Підвищення зносостійкості трибосполучення "циліндр-кільце-поршень" форсованих двигунів електрофізичними методами зміцнення поверхні - Автореферат

Довговічність ЦПГ забезпечується гальванічним хромовим покриттям на робочій поверхні поршневих кілець, але дотепер не вирішено завдання із забезпечення надійності покриттів і не проаналізовано дані про вплив експлуатаційних чинників на довговічність покриття. Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі завдання: - установити причини випадків катастрофічного зношування поршневих кілець у термонапружених форсованих двигунах; розробити технології напилення плазмових покриттів і фінішного зміцнення поверхні поршневих кілець іонним бомбардуванням і лазерним опроміненням та встановити закономірності їх впливу на структурно-фазовий склад поверхонь тертя; Наукова новизна отриманих результатів полягає у такому: - установлено причини випадків катастрофічного зношування поршневих кілець в умовах підвищених температур і тисків форсованих двигунів - високий рівень напружень у хромових покриттях, який зумовлює зміну механізму тертя на фрагментарне викришування, низька здатність акумулювати мастило та низька термостійкість. уперше вивчено вплив покриттів на епюру радіальних тисків кільця і розроблено спосіб урахування цього впливу додатковою корекцією епюри при розрахунку заготівки поршневого кільця з плазмовим покриттям (пат.У першому розділі на підставі аналізу літературних джерел виділено: сучасні тенденції досліджень механізмів тертя і зношування в умовах високих контактних навантажень; статистичні дані про зношування сполучень "поршень-кільце-циліндр"; результати досліджень з виявлення основних чинників зношування; аналіз впливу форсування ДВЗ на зношування деталей ЦПГ, а також аналіз сучасного стану технологій поверхневого зміцнення. Це приводить до підвищення температури верхнього кільця (зі 150...200 до 250...300 ОС), та його мастильного голодування і зростання швидкості його зносу (з 15...20 до 40...50 мкм/тис. мотогодин), підвищення зносу кільця по торцях, канавки поршня і гільзи циліндра, а також до випадків руйнування хромових покриттів. Показано, що для підвищення триботехнічних характеристик сполучення "циліндр-кільце-поршень" перспективним є створення комплексної технології поверхневого зміцнення поршневих кілець - нанесенням зносостійких, термостійких і мастилоємних плазмових покриттів і фінішним поверхневим зміцненням всіх поверхонь тертя готового кільця іонним азотуванням або лазерним опроміненням. Виявлено, що поверхня зносу хрому на кільцях термонапруженого двигуна покрита мікротріщинами і деколи має сліди припалювання з макротріщинами, поперечними до напрямку руху кільця Під час визначення зносостійкості хромових покриттів на машині тертя було зафіксовано точки зламу на кривих залежності інтенсивності зношування від питомого навантаження (рис. Моделювання припалювання хромового покриття на машині тертя показало, що мікротвердість хрому зменшується з 10,5 ГПА на глибині 80 мкм до 6,5 ГПА на поверхні тертя (на кільці у двигуні - з 10,5 на глибині 140 мкм до 4,5 на поверхні), що дозволило таким чином пояснити роль недостатньої термостійкості хрому у високій інтенсивності зношування покриття.Форсування ДВЗ приводить до зростання температури верхнього кільця (зі 150...200 до 250...300 ОС), його мастильного голодування і збільшення швидкості його зносу (з 15...20 до 40...50 мкм/тис. мотогодин), підвищення зносу кільця по торцях, канавки поршня і гільзи циліндра, а також до випадків руйнування хромових покриттів. Дослідженнями встановлено, що причинами випадків виходу з ладу трибосполучення циліндр-кільце-поршнень є різке підвищення швидкості зношування і припалювання серійних хромових покриттів при підвищенні температури і тиску. Доведено необхідність підвищення зносостійкості цього трибосполучення форсованих двигунів розробленням комплексного способу формування модифікованих шарів шляхом нанесення зносостійких плазмових мастилоємних покриттів на робочу поверхню і фінішним зміцненням усіх поверхонь кільця іонним азотуванням або лазерним опроміненням. Досліджено структуру, напружений стан, зносостійкість і термостійкість гальванічних хромових покриттів і ступінь їх впливу на процеси тертя та зношування. Проведені дослідження дозволили визначити такі причини зниження зносостійкості деталей ЦПГ при форсуванні двигунів: силові і дифузійні навантаження викликають у хромових покриттях високий рівень напружень, які перевершують межу міцності хрому і зумовлюють зміну механізму тертя на фрагментарне викришування; низька здатність хрому акумулювати мастило і високі термічні навантаження перевищують термостійкість хромового покриття і знижують його твердість.

1. Основний зміст роботи

1. Проаналізовано вплив форсування двигунів на зносостійкість ЦПГ. Форсування ДВЗ приводить до зростання температури верхнього кільця (зі 150...200 до 250...300 ОС), його мастильного голодування і збільшення швидкості його зносу (з 15...20 до 40...50 мкм/тис. мотогодин), підвищення зносу кільця по торцях, канавки поршня і гільзи циліндра, а також до випадків руйнування хромових покриттів. Дослідженнями встановлено, що причинами випадків виходу з ладу трибосполучення циліндр-кільце-поршнень є різке підвищення швидкості зношування і припалювання серійних хромових покриттів при підвищенні температури і тиску. Доведено необхідність підвищення зносостійкості цього трибосполучення форсованих двигунів розробленням комплексного способу формування модифікованих шарів шляхом нанесення зносостійких плазмових мастилоємних покриттів на робочу поверхню і фінішним зміцненням усіх поверхонь кільця іонним азотуванням або лазерним опроміненням.

2. Досліджено структуру, напружений стан, зносостійкість і термостійкість гальванічних хромових покриттів і ступінь їх впливу на процеси тертя та зношування. У форсованих двигунах виявлено утворення між поверхневим шаром аморфного хрому і глибинним шаром полікристалічного хрому нових фаз вторинних структур тертя - карбіду хрому Cr7C3 і оксиду хрому Cr2O3, які є причиною виникнення внутрішніх напружень і мікророзтріскування хромового покриття. Виявлено припалювання покриття під дією термічних навантажень, обумовлених підвищенням температури у камері згоряння, що супроводжується макророзтріскуванням хрому і зниженням його твердості на певну глибину. Проведені дослідження дозволили визначити такі причини зниження зносостійкості деталей ЦПГ при форсуванні двигунів: силові і дифузійні навантаження викликають у хромових покриттях високий рівень напружень, які перевершують межу міцності хрому і зумовлюють зміну механізму тертя на фрагментарне викришування; низька здатність хрому акумулювати мастило і високі термічні навантаження перевищують термостійкість хромового покриття і знижують його твердість. Альтернативою хромовим покриттям у форсованих двигунах можуть стати пористі мастилоємні плазмові покриття, позбавлені цих недоліків.

3. На підставі експериментальних досліджень і стендових випробувань двигунів установлено взаємозвязок структури, фізико-механічних властивостей і напруженого стану із зносостійкістю плазмових покриттів. Для досліджень застосовано структурно-енергетичну модель зношування за критерієм схоплювання покриття. Показано перевагу процесу зношування кілець незакріпленими твердими частинками, що призводить до кореляції із Рсх-1/2, і проведено експериментальне визначення тиску схоплювання для серійних гальванічних хромових та дослідних плазмових покриттів. Дослідженнями підтверджено положення структурно-енергетичної моделі - зносостійкість покриттів за однакового виду зносу залежить не тільки від твердості матеріалу, але й від структури покриття. Установлено, що тільки для покриттів одного типу структури спостерігається кореляція між величиною зносу і твердістю. Зносостійкість покриттів збільшується із збільшенням їхньої твердості Hn, але показник ступеню при цьому різний для різних діапазонів твердості.

4. За результатами проведених досліджень розроблено плазмові покриття складу Fe-Ni-Cr, які забезпечують рівень зносостійкості, вищий за рівень гальванічного хрому при неперевершеності рівня зносу гільзи циліндра. Експериментальними дослідженнями підтверджено правильність структурно-енергетичного підходу до оптимізації складу молібденового дисперсно-армованого покриття як за термічними внутрішніми напруженнями, так і за законом Халла-Петча, а випробуваннями у двигуні при абразивному зношуванні доведено працездатність розроблених плазмових покриттів складу Mo-Al2O3.

5. Розроблено технології триботехнічного зміцнення поверхні компресійних поршневих кілець, здатних працювати у термонапружених форсованих двигунах: технологію плазмового напилення зносостійких покриттів на робочу поверхню кільця і фінішні технології зміцнення та захисту торцевих поверхонь кільця іонним бомбардуванням і лазерним гартуванням. Теоретичними і експериментальними дослідженнями встановлено вплив плазмових покриттів і способів зміцнення поверхні поршневих кілець на їх експлуатаційні характеристики і розроблено спосіб корекції епюри радіальних тисків при виготовленні кілець для урахування цього впливу (пат. № 37750). Розроблені технології дозволяють впровадити їх у виробництво поршневих кілець без погіршання закріплених документацією експлуатаційних властивостей кілець.

6. Установлено, що розроблена технологія іонного азотування молібденового покриття збільшує його зносостійкість до рівня гальванічного хрому і дозволяє одночасно зміцнювати чавунні торцеві поверхні кільця. Результати досліджень на машині тертя і у двигуні показують, що фінішне іонне азотування кільця з молібденовим покриттям за рахунок підвищення твердості робочої і торцевих поверхонь збільшує зносостійкість трибосполучення "циліндр-кільце-поршень" на 25…30 %. Випробуваннями двигунів установлено, що застосування лазерного опромінювання чавунних кілець за розробленою технологією зменшує зношування цього трибосполучення на 22…37 %, а лазерне опромінювання молібденового покриття верхнього компресійного кільця зменшує його зношування на 30 % і доводить його до рівня зношування гальванічного хрому.

7. Узагальнено результати досліджень та розроблено практичні рекомендації щодо формування зносостійких поверхневих шарів поршневих кілець ЦПГ форсованих двигунів електрофізичними методами. Екологічна і техніко-економічна оцінка описаних у дисертації технологій триботехнічного зміцнення поршневих кілець проведена в умовах діючого серійного виробництва поршневих кілець. Оптимальною за собівартістю для поршневих кілець термонапружених форсованих двигунів можна вважати технологію плазмового напилення молібденового покриття на робочу поверхню кільця і фінішного іонного азотування всього кільця, яку впроваджено у виробництво поршневих кілець на підприємстві НВП "Проммаштранс". Розроблені технології зміцнення кілець лазерним опромінюванням і технології підвищення корозійної стійкості сталевих кілець електрофізичним оксидуванням прийняті для подальшого впровадження. За результатами досліджень отримано патент України і випущено методичні вказівки для курсу "Триботехніка" в Одеській національній академії харчових технологій. поршневий форсований двигун зносостійкість

1. Соколов О. Д. Властивості і застосування хромових покриттів, отриманих різними методами / О. Д. Соколов, О. В. Маннапова, А. І. Костржицький // Проблеми техніки. - 2005. - № 3. - С. 110-128.

2. Соколов О. Д. Вплив твердості покриттів на їх зносостійкість / О. Д. Соколов, І. І. Шофул, О. В. Маннапова // Проблеми техніки. - 2005. - № 3. - С. 104-109.

3. Соколов О. Д. Підвищення зносостійкості сірого чавуну іонним азотуванням / О. Д. Соколов, О. В. Маннапова // Проблеми техніки. - 2006. - № 2. - С. 46-53.

4. Маннапова О. В. Підвищення трибологічних характеристик нехромованої поверхні поршневих кілець дизельних двигунів / О. В. Маннапова, О. Д. Соколов, В. І. Твердохліб // Проблеми техніки. - 2006. - № 4. - С. 39-47.

5. Підвищення корозійної тривкості сірого чавуну іонним азотуванням / О. Д. Соколов, О. В. Маннапова, А. І. Костржицький, А. П. Олік // ФХММ. - 2006. - № 6. - С. 116-118.

6. Соколов О. Д. Зміцнення чавунних деталей обладнання для виробництва хлібопродуктів азотуванням у тліючому розряді / О. Д. Соколов, О. В. Маннапова // Наукові праці ОНАХТ. - Одеса, 2006. - Вип. 29, Т. 2. - С. 211-214.

7. Соколов О. Д. Дослідження молекулярного і абразивного зношування плазмових покриттів / О. Д. Соколов, А. П. Олік, О. В. Маннапова // Аграрний вісник Причорноморя. Технічні науки. - 2006. - Вип. 34. - С. 103-109.

8. Підвищення довговічності сполучення "кільце-поршень" електрофізичними видами обробки / О. В. Маннапова, О. Д. Соколов, А. П. Олік [та ін.] // Аграрний вісник Причорноморя. Технічні науки. - 2007. - Вип. 40. - С. 144-154.

9. Маннапова О. В. Трибологічна оптимізація складу металевих плазмових покриттів / О. В. Маннапова, О. Д. Соколов, А. І. Костржицький // Проблеми техніки. - 2007. - № 1. - С. 21-29.

10. Маннапова О. В. Фізико-хімічні властивості оксидних плівок на сталі, отриманих іонним бомбардуванням / О. В. Маннапова, О. Д. Соколов, А. І. Костржицький // ФХТТ. - 2007. - Т. 8, № 4. - С. 809-813.

11. Зносотривкість лазерно опромінених поверхонь поршневих кілець /О. В. Маннапова, О. Д. Соколов, А. П. Олік [та ін.] // ФХММ. - 2008. - Т. 44, № 2. - С. 120-122.

12. Соколов О. Д. Особливості зношування хромових покриттів поршневих кілець у термонапружених двигунах / О. Д. Соколов, О. В. Маннапова // Проблеми тертя та зношування: Наук.-техн. зб.- К.: НАУ, 2008. - Вип. 49, Т. 1. - С. 248-257.

13. Поршневі кільця для форсованих дизельних ДВЗ з додатковою корекцією епюри тисків / О. Д. Соколов, О. В. Маннапова, В. П. Молдаванов, В. І. Твердохліб // ДВЗ. - 2008. - № 1. - С. 124-132.

14. Соколов О. Д. Дослідження зносостійкості поршневих кілець термонапружених двигунів після фінішного іонного азотування / О. Д. Соколов, О. В.Маннапова, В. І. Твердохліб // Проблеми трибології. - 2008. - № 3. - С. 57-60.

15. Техніко-економічна оцінка триботехнічних технологій / О. Д. Соколов, О. В.Маннапова, Ю. М. Голованов [та ін.] // Проблеми тертя та зношування: Наук.-техн. зб. - К.: НАУ, 2008. - Вип. 50. - С. 194-201.

16. Техніко-економічні показники сучасних екологічних технологій поверхневого зміцнення / О. Д. Соколов, О. В. Маннапова, Ю. М. Голованов [та ін.] // Наукові праці ОНАХТ. - Одеса, 2008. - Вип. 33. - С. 114-118.

17. Вплив покриття електрофізичними методами на зносотривкість торців поршневих кілець / О. В. Маннапова, О. Д. Соколов, А. П. Олік [та ін.] // ФХММ. - 2008. - Т. 44, № 5. - С. 120-122.

18. Патент України № 37750, МПК F02F 5/00. Поршневе кільце / О.Д. Соколов, О.В. Маннапова, В.П. Молдаванов, В.І. Твердохліб (Україна). - № u200807726; Заявл. 06.06.2008; Опубл. 10.12.2008. Бюл. № 23. - 4 с.

19. Соколов О. Д. Зносостійкість плазмових покриттів складу Fe-Cr-Ni / О. Д. Соколов, О. В. Маннапова, А. І. Костржицький // Композиционные материалы в промышленности: Материалы 26-й ежегодной научно-практической конференции с международным участием (29 мая - 2 июня 2006, г. Ялта). - К.: УИЦ "НТТ", 2006, С. 204 - 206.

20. Розробка технології оксидування поверхні поршневих кілець дизельних двигунів / О. В. Маннапова, О. Д. Соколов, А. І. Костржицький, В. І. Твердохліб // В сб.: Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях: материалы Седьмой ежегодной международной промышленной конференции (12 - 16 февраля 2007 г., п.Славское, Карпаты.) - К.: УИЦ "Нтт", 2007. - С. 141-144.

21. Маннапова О. В. Захист поверхні поршневих кілець електрофізичним і хімічним оксидуванням / О. В. Маннапова, О. Д. Соколов, А. І. Костржицький // Материалы ІІ Междунар. научн.-практ. конф. "Современные научные достижения - 2007". Том 7. - Технические науки - г. Днепропетровск: Наука и образование, 2007. - С. 6-10.

22. Маннапова О. В. Фізико-хімічні властивості оксидних плівок на сталі, отриманих іонним бомбардуванням / О. В. Маннапова, О. Д. Соколов, А. І. Костржицький // Materials of XI International Conference "Physics and Technology of Thin Films and Nanosystems" ICPTTFN-XI (7 - 12. 05.2007, Івано-Франківськ, Україна). - Івано-Франківськ: ВДВ ЦІТ Прикарпатського національного університету ім. Василя Стефаника, 2007. - Том 2. - С. 114-115.

23. Підвищення зносостійкості чавуну і покриву поршневих кілець лазерним опромінюванням / О.В. Маннапова, О. Д. Соколов, А. І. Костржицький, В. І. Твердохліб // Композиционные материалы в промышленности: Материалы 27-й международной конференции. 28 мая - 1 июня 2007, г. Ялта - Киев: УИЦ "НТТ", 2007. - С. 353-356.

24. Зміцнення торців поршневих кілець електроіскровим легуванням і катодноіонним бомбардуванням / О. В. Маннапова, О. Д. Соколов, В. І. Твердохліб, А. І. Костржицький // Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики: Материалы Пятнадцатой Юбилейной международной конференции. 1 - 5 октября 2007, г. Ялта. - Киев: УИЦ "НТТ", 2007. - С. 314-316.

25. Підвищення корозійної тривкості вуглецевої сталі іонним бомбардуванням / О. В. Маннапова, О. Д. Соколов, А. І. Костржицький, В. І. Твердохліб // В сб.: Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях. Материалы Восьмой ежегодной международной Промышленной конференции (11 - 15 февраля 2008 г., п. Славское, Карпаты.). - К.: УИЦ "Нтт", 2008. - С. 353-357.

26. Маннапова О. В. Порівняльний еколого-економічний аналіз триботехнічних технологій / О. В. Маннапова // Збірник наукових праць молодих учених, аспірантів та студентів. - Одеса: ОНАХТ, 2008. - С. 151-153.

27. Особистий внесок здобувача в публікаціях: у працях [1; 15; 16] - обробка та аналіз літературних і статистичних даних; у працях [2; 3; 4; 7; 9; 11; 12; 14; 17; 21; 22] - проведення випробувань на тертя та зношування та металографічних досліджень; у працях [6; 8; 19] - нанесення плазмових покриттів, іонна обробка і лазерне опромінювання, проведення випробувань, обробка результатів, виконання металографічних досліджень та формулювання висновків; у працях [5; 10; 18; 20; 23; 24] - проведення електрохімічних досліджень і корозійних випробувань; у працях [2; 12; 13; 17] - проведення розрахунків напруженого стану покриттів та їх впливу на епюру радіальних тисків поршневого кільця та обробка результатів.

Размещено на .ru