Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Неудовлетворительная износостойкость конструкционных материалов при динамическом воздействии кавитирующих потоков является серьёзным препятствием на пути развития техники. На водном транспорте изнашиванию при кавитации чаще всего подвергаются элементы движителей судов – лопасти гребных винтов (ГВ), внутренние пояса направляющих насадок – и втулки цилиндров (ВЦ) судовых дизелей. Очаги кавитационного износа появляются на лопастях ГВ каждого четвёртого морского транспортного судна, а на внутренних поясах направляющих насадок ГВ судов внутреннего плавания обнаруживаются почти при каждом очередном освидетельствовании судна. Очаги кавитационного износа на водохлаждаемых поверхностях ВЦ появляются чаще всего у высокооборотных дизелей, при этом ресурс ВЦ по допустимой глубине очагов кавитационного износа на водоохлаждаемой поверхности примерно в четыре раза меньше ресурса по изнашиванию поверхности трения.
Очевидно, что надёжное прогнозирование долговечности деталей судового оборудования, подверженного кавитационному изнашиванию, позволило бы обосновано планировать объём ремонтных работ. Однако существующие в настоящее время немногочисленные методики прогнозирования кавитационного износа различного оборудования не позволяют осуществить надёжное прогнозирование его долговечности.
Объект исследования – кавитационное изнашивание материалов и оборудования.
Предмет исследования – прогнозирование долговечности элементов судовых движителей и ВЦ дизелей при кавитационном изнашивании.
Цель работы – разработка методик прогнозирования долговечности внутреннего пояса направляющих насадок ГВ и ВЦ судовых дизелей при кавитационном изнашивании.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести анализ характера и кинетики кавитационного изнашивания судового оборудования.
2. Выбрать экспериментальную установку и исследовать особенности проведения экспериментов на ней.
3. Исследовать влияние масштабного фактора на процесс кавитационного изнашивания.
4. Исследовать закономерности пластического деформирования металлических материалов в инкубационный период изнашивания, т.е. период, когда унос материала с поверхности ещё отсутствует.
5. Обосновать применимость гипотезы линейного суммирования повреждений для оценки продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания металлических материалов.
Методы исследования. Основные результаты работы получены испытаниями материалов на магнитострикционном вибраторе (МСВ), процессы пластической деформации поверхности при кавитационном воздействии исследовались методами микротвёрдости, анализ экспериментальных результатов проводился с использованием основных положений теории пластичности и механики разрушения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлены зависимости инкубационного периода и кавитационного износа от площади очага кавитационного износа при испытаниях на МСВ;
получены закономерности пластической деформации металлов в инкубационный период кавитационного изнашивания;
уточнена зависимость коэффициента жёсткости напряжённого состояния поверхности сталей от их твёрдости;
установлены закономерности изменения коэффициента жёсткости напряжённого состояния поверхности сталей и размеров частиц износа в зависимости от интенсивности кавитационного воздействия;
разработаны методики прогнозирования долговечности внутреннего пояса направляющих насадок ГВ при кавитационном изнашивании с учётом нерегулярности кавитационного воздействия и долговечности ВЦ судовых дизелей при вибрационной кавитации.
Личный вклад автора. При активном участии автора сформулированы основные цели и задачи исследований и разработаны методики проведения экспериментов, лично автором проведены испытания на кавитационное изнашивание, при непосредственном участии автора выполнены анализ и обобщение результатов экспериментов и разработаны методики прогнозирования долговечности судового оборудования при кавитационном воздействии.
Практическая ценность. Методики прогнозирования долговечности внутренних поясов направляющих насадок ГВ и ВЦ судовых дизелей при кавитационном изнашивании могут быть использованы при планировании объёма ремонтных работ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах и конференциях: семинаре «Трибология и надёжность» (ЛМЗ-ВТУЗ, 2003 г.), Международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта» (СПГУВК, 2003 г.), Научно-практической конференции студентов и аспирантов (СПГУВК, 2004 г.), Научно-методической конференции «Надёжность судовых технических средств, конструкционных материалов и покрытий», посвященной 70-летию Судомеханического факультета (СПГУВК, 2008 г.), а также ежегодно на заседаниях кафедры технологии материалов и материаловедения и кафедры технологии судоремонта СПГУВК.
На защиту выносятся:
зависимости параметров кавитационного изнашивания от площади очага кавитационного износа при испытаниях на МСВ;
закономерности пластической деформации металлов в инкубационный период кавитационного изнашивания;
закономерности изменения коэффициента жёсткости напряжённого состояния поверхности стали, её пластичности и размеров частиц износа в зависимости от интенсивности кавитационного воздействия;
методика прогнозирования долговечности внутреннего пояса направляющих насадок ГВ судов при кавитационном изнашивании с учётом нерегулярности кавитационного воздействия;
методика прогнозирования долговечности ВЦ судовых дизелей при кавитационном изнашивании.
Реализация работы. Методика прогнозирования долговечности направляющих насадок ГВ рекомендована к использованию в ОАО «Инженерный Центр Судостроения» и в Северо-Западном филиале Российского Речного Регистра. Результаты диссертационной работы реализованы также в учебном процессе при подготовке морских инженеров в СПГУВК.
Публикации. По результатам работы опубликовано 6 работ, из них 4 статьи опубликованы в изданиях, входящих в список, рекомендованный ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 103 наименования отечественных и зарубежных источников. Диссертация содержит 187 страниц, включая текст, 41 рисунок и 11 таблиц, а также 16 страниц приложений.
