автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Формирование приработочных слоев биметаллических вкладышей дизелей тепловозов

Введение.

Глава 1 .Обобщение опыта оценки задиростойкости.

1.1.Известные методы определения задиростойкости.

1.2.Влияние различных факторов на образование задира в паре подшипник - вал.

1.2.1.Влияние основных режимов смазки при трении.

1.2.2.Влияние температуры.

1.2.3 .Влияние типа материалов.

1.2.4.Влияние состояния поверхности.

1.3.Возможные пути повышения задиростойкости подшипников коленчатых валов дизелей тепловозов.

1.3.1.Выбор материалов.

1.3.2.Изменение конструктивного оформления существующего подшипникового узла.

1.3.3.Выбор масел и присадок к ним.

1.3.4.Формирование приработочных слоев на поверхности трения.

1.4.Выводы по литературному обзору и цели исследования.

Глава 2. Анализ причин образования и особенностей задиров в подшипниках дизелей тепловозов.

2.1.Основные причины задира подшипников дизелей тепловозов.

2.2.Исследования случаев задира биметаллических вкладышей сталь-сплав А020-1 на дизелях типа Д49.

2.3.Исследования случаев задира биметаллических вкладышей сталь-сплав А020-1 на дизелях 10Д100.

2.4.Вывод ы.

Глава 3.Результаты проведенных испытаний и исследований.

3.1.Определение сопротивляемости задиру различных приработочных слоев сплава А020-1 методом скольжения шарового контакта по плоскости.

3.1.1 .Задачи исследования.

3.1.2.Методика испытаний.

3.1.3.Подготовка образцов к испытанию.

3.1.4.Результаты испытаний.

3.2.Исследование влияния на прирабатываемость и возникновение задира различных видов приработочных слоев поверхностей сталеалюминевых подшипников со сплавом А020

3.2.1.Изменение рельефа поверхности трения за счет травления в растворе щелочи.

3.2.2.Определение оптимального времени травления в щелочи.

3.2.3.Методика испытаний в условиях трения с одной каплей масла.

3.2.4.Результаты антифрикционных испытаний в условиях трения с одной каплей масла.

3.2.5.Методика проведения испытаний при ступенчатом нагружении пары трения и капельной подаче масла.

3.2.6.Результаты испытаний при ступенчатом нагружении пары трения и капельной подаче масла.

3.2.7.Влияние на характеристики прирабатываемости рельефа поверхности нанесенного вибронакатыванием.

3.2.8.Подготовка образцов к испытанию.

3.2.9.Результаты испытаний.

3.3.Оценка триботехнических свойств антифрикционных твердых полимерных покрытий, содержащих дисульфид молибдена.

3.3.1.Методика и используемые материалы лабораторных исследований для оценки антифрикционных свойств твердых смазочных покрытий, содержащих дисульфид молибдена.

3.3.2.Результаты испытаний твердых смазочных покрытий, содержащих дисульфид молибдена.

3.3.3.Методики определения сравнительной износостойкости покрытий АСП 7-1 и АСП 3-1.

3.3.4.Результаты определения сравнительной износостойкости покрытий АСП 7-1 и АСП 3-1.

3.4.Выводы.

Глава 4.Результаты внедрения методов повышения задиростойкости в подшипниках дизелей тепловозов.

4.1.Сокращенные режимы обкатки дизелей 12VFE17/24 при использовании вкладышей, обработанных в щелочи с покрытием ВНИИНП-212.

4.2.Результаты использования вкладышей, обработанных в щелочи с полимерными покрытиями, на Воронежском ТРЗ.

Подшипники коленчатых валов дизелей тепловозов различных серий изготавливаются с использованием баббита марки БК2 на бронзовой основе (дизели тепловозов 2ТЭ10, ТЭЗ и др.) и свинцовистой бронзы на стальном основании (дизели тепловозов 2ТЭ116, ТЭП60 и др.).

Бронзо-баббитовые подшипники обладают способностью быстро прирабатываться, и допускают при ремонте, большие погрешности в изготовлении и сборки шатунно-кривошипного механизма дизелей, по сравнению с подшипниками со свинцовистой бронзой. В тоже время мягкий баббит не обладает достаточной усталостной прочностью вследствие чего ресурс работы подшипников исчисляется от 200 до 400 тыс. км. пробега тепловоза.

Подшипники дизелей тепловозов со свинцовистой бронзой работают только при использовании мягкого свинцово-оловянного покрытия толщиной 0,03 мм., наносимого гальваническим способом. Ресурс их работы определяется износом мягкого покрытия, допускается обнажение свинцовистой бронзы не более 15%. В среднем износ за 100 тыс. км. пробега исчисляется 0,01 мм. Поэтому ресурс таких подшипников тоже редко превышает 400 тыс. км.

С целью повышения ресурса, возможности использования коленчатых валов без ограничения их твердости и перехода от индивидуального кустарного производства на массовое изготовление вкладышей штамповкой из биметаллической полосы, МПС было принято решение о переходе на биметаллические подшипники всех типов дизелей (указание МПС № Н-572у, от 26.06.1992 г.). Это решение состоялось в результате обобщения опыта массовой эксплуатации таких подшипников на двигателях 1 ОД 100 производства завода Малышева, а также двигателей М756, тепловозов ЧМЭ-3, венгерских дизельпоездов и др. По сравнению с бронзо-баббитовыми подшипниками их ресурс возрос до трех раз, по существу была достигнута безремонтная эксплуатация до капитального ремонта при пробеге свыше 1 млн. км. 6

Подшипники изготавливали из алюминиевого сплава А020-1, использование которого позволяет их эксплуатировать без нанесения слоя мягкого покрытия.

К настоящему времени дизели тепловозов с биметаллическими подшипниками, число которых составляет более 3,5 тыс., начали поступать в капитальный ремонт. При этом по сравнению с вновь изготавливаемыми дизелями снизилось качество изготавливаемых трущихся деталей и сборки узлов трения. В связи с этим участились случаи выхода из строя дизелей по задирам в подшипниковом узле. Каждый такой случай разбирался, определялись причины образования задиров и принимались меры для их устранения. Не вызывает сомнения, что необходимо заменить устаревшее технологическое оборудование, требующее больших капитальных вложений от ремонтных заводов. Другим возможным решением сложившейся проблемы является повышение способности сталеалюминиевых вкладышей прирабатываться и противостоять задирам.

С этой целью в настоящей работе рассмотрены способы формирования приработочных слоев на поверхности подшипников с учетом накопленного отечественного и зарубежного опыта. Проверена возможность повышения сопротивляемости задирам при использовании антифрикционного сплава А020-1 за счет создания различных типов микрорельефов на трущихся поверхностях и нанесения покрытий из полимерных композиций.

Общие выводы

Рассмотрен ряд способов формирования приработочных слоев на поверхности трения биметаллических вкладышей со сплавом А020-1 коленчатого вала тепловозных дизелей. На основании комплекса проведенных испытаний и исследований:

1. Доказана принципиальная возможность существенно повысить задиростойкость и прирабатываемость сплава А020-1 за счет создания на поверхности трения легко изнашиваемого пористого рельефа, состоящего из составляющих антифрикционного материала, который получается в результате травления алюминиевой матрицы в натриевой щелочи.

2. Определено, что обработка сплава А020-1 щелочью в 1,5-2 раза ускоряет приработку трущейся пары и на 40-90% увеличивает время до образования задира при испытаниях в паре с азотированной сталью. Такой эффект достигается за счет увеличения количества мягкой фазы на поверхности при растравливании алюминиевой матрицы. Установлены оптимальные режимы обработки сплава А020-1 щелочью.

3. Показано, что нанесение регулярного микрорельефа на поверхность сплава А020-1 улучшает прирабатываемость и существенно повышает задиростойкость. Дополнительное травление регулярного микрорельефа в щелочи на 10% снижает износ и коэффициент трения, и в 2 раза ускоряет процесс стабилизации трибосистемы.

4. Проведен выбор оптимальной марки полимерного приработочного покрытия для условий работы в дизелях тепловозов, которым оказалось - АСП 3-1, рекомендованное для применения в тяжело нагруженных подшипниках скольжения.

5. Установлено, что совместное применение обработки в щелочи и нанесение полимерного покрытия на 25% повышает нагрузку схватывания по сравнению с покрытием без такой предварительной обработки и в 4,6 раза сокращает число случаев образования задира на биметаллических

126 вкладышах тепловозных дизелей по сравнению с вкладышами не имеющими приработочного слоя.

6. Разработаны и утверждены в МПС инструкции по обработке биметаллических сталеалюминиевых вкладышей в щелочи и нанесению на их внутренние поверхности дисульфидомолибденовых полимерных покрытий.

7. Результаты проведенных исследований нашли свое применение на заводе АО «Рыбинские моторы», а также на Великолукском и Воронежском ТРЗ.

1. Айбиндер С.Б. и Упит Ж.Н., Сцепление металлов при пластической деформации. Известия АН Латв. ССР, №9, 1953.

2. Айбиндер С.Б., Дзинтар Р., Клокова Э. и Упит Ж.Н., Холодная сварка металлов. Известия АН Латв. ССР, №6, 1955.

3. Ахматов A.C. Молекулярная физика граничного трения. М., Физматгиз, 1963.

4. Бахметьев Е.Ф. и Ровинский Б.М., О природе структурных изменений во время деформации металлов при повышенной температуре. Сб. статей, Цветметиздат, 1933.

5. Беккер И.Э., Методика испытания материалов на стойкость против задира. «Заводская лаборатория», №1, 1948.

6. Бершадский Л.И. Структурная термодинамика трибосистем. Киев,1990.

7. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М., «Машиностроение», 1968.

8. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка. М., Машгиз, 1960.

9. Буше H.A. Берент В.Я. Устройство для испытания материалов на схватывание в процессе трения. В кн.: «Машины и приборы для испытания материалов». М. «Металлургия», 1971.

10. Ю.Буше H.A. Об исследованиях в области оценки совместимости трущихся пар. В кн.: «Проблемы трения и изнашивания», №1. 1971.

11. П.Буше H.A. Подшипниковые сплавы для подвижного состава. М., «Транспорт», 1967.

12. Буше H.A., Двоскина В.А., Абрамов П.Г. Оценка влияния различных факторов на образование режима полужидкостного трения. В кн.: Трение и износ в машинах, вып. №15. М., АН СССР, 1962.

13. З.Буше H.A., Двоскина В. А., Торопчинов А.Н. Оценка свойств подшипниковых сплавов при работе на различных маслах с чугунными и стальными роликами (цапфами). Труды ЦНИИ МПС, вып. 277, 1964.

14. Буше H.A., Двоскина В.А., Торопчинов А.Н. Родь мягких структурных составляющих в антифрикционных сплавах. «Инженерно-физический журнал», №4, 1959.

15. Буше H.A., и др. Подшипники из алюминиевых сплавов. М., «Транспорт», 1974.

16. Буше H.A., Копытько В.В. Совместимость трущихся поверхностей. М., 1981.

17. Буше, Н.А, Волченков A.B., Соколов Б.Н., Зелинский В.В. Улучшенные режимы обкатки дизелей. Железнодорожный транспорт, 1989, №7.

18. Вейлер С.Я., Шрейнер JI.A., Ребиндер П.А., Исследование смазочного действия при моделирование процесса глубокой вытяжки. «Доклады АН СССР», т. 73, №3, 1950.

19. Веселянский Ю.С., Тартаковская И. К. Микромеханиз износа хромистых сталей при трении скольжения. В кн.: «О природе трения твердых тел». Минск, «Наука и техника», 1971.

20. Виноградова И.Э., Исследование процесса заедания трущихся поверхностей. Труды ЦНИИТМАШ, кн. 30, 1949.

21. Воскобойников Д.Б. Применение физических методов для исследования структуры поверхности трения. В кн.: «О природе трения твердых тел». Минск, «Наука и техника», 1971.

22. Гаркунов Д.Н. и Крагельский И.В., Влияние отношения величин поверхностей трения и твердостей на условия скольжения контактируемых деталей машин. «Доклады АН СССР», т. 91, №5, 1953.

23. Гаркунов Д.Н. Повышение износостойкости деталей самолетов. М., Оборонгиз, 1960.

24. Григорьев М.А. Очистка масла и топлива в автотракторных двигателях. М., «Машиностроение», 1970.

25. Грозин Б.Д., Износ металлов. Гостехиздат Украины, 1951.

26. Гурвич И.Б. Износ и долговечность двигателей. Горький, 1970.

27. Дьячков A.K. Моргулис П.С. Опыт улучшения вкладышей подшипников коленчатого вала поршневой машины. «Вестник машиностроения», №10, 1952.

28. Дьячков А.К. Пошипники скольжения жидкостного трения. М., Машгиз, 1955.

29. Елизаветин М. А., Сатель Э. А. Технологические способы повышения долговечности машин. М., «Машиностроение», 1964.

30. Захаров С.М. О кавитационных явлениях в подшипниках коленчатого вала тепловозных двигателей. «Вестник ЦНИИ МПС», №5, 1970.

31. Захаров С.М., Никитин А.П. Загорянский Ю.А. Подшипники коленчатых валов тепловозных дизелей. М. «Транспорт», 1981.32.3уимеда Г.Г. Эксплуатационные свойства смазочных масел (перевод с английского). М., Гостехиздат, 1958.

32. Казаков Н.Ф., Влияние диффузии и адгезии на износостойкость тердосплавного инструмента. Сб. «Передовая технология машиностроения», ИздАН СССР, 1955.

33. Костецкий Б.И., Колесниченко Н.Ф., Качество поверхности и трение в машинах. Киев, изд. «Техника», 1969.

34. Костецкий Б.И., Прейс Г.А. и Елисеев В.Д., Испытание металлов на износ, Машгиз, 1955.

35. Костецкий Б.И., Схватывание при трении металлов. Сб. «Повышение износостойкости и срока службы машин», Машгиз, Киев, 1953.

36. Костецкий Б.И., Трение, смазка и износ в машинах. Киев, изд. «Техника», 1970.

37. Костецкий Б.И., Явление схватывания при трении металлов. Док. АН УССР, №1, 1957.

38. Крагельский И. В. Трение и износ в машинах. М., «Машиностроение», 1968.

39. Крагельский И.В. и Виноградова И.Э., Коэффициенты трения, Машгиз, 1955.

40. Крагельский И.В. и Швецова Е.М., Влияние скорости скольжения на изнашивание одноименных металлов. «Трение и износ в машинах», Изд. АН СССР, Сб. X, 1955.

41. Крагельский И.В., О моделирование процессов, протекающих на поверхностях трения, В сб. «Повышение износостойкости и срока службы машин», Машгиз, Киев 1956.

42. Лашко Н.Ф. и Лашко-Авакян C.B., Металловедение сварки, Машгиз, 1954.

43. Лозинский М.Г., Высокотемпературная металлография. Машгиз, 1956.

44. Лозинский М.Г., Новые методы исследования процессов деформирования металлов и сплавов при высоких температурах, Сб. «Передовая технология машиностроения», Изд. АН СССР, 1955.

45. Маркова Т.Ф. в диссертации к.т.н. «Антифрикционные материалы системы Al Pb - Sn для подшипников скольжения транспортных дизелей», Москва, ВНИИЖТ, 1986.

46. Марковский Е.А. Исследование антифрикционных характеристик ВПЧ с шаровидным графитом. Науч. Труды института литейного производства АН СССР, №10, 1961.

47. Матвеевский P.M. Исследование температурной стойкости граничных смазочных слоев при трении. В кн.: «Методы оценки противозадирных и противоизносных свойств смазочных материалов». М., «Наука», 1965.

48. Матвеевский P.M., Температурная стойкость граничных смазочных слоев и твердых смазочных покрытий при трении металлов и сплавов. М., «Наука», 1971.

49. Матвеевский P.M., Температурный метод оценки предельной смазочной способности машинных масел. Изд. АН СССР, 1956.

50. Махлин Е.С. и Янки В.Р., Трение чистых металлов и окислов (включая титан), «Машиностроение», №6, 1955.

51. Обеспечение износостойкости изделий. Методы оценки противозадирный свойств материалов протягиванием тонких пластинчатых образцов, сжатых вдавливанием индентора. MP 29-81. -М.: Госстандарт, 1981, 14с.

52. Раков K.M. Перспективные материалы для подшипников тяжело нагруженных транспортных дизелей. В кн.: «Повышение качества и надежности биметаллических подшипников». Изд. ЦНИИТЭИ Тракторсельхозмаш, 1972.

53. Розенберг Ю.А. Влияние смазочных масел на надежность и долговечность машин. М., «Машиностроение», 1970.5 8. Семенов А.П., Исследование схватывания металлов при совместном пластическом деформировании. Изд. АН СССР, 1953.

54. Семенов А.П., Новая методика исследования схватывания металлов. «Трение и износ в машинах», Изд. АН СССР, сб. 8, 1953.

55. Семенов А.П., Схватывание металлов, Машгиз, 1958.

56. Сорокин С .Я., и др., Применение пленки при глубокой вытяжке нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов. «Вестник машиностроения», №7, 1951.

57. Старосельский А. А., Гаркунов Д. Н. Долговечность трущихся деталей машин. М., «Машиностроение», 1967.

58. Тенненбаум М. М. Анализ изменений шероховатости обработанных поверхностей. «Заводская лаборатория», №2, 1950.

59. Тихонович В. И., Марковский Е. А., Пахомов Б. П. Прирабатываемость высокопрочного чугуна. В кн. «Структура и свойства литых сплавов», вып. 1, Киев, АН УССР, 1962.

60. Хирст В. и Ланкастер Х.К., Влияние окислов и смазочных пленок на трение и поверхностное повреждение металлов. «Машиностроение», №6, 1955.

61. Хрущев М.М. и Матвеевский P.M., Новый вид испытания смазочных масел. «Вестник машиностроения», №1, 1954.

62. Хрущов М.М. Современные теории антифрикционности подшипниковых сплавов. В кн.: «Трение и износ в машинах», т. 4, М., Изд-во АН СССР, 1950.

63. Чертавских А.К., Трение и смазка при обработке металлов. Металлургиздат, 1955.

64. Шведков Е.Л., Ровинский Д.Я., Зозуля В.Д., Браун Э.Д. Словарь -справочник по трению, износу и смазки деталей машин. Киев, "Наукова думка", 1979, 187с.

65. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях машин и их эксплуатационные свойства. Л., «Машиностроение», 1972.

66. Чичинадзе A.B., Хебды М. Справочник по триботехнике. В 3 т., Т. 2: Смазочные материалы, техника смазки, опоры скольжения и качения. М., «Машиностроение», 1990.

67. Кутьков A.A. Износостойкие и антифрикционные покрытия. М., «Машиностроение», 1976.

68. Захаров С.М., Жаров И. А., Трибологические критерии оценки работоспособности подшипников скольжения коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания. Трение и износ, том 17, № 5, 1996.

69. Blok Н. Theoretical study of temperature raise at surfaces of actual contact under oilness lubricating conditions. «General Discussion on Lubrication». London, «Inst. Mech. Eng.», 1957, v.2.

70. Bowden F. P., Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids. «Claredon Press», Oxford, 1954.

71. Bowden F.P. and Young J. E., Friction of Clean Metals and the Influence of Adsorbed Films. "Proc. of the Royal Society», vol. 208, №.1094, 1951.

72. Campbell Y, The development and testing of engine bearings. «IAAE Journal», 1964, v. 24, J4 11 — 12.

73. Coffin L.F., Study of the Sliding Process of Metals with Particular Preference to Atmosphere. «Lubrication Engineering», vol. 12, №.1, 1956.

74. Dobry A. The transition between boundary, mixed and hydrodynamic lubrication. «Wear», 1964, v. 7. №3.

75. Ernst H. and Nerchant M., Chip Formation, Friction and High Quality Machined Surfaces. Surface Treatment of Metals. Soc. of Metals, 1951.

76. Forrester P.G. Bearing materials. «Metallurgical Reviews», published by the Institute of Metals, 1960, v. 5, №20.

77. Forrester P.G. The frictional properties of some lubricated bearing metals. «The Journal of the Institute of Metals», 1967, June.

78. Hardy W. B. Collected Scientific Papers. University Press. Cambridge, 1956.

79. Hofmann W. u. Ruge J., Die Kaltpre schwei ung als neuartiges Verbindungsverfahren. «V. D. J. Zeitschrift», Bd. 95, 11 Marz, 1953, №8.

80. Lenning R.L. The transition from boundary to mixed friction. «Lubrication Eng.», 1960, v. 16, №12.

81. Mc. Farlane J.S. and Tabor D., Adhesion of Solids and the Effect of Surface Films and «Relation between Friction and Adhesion». «Proc. of the Royal Society», A, vol. 202, 1960, №. 1069.

82. Grobusheck F., Ederer U. Optimized Engine Beaming Desing by Evaluatig Performance. Diesel and Gas Turbine Progress Worldwide, Octiber, 1978.

83. Pratt G.G. New developments in bearing materials. «SAE Preprints», Internat. Autom. Engng. Congress, Jan. 13 17, 1969, №690112.

84. Roach A. F., and Goodzeit C. Z., Why Bearing Seize. «Metal Progress», 1956, vol. 69, №.1.

85. Roach A.E. Scoring Characteristics of Bearing Metals. "Product Engineer", vol. XXV, № 11, 1954.134

86. Rylander H., Wight A. Solid particles in oil. «Sci. Lubrication», 1955, v. 7, №4. 92.Shaw P.E. and Leavey E.W., On the friction of dry solids in vacuo. «Phil. Mag», 10, 1950.

87. Slum D. Some experiments with sleeve bearing metals. «Trans. Dan. Acad.

88. Techn. Soc.», 1952, №2. 94.Tylecote R.F., Investigations on Cold Pressure Welding, "British Welding Journal", vol. 1, №3, 1954.