автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Исследование и совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов судовых дизелей плазменным напылением проволокой из марганцовистой стали

Введение

Глава

1 .Состояние вопроса по восстановлению шеек коленчатых валов 11 судовых дизелей

1.1 Анализ повреждений шеек коленчатых валов судовых дизелей

1.2 Обоснование и выбор способа восстановления шеек 22 коленчатых валов судовых дизелей

1 .ЗТеория формирования зоны соединения покрытия и основы, и 29 некоторые аспекты параметров, определяющих качество плазменного напыления

1.4 Анализ свойств покрытий, определяющих износостойкость 38 плазменных покрытий

1.5 Технологические характеристики плазменного напыления

1.6 Цель и постановка задач исследований

Глава

2. Выбор материалов для напыления и методики исследования 46 свойств покрытий

2.1 Выбор материалов покрытия

2.2 Методики исследований 54 2.3Выводы

Глава

3. Решение задачи оптимизации процесса напыления шеек 57 коленчатых валов судовых дизелей методом планирования эксперимента

3.1 Выбор параметров напыления и построение математической модели

3.2 Матрица планирования эксперимента

3.3 Методики проведения исследований 69 3.3.1 Определение адгезионной прочности плазменного покрытия 3.3.2 Определение твердости плазменного покрытия

3.3.3 Определение пористости плазменного покрытия

3.3.4 Определение плотности плазменного покрытия

3.3.5 Определение ударной вязкости

3.3.6 Испытания плазменных покрытий на износостойкость

3.3.7 Определение когезии плазменного покрытия

3.4 Обработка экспериментальных данных с применением 88 регрессионного анализа ф 3.5 Анализ полученных данных и проверка адекватности моделей

3.6 Выводы

Глава

Ш 4. Оценка экономической эффективности метода плазменного 97 напыления, на примере восстановления шейки коленчатого вала судового дизеля (8NVD48-U)

4.1 Расчет экономии средств на материалы

4.2 Расчет экономии средств восстановления шейки коленчатого 98 вала методом плазменного напыления

4.3 Годовой экономический эффект

4.4 Выводы

Задача повышения эффективности использования судов является основной в деятельности предприятия водного транспорта. Решение ее непрерывно связано с увеличением периода работы судна в навигацию путем времени простоя на техническое обслуживание и ремонт.

Значительная часть простоев судов в ремонте вызвана устранением отказов валовой группы дизелей. Так, по данным эксплуатации судов пр. 1577, 1575, 507 в Волго - Каспийском бассейне преждевременно выходят из строя почти 40% подшипников коленчатого вала двигателей NVD-36, NVD-48.

Также часто в период эксплуатации судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) возникают нарушения не только подшипников, но и в работоспособности сопряжений «шейка коленчатого вала - подшипники», которые происходят по различным причинам.

Это и не выполнение требований эксплуатации СДВС, конструктивные дефекты, нарушение технологии изготовления и т.д.

Все это в более выразительной форме проявляется при ремонтах СДВС, когда чаще всего допускаются всякого рода вольности, отклонения, когда зачастую отсутствует необходимая технологическая документация.

Результатом нарушений работы подшипниковых сопряжений являются задиры шеек коленчатых валов (рисунок 1), повреждения или провороты вкладышей. Это характерно для коленчатых валов всех отечественных и большинства зарубежных СДВС.

В данной работе рассматриваются основные дефекты коленчатых валов (материал сталь 45 - основной материал отечественных коленчатых валов), изменение их параметров и характеристик, а также возможности восстановления коленчатого вала.

Существующие на сегодняшний день технологии по восстановлению коленчатых валов, к сожалению не всегда оправдывают себя, т.к часто являются не эффективными.

Рисунок 1 Шейка коленчатого вала двигателя 8 NVD-48AU с задиром

Поэтому проблема выбора технологии восстановления шеек коленчатых валов, которая бы являлась оптимальной по различным направлениям (экономичности, технологичности, качеству и т.д.) является актуальной и на сегодняшний день.

Изучая различные работы, сопоставляя их и анализируя каждый подход, направленный на улучшение качества восстановления шеек коленчатых валов, автором было выявлено, что существует распространенная точка зрения и некоторые специалисты считают, что никаких сложностей по устранению, например, при часто встречающемся дефекте шейки - задире, не существует, следует лишь прошлифовать такой вал, так зачастую и делают (лишь бы «удалось»), и все его параметры восстановятся. На самом деле это не так. По данному направлению большой вклад внесли работы С.К. Буравцева [15], который установил, что данная технологическая операция себя не оправдывает по различным причинам: а) ресурс такого коленчатого вала ниже нового; б) иногда к некоторым коленчатым валам трудно подобрать необходимые вкладыши на очередной ремонтный размер и т.д, и т.п.

Применяемые технологии восстановления и возможность получения номинального размера шеек коленчатого вала, со свойствами новых, а зачастую и превышающие их, на сегодняшний день весьма разнообразен. Это и наплавка и напыление и т.д.

Но основным, по работам ведущих отечественных специалистов в этом направлении В.Б Хмелевской, Ю.С. Борисова, Н.В. Крагельского, П.Е. Дьяченко, Б.И. Костецкого, Н.А. Буше и т.д, а также организаций (ЦНИДИ, Невский ССРЗ, С.-Пб ГУВК и т.д.), наиболее рентабельным и экономичным является метод плазменного напыления. И основное направление по изучению, и усовершенствованию данной технологии сводится к подбору оптимальных материалов и режимов напыления.

Дополнительно хотелось бы отметить, что коленчатый вал деталь дорогостоящая и составляет примерно 10-15% от стоимости всего двигателя. Целесообразнее с точки зрения экономики восстановить работоспособность коленчатого вала, чем затрачивать денежные ресурсы на приобретение нового. Изучение по данному направлению (оптимизация процесса напыления при помощи различных параметров напыления) весьма широко велись в 80-х, в начале 90-х годов прошлого столетия. В последствии данное направление было ограниченным, можно сказать, что за последние 10-15 лет было приостановлено и проведено небольшое количество исследований, а так как за это время изменилась в стране не только экономическая ситуация, а также и производственная обстановка, то данное направление требует новых исследований.

Так, например, в работах Ю.Ф. Фролова, С.Н. Юрковой были предложены следующие порошки NiCrFeMo, нихром, FeCrMoB для восстановления шеек коленчатых валов.

На данный момент применение порошков как, перечисленных, так и других является экономически не целесообразным, а так как их неоднородная структура при напылении не позволяет получить желаемых свойств восстанавливаемой поверхности.

Из различных материалов наибольший интерес представляет марганцовистый материал - проволока из стали 65Г, которая нашла применение на Невском ССРЗ, но, к сожалению какой- либо научной или теоретической базы по применению данного материала на сегодняшний день не существует, поэтому автором работы предлагается подобрать наиболее оптимальный режим напыление, при помощи математического моделирования, разработать технологическую инструкцию по восстановлению коленчатых валов, судовых дизелей плазменным напылением, произвести натурные испытания, произвести технико-экономический расчет работы, внедрить данную технологию в производство

Из выше сказанного следует, что получение высококачественных плазмонапыленных покрытий с заранее заданными свойствами требует решение задач, к числу которых можно отнести комплексное исследование физико-химических и механических свойств покрытий во взаимосвязи их эксплутационных характеристик с технологическими режимами восстановления на основе математического моделирования процесса, устанавливающего четкую корреляцию между значениями технологических режимов напыления и свойствами покрытия, при учете конструктивных особенностей и общих закономерностей формирования покрытий. Это остается на сегодняшний день актуальной задачей.

Выводы:

1. На основании требований по повышению качества ремонта и анализа характера изнашивания шеек коленчатых валов судовых дизелей обоснована необходимость их восстановления плазменным напылением с применением стали 65 Г (ГОСТ 1071-81) по подслою ПГ-Ю5-Н (ТУ - 14-22-76-95).

2. Произведен выбор и оценка основных параметров процесса плазменного напыления, влияющих на восстановление шеек коленчатых валов судовых дизелей, впервые при помощи математического моделирования подобран наиболее оптимальный режим напыления, позволяющий повысить качество получаемых покрытий.

3. Усовершенствованный режим напыления позволил улучшить свойства покрытия, основными из которых, определяющих ее качество, являются: износостойкость покрытия (сталь -65Г), износ данного материала при работе с парой трения баббит Б83 в 1,5-2 раза меньше, чем у стандартной шейки вала (сталь 45), адгезионные свойства, которые удалось повысить с 15МПа до оптимизации процесса напыления до 20МПа, а также когезионный свойства покрытия, которые после оптимизации составили 37МПа.

4. Разработан технологический процесс восстановления шеек коленчатых валов (материал вала - сталь 45) судовых дизелей методом плазменного напыления (с применением стальной, марганцовистой проволоки 65Г) в виде технологической инструкции, которая была согласована с Астраханской инспекцией морского регистра судоходства РФ.

5. Произведен расчет годового экономического эффекта, который составил: Эобщ =ЭГ0Д+ЭГ0Д,=669960+35298,4 = 705258 руб.

6.Коленчатый вал, восстановленный согласно разработанной технологической инструкции прошел длительные эксплуатационные испытания. Акты прилагаются.

1. Абрамов О.В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле.- Изд-во «Металлургия», 1972.-280 с.

2. Агранат Б.А. Ультразвук в порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1996. -172с.

3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.-279с.

4. Бабад-Захряпин А.А. Дефекты покрытий. М.: Энергоатомиздат, 1987.-96с.

5. Баев А.С. Повышение сопротивление усталости установленных деталей судовых дизелей // Судоремонт флота рыбной промышленности 1986. -№ 62.

6. Баев Ю.В. Восстановление деталей судовых дизелей: Автореф. канд. техн. наук. JL: 1996.-256С.

7. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии.-М.: Машиностроение, 1986.-359с.

8. Баранов В.М., Кудрявцев Е.М. Диагностика материалов и конструкций. -М.: Энергомашиздат, 1999.-360с.

9. Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием плазменных покрытий.- М.: Машиностроение, 1990.-384с.

10. Бодуэн Ф.П. Трение и смазка твердых тел. М.: Машиностроение, 1968.-190с.

11. Борисов Ю.С. Газотремические покрытия из порошковых материалов. Киев: Наук, думка, 1987.-565с.

12. Борисов Ю.С. Получение и плазменное напыление композиций Ni-Cr // Порошковая металлургия.- 1980.- №3.

13. Ионная и лазерная имплантация металлических материалов. / -Быковский Ю.А. и др. М.: Энергоатомиздат, 1989.-217с.

14. Бычков Т.П. Исследование свойств покрытий с применением ультразвуковой обработки // Сборник научных трудов судостроение и судоремонт. -СПб.,2000.-С. 160.

15. Буше Н.А. Совместимость трущихся пар.- М.: Наука, 1979.-127с.

16. Верхотуров А.Д. Электродные материалы для электроискрового легирования. М.: Наука, 1988.-181с.

17. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов,- М.: Машиностроение, 1964.-275с.

18. Виноградов Г.В. , Подольский Ю.А. Использование машин с точечным контактом тел трения для оценки износов металла. Методы испытания на изнашивание. М.: АН СССР, 1962.

19. Володин В.И., Хмелевская В.Б. Напыление без пыли // Двигатель -2000- №4.

20. Ворошин Л.Г. Антикоррозионные диффузионные покрытия. Минск: Наука и техника, 1981. -296с.

21. Гамрат-Курек Л.И. Экономическое обоснование дипломных проектов. -М.: Высш. шк., 1985.-159с.

22. Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. М.: Энергоатомиздат, 1989.-312с.

23. Дорожкин Н.Н. Импульсные методы нанесения порошковых покрытий. Минск: Наука и техника, 1985.-92с.

24. Дресвин С.В. Тепловые и газодинамические параметры плазменной струи // В кн. «Вопросы физики низкотемпературной плазмы» -Минск, 1970.

25. Евдокимов Ю.А. Экзоэлектронная эмиссия при трении. М.: Наука, 1973.-228C.

26. Жаростойкие керамические покрытия // Тр. 13-го Всесоюзн. совещания по жаростойкости. 1990.- Вып.1.- С.20-21.

27. Жаростойкие неорганические покрытия. // Тр. 13-го Всесоюзн. совещания по жаростойкости. 1990.- Вып.2.- С. 18-19.

28. Жеенбаев Ж.Ж., Энгельшт B.C. Двухструйный плазматрон. Фрунзе: Илим,1983.

29. Защитные покрытия на металлах. Вып. 24. Киев: Наукова думка, 1990.

30. Зубрилов С.П. Сопоставление различных механизмов кавитации // Журнал «Физическая химия». 2000.T.XIV.-№9.- С. 1700 -1702.

31. Зубрилов С.П., Хмелевская В.Б. Влияние свойств газотермических покрытий на кавитационную стойкость поверхности узлов судовых деталей // Сборник научных трудов «Охрана окружающей среды на водном транспорте». 1988.- С.256.

32. Иванов Ю.С. Измерительно вычислительный комплекс дефектации, технологических остаточных напряжений // Технология машиностроения. -1995. №12.

33. Иванов Ю.С. Образцовое средство измерения остаточных напряжений «Ситон» // Тяжелое машиностроение. -1999. №8.

34. Иванов Ю.С. Патент 2113691 Р.Ф. Неразрушающий способ определения остаточных напряжений -1993.

35. Ионов С.Г. Плазменные установки ВНИИТИ Хабаровск:ВНИИТИ, 1983.

36. Б.С. Стефановский. Испытания двигателя внутреннего сгорания М.: Машиностроение, 1972.-3 67с.

37. Киперман Г.Я. Хозрасчет и показатели прибыли и дохода. М.: Финансы и статистика, 1991.- 127с.

38. Кондратьев Н.Н. Отказы и дефекты судовых дизелей.- М.: Транспорт, 1985.-152с.

39. Королев Ю.А., Столяров В.И. Восстановление фторидов тугоплавких металлов водородом. М.: Металлургия, 1981.С. 180.

40. Корчагин В.А. Повышение качества и оптимизация процесса плазменного напыления. Автореф. канд. тех. наук. М., 1999.- 18с.

41. Костецкий Б.И. Трение и износ в машинах. Киев: Техника, 1970.-395с.

42. Крагельский И.В. Развитие науки о трении. «Сухое трение». М.: АН СССР, 1977.-526с.

43. Криулин А.С. Газовое сульфиционирование. Сб. трудов ЛИВТа, JI.: 1972.С.166.

44. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. М.: Металлургия, 1992.-192с.

45. Кудинов В.В., Пекшев П.Ю. Нанесение покрытий плазмой. М.: Наука, 1990.-184с.

46. Кулик А.Я. Плазменное напыление деталей дизеля.- Киев: Наук, думка, 1981.

47. Кулик А.Я. Испытания усталостной прочности покрытий. // Труды ЦНИДИ, 1978.

48. Теория и технология азотирования./ Лахтин Ю.М., Коган Я.Д., Шнис Г.И., Бемер 3.-М.: Металлургия, 1991.-448с.

49. Михайлов В.И. Планирование эксперимента в судостроении. Л.: Судостроение, 1978.-159с.

50. Мовчан Б.А., Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия, осажденные вакууме. Киев: Наукова думка, 1983.-231с.

51. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных: Пер. с англ. -JL: Судостроение, 1980.-383с.

52. Морской регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов, 2001.

53. Никитин М.О., Кулик А.Я. Теплозащитные и износостойкие покрытия. -М.: Машиностроение, 1977.-290с.

54. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980.С.304.

55. Носач В.В. Решение задач аппроксимации с помощью персонального компьютера. -М.: Бином; МИКАП, 1994.-384с.

56. Панин В.Е. Проблемы физики и прочности твердых тел. // Изв. СОА НСССР.- 1987.- Вып. 3,- №11

57. Панин В.Е. Конструирование новых материалов и упрочняющих технологий. Новосибирск: Наука, 1986.-229с.

58. Пинягин С.В. Контактная прочность.-М.: Машиностроение, 1969.-243с.

59. Погадаев Л.И., Хмелевская В.Б. Изнашивание плазменных покрытий при трении скольжении // Проблемы машиностроения и надежности машин.- 1991.-№4.

60. Польцер А.С. Основы трения изнашивания М.: Машиностроение, 1984.-263с.

61. Райков И.Я. Испытание двигателей внутреннего сгорания М.: Высшая школа, 1975.-314с.

62. Ребиндер П.А. Смачивание. // Техническая энциклопедия Т. 21.

63. Справочник по инфракрасной технике в 4-х томах под редакцией У. Вольфа и Г. Цисиса: Пер. с англ. М.: Мир 2000.

64. Степанов М.Н. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. -М.: Наука, 1968.-232с.

65. Степанов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. -232с.

66. Тиссен И. Магмоплазменные процессы. М.: Иностранная литература, 1972.-401с.

67. Фляйшер Г.К. К связям между трением и износом. М.: Наука, 1966.-200с.

68. Фляйшер Г.К. Теоретические и прикладные задачи трения, износа. -М.: Наука, 1982.-170с.

69. Френкель Я.И. Введение в теорию металлов. Л.: Наука, 1972.-384с.

70. Фридман Я.Б., Гордеев Г.А. Строение и анализ изломов металлов.-М.: Наука, 1960.-554с.

71. X. Харт. Введение в измерительную технику / Пер. с нем. М.: Мир, 1999.-390с.

72. Хасуй К. Техника напыления М.: Иностранная литература, 1975.-288с.

73. Хмелевская В.Б. Методика выбора технологии восстановления деталей судовых дизелей // Судоремонт рыбной промышленности. -1986-№62.

74. Хмелевская В.Б., Абрамов Г.А. Всесторонний анализ минимальный износ // Двигатель. - 1999.-№3.

75. Хокинг М. Металлические и керамические покрытия. М.: Мир, 2001.-518с.

76. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка. JL: Машиностроение, 1961.-186с.

77. Чинчинадзе А.В. Моделирование трения и износа. М.: НИИМАШ, 1980.

78. ГОСТ 18295-72. Обработка упрочняющая. Термины и определения.-М.: Изд-во стандартов, 1972.-6с.

79. ГОСТ 20495-75. Упрочнение металлических изделий поверхностной химико-термической обработкой. Характеристики и свойства диффузионного слоя. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1975.

80. ГОСТ 27609-88. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Основные положения и требования к проведению и нормотивно-техническому обеспечению.- М.: Изд-во стандартов, 1988,-20с.

81. ГОСТ 11.004-74. Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения.- М.: Изд-во стандартов, 1974. -20с.

82. ГОСТ 10158-62. Валы коленчатые дизелей и газовых двигателей. Технические требования. М.: Изд-во стандартов, 1962.

83. ГОСТ 14760-69. Определение прочности сцепления покрытия. М.: Изд-во стандартов, 1969.

84. ОСТ 5.6610-83. Нанесение покрытий методом плазменного напыления.- М.: Изд-во стандартов, 1983.

85. РД 5.9910-91. Покрытия антифрикционные, износостойкие, коррозионностойкие, нанесение покрытий методом плазменного напыления.

86. Abba A., Galerie A., Caillet М. Oxid. Met. 1982.

87. Akzo N.V., Brit. Patent, 1, 511,109,1978.

88. British Standard 4761 (1971) "Sprayed unfused metal coatings for engineering purposes", Brit. Std. Inst., London.

89. Buck T.M. "Methods of Surface Analysis", Czanderna A. W. (Ed.), Elsevier, p.75,1975.

90. Burnatz P.J. Thin solid Tiems. 1987.

91. Cahn R.W. Maher Pus. Methods of Surfan Analysis. 1986

92. Christodolou G., Metals Technol., 1983.

93. Gerderman D.A., Hecht N.L. "Arc Plasma Technology in Materials Sci.", Springer-Verlag, NY, 1990.

94. Green D.R. et al. "Thermal Spray Testing", CME, Tech. Alert Room, London SW1E6RB, 1989.

95. Nicoll A.R. "Protective Coatings and Their Processing Thermal Spray", CEI Course on High Temperature Materials and Coatings, Finland, June, 1984.

96. Niku-Lari .A. "Advances in Surface Treatments", Pergamon, 1987.

97. Nomaki K. "Glass and Ceramics Metal Bonding", Ceramics Japan, 1980.

98. Odohira Т., et. al. Surface and Coatings Technol., 1987.99. "Plasma & Detonation Gun Techniques & Coating Properties", UCLA Course on Deposition Techniques & Application (Sept.), Tucker R.C., 1978.

99. Rhys-Jones T.N. "Proc. Of the Conf. UK Corrosion' 87", Brighton, 1987.

100. Padmanabhan K.R., Sorensen G. "Ion Implantation into Metals", Ashworth V., Grant W.A., Procter R.P.M., Pergamon Press 1982, p. 352,361.

101. Pendse A., Stringer J. "The influence of Alloy Microstructure on the Oxid Peg Morphologies in a Co -10%, Cr -11% A1 Alloy with and without Reactive Element Additions", Oxid. Met., 1985.

102. Perkins R.A. "Applications of Coatings in Advanced Technologies", EEC, Petten, 1982.

103. Perkins R. A., Vonk S.J. "Materials Problems in Fluidised Bed Combustion Systems", EPRI -FR-1280, EPRI, Palo Alto, Calif. 1979.

104. Sequeira C.A.C., Hocking M.G. "SO3 Gauge for Monitoring Acidity of Sulphate Melts", 2nd Portugese Congress on Chem. 1978.

105. Sequeira C.A.C., Hocking M.G. "Corrosion of Nimonic-105 in Na2S04 + NaCl Melts", Corrosion (NASE), 1981.

106. Scott K.T. "Plasma Sprayed Coatings", in "Surfaces and Surface Treatments", Morrell R., Nicholas M.G. (Eds.), Brit. Proc., No.34, Aug. 1984, p. 195.

107. Scott W. C. et al. "Non destructive Inspection of Thin Plasma-Sprayed Ceram. And Cement. Protective Coats for Coal Convers. Equipt." ORNL/TM -6210, 1968.

108. Strafford K.N. "High Temperature Corrosion of Alloys Containing Rare Earth or Refractory Elements: A Review of

109. Current Knowledge and Future Developments", in High Temp. Technol., p.307-318, 1983.

110. Terenteva V.S., Zhorov G.A. "Radiation Capacity of Si-Ti-Cr Plasma Coatings on Nb-base", Teplofiz. Vys. Temp., 1978. p. 299-303.