Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Актуальность проблемы повышения эксплуатационных свойств гребных валов 9
1.1 Анализ видов и причин разрушений гребных валов 9
1.2 Современные методы упрочнения гребных валов 17
1.3 Существующие технологии плазменного напыления с ультразвуковой обработкой .28
1.4 Постановка задач исследования .33
ГЛАВА 2. Теоретические основы технологии плазменно-ультразвукового нанесения покрытий гребных валов
2.1 Методика синтеза плазменно-ультразвуковых технологий на основе принципа эквивалентного отображения .35
2.2 Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния гребных валов .38
2.3 Гипотеза о суммировании напряжений при нестационарном нагружении гребного вала .46 Выводы по главе 51
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования свойств плазменно-ультразвуковых покрытий
3.1 Программа проведения исследования 53
3.2 Исследование покрытий на адгезионную прочность .75
3.3 Исследование покрытий на усталостную прочность 78
3.4 Исследование покрытий на коррозионную стойкость 92
3.5 Исследование покрытий на триботехнические характеристики с дейдвудными подшипниками .97
3.6 Исследование покрытий на фреттинг- износ в зоне сопряжения с гребным винтом .106
3.7 Энергетическая модель изнашивания 109
Выводы по главе .122
ГЛАВА 4. Основы технологии плазменно ультразвукового нанесения покрытий гребных валов и оценка её эффективности 124
4.1 Алгоритм технологии плазменно-ультразвукового нанесения покрытий на гребные валы 124
4.2 Теоретический анализ масштабного фактора 139
4.3 Технико-экономическая оценка эффективности плазменно-ультразвукового нанесения покрытий на гребные валы 145
Выводы по главе 152
Заключение 153
Список использованных источников
- Современные методы упрочнения гребных валов
- Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния гребных валов
- Исследование покрытий на усталостную прочность
- Теоретический анализ масштабного фактора
Современные методы упрочнения гребных валов
Для уменьшения остаточных (растягивающих) напряжений применяют технологии предварительного нагрева поверхности детали перед напылением, производят термическую обработку после напыления.
В случае напыления напряжения в слое вызывает понижение адгезионной прочности. Что приводит к возникновению некоторого давления. Сила давления определяется из выражения: Р=2ХЕ(ТС- Т0) (1-2) где - коэффициент линейного расширения; Тс , Т0 — температура покрытия и подложки соответственно, оС; Е - модуль Юнга, кг/мм2. Существуют совместные технологи плазменного напыления с различными способами дополнительной обработкой высокочастотного воздействия на нанесенный слой, а именно: - последующая электороконтактная обработка. Заключается в вводе ролика, создающего механическое воздействие под влиянием тепловой энергии. Создает повышение триботехнических характеристик, увеличивает адгезионную прочность; - последующая обработка оплавлением ТВЧ. Заключается в нагреве и изменении структуры напыленного слоя. Создает повышение свойств при использовании многовиткового индуктора, охватывающая всю поверхность; - последующая обработка методом сульфоционированием. Заключается в насыщении газом нанесенного покрытия в печи. Создается повышение триботехнических характеристик, увеличивается адгезионная прочность. Однако вышеперечисленные способы упрочнения и восстановления не дают достаточного повышения усталостной прочности, а улучшают триботехнические свойства, коррозионную стойкость, эрозионную стойкость, фретинг-изнашивание. Применение различных способов послойной обработки плазменного напыления приводит к повышению износостойкости покрытия. Так применение послойной ультразвуковой обработки подшипников, в момент напыления антифрикционного слоя материала АО20, привело к увеличению прочности сцепления и улучшении триботехнических свойств [98]. Финишная обработка поверхностей трения абразивными составами
Решением задач, связанных с общей проблемой повышения работоспособности трибосопряжений за счёт использования смазочных композиций с различными добавками, активно занимаются известные специалисты: В.И. Балабанов, И.А. Буяновский, Ю.Н. Дроздов, Л.И. Погодаев, В.Н. Половинкин, A.Erdemir, Li Shenghua и др. Исследования проводят многочисленные организации в нашей стране и за рубежом, что указывает на актуальность проблемы износостойкости машин и оборудования.
Здесь, при соответствующей технологии, покрытия формируют методом запрессовки минералов в поверхностный слой детали с газообразным, жидким или консистентным носителем, а также применяют с последующей ультразвуковой обработкой. Нанесения покрытия геоматериалами могут создать условия для повышения триботехнических свойств.
Для повышения надежности деталей в смазочные материалы часто добавляют так называемые геомадификаторы трения (ГМТ). В последние два десятилетия в России опубликовано большое количество статей и описаний патентов, в которых для повышения работоспособности самых разнообразных трибосопряжений рекомендуется использовать смазочные композиции (СК) с твердыми абразивоподобными наполнителями в виде порошкообразных природных минералов, чаще всего в виде железо-магниевых гидросиликатов – серпентина, хлорита, гидроталькита и т. п. Большинство авторов отдает предпочтение серпентину, считая его наиболее эффективным геомодификатором трения. Образующиеся при серпентизации железо-магниевые силикаты (пироксены и оливины) инициируют окислительно-восстановительные и ионно-обменные реакции и способствуют образованию соединений, необходимых для создания защитного керамического слоя на поверхностях трения.
В результате структурно-энергетического анализа взаимодействия с поверхностными слоями материалов сопряженных деталей и научно-технических достижениях абразивной финишной обработки предложена новая технология упрочняющей обработки поверхности деталей и препарат улучшенного состава «Ресурс», позволяющий получать на поверхностях деталей защитную металлокерамическую пленку [108]. Серпентин Мg6 (Si4О10 )(ОН)8 является слоистым силикатом.
При использовании СК с ГМТ на поверхностях трущихся деталей может сформироваться защитный метеллокерамический слой толщиной 20…30 мкм. Скорость формирования (наращивания) слоя пропорциональна локальным вспышкам температуры и давлению на пятнах фактического контакта. В связи с этим высаживание слоя в первую очередь происходит на изношенных участках сопряженных поверхностей. На этой особенности поведения ГМТ в трибосопряжениях основана ремонтно-восстановательная технология.
Результаты исследований, выполненных в НПО «ВМП АВТО» (г. Санкт-Петербург) [70], подтвердили благоприятное влияние на работоспособность трибосопряжений СК с добавлением препаратов с ГМТ типа серпентина. При испытании на машине СМЦ-2 пары трения – высокопрочный чугун (ролик) – колодка (вкладыш) из антифрикционного сплава АО20-1 в присутствии СК (масло М-14 с добавлением ГМТ) было обнаружено увеличение массы ролика и колодки (привес) за счет образования на поверхностях трения металлокерамического защитного слоя. При низком коэффициенте трения (0,005…0,01) нагрузка схватывания для штатной пары трения составила 1700 Н, а для опытной пары трения заедание отсутствовало при вдвое большей нагрузке.
Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния гребных валов
Таким образом, теоретический анализ используемых при проектировании узла гребного вала методик свидетельствует о том, что при достаточной физической прочности необходимый конструктивный запас гребного вала по циклической прочности обеспечивается, если между его размерами выдерживается соотношение (2.12). При неполном соблюдении условия (2.12) с точки зрения изгибных колебаний и продольной устойчивости гребного вала частота его вращения и упор движителя не должны превышать значений, определяемых по (2.13) и (2.14) соответственно. В противном случае необходимый конструктивный запас гребных валов по циклической прочности не обеспечивается и очевидно, что применение плазменных покрытий для таких валов нецелесообразно.
Долговечность гребных валов обуславливается их прочностью при действии рассмотренных выше нагрузок, носящих в условиях эксплуатации нестационарный характер.
Для исследования такого рода нагрузок используется принцип линейного суммирования повреждений [62]. Из множества видов нестационарного нагружения остановимся на, так называемом ступенчатом. В этом случае в течение некоторого времени t1 имеем регулярное стационарное нагружение с параметрами max1=const, R1=const, затем в продолжении времени t2- с параметрами max2=const, R2=const, далее может следовать третья ступень нагрузки и т.д. Например, понятие трёхступенчатого регулярного нестационарного режима нагружения иллюстрируется схемой на рис.2.1 [107]. Рис.2.1 Схема трёхступенчатого регулярного нестационарного режима нагружения: Т- период нагружения, t- длительность нагружения, Ощах- максимальные напряжения, N- число циклов В некоторых случаях группа ступеней повторяется периодически. Рассмотрим, к примеру, работу валопровода. При ходе судна вал работает с перегрузкой (верхний уровень), далее следует работа в расчётном длительном режиме (нижний уровень). Ограничимся двумя уровнями, которые образуют один блок нагрузки, который периодически повторяется.
Воспользуемся диаграммой усталости для стали марки 35 с пределом выносливости _i= 117 МПа.
В первом варианте выберем модельную группу циклов, предполагая, что верхний уровень представляет собой пі = 1000 циклов с амплитудным напряжением іа=1,5-.і = 174МПа. В соответствии с диаграммой суммарное число циклов до разрушения Nразр1 = Ю6. Нижний уровень щ = 200000 циклов при напряжениях 2 = 100 МПа (близким по значению предела выносливости -\) . Число циклов до разрушения: Nразр2 = 27,7 106 . Долговечность D вычисляется по формуле: D = ni/Npaspi + n2 /Npa3p2 = 0,001 + 0,007 = 0,008 При этом большую часть повреждений материал получает на нижнем уровне. Число блоков N = 1/D = 1/0,008 = 122. Изменим амплитудные напряжения на нижнем уровне, взяв их существенно меньше предела выносливости a2 = 60 МПа. Число циклов до разрушения: Nразр2 = 594,8106 . При этом долговечность: D = n1 /Nразр1 + n2 /Nразр2=0,001+ 0,0033 = 0,0043 То есть, долговечность увеличивается почти вдвое. Во втором варианте возьмём верхний уровень напряжений более высоким: a1= 2-1=234 МПа; Nразр1=16,9106. Нижний уровень оставляем прежним (a2 = 100 МПа; Nразр2 = 27,7106). Тогда D = n1 /Nразр1 + n2 /Nразр2= 0,005+0,007=0,013 При тех же напряжениях верхнего уровня снизим нижний уровень до 60МПа, которому соответствует число циклов до разрушения Nразр2=594,8106 .
В этом случае D = n1 /Nразр1 + n2 /Nразр2=0,0059+0,0004=0,0063 Следовательно, изменение амплитудного напряжения на нижнем уровне также существенно влияет на долговечность материала, как и изменение напряжений на верхнем уровне.
Напряжения, вызванные статическими нагрузками, являются медленно изменяющимися во времени. Они не вызывают усталостного разрушения, но могут влиять на долговечность, действуя с другими циклическими напряжениями в частности от крутильных и изгибных колебаний.
Для оценки совместного влияния указанных факторов с помощью программы (приложение 1), разработанной в СПбГМТУ на кафедрах «Сопротивление материалов» и «Технология судового машиностроения» в операционных средах ANSIS и MathCAD, под руководством д.т.н., профессора В.И. Черненко был определен характер распределения нагрузок по длине валопровода применительно к проекту 20380 типа «Корвет».
Расчётная схема валопровода представлялась в виде неразрезной балки, свободно опирающейся на опоры дейдвудных и опорных подшипников (рис. 2.1). Нулевой опоре соответствует подшипник кронштейна, под номером 1-дейдвудный подшипник; опорам 2,3,4,5,6 – опорные подшипники, 7-упорный подшипник (в расчёте принято, что на упорном подшипнике (опора 7) сечение жёстко закреплено). Длины между опорами l1 = l2 = l3 = l4 = l5 = l6 = l7 = 8.6м; l0 = 3,4м – расстояние между центром гребного винта и кронштейном. Сечение балки постоянно по длине и равно dг = 0,5 м. Другие исходные данные представлены в таблице 2.1.
Эпюра изгибающих моментов Рис. 2.2 Схема валопровода Полученные по отдельности эпюры поперечных сил, изгибающих моментов и прогибов были скопированы в программу Paint и составлены в единые эпюры поперечных сил (рис.2.3), изгибающих моментов (рис. 2.4) и прогибов (рис.2.5) всей линии валопровода.
Оказалось, что наибольший момент действует на первой опоре (кронштейн) и равен 1,3102 кНм. Соответственно максимальные напряжения равны сгтах = — = 105,7 МПа , wz = = 1,23 10 Wи 32 м3 - момент сопротивления при изгибе, что значительно превышает значения расчетных напряжений от отдельных факторов (таблица 2.1). Хотя и не превышает допустимых значений. Таким образом, установлено, что совместное действие указанных выше факторов приводит к значительному повышению нагруженности гребных валов и как следствие, к снижению, в том числе их усталостной прочности.
Исследование покрытий на усталостную прочность
Процесс плазменного напыления характеризуется возможностью получения на поверхности деталей широкой гаммы свойств, влияющих на эксплуатационные показатели. Однако плазменные покрытия без различных упрочняющих воздействий в меньшей степени увеличивают усталостную прочность и часто показывают низкую адгезионную прочность [66, 68]. Одним из упрочняющих методов является обработка ультразвуком. Получить улучшение эксплуатационных свойств покрытия возможно за счет изменения энергетических параметров структуры в результате воздействия ультразвуковых колебаний. Механизм изменения структуры под воздействием ультразвуковых колебаний представляет собой сложный физико-химический процесс, влияющий на структуру напыленного слоя.
Типовая система ультразвуковой установки состоит из генератора, волноводного звена, концентратора колебательной системы, волновода [1, 2]. Технологическое оборудование для ультразвуковой обработки имеет следующие элементы: источник питания, аппаратуру управления процессом обработки, механическую колебательную систему и привод давления. Важнейшим узлом, составляющим основу и специфику оборудования, является колебательная система. Она служит для преобразования электрической энергии в механическую, передачи этой энергии в зону плазменного слоя и получения необходимой колебательной скорости волны, её мощности, частоты, амплитуды и др.
В колебательную систему входят электромеханический преобразователь (волновое звено) – концентратор колебательной скорости, акустическая развязка системы от корпуса станка, совмещенная с приводом статического прижима, инструмент – волновод, который воздействует на кристаллизацию поверхности обрабатываемой детали. Ультразвуковая передача энергии – акустическое излучение. Тело, колеблющееся с ультразвуковой частотой, излучает ультразвуковые волны.
Колебательный процесс акустического излучателя использует энергию, передаваемую волноводом к обрабатываемой детали. В зависимости от преобразователя (в нашем случае пьезовый) образуется характеристика волны. На рис.3.4 показана схема распространение ультразвуковой волны.
Провести последовательный и строгий анализ влияния акустических факторов (частота, амплитуда, скорость волны) на процесс деформирования металлов в ультразвуковом поле не представляется возможным – эксперименты различных исследований проводились в неодинаковых условиях, зачастую в работах отсутствуют необходимые для сопоставления данные. Тем не менее имеющиеся данные все же позволяют оценить влияние на кристаллическую структуру образцов и качество получаемого металла.
Анализируя характер зависимости деформации от акустических параметров процесса, следует отметить, что с повышением амплитуды колебаний эффективность действия ультразвука возрастает [2]. Этот вывод сделан на основании анализа результатов экспериментов, проведенных с большим кругом материалов при различных схемах подведения колебаний. Так же источник подчеркивает, что с увеличением амплитуды колебаний происходит уменьшение шероховатости поверхности.
Известно, что с возрастанием мощности ультразвукового генератора увеличиваются характеристики ультразвуковой волны (амплитуда, частота, скорость), что в свою очередь влияет на изменение структуры обрабатываемой детали. Также по данным работ Саратовского технического университета [52] параметры изменения структуры поверхности, в том числе уменьшение размеров частиц в кристаллической решетке, связаны в основном с параметрами интенсивности ультразвука, определяемые колебательной амплитудой, частотой и скоростью. В том числе, исследования, представленные в работе [89] показывают наибольшую эффективность ультразвуковой установки с частотой 25 кГц, амплитудой 25-30 мкм, что соответствует интенсивности излучения около 40 Вт/см2. Это приобретает в настоящее время широкое практическое применение.
В настоящее время создаются различные конструкции ультразвукового оборудования для различных технологических процессов в получении мелкодисперсных частиц на поверхности. Исходя из этого, сделано предположение, на основе закономерностей теорий физики твердого тела и характеристик ультразвуковых колебаний (амплитуда, частота, материала наконечника и др.) о возможности производить покрытия с включением мелкодисперсных частиц на крупногабаритных деталях с целью улучшения эксплуатационных свойств.
Ультразвуковой генератор с волноводом В состав исследования включен ультразвуковой генератор с волноводом. Комплект оборудования имеет название «устройство для модификации плазменной структуры» (УЗМП) (рис.3.5), разработанного для настоящей работы в СПбПУ Быстровым А.В. на основании анализа данных О.В. Абрамова, Ю.В. Холопова и др. по влиянию ультразвуковых колебаний для изменения структуры поверхности. Отличительными признаками выбранного оборудования являются частота 25 кГц, амплитуда ультразвуковых колебаний 25 мкм, мощность ультразвукового генератора 6 кВт. Имеет съемный индентор на резьбе, поворотный наконечник. Производитель оборудования – Научно-исследовательское и опытно-конструкторское объединение «Ультразвук» (г. Всеволожск, Ленинградская область).
Теоретический анализ масштабного фактора
Результаты испытания, представленные в таблице 3.17, показывают, что чем больше образуется ток насыщения между образцом и анодом, тем больше снижается нагрузка схватывания у этого материала. Это подтверждается в настоящей работе при сравнении с механическими испытаниями на машине трения, результаты которых приведены в таблицы 3.18. Так же с учетом работы [31] можно объяснить, что при создании покрытия со структурой мелкодисперсных частиц происходит изменение энергетических свойств поверхностей (критерий Зуева – «энергоплотность»). В том числе метод РВЭ можно применять также и для исследования кинетики коррозионных процессов. При взаимодействии металлов с компонентами среды на их межфазовой границе происходит перераспределение электронной плотности таким образом, что в зависимости от индивидуальных особенностей металла и среды металлическая поверхность приобретает либо положительный, либо отрицательный заряд.
Это определяет активность в коррозионных процессах. На фазовых границах изменяется энергетический спектр электронов поверхности. Это приводит к изменению РВЭ металл/среда, что отражается на способности металлов сопротивлению коррозии [32].
При выборе антифрикционных материалов для узлов трения решающую роль играет их совместимость, т. е. низкая склонность к схватыванию. Предельная нагрузка на исследуемую пару трения, при которой развивается интенсивный адгезионный износ, скачкообразно возрастает температура в зоне трения и в свою очередь коэффициент трения. Что служит объективным критерием исследований износостойкости сопряжения и целесообразности использования тех или иных антифрикционных материалов в экстремальных условиях эксплуатации.
В связи с этим представляет интерес установление аналитической зависимости износа газотермических покрытий от усилия схватывания, коэффициентов трения, когезионной прочности и пористости покрытий и ее сопоставление с аналогичными экспериментальными результатами.
При адгезионном взаимодействии пар трения на общие потери массы сопряженных деталей влияют взаимосвязанные процессы, протекающие с различной интенсивностью вследствие существенных различий в механизмах накопления повреждений и образования продуктов изнашивания. Изучение рельефа поверхностей износа при адгезионном взаимодействии трущихся деталей, одна из которых имела плазменное покрытие, показывает, что отделение продуктов изнашивания с поверхности газотермического покрытия может происходить в результате [94]: - динамического внедрения сравнительно крупных незакрепленных твердых частиц, ранее отделившихся от изнашиваемой поверхности путем среза неровностей, хрупкого выкрашивания частиц покрытия и адгезионного вырывания более значительных объемов материала; - царапающего (абразивного) воздействия грубых выступов — наростов, возникших на поверхности контртела в результате переноса и приваривания к нему частиц плазменного покрытия; - схватывания (заедания) и глубинного вырывания сравнительно крупных частиц с поверхностей трения.
Образование продуктов изнашивания за счет глубинного вырывания при развитом схватывании поверхностей трения следует связывать с особенностями трещинообразования в тонком поверхностном слое плазменно-напыленных покрытий.
Особенность структуры неоправленных плазменных покрытий состоит в том, что напыленный слой пористый и состоит из совокупности сильно деформированных чечевицеобразных частиц. Сцепление частиц друг с другом характеризуется при этом когезионной прочностью ак. Несмотря на ограниченность в настоящей работе опытной информации предположения соответствуют условиям (3.16-3.25), которые находят своё отражение в работах [69, 70, 98].
Поскольку прочность тела напыленных частиц превышает прочность границ, то когезионная прочность характеризует прочность границ, т. е. уч (аг=ак) (3.16) Учитывая это, можно полагать, что продукты изнашивания плазменного покрытия при схватывании и последующем глубинном вырывании будут представлять собой одну или несколько напыленных частиц, отделившихся от поверхности слоя по границам зерен. Важно отметить, что отрыв частиц с поверхности напыленного покрытия возможен при условии ЬП к (3.17) где ЪП — предел прочности при растяжении материала подшипника. Схема трибосопряжения плазменно-напыленного вала с опорой приведена на рис. 1. При выполнении условий (3.16) и (3.17) с поверхностей трения в очаге схватывания могут быть вырваны объемы 3 и 4 (рис. 3.46).
При этом с напыленного вала может быть удалена отдельная напыленная частица диаметром d3 и толщиной ч. Для отделения этой частицы от изнашиваемой поверхности необходимо, чтобы площадь локального очага схватывания к моменту отрыва оказалась сопоставимой с площадью свободной поверхности рассматриваемой частицы, начальная трещина длиной 2l0 выросла до критической длины 2lкр, сопоставимой с диаметром частицы d3, а раскрытие трещины достигло критической величины к . Очевидно, что при отсутствии пластического течения тонкого поверхностного слоя плазменного покрытия скорость роста площади локального очага схватывания должна быть равной скорости раскрытия трещины от исходной до критической величины.