомо бильных дизелей 119
5.1. Определение температуры на фактических пятнах контакта три-босопряжения кулачок - плоский толкатель 119
5.2. Определение температуры на фактических пятнах контакта три-босопряжения верхнее компрессионное кольцо - рабочая поверхность гильзы цилиндра дизеля 137
5.3. Выводы 162
Основные выводы и рекомендации 163
Список литературы 164
Приложение ...180
- Виды изнашивания поверхностей в трибосопряжениях дизеля
- Фазовые превращения в тонких приповерхностных слоях трибосопряженных деталей
- Влияние теплофизических процессов на изнашивание трибосоп ряженных элементов
- Энергетический уровень моделирования тепловых и износных характеристик трибосопряжении
Введение к работе
Актуальность работы, В настоящее время развитие двигателей внутреннего сгорания идет в соответствии с европейскими стандартами ЕЭК ООН 49.0В. В связи с этим увеличивается уровень форсирования двигателя, что обуславливает повышение нагруженности его деталей и может отразиться на их надежности.
Известно, что аварийные отказы двигателя часто зависят от работы деталей, входящих в наиболее нагруженные трибосопряжения: верхнее компрессионное и маслосъемное кольца - рабочая поверхность гильзы цилиндра; подшипники скольжения; кулачок - толкатель механизма газораспределения.
На безотказность трибосопряжения основное влияние оказывает процесс схватывания поверхностей трения, внешним проявлением его является натир, сопровождающийся резким повышением температуры на пятнах фактического контакта, которая может стать причиной возникновения задира и последующего разрушения всего узла.
В связи с эгим при анализе работы пар трения, как правило, основное внимание уделяется изучению протекающих в них теплофизических процессов. Поэтому в настоящее время особенное значение приобретает теоретическое описание тепловых процессов и новых форм их математического моделирования.
Целью настоящей работы является разработка метода прогнозирования безотказности трибосопряжений дизелей: ВКК - рабочая поверхность гильзы цилиндра и кулачок - плоский толкатель в механизме газораспределения.
Основными задачами работы являются:
проведение исследований по определению типичных причин аварийного выхода из строя наиболее нагруженных пар трения автомобильного дизеля;
разработка модели расчета теплофизических процессов в трибосопряжен-ных узлах и элементах автомобильных дизелей для определения критических температурных режимов их работы;
разработка методики прогнозирования безотказности наиболее нагруженных трибосопряжений дизелей на ранних сроках их проектирования.
Научная новизна заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:
методика расчета критических тепловых режимов работы трибосопряжен-ных узлов автомобильных дизелей: кулачок - плоский толкатель; ВКК -рабочая поверхность гильзы цилиндра;
расчетная зависимость обобщенных теплофизических параметров элементов трибосопряжения, учитывающие масло в зоне контакта;
- магматическая модель теплофизических процессов в трибосопряженных
узлах и элементах дизелей, учитывающая эффект накопления поверхностных
рос, национальная!
дгдоЯ
дефектов и синергетический эффект настройки формы тепловою импульса, которая позволяет, совмещенным во времени образом, рассчитывать поверхностные и вспышечные контактные температуры.
Практическая ценность работы. Методика расчета критических тепловых режимов работы трибосопряжений: кулачок - плоский толкатель; ВКК - рабочая поверхность гильзы цилиндра, может применяться на ранних стадиях проектирования с целью прогнозирования их безотказности.
Достоверность результатов расчета подтверждается микроскопическими и металлографическими исследованиями поверхностей трения.
Реализация работы. Разработанная методика расчета применяется в УГК ОАО "АВТОДИЗЕЛЬ".
Апробация работы. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IX международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей", (Владимир, ВГТУ, 200?г.); XIV школе-семинаре молодых специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках", (Рыбинск, РГАТА, 2003г.); международном конгрессе "Механика и трибология транспортных систем - 2003", (Ростов-ка-Дону, РГУПС, 2003г.); XVII международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях", (Кострома, КГТУ, июнь 2004 г.); семинарах кафедр ПМ и ВТ, ДВС ЯГТУ.
Публикации. Основное содержание диссертации представлено в восьми печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений и содержит 161 страниц основного Іекста, 67 рисунков, 12 таблиц, список используемой литературы из 183 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Виды изнашивания поверхностей в трибосопряжениях дизеля
В трибосопряжениях, входящих в состав дизеля, реализуются, как правило, несколько видов изнашивания. В работе [2] на основании исследования большого числа машин и механизмов высказано предположение о существовании ведущего (доминирующего) и сопутствующих видов изнашивания. В настоящее время эта гипотеза подтверждена результатами обширных исследований и может считаться доказанной. Суть этого положения заключается в том, что в зависимости от условий трения сочетание факторов внешних механических воздействий, среды, условий смазки, материалов деталей трибосопряжения, теплоты трения складывается более благоприятно для развития одного процесса и менее благоприятно для развития других. Поэтому различные процессы имеют разные скорости, и преимущественно развивается тот, для которого складывается наиболее благоприятное сочетание факторов. Скорость его превышает скорости всех других, и по мере развития, со временем, все другие процессы им подавляются. Из этого вытекает важный вывод о том, что в любых условиях трения существует процесс, протекающий с наибольшей скоростью, т.е. ведущий (доминирующий), который четко выражен в конкретном трибосопряжении и лимитирует срок его службы в процессе эксплуатации. Дополнительно могут протекать один или несколько сопутствующих процессов, мало влияющих на долговечность узла.
В таблице 1.1 обобщены различные виды изнашивания, их наблюдаемые формы и причины [3].
Микроконтактное схватывание и сопутствующие ему натиры, задиры и заедания трущихся сопряжений являются наиболее распространенной причиной аварийного выхода из строя трибосопряжений двигателя внутреннего сгорания.
Процессы абразивного изнашивания и схватывания взаимозависимы, т.к. подача абразива в зону трения способствует повышению температуры, облегчает разрушение смазочной пленки и контактирование ювелирно-чистых участков поверхностей. В свою очередь, микроконтактное схватывание способствует дальнейшему повышению температуры на поверхности трения, вследствие выделения энергии при образовании мостиков сварки, а протекающие при этом структурные превращения приводят к изменению механических свойств трущихся поверхностей и, как следствие, к снижению их износостойкости.
Проведенные в пункте 1.1. исследования позволили определить наиболее распространенные и ограничивающие ресурс двигателя трибосопряже-ния оказывающие большое влияние на безотказность автомобильного дизеля. В данной главе рассмотрим более подробно причины выхода из строя трибо-сопряжения ВКК - рабочая поверхность гильзы цилиндра.
Результаты эксплуатационных испытаний дизелей позволяют сделать вывод о том, что долговечность ЦПГ определяется следующими факторами: - катастрофическим разрушением рабочих поверхностей гильз цилиндров и верхних компрессионных колец в результате образования натиров; - изнашиванием сопряжения ВКК - гильза цилиндра; - изнашиванием сопряжения ВКК - канавка поршня; - изнашиванием сопряжения гильза цилиндра - маслосъемное кольцо.
Определяющее влияние на протекание указанных процессов оказывают режимы работы трущихся сопряжений (нагрузка, скорости относительного скольжения, смазочные материалы, температуры поверхностей трения), а также условия эксплуатации, материалы деталей и способы их механической и термической обработки. Характер изнашивания деталей ЦПГ
Вследствие значительных различий в конструкции как дизелей, так и бензиновых двигателей, условиях их эксплуатации, применяемых смазках и топ-ливах нельзя назвать однозначно ведущий вид изнашивания, характерный для всех без исключения двигателей. Речь может идти лишь о ведущем виде изнашивания, характерном для двигателя определенной конструкции, эксплуатирующегося в определенных условиях. Многие исследователи считают основными видами изнашивания деталей ЦПГ коррозионно-механический [4, 5] и абразивный [6, 7, 1, 8, 9, 10].
Процесс коррозионно-механического изнашивания заключается во взаимодействии металла поверхностей трения деталей с коррозионно-активными компонентами продуктов сгорания топлива, окисления масел, а также водой. По данным [4] основным фактором, определяющим износ ЦПГ при низких температурах стенки гильзы, является выпадение кислотного конденсата на поверхности трения. При достижении температурой стенки гильзы точки росы водяных паров из продуктов сгорания начинает выпадать как вода, так и раствор серной кислоты. В быстроходных дизелях при работе на номинальном режиме максимальная температура точки росы водяных паров находится в пределах 110-130С [11], что несколько ниже температуры 140С, при которой наблюдалось снижение износа гильзы цилиндров в 2-2,5 раза [11]. Аналогичные результаты получены и Б.Б. Генбомом [11] на дизеле 14 10,5/13. На рис 1.1 приведены результаты испытаний бензинового двигателя и дизеля при различных температурах охлаждающей жидкости [5]. Для бензинового двигателя наблюдаются придельные темпы износа около 43с С, что может объясняться существованием точки росы для некоторых продуктов сгорания топлива. Для дизеля наклон кривой износа изменяется постепенно и при низких температурах уменьшается с их ростом, что, по мнению авторов, свидетельствует о наличии коррозионного изнашивания. Следует отметить, что смазка деталей ЦПГ исследованных двигателей осуществлялась разбрызгиванием и вследствие увеличения вязкости моторного масла в поддоне двигателя при низких температурах охлаждающей жидкости уменьшалось количество масла, забрасываемого на стенки гильзы, ухудшались условия смазки деталей ЦПГ, что могло привести к увеличению изно-сов. По данным других исследований [11] температура охлаждающей жидкости либо не влияет на износ, либо износ увеличивается при ее увеличении.
Фазовые превращения в тонких приповерхностных слоях трибосопряженных деталей
Фазовые превращения при трении обуславливаются чрезвычайно высокими скоростями нагрева и охлаждения локальных микрообьемов поверхности в условиях высоких контактных давлений. В неоднородном аустените, получающемся при быстропротекающем нагреве локальных микрообъемов материала, имеются кристаллы с различным содержанием углерода. В процессе последующего охлаждения при превращении аустенита наблюдаются явления, характерные для сталей разного состава. Эвтектоидный распад или мартенситное превращение протекают в температурных интервалах соответствующих концентрации углерода от 0,2 до 1,6 %. При высоких скоростях охлаждения практически исключающих эвтектоидный распад и создающих условия только для мартенситного превращения, наблюдается расширение температурного интервала превращений.
Как известно, при трении продолжительность контактирования очень мала. Скорости нагрева и охлаждения для участков локального контакта могут достигать очень высоких значений. Так, по данным Б.Д. Грозина [84] при импульсном нагреве скорость нафева слоя толщиной 100 мкм равна 4-Ю -10 С/с, скорость охлаждения 10 -10 С/с. На указанные процессы нафева и охлаждения влияют содержание углерода, исходная структура (перлит, тростит, сорбит или мартенсит), а также температуропроводность. Очень важным для характера образующихся вторичных структур является время контактирования сопряженных микронеровностей [73]. Важной особенностью процессов, протекающих при этом является образование специфических структур. Вторичный аустенит - аустенит, образующийся из исходной структуры при трении (аустенит трения), по аналогии мартенсит -мартенсит трения. Аустенит трения отличается от обычного (остаточного ау-стенита) более высокой твердостью и параметром решетки. По существу, структура, идентифицируемая при исследовании в оптическом микроскопе как аустенит трения, это аустенито-мартенсито-карбидная структура со значительным преобладанием аустенита.
В общем случае аустенит трения может быть устойчивым в силу следующих обстоятельств: - при микродиффузионном превращении аустенит, образовавшийся из исходного материала, обогащен углеродом и карбидами; - многочисленные центры кристаллизации - мелкодисперсные карбиды -растворены в у -фазе ; - в условиях пластической деформации в участках поверхности тормозится превращение аустенита в мартенсит.
Количество аустенита в поверхностных слоях материала определяется структурой и химическим составом, концентрацией углерода в аустените, давлением на контакте [12]. Согласно [85] существует некоторое пороговое значение давления, ниже которого аустенит трения не образуется. Процесс стабилизации, т.е. повышение устойчивости по отношению к превращению в мартенсит, возникает вследствие действия таких факторов, как остановка охлаждения ниже Мн, низкотемпературный отпуск, выдержка выше Мн, предварительная деформация, фазовый наклеп и т.д. В определенных условиях пластическая деформация может и ускорять мартенситное превращение, т.е. действие ее не однозначно. Предполагается, что деформация аустенита может вызывать образование структурных несовершенств 2-х типов - одни из которых ускоряют, а другие тормозят мартенситное превращение. Как правило, при малых деформациях преобладает ускоряющее действие, а при больших - тормозящее. Максимум содержания мартенсита с ростом температуры смещается в сторону меньших деформаций. М.Е. Блантер [86] подразделяет процесс стабилизации аустенита на 2 типа: механический и термический.
Механическая стабилизация связана с наклепом аустенита в результате прямого и обратного мартенситного превращения (фазовый наклеп) и пластической деформации под действием внешних сил (механический наклец). Стабилизация аустенита может быть связана с блокированием дислокаций, а дестабилизация - со снятием наклепа и уменьшением блокировок при нагреве.
Термическая стабилизация имеет другую природу и заключается в замедлении мартенситного превращения при малых скоростях охлаждения в зоне температур Мн и несколько ниже ее. А.П. Гуляев [87] полагает, что термическая стабилизация связана с рассасыванием напряжений. Чем больше выдержка при данной температуре, тем сильнее релаксируют напряжения и тем больше надо охладить систему, чтобы вновь накопить напряжения, необходимые для дальнейшего превращения. Однако, по данным В.Д. Садовского [73] степень термической стабилизации, наоборот, должна увеличиваться с ростом температуры.
Влияние теплофизических процессов на изнашивание трибосоп ряженных элементов
Как известно [108], при внешнем и внутреннем трении всегда происходит преобразование механической энергии в тепловую. Доля такого преобразования при трении без смазочного материала может достигать 98%. Поэтому, процессы физико-химической динамики, которые реализуются при трении, существенно зависят от теплового и температурного режимов [130]. Последнее отражает знаменитую триаду И.В. Крагельского: взаимодействие поверхностей твердых тел, изменение свойств контактирующих материалов и, наконец, разрушение поверхностей. В монографии [131] приводятся экспериментальные данные, подтверждающие положения молекулярно-кинетической теории трения, указывающие на то, что влияние давления и скорости скольжения на коэффициент трения и интенсивность изнашивания значительно меньше, чем воздействие поверхностной температуры. Также указывается, что прочностные свойства материалов сильно зависят от температуры, влияние же нагрузки и скорости нагружения значительно меньше.
В частности, в определенных диапазонах температур твердость материалов сильно уменьшается, контакт становится пластическим, а при достижении температур плавления происходит оплавления поверхностей трения [132]. В работе [133] указывается, что важнейшей характеристикой темпера турного режима трения и изнашивания является градиент температуры по нормали к поверхности трения. Там же приводится эмпирическая зависи мость интенсивности изнашивания от температурных характеристик В работе [134] абразивное изнашивание фрикционной накладки в зависимости от мощности трения - q(t) и контактной температуры - Ts(t) определяется выражением где зависимость т(т) при небольших градиентах (ЗТ/&) принимается ли нейной В выражении (3.14) первое слагаемое, определяемое параметром т0, учитывает абразивный износ рабочей поверхности накладки при отсутствии фрикционного теплообразования. Второе слагаемое определяет износ, учитывающий термофрикционные процессы. В работе [101] рассматривается форма удельной мощности сил трения когда контактное давление p(t) возрастает от нуля в начальный момент до максимального р0 по закону где tm - параметр, характеризующий время изменения нагрузки. Коэффициент трения f(t) - f0 полагается постоянным. Скорость торможения уменьшается от начальной v0 при t = 0 до нуля при t = tH. Тогда где х — t/tu , хт =tn,/tu , т =x/xm , tu =2W/(f0P0v0) - время торможения при tm = 0 (торможение с замедлением), W - приведенная кинетическая энергия в начале торможения. В частности, при tj - tu (tm =0), поверхностная температура при торможении с постоянным замедлением определяется соотношением: енты теплопроводности и температуропроводности тел (1 - тормозная накладка, 2 - контр тело). Величина (і + Кє) - определяет коэффициент распределения тепловых потоков и учитывает тепловой поток, идущий в тормозную накладку. Тогда износ тормозной накладки (3.13) может быть записан в виде В работе [2] приводится полуэмпирическое представление интенсивности линейного изнашивания тормозной накладки где Ра, Рг - номинальная и фактическая удельные нагрузки, Аг, Аа - фактическая и номинальная площади контакта тел фрикционной пары. Удельный износ ih в (3.17) определяется выражением
Энергетический уровень моделирования тепловых и износных характеристик трибосопряжении
Как показано в обзоре (см. глава 3) энергетический уровень описания теплофизических процессов в трибосопряжениях наиболее полным и эффективным образом реализуются в термодинамическом представлении. Причем ключевым элементом этого описания является составление энергетического баланса термодинамических потоков на контактных поверхностях трибосопряжения.
В работе [141] предлагается энтропийная модель термодинамического износа трибосистем. Полагается, что изнашивание материала трущихся твердых тел является одной из форм его разрушения. В соответствии с кинетической теорией Журкова [142] долговечность нагруженного тела отражает усредненную скорость протекания разрушения, связанного с накоплением повреждений в твердом теле. Известно уравнение Журкова связывающего напряжение - а, температуру - Т, энергию активации - и0, структурный коэффициент - у и долговечность - т. Следует заметить, что хотя уравнение Журкова формально отражает роль теплового движения в прочности, но в нем в явном виде не фигурируют фундаментальные теплофи-зические (термодинамические) характеристики теплового движения. К последним можно отнести: теплоемкость - с, определяемая гармоническими колебаниями, тепловое расширение - а (ангармонические колебания), энтропия (упорядоченность теплового движения). В работах [143, 144, 145, 146] указывается на общность природы и механизмов разрушения при фрикционном, одноосном, и других видах нагружения, приводящих к постепенному накоплению микродефектов и разрушению. Они имеют общую природу и зависимость от энергетических воздействий внешней среды и могут быть описаны с помощью общих законов термодинамики и термодинамических функций состояния. В работе [147] указано, что с момента развития деформаций энтропия возрастает вплоть до момента разрушения и изменения внутренней энергии и энтропии в конденсированных телах являются взаимосвязанными и обычно сравнимыми. Последнее является следствием ангармоничности колебаний кристаллической решетки твердых тел или цепочек полимеров, являющихся причиной теплового расширения и тепловых эффектов при механических деформациях [143].
В результате фрикционного взаимодействия, повышения температуры, термодеструкции и изнашивания на межфазной границе создается источник термодинамических потоков энергии и вещества, диссипация которых окружающей средой делают трибосистему открытой. Это обстоятельство позволяет использовать для анализа и описания трибосистемы законы и аппарат неравновесной термодинамики [148].
Энергия трения вызывает повышение температуры и определяет структурные изменения в контактирующих объемах тел трибосистемы, которые направлены на снижение упорядоченности их структуры (уменьшение степени кристалличности) и увеличение конфигурационной энтропии. Указанные процессы сопровождаются изменением энтропии - dS/dt, поскольку на данном этапе трения термодинамические силы не остаются постоянными. Формирование диссипативных трибоструктур способствует переходу системы в стационарное состояние, когда термодинамические силы становятся постоянными, а производство избыточной энтропии становится равным нулю. Тогда энтропию S, накопленную в объеме трибосистемы, можно определить как сумму энтропии слабо взаимодействующих подсистем фрикционной пары. Она определяет степень разрушения поверхности трения и обеспечивает управляющее взаимодействие на формирование потока диссипатив-ной энтропии (dS/dt) с окружающей средой и на увеличение энтропии в пленке фрикционного переноса. Стационарное состояние характеризуется минимальным производством энтропии и диссипации ее окружающей средой, и, как следствие, минимальными и постоянными значениями силы трения и скорости изнашивания - dh/dt. В случае увеличения силы трения немедленно увеличивается поверхностная температура Тпов в зоне трения, вызывая градиент термодинамических сил и порождение избыточной энтропии - dS/dt.
Таким образом, полагается, что в случае стационарного неравновесного состояния трибосистемы удельная энтропия - dS/dt = s материала детали остается постоянной, а изменяется только ее масса вследствие разрушения поверхностных микрообъмов и переноса их в окружающую среду. Определяя изменение массы m за бесконечно малый промежуток времени как dm/dt = m (поток массы) получаем представление за конечный промежуток времени -1
За этот же отрезок времени изменение энтропии AS трибосистемы, функционирующей в стационарном режиме, определяется как или As Am = AS, где левая часть этих равенств определяет изменение энтропии трибосистемы, необходимое для ее разделения, а правая часть - накачку энтропии за этот же промежуток времени вследствие физико-химических процессов, происходящих в трибосистеме под влиянием внешних энергетических воздействий.
