автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Моделирование износостойкости и долговечности судовых технических средств на основе структурно-энергетического подхода

сх* »У/

^ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

На правах рукописи

ГОЛУБЕВ Николай Федорович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ СУДОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА

Специальности: 05.02.04 - Трение и износ в машинах

05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1997 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций и в Новосибирской государственной академии водного транспорта.

Научные консультанты: заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор ЛЕБЕДЕВ О.Н.

доктор технических наук, профессор

погодаев Л.И.

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор БУШЕ Н.А.

доктор технических наук, профессор ТУЗОВ Л.В.

доктор технических наук, профессор БУЛАТОВ В.П.

Ведущая организация - Центральный научно - исследовательский дизельный институт

Защита состоится 19 декабря 1997 г. на заседании диссертационного совета Д 116.01.01 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, г.Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7, СПГУВК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПГУВК.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес Совета.

Автореферат разослан "5" ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 116.01.01 доктор технических наук, профессор

В.Л.Ерофеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современное тяжелое состояние водного транспорта и примерная эвристическая модель развития отрасли на ближайшие 10...15 лет позволяют сформулировать три укрупненных проблемы, необходимость последовательного решения которых диктуется жесткими объективными обстоятельствами, связанными с происходящими в стране реформами. Содержание этих проблем, а точнее - этапов выживания, заключается в следующем.

1. Разработка и реализация малозатратных (упрощенных) технологических процессов восстановления судовых технических средств и изготовления сменно-запасных деталей.

2. Установление оптимальных (щадящих) условий эксплуатации судовой техники пониженной надежности, используемой на стадии исчерпания ресурса ведущих деталей, а также после ремонта.

3. Проектирование и строительство судовой техники третьего тысячелетия с учетом обобщенного опыта эксплуатации прототипов и с использованием расчетных методов оценки надежности наиболее нагруженных механизмов, узлов и отдельных деталей.

Важно отметить, что общим для всех трех этапов является необходимость: достаточно точной идентификации ведущих разновидностей изнашивания и повреждений судовых технических средств; установления масштабных (энергетических) уровней повреждаемости (разрушения) деталей; моделирования процессов изнашивания материалов (деталей) в зависимости от условий эксплуатации судовой техники и наконец - расчетного прогнозирования ресурса ведущих деталей и принятия окончательных решений, включающих режимные, конструктивные, ма-териаловедческие и технологические мероприятия.

Ясно, что без обоснованного решения (в различных сочетаниях) перечисленных укрупненных задач, квалифицированное решение трех сформулированных выше отраслевых проблем не представляется возможным. В то же время для решения укрупненных (частных) задач необходим общий концептуальный подход, который еще до конца не разработан, но который крайне необходим, особенно для указанной выше третьей (магистральной) проблемы, от решения которой будет зависеть эффективность отрасли и ее место в экономическом пространстве страны в начале нового тысячелетия.

Анализ выполненных исследований показывает, что в качестве исходной теоретической концепции может быть использована обобщенная структурно-энергетическая модель процессов повреждаемости и изна-

шивания, в наибольшей степени пригодная для решения частных задач прогнозирования долговечности и износостойкости как материалов и современных функциональных покрытий, так и разнообразных рабочих устройств судовой техники при гидроэрозии, газо- и гидроабразивном внешнем воздействии, а также при внешнем трении и виброконтактном взаимодействии сопряженных поверхностей.

Надежность, а следовательно, и эффективность судовой техники недалекого будущего будет в значительной степени зависеть от того, насколько реально мы сможем учитывать негативные последствия разномасштабного внешнего воздействия на материалы и узлы машин и механизмов в постоянно ужесточающихся условиях их эксплуатации, создающих трудноразрешимые комплексные проблемы. Так например, при работе на тяжелых сортах топлива надежность выпускных клапанов, деталей ЦПГ и топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания существенно снижается. Каждая вторая-третья втулка цилиндров ВОД и СОД имеет эрозионные повреждения на водоохлаждаемой поверхности; то же относится и к каждому четвертому гребному винту морских сухогрузов. При неоптимальных режимах эксплуатации землесосных снарядов скорость местного гидроабразивного изнашивания деталей грунтовых насосов исключительно высока и может более чем на два порядка превосходить скорость общего изнашивания. Решение перечисленных проблем, к сожалению, переносится на более позднее время. Ограничиваясь этим, далеко не полным, перечнем объектов судовой техники, надежность которых явно недостаточна, становится очевидной актуальность моделирования процессов изнашивания, выявления общих закономерностей, свойственных различным видам изнашивания материалов, и необходимость разработки с единых теоретических позиций (с учетом достижений синергетики и фрактальной механики разрушения) методик расчетного прогнозирования долговечности и износостойкости деталей и способов повышения их надежности.

Цель работы. В качестве стержневой задачи и целевой установки предполагается: в начале обосновать и подробно исследовать структурно-энергетические модели износостойкости и долговечности материалов; затем адаптировать их к конкретным условиям внешнего нагруже-ния с целью прогнозирования ресурса различных технических средств, подвергающихся в условиях эксплуатации эрозионному воздействию жидких и газообразных абразивных и неабразивных сред, виброконтактному воздействию и трению скольжения при граничной смазке.

Общая проблема требует решения следующих частных задач.

1. Более подробно раскрыть физическую сущность энергетического критерия, контролирующего повреждаемость и относительную износостойкость материалов.

2. Разработать обобщенную математическую структурно-энергетическую модель изнашивания материалов, учитывающую характеристики микроструктуры, деформационное упрочнение, температуру и фазовые превращения;

2.1. Оценить роль масштабных эффектов изнашивания;

2.2. Рассмотреть особенности диссипации энергии при единичном ударном нагружении материала;

2.3. Исследовать вероятностный характер кинетических кривых изнашивания материалов.

3. Исследовать критерий износостойкости при абразивной и кавита-ционной эрозии с учетом жесткости напряженного состояния поверхности материалов.

4. Разработать адаптивные структурно-энергетические модели для прогнозирования долговечности и износостойкости материалов и технических средств при кавитационной, газо- и гидроабразивной эрозии, при граничной смазке и предложить практические способы (методы) повышения ресурса оборудования;

4.1. Исследовать закономерности изнашивания материалов на установках типа гидродинамических струйных излучателей;

4.2. Исследовать закономерности гидроэрозии материалов с учетом масштаба внешнего нагружения;

4.3. Предложить схему (метод) оптимизации режимов работы грун-тонасосных установок, существенно снижающих интенсивность гидроабразивного изнашивания ведущих деталей;

4.4. Исследовать закономерности газоабразивного изнашивания применительно к условиям эксплуатации выпускных клапанов судовых двигателей и разработать методику расчетного прогнозирования их ресурса;

4.5. Исследовать закономерности изнашивания деталей ЦПГ судовых двигателей и разработать статистический метод прогнозирования их износостойкости (долговечности).

Методы исследования. Применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.

При моделировании процессов изнашивания материалов использовались методы механики сплошных однородных и многофазных сред с привлечением термокинетических моделей долговечности (повреждаемости) материалов, а также новых теорий и моделей, касающихся физи-

ческих основ пластической деформации, особенностей усталостного (фрактального) разрушения, самоорганизации трибосистем на различных масштабных уровнях внешнего нагружения и изнашивания. При анализе статистических данных об износах деталей дизелей привлекались методы теории вероятности и математической статистики. При моделировании ротационных мод деформации, диссипации энергии в зонах динамического внешнего нагружения, а также при описании вероятностного характера кинетических кривых изнашивания была использована аналогия между процессами деформации материалов и вихреоб-разованием при первичной нестационарной турбулентности в пристеночных потоках жидкости.

Процессы гидроэрозии материалов (КИ) и особенности структуры течений в проточных каналах гидромашин воспроизводились на струе-ударных (ударноэрозионных) стендах, магнитострикционных вибраторах, струйных гидродинамических излучателях (установка УТСЭ 63/320 и ее модификации) и на специальном стенде, моделирующим течение жидкости в межлопастных каналах рабочих колес центробежных насосов при восьмикратном изменении относительной интенсивности вих-реобразования. Выявленные закономерности самоорганизации потоков жидкости в проточных каналах модельных рабочих колес насосов сопоставляли с особенностями изнашивания серии грунтовых насосов в натурных условиях.

Испытание материалов на гидроабразивное изнашивание (ГдАИ) производили на установках лоткового типа при перемещении образцов в водогрунтовых смесях при различных концентрациях абразива со скоростью от 3 до 11,2 м/с.

Ударноабразивное изнашивание (УдАИ) материалов производили на установке, обеспечивающей периодическое прямое соударение поверхности цилиндрического образца с наковальней, покрытой абразивным полотном с частотой 2 Гц и энергией удара 0,53 Дж.

Для газоабразивного изнашивания (ГзАИ) материалов была изготовлена специальная газоструйная установка, воспроизводящая условия ударного взаимодействия погожа газов, содержащего частицы сажи от сгорания различных сортов топлива с поверхностью фаски выпускного клапана. Влияние режимов работы дизельных двигателей на интенсивность изнашивания выпускных клапанов изучали на специальном моторном стенде, собранном на базе одноцилиндрового вихрекамерного двигателя 148,5/11.

Исследование изнашивания материалов при трении скольжения производили с помощью стандартных машин трения типа СМЦ-2. Сбор

статистических данных о скоростях изнашивания цилиндровых втулок судовых двигателей в натурных условиях производился с помощью метода нарезания лунок в трех поясах по высоте втулок, по четыре лунки в каждом поясе. Для испытаний образцов в условиях виброконтактного взаимодействия к торцу концентратора магнитострикционного вибратора прижимался медленно вращающийся образец исследуемого материала.

Для характеристики параметров микроструктуры материалов применялись статистические методы. Физико-механические свойства изнашиваемых поверхностей определяли путем рентгеноструктурного анализа, а также измерением микротвердости по глубине при дискретных нагрузках и при непрерывном вдавливании индентора по специальным методикам.

Научная новизна работы состоит: в углублении структурно-энергетического подхода при решении актуальных задач трибологии и обобщении его на условия внешнего трения и газоабразивной эрозии деталей, осложненной влиянием повышенной температуры и коррозионными процессами; в частности: предложена обобщенная структурно-энергетическая модель изнашивания неоднородных материалов, учитывающая структуру материалов, масштабные эффекты нагружения, особенности ротационных мод деформации и диссипации энергии при стохастическом ударном внешнем воздействии, жесткость напряженного состояния поверхности, критериальные параметры износостойкости, выраженные через комплекс механических и эквивалентных им термодинамических характеристик изнашиваемых материалов; получены уточненные структурно-энергетические модели кавитационной, гидро-и газоабразивной эрозии, а также изнашивания при трении скольжения, удовлетворительно согласующиеся с опытными данными, полученными при стендовых испытаниях и при работе деталей в эксплуатационных условиях; установлены общие закономерности эрозии материалов на различных масштабных (энергетических) уровнях в условиях внешнего трения, при воздействии абразивных и неабразивных жидких сред, подчиняющиеся принципам самоорганизации открытых систем и фрактальной механики разрушения.

Практическая значимость работы заключается прежде всего в установлении количественных соотношений, характеризующих условия дискретных переходов с одного масштабного (энергетического) уровня изнашивания на другие и позволяющих прогнозировать износостойкость и долговечность материалов в широком диапазоне изменения условий внешнего нагружения при ограниченной исходной информации,

пользуясь частными моделями изнашивания с дробными фрактальными размерностями.

Частные структурно-энергетические модели изнашивания, адаптированные к условиям вибрационной кавитации, эрозионного воздействия гидро- и газоабразивных потоков и граничного трения, позволили разработать инженерные расчетные методы прогнозирования долговечности деталей пилиндро-поршневой группы и выпускных клапанов судовых двигателей, а также уточнить методику оптимизации режимов работы грунтонасосных установок с целью увеличения ресурса ведущих деталей центробежных грунтовых насосов.

Выполненный анализ статистических данных об износах цилиндровых втулок среднеоборотных судовых двигателей позволяет оценить не только отдельное и совокупное влияние на скорость изнашивания втулок продолжительности эксплуатации, среднего эффективного давления и частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей воды, частоты замены и сорта моторного масла, а также содержания в топливе серы, но и установить для каждого отдельного двигателя оптимальный тепловой режим работы, обеспечивающий наименьшую скорость изнашивания "зеркала", а затем обосновать способ реализации такого режима на практике, например, за счет применения теплоизоляционных износостойких при КИ покрытий водоохлаждаемых поверхностей втулок.

Личный вклад автора включает следующее.

Усовершенствована обобщенная структурно-энергетическая модель изнашивания материалов в части учета: особенностей диссипации энергии; вероятностного характера кинетики изнашивания; влияния: масштабного фактора; жесткости напряженного состояния и усталости (повреждаемости) поверхности материалов.

Разработаны частные структурно-энергетические модели процессов кавитационной, гидро- и газоабразивной эрозии, а также изнашивания при граничном трении применительно к условиям эксплуатации выпускных клапанов и цилиндровых втулок двигателей, грунтовых насосов и судовых движителей.

Предложены методы расчетного прогнозирования ресурса и скорости изнашивания выпускных клапанов и цилиндровых втулок судовых двигателей; усовершенствована методика оптимизации условий работы земснарядов, повышающая долговечность деталей грунтовых насосов; разработаны технологические процессы восстановительного ремонта цилиндровых втулок двигателей газотермическими покрытиями.

Разработана конструкция и выполнен комплекс исследований эрозионной способности струйного гидродинамического излучателя, предназначенного для гидроэрозионных испытаний материалов и очистки корпусов судов от наслоений.

Реалтация результатов работы. Теоретические результаты исследований в виде частных структурно-энергетических моделей процессов изнашивания составили научную основу для последующей разработки методов прогнозирования износостойкости и технологических процессов восстановления деталей судовых двигателей (СДВС).

Методики расчета ресурса клапанов СДВС внедрены в учебные процессы подготовки инженеров-судомсхаников в НГАВТ и СПГУВК.

Уточнен метод согласования геометрических и гидравлических параметров грунтонасосных установок, повышающий ресурс деталей.

В результате анализа статистических данных об износах цилиндровых втулок 36-и СДВС разработана методика расчета скоростей изнашивания "зеркала" втулок; обоснованы, апробированы и внедрены в производство в двух речных пароходствах технологии нанесения износостойких покрытий на внутреннюю и наружную поверхности цилиндровых втулок судовых двигателей с экономией 5% топлива и до 10% масла; разработана и согласована с Речным Регистром РФ отраслевая техническая документация на ремонт втулок двигателей: ЗД6, 6ЧРН 36/45, 6ЧСП 18/22, НФД 36(48) и6Л160ПНС.

Изготовлена и апробирована при очистке корпусных конструкций перед покраской установка нового класса УТСЭ 63/320, где использован эффект эрозионного воздействия на обрабатываемые поверхности высокоскоростной кавитационной струи жидкости.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзных, городских и расширенных вузовских научно-технических конференциях: 1983 г.- г. Горький; 1982, 89 и 91 г.- г. Новосибирск;

1990 г.- г. Севастополь; на девяти ежегодных научно-технических конференциях профессорско - преподавательского состава НИИВТа (НГАВТ) и на девяти конференциях ЛИВТа (СПГУВК); на 11-ой Всесоюзной школе-семинаре «Современные методы исследования и предупреждения коррозионных и эрозионных разрушений»,(г. Севастополь

1991 г.); на Ме жду на р од ны х научно-технических конференциях: "Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении" (г.Пенза, 1997 г.); "Славянтриб 4"(г. Санкт-Петербург, ИПМ РАН, 1997 г.); "Износостойкость зубчатых передач и подшипников скольжения (г. Москва, ЦНИИТМАШ, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 статей и две монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из предисловия, шести глав, общих выводов, списка литературы из 185 наименований и приложений. Работа изложена на 352 страницах основного машинописного текста, включающего 20 таблиц и 100 рисунков.

Предисловие посвящено обоснованию актуальности выбранной темы исследований.

В первой главе дан краткий вводный анализ процессов, происходящих при изнашивании материалов. Отмечается, что при трении скольжения основную роль в образовании диссипативных структур играют эффекты, происходящие на мезо- и фрагментарном уровнях. При этом деформационные процессы в поверхностных слоях материалов связаны с ротационной струйной неустойчивостью многомасштабных структур.

При моделировании долговечности износостойкости материалов целесообразно использовать методы механики неоднородных сплошных сред (уравнения состояния и движения поверхностей разрыва) в совокупности с положениями кинетического термоактивационного подхода. Критериальными параметрами разрушения (изнашивания) материалов могут служить предельные потоковые характеристики, например: критическая плотность потока мощности деформации и соответствующие ей - удельная энергия разрушения Еуд и критическая скорость

удара и,ф, изменяющиеся в зависимости от жесткости внешнего нагру-жения и масштаба диссипативных структур.

При моделировании процессов изнашивания материалов возникает

необходимость осреднения в изнашиваемых объемах текущей и критической плотности мощности трения. Так например, для скорости изнашивания пары трения цилиндровая втулка - поршневое кольцо судовых двигателей справедливо

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

\1/ш

п/3

♦ { * ,Х1 г* Y/3 ♦ I ®2 ®т constj\(DBH/WKpJ = constj

ly W1 "2 "m.

m

(1)

где сот^ - опытная константа; п = (1...2); (2,5....3); (5...6) и (10...12); т -число масштабных уровней осреднения.

В соотношении (1) значения показателя степени п для четырех масштабных уровней может изменяться в пределах от 1,0 до 12. При п/З > 2 уравнения изнашивания или долговечности материалов удобнее представлять в виде показательных функций, более удобных в сравнении со степенными, особенно при учете термоактивационных процессов атом-но-молекулярных перегруппировок при изнашивании на более высоких структурных уровнях.

Трудности, связанные с достаточно четкой идентификацией преобладающего масштабного уровня нагружения. т.е. с выявлением истинных условий в зоне фрикционного контакта, вызывают необходимость осреднения свойств материалов, ответственных за разрушение в локальных зонах, на значительно большие деформационные объемы, вводя так называемые коэффициенты "мнимости" (Г.Грегер, С.В.Федоров, Г. Фляйшер, Л.И.Погодаев и др.). В тех случаях, когда масштабный уровень внешнего нагружения соответствует используемым критериям изнашивания, зависимости износостойкости материалов от этих критериев близки к линейным. Например, при абразивном изнашивании металлических материалов с преобладанием микрорезания износостойкость пропорциональна: макротвердости, напряжению среза, коэффициенту интенсивности напряжений, энергии разрушения, мощности резания и т.п.

Если на кинетических зависимостях изнашивания присутствует так называемый аккумуляционный (инкубационный) период накопления повреждений когда износ отсутствует, то продолжительность тш является одной из наиболее информативных характеристик процессов эрозии материалов. При использовании так в качестве критерия износостойкости не требуется производить какие-либо операции осреднения, например,осреднения внутренней энергии в объеме продуктов кзнаши-

вания. В формуле (1) отношение ^^р / ювн можно заменить на тах в степени, соответствующей конкретному масштабному уровню внешнего воздействия и показать универсальность энергетического подхода при моделировании процессов изнашивания.

Располагая зависимостями тж, М1:р, от о, п,1Ъ или от соответствующих текущего и критического давлений р,ркр т.е. кривыми повреждаемости (поверхностной усталости) представляется возможность расчетным путем прогнозировать долговечность материалов при гидроэрозии. Принципы построения кривых поверхностной усталости при кавитационном изнашивании впервые даны в работах Ю.Н.Цветкова и Л.И.Погодаева.

В настоящее время ощущается острая необходимость анализа трибо-систем с позиций синергетики и теории фрактальных структур. При этом необходимо учитывать .особенности многомасштабной самоорганизации различных сред (структур), входящих в трибосистему. Так, например, в зависимости от структуры гидроабразивного потока в межлопастных каналах гидромашин, интенсивность местного изнашивания ограждающих стенок в зависимости от масштаба вихрей может в 300 раз превосходить интенсивность общего изнашивания. В таких условиях повысить долговечность ведущих деталей можно в первую очередь путем оптимизации режимов работы машин и только на втором этапе борьбы за надежность оборудования эффективными могут оказаться материаловедческие мероприятия.

Известно, что жесткость напряженного состояния поверхности существенно влияет на запас пластичности изнашиваемых слоев материа-

* *

лов. Можно полагать, что вслед за изменением отношения WKp/coвн в

уравнении (1) на различных энергетических (масштабных) уровнях будет соответственно изменяться коэффициент жесткости напряженного состояния П и деформация, накопленная к моменту разрушения, а в итоге - комплекс физико-механических свойств, энергоемкость и износостойкость материалов в изнашиваемых объемах. При переходе с одного уровня внешнего нагружения на другой происходит перераспределение соотношения между упругой и пластической составляющими

* *

критических значений , Еуд и икр(ркр). Последнее обстоятельство,

в свою очередь, определяет различную степень проявления хрупкости на разных масштабных уровнях динамического нагружения.

Исследование далеко не полного перечня затронутых вопросов необходимо для углубления структурно-энергетического подхода, уточнения энергетических критериев износостойкости, разработки обобщенной модели изнашивания и расчетных методов прогнозирования износостойкости материалов и конкретных судовых технических средств при гидроэрозии, гидро- и газоабразивном изнашивании и при трении скольжения с учетом современных достижений механики и физики твердого тела, термодинамики и синергетики.

Выполненный обзор позволил сформулировать цель и задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены современные теоретические подходы, используемые при решении задач повреждаемости, усталостной прочности, долговечности и износостойкости металлов. Дана оценка эффективности использования моделей термодинамической теории разруше-

ния при расчетах износостойкости материалов. Показана взаимосвязь энергии активации элементарных процессов с критериальными энергетическими параметрами материалов. Установлены актуальные направления дальнейших исследований в области поверхностной прочности материалов на различных масштабных уровнях.

Исходная модель эрозии металлических материалов может быть

*

представлена в виде отношения потока внешней энергии шВ11 к крити-

*

ческой плотности потока мощности деформации материала WKp и раскрыта через физико-механические и структурные характеристики динамически деформируемых объемов.

На основании установленных экспериментальных зависимостей объемного износа ДУ от глубины наклепа и степени деформационного упрочнения мезоскопических поверхностных слоев металлов в абразивных и неабразивных жидких средах выявлена взаимосвязь

(* \-п

\¥крI в которой п = 1 при абразивной и п = 1,83...2,0 при кави-тационной эрозии.

*

Показано соответствие критерия износостойкости ^кр спектру

энергий активации элементарных актов атомно-молекулярных перегруппировок, позволяющее прогнозировать срок службы деталей при продолжительных аккумуляционных периодах так до начала эрозии по температурно-временной экспоненциальной зависимости или по степенной модели долговечности с учетом скорости нагружения, а также

определять износостойкость материалов по тм и \У*р с осреднением

внутренней энергии разрушения в объеме образующихся продуктов изнашивания.

С помощью уравнений механики неоднородных сплошных сред смоделировано и преобразовано в соответствующее уравнение изнашивания напряженно-деформированное состояние двухфазного материала, учитывающее особенности взаимодействия фаз и критерий износостойкости У/*р , выраженный через механические и микроструктурные характеристики.

На примере ГдАИ углеродистых и легированных Сг-Мп сталей перлитного класса показано удовлетворительное соответствие структурно-

энергетической модели изнашивания опытным результатам, в частно*

сти: корреляция между износостойкостью и критерием \¥кр , выражен-

ным через концентрацию второй фазы 6(2) и среднестатистическое расстояние между частицами выделений X. Установлено существование оптимального расстояния Хот, достигаемого соответствующей упрочняющей термообработкой я обеспечивающего наибольшую износостойкость перлитных сталей при ГдАИ. При Х<?.°'" снижение пластичности сталей приводит к снижению критической скорости удара окр, *

критерия "Л^ и к росту скорости изнашивания.

В результате сравнительных испытаний на ГдАИ изнашивание Сг-Ш сталей, наплавленных под флюсом модулированным током с частотой модуляции дуги, изменяющейся в пределах ог 0 до 2,4 с'1, оказалось

возможным раскрыть критерий \Укр через плотность решеточных дислокаций, остаточные напряжения второго рода и предел текучести при

*

удовлетворительной корреляции критерия ■\Укр и перечисленных выше

физико-механических характеристик с износостойкостью наплавленных сталей (рис.1).

Износостойкость Сг-АЧ наплавок при вибрационной кавитации ока*

залась обратно пропорциональной критерию в степени п = 1,84 „ в

отличие от п = -1,0 при ГдАИ , что обусловлено установленной частной зависимостью износа от микротвердости в степени, равной -5,5, и линейной зависимостью потерь массы от величины первичного зерна ау-стенита при изменении последнего в диапазоне от 15 до 20 мкм.

В третьей главе приведены результаты моделирования процессов изнашивания гетерогенных материалов, полученные вследствие: учета особенностей гидродинамической деформации материалов при динамическом нагружении и влияния многомасштабности диссипативных структур на характер разрушения и долговечность материалов; оценки вклада тепловых эффектов и фазовых превращений в энергетический баланс изнашивания; анализа теплофизических и механических критериев износостойкости; использования аналогии между процессами ротационной неустойчивости деформации материалов и вихреобразования при первичной турбулентности в потоках жидкости; учета интенсивности и случайного характера пульсаций давления в пристеночном слое потока жидкости и установлению в результате этого кинетической зависимости изнашивания, имеющей универсальный характер и пригодной для оценки износостойкости различных материалов и покрытий при ка-витационной и капельной эрозии, трении скольжения и контактном взаимодействии кинематических пар.

а)

АС, г

1,4

1,0

0,8 0,6

Г)

200 300 400 600 °Пр , МИа

ДО, мг

20

10 8

1 .....г 1X181 ЮТ 1

(эталон)

дс»дс,„ / По '

МI-1 / -

¿,4 Г -

о/

1,0/

а 1,7 ... 1.1 , 1,

10 14 20 30 О з,мкм

б)

ДС, г 1,4 1,0 0,8

0,6

0,4 о,:-!

В)

Г"-Ч-------Г-1- «00

Ч а (= 1,0с1 400

\ Ст1 - эталон

'»Л дс^,?г ■ 300

V' 200

.....1..., .....1 1 "

0,6 1,0 1,4 1,8

Рц-Ю'гсм2

д)

ДС., ли

300 400 600 800 Н501О"1,МПа

, МП»

1 , -- ,—,—,—,—,- ■¿л -/Г = 0с->

1,7

1,0 у СП(1 -2,78 КГ4

1 J--i_._l_._l , 1

0,8 1,0 1,4 2,0

Рд Ю !

е)

11зд10 , МПа

5 10 15 20 25 IX, мкм

Рис.1. Результаты испытаний образцов, наплавленных ПП-Нп-10Х15ШТ модулированным током (при частоте модуляции Г=0...2,4 с1 в условиях гидроабразивиого (а, б) и кави-тационного (г, д) изнашивания в зависимости от остаточных напряжении второго рода Стцр, плотности дислокаций рл, диаметра зерна О, и микротвердости наплавки Нзо; в - соотношение между Сц, и рд в наплавленном металле; е - влияние диаметра первичного зерна аустенита Ц, на Н50 двухслойной наплавки. ГдАИ: иа лотковой установке при о=11 МЛ, с1Пак,=0,32... 1,0 мм и концентрации в воде 70%; КИ: на МСВ, ет=22 кГц, А=35 мкм

В предложенной обобщенной структурно-энергетической модели изнашивания подробно исследован критерий износостойкости в виде критической плотности потока мощности деформации; систематизированы опытные данные по износостойкости широкого круга материалов

по критерию \"/кр для условий гидроабразивной, ударноабразивной и

кавитационной эрозии. Показана зависимость критерия и его составляющих от коэффициента жесткости напряженного состояния поверхности материалов. Впервые дана схема влияния масштаба внешнего нагружения на ряды износостойкости различных материалов, испытанных на стендах и в натурных условиях.

Масштабы внешнего нагружения определяют относительные размеры (объемы) повреждений, износостойкость кд0, усталостную долговечность материалов и обусловлены мощностью деформации этих объемов.Характерные изломы на графиках изменения скорости кавитаци-онного изнашивания (КИ) сплавов июн в зависимости от продолжительности периода так, являются следствием изменения масштабов и ведущих механизмов разрушения. При КИ Сг-Мп и Сг-Ш нержавеющих сталей, сплавов на основе меди, а также сталей различных классов и пластмасс при капельной зрозии(КпЭ) (по данным Л.И.Погодаева и Дж.Спринжера при КпЭ), протекающих на мезоскопическом масштабном (структурном) уровне, оказались справедливыми соотношения кл^ ~т-(0Д.-0,7) -(1,3.-1,7)

проявляющиеся при условии сохранения указанного масштаба внешнего воздействия, независимо от способа возбуждения кавитации и схемы эрозионных испытаний. Прогнозирование износостойкости материалов по приведенным соотношениям предполагает наличие линейного характера кинетических зависимостей изнашивания.

Использование уравнений баланса энергии при деформировании гетерогенных сплошных сред с учетом температуры и фазовых превращений оказалось необходимым для построения обобщенной структурно-энергетической модели изнашивания материалов, позволяющей прогнозировать их износостойкость как по механическим характеристикам, определяющим критическую плотность мощности деформации, так и по эквивалентным теплоэнергетическим параметрам, формирующим пото-кепловой энергии критической плотности; по энергиям активации элементарных процессов атомно-молекулярных перегруппировок, а также по изменению мощности конвективной составляющей теплового потока (энтропийному критерию), интенсивности фазовых превращений и другим параметрам, входящим в уравнения изнашивания.

Фазовые превращения уменьшают плотность потока внешней энергии, вводимой в изнашиваемые объемы, и одновременно упрочняют материал выделениями второй фазы, то есть снижают энергетический уро-

вень (масштаб) нагружения и последующего изнашивания, а в уравнениях изнашивания изменяют отношение скоростей и,/окр.

При гвдроэрозии на мезоуровне нестабильных при деформации ау-стенитных Сг-Мп и Л;/-ых сталей при условии пропорциональности микротвердости Н^ и относительного содержания мартенсита деформации (0м/6а) износостойкость сталей

. ,5,5-0,7=3,85 ттЗ,85 /й /п 43,85

в связи с фазовыми превращениями имеет удовлетворительное экспериментальное подтверждение, что указывает на достаточно высокую эффективность обобщенной структурно-энергетической теории изнашивания материалов при оценке износостойкости материалов по микроструктурным характеристикам.

Пользуясь гидродинамической аналогией, предложена модель распространения динамического импульса в полубесконечной деформируемой среде. При этом реакция материала и особенности мезоскопиче-ского ударного воздействия выразились в следующем.

В центральной части деформируемого объема (рис.2) изменение внутренних напряжений и относительной скорости деформации поперек потока незначительно и указывает на волновой характер распространения фронта энергии деформации наибольшей плотности с возможным разрывом скорости частиц среды в периферийной ротационной зоне. Быстрое убывание энергии деформаций в направлении от ротационной оболочки к центру действия импульса указывает на пониженную плотность ротационных мод деформации в средней части деформируемого объема. Наибольшей интенсивности вихрей и ротационной деформации соответствует переходная ротационная зона в виде оболочки, где происходит основной энергообмен между центральным потоком материала и ламинарным подслоем, в котором происходит постепенное затухание скоростей, напряжений и энергии вихреобразования. Суммарная диссипация основной части энергии вихреобразования происходит в ротационной зоне и за ее пределами с внешней стороны в виде неоднородных упруго-пластических деформаций в слабо возмущенной среде.

Впервые предложенная модель поведения материала при импульсном нагружении на мезоскопическом уровне согласуется и существенно глубляет модель Инджел-Файелла, объясняющую реакцию пластичных материалов на каплеударное нагружение , получившую в данном случае дополнительное теоретическое и экспериментальное подтверждение.

Для увеличения износостойкости материалов следует стремиться к ограничению ротационных деформаций за счет, например, снижения

масштабного уровня внешнего воздействия; применения материалов и покрытий с мелкоигольчатой морфологией; материалов с памятью формы; метастабильных структур, тормозящих прокручивание вихревых шнуров и развитие прочих локальных потоков вещества за счет выделений в зонах наибольших деформаций более упругих, в сравнении с матрицей, частиц упрочняющей фазы. Происходящее в последнем случае

увеличение критерия \Ук*р поверхностных слоев материалов с гетерогенной структурой адекватно уменьшению масштаба нагружения. Достаточно эффективными в борьбе с гидроэрозией оборудования могут оказаться и другие технологические решения, в частности, применение специальных металлических и композиционных демпфирующих покры-

изменение относительной скорости деформации (2 - для осредненного поля скоростей; 3 -с разрывом скорости щ в ротационном слое, заштрихованном); 4 и 5 характер изменения внутренних напряжений и энергии деформации в зоне удара соответственно

На основании стохастической модели энергообмена между турбулентным потоком и ламинарным подслоем в виде локальных пульсаций внешнего давления оказалось возможным раскрыть неизвестную кинетическую функцию в уравнениях изнашивания материалов через критерии подобия и продолжительность процесса эрозии в форме интеграла вероятностей. Кинетические кривые развития процессов изнашивания в форме интеграла вероятностей согласуются с многочисленными данными испытаний широкого круга материалов на лабораторных установках и с результатами эксплуатации различных технических средств: опор скольжения, элементов судовых винторулевых комплексов; цилиндровых втулок двигателей при граничном трении и вибрационной кавитации ;лопаток влажнопаровых турбин; зубчатых зацеплений и другого оборудования.

Уточнен физический смысл критерия износостойкости материалов, представленного в виде суммы энергий упругих и пластических деформаций критической плотности \У*р. Показана эволюция критерия \У*р

при оценке износостойкости широкого круга материалов в различных условиях изнашивания. При динамическом внешнем нагружении износостойкость материалов пропорциональна удельной энергоемкости из-

[ * ¥/2

нашиваемых объемов в степени 3/2, т.е. кду .При изнашива-

нии по схеме скольжения образцов по абразивному полотну зависимость кду^Еуд) вырождается в линейную с изломом при

НУ~2200...2500 МПа, связанным с изменением коэффициента жесткости напряженного состояния поверхности П и масштаба нагружения (рис.3).

Установлены частные экспоненциальные и степенные зависимости кду(П) при КИ, ГдАИ и ударноабразивном изнашивании (УдАИ) (рис.4а, б). При этом кду одних и тех же материалов (рис.4б) соотносятся при перечисленных видах изнашивания следующим образом:

(клу)гдАИ ~ /V \0,9... 1,5 1КАУ;удДИ

Сжатие, сдвиг Сжатие, сдвиг, рас- Сдвиг, растяжение

ПКИ=-0,5...3,0 тяжение Пудаи=0...2,0

Пгдли=-3,0...+2,0

1 2 4 6 8 10 '¿0 40 (Еуд)от1,

Рис.3. Влияние энергемкости на износостойкость: 1 - сталей П, М, А, Ф кл., №-А1 -бронз при гидроэрозии; 2 - конструкц. легированных сталей, сплавов меди при ГдАИ и ст.У7 при УдАИ; 3 - конструкц. легированных сталей при УдАИ; 4 - ст. 8АЕ1040 при скольжении по абразивному полотну; 5 и 6 - сталей и сплавов цветных металлов при гидроэрозии в 3.. .20% растворах 1ЯаС!

При ГдАИ и УдАИ металлических материалов (рис.5) относительная энергоемкость (Еуд)отн связана с коэффициентом П соотношением

(еудЬ=!кд), 4Ц5Л

где кГдАИ = -1,0 и кУдАИ =

\УдАИ ,

УД/П=0

4,3; (е*д£^ = 30-10-2 МПа;

а)

кду(Ст25Л)

б)

(кдуЬ.

<1 п*-п+з

0,4 0,6 1,0 2,0 4,0 <кду>УдА.К Рис.4. Влияние жесткости напряженного состояния на износостойкость сталей различных классов при ГдАИ (1, 3' и4) и УдАИ (2 и 3) (а); сравнение кду материалов при ГдАИ с кДу при УдАИ и К эрозии (б)

®^25л-30ехР(-П>

/огп „],35П А.

'уя 25Л е1'"" ■

0,4

МО 40 20 10

0,04 Рис.6.

0,1 0,2 0,4 Зависимость

-2-1 0 1 2 3 П Рис.5. Влияние жесткости напряженного состояния поверхности металлов на энергоемкость при ГдАИ (1) и УдАИ (2)

1,0 2,0 Авн.Нм/а/ износостойкости сталей различных классов от уровня внешней энергии: 1 - при гидроэрозии (опыты на МСВ); 2 - при ГдАИ деталей грунтового насоса 5Гр-8; 3 - при ГдАИ на установке лоткового типа; 4 - при УдАИ сталей повторными ударами по наковальне, покрытой абразивным полотном; 5 и 6 (6') - границы рядов износостойкости металлов (при эталоне -стали 25Л

Сопоставление износостойкости материалов при различных видах изнашивания, например, в принятых условиях испытаний образцов на УдАИ и. ГдАИ при П < 3,0 согласно выражению

Ыудаи/ ^)3ехр[о,125(пГдАИ -ПУдАИ)]

/ У^ДУ^ГдАИ

корректно производить с учетом соответствующих коэффициентов жесткости напряженного состояния поверхности.

При определении относительной износостойкости по энергоемкости поверхностных слоев материалов с учетом относительной деформации разрушения, определенной по диаграммам твердости, можно пользоваться эмпирическим соотношением

IV) V) Т~(кдуЧ/ х

где при П < 3,0 п = 0,125...0,150 (ГдАИ) и п = 0,27...0,34 (УдАИ).

Более низкие значения показателей степени при Еуд в уравнениях

износостойкости при переходе к менее жесткой схеме напряженного состояния указывают на ненужность для повышения износостойкости значительного запаса макропластичности в новых условиях изнашивания: при меньших значениях П и реализации нового (индивидуального) запаса пластичности при меньших масштабных уровнях нагружения. Так, например, сталь 130Г7Х2АФЛ после нормализации показывает при ГдАИ наибольшую относительную износостойкость при относительном сужении при одноосном растяжении, равном всего 1,5%, соответствующим в макромаенггабе области вязко-хрупкого перехода. Однако на мезомасшгабном уровне изнашивания хрупкость стали не проявляется. Размах рядов износостойкости материалов зависит от соотношения

плотности потоков энергии деформации Юе"/ „ , определяющего

/^р

масштаб нагружения и жесткость напряженного состояния поверхности (рис.6). С ростом сою коэффициент-П снижается от -2 до +3, ряды износостойкости сужаются и при плотности внешней энергии Авн >1,3 Н м/см2 происходит инверсия, когда пластичные материалы показывают в сравнении с более твердыми и хрупкими сплавами более высокую износостойкость.

В четвертой главе приведены результаты исследований по выявлению закономерностей гидроэрозии при испытании материалов на новом

стенде УТСЭ 63/320 типа гидродинамического струйного излучателя, где энергия высокоскоростной затопленной струи и ее высокочастотные пульсации при взаимодействии с препятствием могут быть использованы для: оценки кавитационно-зрознонной стойкости материалов и покрытий, очистки поверхностей от различного рода наслоений, гомогенизации и диспергирования жидкостей и для других целей.

Исследованы особенности усталостного разрушения поверхности материалов при кавитационном воздействии в связи с критериальными характеристиками кривых поверхностной усталости, энергией активации элементарных процессов и жесткостью напряженного состояния поверхности металлов и сплавов.

Показано влияние масштаба внешнего лагружения на критическую скорость удара сталей с различной термообработкой; установлено влияние относительного вклада упругой и пластической составляющих в общую критическую скорость удара на микро, мезо-и макромасштаб-ном уровнях. Установлены экспериментальные зависимости износостойкости и долговечности материалов при гидроэрозии от комплекса физико-механических свойств изнашиваемых объемов.

Впервые установлена и систематизирована регулярная периодичность изменения относительной энергоемкости при изнашивании на четырех масштабных уровнях, имеющих по отношению к геометрическим параметрам гоносов дробную фрактальную размерность, знаменатель которой изменяется по закону, близкому к правилу геометрической профессии.

Принципиальная схема разработанной полупромышленной установки УТСЭ 63/320 приведена на рис.7.

Вода из водопроводной сети через вентиль В] поступает в приемную емкость постоянного уровня 1 и сообщающуюся с ней расходную емкость 2. Из расходной емкости вода через вентиль В2 и фильтр 6 питает плунжерный насос 3, приводимый в действие электродвигателем 4.

Жидкость из насоса по напорной магистрали поступает в успокоитель 8, из которого через профилированное сопло (насадок) 9 истекает в виде высоконапорной струи 10 в затопленный объем экспериментальной камеры 12 и воздействует на жесткую стенку камеры (преграду) или на образец исследуемого материала II, установленный на предметный стол.

Успокоитель 8 снижает турбулизацию потока, профилированное сопло 9 формирует струю с необходимыми параметрами. Для уменьшения пульсаций (амплитуды колебаний) давления жидкости в напорной магистрали предусмотрен компенсатор 7, а защита подсистемы от слу-

чайных скачков давления, превышающих 43 МПа, обеспечивается предохранительным клапаном 5.

Давление в напорной магистрали контролируется показаниями манометра М1, установленном на успокоителе 8, и регулируется вентилем ВЗ. Величина противодавления в экспериментальной камере 12 контролируется по показаниям манометра М2 и регулируется вентилем В4, установленном на отводящей магистрали; защита камеры от чрезмерного давления, превышающего 4,0 МПа, обеспечивается предохранительным клапаном 13.

Слив рабочей жидкости из экспериментальной камеры производится через трубопровод с вентилем В5. Все сливные трубопроводы проведены к сборнику 14, через который вода поступает в отстойник 15 и далее через фильтр 16 в канализационную сеть.

Рис.7. Гидравлическая схема установки УТСЭ 63/320. М1-М4 - манометры; В1-В5 - вентили запорные; 1 - приемная емкость; 2 - расходная емкость; 3 - плунжерный насос; 4 - электродвигатель; 5 - клапан предохранительный; 6 — фильтр; 7 - демпфер-компенсатор; 8 - успокоитель; 9 - сопло профилированное; 10 - кавитирующая струя; 11 - стол с образцами; 12 - камера экспериментальная; ¡3 - клапан предохранительный; 14 - сборник; 15 - отстойник; 16 - фильтр

Расстояние от среза сопла 9 до исследуемого образца изменяется путем вертикального перемещения успокоителя 8 относительно экспери-

ментальной камеры 12. Время воздействия струи 10 на образец контролирует реле времени. Установка и съем образцов производится через смотровые окна либо при демонтаже нижней крышки экспериментальной камеры. Для удобства монтажных работ камера выполнена качающейся на горизонтальной оси.

В качестве рабочей жидкости использовали техническую воду. Испытания проводили при следующих режимах: давление струи на срезе насадка рс = 5. .40 МПа; давление в камере рк = 0,2...2,0 МПа; диаметр сопла Ос = 1,5...5,0 мм; дистанция обработки (изнашивания) Н = 10...200 мм.

Для определения параметров технологического режима установка оснащена блоком контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры, включающим в себя ряд целевых измерительных систем, позволяющих выполнять следующие функции: частотный анализ вибраций; контроль температурных характеристик; определение параметров давления в напорной магистрали, экспериментальной камере и в зоне кави-тирующей струи; измерение и регистрацию усилий воздействия струи на образец; визуальное наблюдение за объектом исследования (зоной кавитации) с регистрацией процессов на кино- и фотопленке.

Установка УТСЭ 63/320 изготовлена в металле и опробована на одном из заводом оборонной промышленности. Были исследованы закономерности эрозии поверхности материалов в абразивных и неабразивных жидких средах.

Установлено, что наибольшее влияние на скорость эрозии материалов оказывают: длина кавитационной струи; частота ее автоколебаний и относительное давление рота, равное отношению давления в камере к давлению струи на срезе насадка (рис.8).

В общем случае скорость эрозии материалов зависит от плотности потока внешней энергии, генерируемой в окружающую жидкость высоконапорной струей и равной произведению частоты автоколебаний струи, переменной как по длине, так и по сечению струи, на амплитуду давления гидравлических ударов. Наибольшая скорость эрозии соответствует периферийной зоне проекции струи на поверхность препятствия, где наблюдается максимальная интенсивность энергообмена между струей, окружающей жидкостью и поверхностью препятствия. Зависимость износа стали от диаметра насадка (рис.9) при переходе с одного масштабного уровня на другой подчиняется закономерностям фрактальной механики разрушения, поскольку при этом выполняется соотношение

(ОД : (Ос)„ : (0С)Ш ~ ДС^ : АО# : ДОш.

Установленные закономерности позволяют в широком диапазоне изменять интенсивность эрозионного воздействия струи на преграду.

АС/Л Т -Ю^г/с

8

О 0,02 0,04 0,06 Ротй"

Рис.8. Влияние относительного давления на скорость эрозии дюралюминия при различных относительных длинах 1/£)0 высокоскоростной затопленной струи, равных 1, 2, 4, 6, 9, 12 и 15

а)

б)

0,4

0,2

■ОД 0,08

Змм

х?

При 1 = 2%

п = 1,9

200

300 400 ха„,мин

Ж

2,0 3,0 о,

а

,мм

Рис.9. Зависимость износа образцов из стали 25Л от продолжительности при различных диаметрах отвер сгия иасадки и зависимость ДОо(Ос) при испытании на стенде УТСЭ63/320

Интенсивность совместного ГдАИ и КИ зависит в основном от относительного давления. При различных концентрациях абразивных частиц в жидкости частные зависимости износа от относительного давления проходят через максимум при ротп = 0,06...0,08 (рис.Ю).При увеличении расходной концентрации абразивных частиц в струе износ возрастает по степенной зависимости с показателем степени при концентрации абразива, равным 0,7 (рис.11).

Добавление в пульпу пенообразугощего вещества приводит к существенному увеличению интенсивности совместного изнашивания. Это обстоятельство связано, видимо, с увеличением подвижности и пути трения абразивных частиц в зонах вихреобразования при снижении коэффициента трения.

цов из стали 25Л в зависимости от соотноше- ищ в струе воды на износ образцов из

ния давлений в камере и на срезе насадка стали 25Л при р,/рс=0,3; Ос=2 мм и раз-

Рк^Рс при Ос=2 мм; 1=5 мин и различных рас- личных экспозициях при испытании на

ходах смеси установке типа УТСЭ

Установка УТСЭ 63/320 может быть трансформирована в промышленный высокопроизводительный стенд для надводной и подводной очистки корпусных конструкций перед нанесением лакокрасочных покрытий.

Кривые поверхностной усталости так (р„ и; или А,), построенные для сплавов цветных металлов, чугуна, углеродистых и легированных сталей по результатам испытаний образцов в условиях ударного гидрозро-зионного воздействия (рис. 12а), состоят обычно из трех участков с раз-

личными углами наклона к координатным осям, характеризуемыми значениями показателя степени п или константами 2 и 3 в соотношениях

Ркр "крТ

прип=2...16 или

Р. ' )

*ак ~ ехр[сош12 (р, и)кр - со^з (р, ] . б)

1)кР1[ .м/с

450 400

350

300

4^ 6

14 1

400

500

600 700 800 *м/с

900 Р, , МПа

0 2,5 10 20 30 40 50 60 70 А, ыкм

Рис. 12. а) Кривые поверхностной усталости металлов, построенные по данным испытаний образцов на МСВ при амплитуде вибрации 5, 10, 15 и 33 мкм и частоте 22 кГц в пресной воде.

б) соотношение между критическими скоростями нагружения: 1 - ЛЦ40МпЗЖ (мор. вода); 2 - Бр «Новостон»(мор.вода); 3 -ЛЦ40МцЗЖ; 4 - 08Х14НДЛ; 5 - 25Л; 6 -БрА9Ж4Н4; 7 - Бр «Новостон»; 8 -38ХМЮА(улучш.)

/4)п=о'

Между критическими давлениями и скоростями ударного нагружения в областях мало- и многоцикловой поверхностной усталости существует взаимосвязь (рис.126), например:

указывающая на существование нескольких масштабных уровней изнашивания, характеризуемых соответствующими энергиями активации и коэффициентами жесткости напряженного состояния П. Вследствие локального повышения температуры в зонах ударного нагружения энергия активации атомно-молекулярных перегруппировок в сплавах на основе железа (по лиг.данным) может возрасти примерно в пять раз.

Установленные закономерности гидроэрозии сплавов позволяют сформировать их в алгоритмическую совокупность расчетных действий, достаточных для: построения кривой поверхностной усталости материала (при известных критических скоростях uKpi, окра и показателях степени пь па); установления масштабного коэффициента км пересчета долговечности материала с лабораторных на натурные условия нагру-жения (по тж на кинетических зависимостях изнашивания образцов при стендовых испытаниях и долговечности натурных объектов в условиях эксплуатации); определения ресурса натурного объекта, например, т;„ водоохлаждаемой поверхности цилиндровой втулки двигателя при вибрационной кавитации (при известном давлении р, , скорости удара о; или амплитуде вибрации Л,),

Относительную долговечность материалов при малоцикловой усталости и масштабный коэффициент км можно определить по относительной глубине пластически деформированного поверхностного слоя образца и натурного объекта с помощью следующих соотношений:

(г \ - COilSt4 ■ (, \ const; const 5 fs06p У _ (Так)нат ■ .

(kra и kM - коэффициенты, учитывающие частоты и масштаб нагруже-ния).

Исследование взаимосвязи критической скорости удара на различных масштабных уровнях с механическими характеристиками материалов показало следующее:

Критическая скорость удара широкого круга металлических материалов при сть < 800 МПа на мезоскопическом уровне более чем на порядок превосходит о^» на макроуровне, а именно: (окр)мез0 = 13,2 (ОкрХшкро- Для более прочных материалов при сть > 800 МПа повышение Сть и (ич>)м«0 не приводят к соответствующему увеличению

(UkpWpo- , поскольку при этом (uKp) 0 = constG;7 Дсть,и"р30}'Д37 , то

есть происходит охрупчивание сталей, упрочненных термообработкой, в макроскопическом масштабе. С повышением прочности сталей происходит перераспределение соотношения между упругой и пластической и™ составляющими критической скорости в сторону увеличе-

ния и^Р (рис.13). При этом (окр)МШф0- изменяется в зависимости от Е, по экспоненте

(икр )макро = + = %0 СХР(С0П518Е1Ш) , где икро ~ и^Р .

крЛугн

0,5/ 0,6 0,8 1,0 1,4 2,0

I. . V кр 'ОТН

Рис. 13. Взаимосвязь относительных значений упругой и пластической составляющих критической скорости удара на мезо- и макромасштабном уровнях нагружения: 1' -ЛЦ40МцЗЖ (мор. вода); Г - Ер «Новостон»(мор.вода); 3" - ЛЦ40МцЗЖ; 4, 4' -08Х14НДЛ; 5 - Ст.25Л; 6' - БрА9Ж4Н4; Т - Бр «Новостон»; 8, 8" - сталь 38ХМЮА(улучшенная); 9 « 9" ■ 40Х9С2 (улучшен.); 10 - армко-Яг; И - Ст.10; 12 -Ст. 15; 13 - Ст.20; 14, 14" - 30ХМ (отжиг, улучш.); 15-У10А; 16, 16' - Ст.35 (отжиг, улучш.); 17,17" - Ст.45 (отжиг, улучш.); 18, 18' - СтбО (отжиг, улучшение соответственно)

Рост трещин в поверхностном слое материала и последующее образование продуктов изнашивания может происходить на нескольких масштабных уровнях внешнего нагружения, характеризуемых: критиче-

скими значениями коэффициентов плотности энергии разрушения (при росте трещины в пределах упруго-пластически деформированного

поверхностного слоя ), удельной энергией разрушения Еуд и фрактальным параметром О. Каждому масштабному уровню нагружения материала соответствуют: частное значение О, усталостная долговечность

гак ~ Гкр, „ ;Ркр, ¡,

^уд)0

и относительный износ, представленный, например, потерями объема V в зависимости от продолжительности изнашивания 1

г

V

СЧхгн); ~

V,

о

г л2 Г \Z-D ГЕ ^ D"

Efii; ш t-

Ч Tak J Е ^УД J Е

где Z = 0,5...2,0; со - частота эрознонно-способных нагружений. Относительный износ материалов при Z = 1 и t = const

-iZ*-D

(У'оп,),

(Уотн);

'kp.

/gmax

/ ,

\Z D

"УД,

V УДэ

"I /

где X* = 0,5...0,7 является параметром пересчета относительной долговечности (относительной повреждаемости) на объемный (массовый) износ материалов.

Выполненные экспериментальные исследования и аналитические обобщения позволяют выделить при гвдроэрозии материалов четыре масштабных уровня: макроскопический,О = 1,5 ; суперструктурный Э = 3.0; мезоскопический О = 5,5...6,0 и микроскопический О > 10,5. Переход с одного структурно-энергетического уровня изнашивания на другой происходит дискретно, сопровождаясь изменением знаменателя фрактальной размерности 1/пг = 1/г*0 по правилу геометрической прогрессии (рис.14).

Установленная многоуровневая регулярность и фрактальная размерность параметра в уравнениях долговечности (повреждаемости) и

износостойкости материалов ~ ^ _ вносит в структурно-

энергетическую теорию изнашивания фундаментальные закономерности, позволяющие уточнить прогнозные оценки надежности материалов

а)

б)

1.0

' 0,8

0.6 0.4

и с ю1 ккал Н "моль

Рис.14. Зависимость износостойкости металлов (см. рис. 12) при гидроэрозии от критического давления гидроударов (а) и удельной энергии разрушения (б).

и технических средств в широком диапазоне изменения условий внешнего воздействия (эксплуатации).

Модель гидроабразивной эрозии материалов деталей , вытекающая из общей структурно-энергетической модели изнашивания с учетом наблюдаемой на практике исключительно высокой скорости изнашивания деталей гидромашин, например, деталей грунтовых насосов, когда скорости местного изнашивания о!га, достигают 0,2...0,6 мм/ч, указывает на два возможных направления снижения огои :1 - улучшение структуры потока за счет устранения отрывных течений и вихреобразования в проточных каналах насосов; 2 - применения материалов повышенной износостойкости.

Результаты исследований влияния структуры потока на износ рабочих колес центробежных насосов (рис.15) позволяют выделить три гидродинамические ситуации и соответствующие им уровни изнашивания:

I - слабовихревое течение жидкости при высоких гидравлических к.п.д. г)г = 0,72...0,68: малоинтенсивное, в основном общее, изнашивание со скоростями иизн <0,012 мм/ч;

Jk -1 m

frr /N-(1,0... 1,4) / ч 5,5

X) 4S'ZB-

Дт|К - гидравлические потери, связанные со стесняющим влиянием корпуса; JK/m - интенсивность осевого вихря; ш- число лопастей рабочего колеса; Нф - фактический напор; и2 - линейная скорость на внешнем ободе колеса; Sfcv и юь - общая площадь и приведенная угловая скорость вихревой зоны на выходе из рабочего колеса.

II - течение жидкости с развитой вихревой структурой при rir= 0,68...0,40, интенсивном местном изнашивании со скоростями игон ~ 0,012...0,06 мм/ч и значительными гидравлическими потерями, связанными с вихреобразованием Дг|в; уменьшение абсолютной скорости схода жидкости с выходных кромок лопастей колеса C2U и рост локальных скоростей вихревых образований интенсивностью Jr, в частности: на границе вихревой зоны с транзитным потоком жидкости;

и„з„п -Лтъ ~ J« ~т1г2'14 3 ~(sB;c а,в]2Д"3'°

III - поток с предельно развитой вихревой структурой при т)г < 0,40 и весьма интенсивным местным изнашиванием со скоростями в пределах от 0,06 до 0,6 мм/ч; наименьшее значение скорости с2и при максимальной относительной площади вихревой зоны;

3,9

н

ф/

-5,5

Д..1,4

■^изнш "чв -в мг I уи2 |

Энергетический масштабный уровень внешнего воздействия при изнашивании определяется размерами вихревой области , а интенсивность изнашивания - скоростью прокручивания жидкости ов, вовлеченной в локальные вихревые движения в пределах Б,,

а)

вх

^изи, мм/ч

Насос ЗГМ-2М (рабочее колесо)

2,9

ЗЛ

1,68

к*„=1

1,42 п 1.45

□ 3 4

Рис.15. Зависимость и.» рабочих колес грунтовых насосов от КПД г)„бЩ и (кривые 1 и 2) и параметра кя = Нф/и2 (кривая 3) и влияния т)общ и ки на относительную себестоимость Сэт„ погрузки тонны песка (кривые 4 и 5); б, и 53 — износ дисков; 82 -износ выходных кромок лопастей рабочих колес; 6 и 7 - влияние на Со™ средней крупности частиц песка.

100 200 400 600 700НУ-1б\Ш1а Рис.16, а - Износостойкость рабочих колес насоса ЗГМ - ЗМ: 1-25Л; 2-6 - колеса, наплавленные; 2 - электродами Т-590; 3 -ПП350Х20Г5Т; 4 - ПП300Х25РТ; 5 -ПП70Х20РЗ; 6 - ПП50Х20РЗФТ; б - Стойкость при ГдАИ и УдАИ: 1 - Ст.З; 2 -СЧ18;3 - ВЧ50-1,5; 4 - СЧХН; 5 -ИЧХЗН6; 6 - 4X13; 7 - ЗОХЮПО; 8 -У15Х23Т; 9- XI710; 10-50Х9Г9МВ; 11 -ИЧХ16МТ; 12 - 110Г13; 13 - ИЧХЗГЗМ; 14 - 1X13; 15 - С421; 16 - 30Х; 17 -40Х10Г16М2; 18 - ИЧХ19Н6В; 19 - Ст.45; 20 - 2X1ЗТ; 21 - Х17Т; 22 -50Х12Г10М2В; 23 - 3X13; 24 - У20Х10Г10

Масштабные уровни изнашивания изменяются по правилу геометрической прогрессии. Например, в соотношении

показатели степени п и ш изменяются по геометрической прогрессии 1,4: 2,8: 5,5, при этом m = const^/ (Const9 = 7,7).

При повышении долговечности ведущих деталей грунтонасосных установок сначала необходимо снизить интенсивность вихреобразова-ния в проточных каналах насосов, а затем переходить к замене штатных материалов (покрытий) на более износостойкие. Приняв в качестве критерия оптимизации грунтонасосных установок относительную себестоимость погрузки тонны песка (рис.15), можно при = const последовательно определить: 1 - оптимальное соотношение между напором Нф и наружным диаметром рабочего колеса D2 при наименьшей себестоимости погрузки и наибольшим к.п.д. насоса (0,68...0,70); 2 - по оптимальному значению параметра к^^Нф'1) установить допускаемую

скорость изнашивания и долговечность деталей. Такая методика оптимизации предполагает снижение потерь Дт], за счет уменьшения диаметра D2 путем обточки колеса.

На втором этапе оптимизации работы грунтонасосных установок целесообразно снизить потери Аг}(, связанные со стесняющим влиянием корпуса насоса на течение жидкости в межлопастных каналах рабочего колеса. После определения профиля спиральной стенки корпуса, обеспечивающего оптимальную структуру потока, требуется изменение конструкции насоса: более свободный корпус и комплект сменных спиральных облицовок для конкретных (расчетных) условий эксплуатации установок. Оптимизация условий эксплуатации грунтонасосных установок (гидроперегружателей) по уточненной методике (обтачивание рабочего колеса до оптимального диаметра D2 повышает долговечность ведущих деталек грунтовых насосов по данным СЗРП не менее, чем в три раза.

Сравнительные испытания сталей, чугуна и наплавочных материалов при ГдАИ и УдАИ на стендах и в условиях эксплуатации грунтовых насосов на крупнозернистом песке показали, что ресурс рабочих колес и облицовок насосов можно увеличить в три (насос ЗГМ-2М)... шесть (испытания на стендах) раз (рис.16). Наибольший эффект от применения износостойких наплавок может быть достигнут лишь при условии по-

лучения гидравлически гладких наплавленных поверхностей, обеспечивающих при их обтекании безвихревую структуру потока.

Пятая глава посвящена моделированию газоабразивного изнашивания судовых технических средств. В качестве объекта исследования были выбраны выпускные клапаны дизелей, интенсивность эрозии которых, особенно при использовании "тяжелых" сортов топлива, весьма велика.

В главе последовательно разрабатывается структурно-энергетическая модель эрозии клапанов, учитывающая усталостный характер образования повреждений на поверхности фаски клапана и процесс образования питтингов как результат суперпозиции одновременно протекающих нескольких разновидностей изнашивания. Далее общая модель эрозии сопоставляется с результатами стендовых испытаний материалов и выпускных клапанов на износостойкость в результате чего уточняются важнейшие частные зависимости износа от условий эксплуатации клапанов.

В заключение приведена методика расчета долговечности клапанов, учитывающая: геометрическую схему истечения выхлопных газов через клапан, угол атаки, кинетические зависимости изнашивания фаски, массу, абразивность и плотность частиц сажи, скорость и температуру выхлопных газов, износостойкость материала клапана, представленную энергетическим критерием и дан пример расчета долговечности выпускного клапана в условиях газоабразивного изнашивания и капельной эрозии.

Развитие эрозии посадочных поверхностей (фасок) выпускных клапанов двигателей представлена в виде двухстадийного процесса: сначала газоабразивнык поток создает эрозионный рельеф, на котором затем отлагаются шлаковые образования и нагар, ведущие к высокотемпературной щелевой эрозии (ЩЭ) и прогоранию клапанов. Предложена усталостно-энергетическая модель эрозии выпускных клапанов двигателей, учитывающая особенности многократного воздействия на поверхность фаски высокотемпературного потока газов, содержащего жидкие и твердые частицы, обладающие абразивными свойствами, а также критериальный параметр износостойкости материалов .

Экспериментальные исследования процессов эрозии выпускных клапанов производили на стенде, собранном на базе одноцилиндрового вихрекамерного двигателя 148,5/11. За счет специальных мероприятий стендовые испытания позволяли воспроизводить эксплуатационные условия работы выпускных клапанов современных дизелей, форсирован-

ных до ре = 2,0 МПа. При сжигании различных сортов топлива на стенде обеспечивали следующие параметры: дымность 0,6...1,6 г/мЗ; температуру выхлопных газов 960...980 К; местную скорость звука 625...635 м/с; температуру на поверхности фаски клапана 890...905 К.

ГзАИ клапанов воспроизводили на воздухоструйной установке, позволяющей исследовать влияние на износ материалов: угла атаки и скорости газоабразивной струи, крупности, степени абразивности и плотности частиц сажи, а также их концентрации в потоке (рис.17).

Рис.17. Схема двухструйной установки для испытаний материалов на газоабразивную эрозию: 1 - устройство для разгона абразивных частиц; 2 - подвод сжатого воздуха; 3 - предохранительный клапан; 4, 8 - редукторы; 5,7 - вентили; 6 - емкость для сжатого воздуха; 9 - подвод воздуха к распылителю; 11 - емкость с частицами абразива (сажи); 12 - дополнительный манометр (I кл. точн ); 13 - образец размерами 10x10x8мм.

Затухающий характер кинетических зависимостей изнашивания 5ШН ~ т0'65 - ег^кт) фаски клапана из сильхрома по глубине косвенно подтверждает правомерность гипотезы о возможности эрозии фаски по механизму термомеханической поверхностной усталости. На что указывают также наблюдаемые процессы возникновения и развития трещин в эрозионных кавернах в виде сетки с размером ячейки 5... 10 мкм.

Получила экспериментальное подтверждение, предсказанная исходной моделью эрозии клапанов, зависимость объемного износа от пара-

ГзАИ

±

1,5

метра км, ДУ ~ км =

при Яа > 35 мкм, учиты-

вающего глубину внедрения абразивных частиц Ьш, глубину наклепанного слоя 5Н, радиус внедряющегося в поверхность фаски выступа твердой частицы ка, определяющего условия контакта абразива с преградой и механизм эрозии - царапание (микрорезание) или усталостное передеформирование. Излом зависимости износа АУ(Яа, с1а) при Я, < 35 мкм с более чем двукратным уменьшением показателя степени при (1а ~ ^ указывает на смену масштабных уровней газоабразивного изнашивания (ГзАИ) (рис.18).

«шах „7Г>, о , МКМ

Рис. 18. Влияние крупности и абразивности сажи на газоабразивную эрозию материалов: I и II - зависимости износа образцов из оргстекла частицами сажи различной крупносги моторного и дизельного топлива соответственно: III - зависимость относительного износа клапана из сильхрома от аброзивности сажи ка при испытании на моторном стенде в условиях сжигания дизельного топлива (т. 1,2) и моторного (ш. 3-6) топлива.

Частные зависимости ГзАИ фаски от угла атаки газоабразивного потока, плотности, скорости и концентрации частиц сажи в потоке, температуры на поверхности фаски и "горячей" прочности (твердости) материала клапана, установленные по результатам испытаний образцов на газоструйной установке и клапанов на моторном стенде, находятся в удовлетворительном соответствии с разработанной усталостно-энергетической моделью эрозии. Установлена повышенная изнашивающая способность твердых частиц, образующихся при сжигании моторного топлива, в 4...7 раз превышающая, при прочих равных условиях, абразивность частиц сажи, образующихся при сжигании дизельного топлива.

Экспериментальное подтверждение усталостно-энергетической модели изнашивания создает предпосылки разработки на ее основе расчетных методов оценки износостойкости и долговечности выпускных клапанов двигателей и указывает на перспективные пути повышения их надежности, например: за счет снижения интенсивности внешнего кор-розионно-механического воздействия и применения современных жаропрочных коррозионно-эрозионностойких наплавочных Со - Сг - N1 материалов. Опыт показывает, что реализация первого направления борьбы с эрозией клапанов возможна путем использования водотоплив-ных эмульсий (ВТЭ), представляющих собой смесь газотурбинного или моторного топлива с водой. При сжигании ВТЭ в несколько раз снижается абразивность частиц сажи и ее концентрация в выхлопных газах.

Разработан метод расчета долговечности (надежности) выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания при ГзАИ и КпЭ. При оценке долговечности клапана исследуемого двигателя, соответствующей периоду работы до получения допускаемого износа (~ 60% площади фаски, пораженной эрозией) при известной скорости изнашивания фаски клапана эталонного двигателя учитываются: конструктивные элементы клапана, степень форсировки двигателя и соответствующий расход (масса) сажи в выхлопных газах, скорость, насыпная плотность и степень абразивности частиц сажи; относительная износостойкость клапанных материалов, определенная по критерию \Укр при рабочих температурах поверхности фаски сравниваемых клапанов (рис.19).

Интенсивность изнашивания клапанов 3 достигает наибольшего значения в период подъема клапана; на протяжении двух последующих периодов I снижается примерно в три раза.

Достоверность прогнозирования долговечности выпускных клапанов двигателей по разработанной методике обеспечивается тем, что в них

б)

ИКС ну-кЛмПа 61

Г)Л

м

48

Г)

0,04 0,06 0,08 ра-10"ь,кг/м°

J, мг/кг

«к) яоо 1<ж> 1 фиски» ^

Д)

■юо еоо оЬ1м1ы;'1ф.к

ЗОЙ

100 811

00 40

I Стру « - 45" СТС ] = 3 мм иньш > "Д /

/

- 2,84

Ошч (лча ш. ию

2 /

У / 2,0 / 2,52

/ /

/ 40ХЬС2

60 80 100

400 1) .«/<"

0,04

0,00 0.08

0,12 Р 10

Рис.19. Результаты испытаний материалов и выпускных клапанов на газоабразивное изнашивание на воздухоструйной установке (рис.17) и на специальном моторном стенде: а - взаимосвязь относительной аброзивности и насыпной плотности сажи р,; б - зависимость твердости и износа фаски от температуры; в - зависимость износа фаски РфТ11 и

глубины каверн 5""* от предела прочности сильхрома и Тф клапана; г - влияние скорости газоабразивной струи на интенсивность изнашивания образцов; д - зависимость износа фаски Рф от ра сажи при испытании клапанов на моторном стенде.

непосредственно используются эксплуатационные характеристики: степень форсировки, расход сажи, абразивность твердых частиц в выхлопных газах при сжигании различных сортов топлива, жаропрочность изнашиваемых материалов при эксплуатационных температурах и др. При этом основные зависимости, используемые в расчетах, установлены в результате обработки экспериментальных данных, полученных на моторном стенде, адекватно воспроизводящим весьма жесткие условия эксплуатации и соответствующий рельеф эрозионных повреждений на фаске клапанов современных двигателей с различной степенью форсировки при использовании ВТЭ, дизельного и тяжелых сортов топлива.

Метод расчета долговечности выпускных клапанов судовых двигателей используется в виде курсовой работы студентов старших курсов судомеханической и эксплуатационной специальностей СПб Гос. Университета водных коммуникаций и Новосибирской Академии водного транспорта; опубликован в отечественных изданиях и в США (Journal of Machinery Manufacture and Reliabiliti, No. 1, 1996, p.p. 45-54).

В шестой главе показана возможность обобщения основных положений структурно-энергетической теории изнашивания материалов на условия взаимодействия сопряженных поверхностей при граничном трении. Частные зависимости, вытекающие из структурно-энергетической модели изнашивания при трении скольжения, подтверждены результатами испытаний широкого круга материалов и покрытий на машинах трения, выполненных в ЦНИДИ по программе, составленной д.т.н. В.Б. Хмелевской.

На втором этапе исследований полученные результаты были использованы при моделировании износостойкости деталей цилиндро-поршневой группы судовых двигателей. При этом зависимости, вытекающие из теоретической модели, сопоставляли с результатами статистического анализа скоростей изнашивания 288 цилиндровых втулок 36 среднеоборотных судовых двигателей типа 8НФД36У в зависимости от продолжительности эксплуатации, частоты смены двух сортов масел, температуры охлаждающей воды, среднего эффективного давления, частоты вращения коленчатог о вала и содержания серы в топливе.

Выявленные парные и множественные корреляционные зависимости износостойкости втулок от параметров рабочего процесса и эксплуатационных характеристик двигателей, а также установленные универсальные зависимости скорости изнашивания деталей от мощности трения в двигателях, отражающие уровни самоорганизации трибосистем и результаты суперпозиции нескольких видов повреждаемости, явились

основой для создания расчетных методов оценки износостойкости деталей цилиндро-поршневой группы двигателей.

В результате исследований предложена структурно-энергетическая модель изнашивания материалов при трении скольжения. Рассмотрена правомерность суперпозиции нескольких процессов в зоне контакта, приводящих к повреждениям и последующему изнашиванию трущихся поверхностей, в частности процессов: динамического внедрения твердых частиц, обладающих абразивными свойствами; взаимного усталостного передеформирования выступами шероховатости и адгезионного взаимодействия контактирующих поверхностей. Получены частные (степенные) уравнения изнашивания, в которых показатели степени при критических нагрузках (напряжениях) изменяются по правилу геометрической прогрессии и характеризуют соответствующие масштабные уровни внешнего нагружения и изнашивания.

Сопоставление структурно-энергетической модели изнашивания с данными лабораторных испытаний четырех пар трения, составленных из тринадцати марок газотермических покрытий (табл. 1) и четырех марок антифрикционных сплавов, показало удовлетворительную сходимость теоретических и опытных результатов. При этом износ ГШ оказался пропорциональным усилию схватывания Рсх„ и когезионной прочности покрытий о> в степени - (1,0...5,5) и коэффициенту трения в степени 1,0...3,0. Соответствующие зависимо®™ износа антифрикционных материалов (чугуна, бронзы, сплава АСМ и баббита Б83) от указанных

параметров оказались иными: и f^75'"1'0 (рис.20). Сниже-

ние показателей степени в частных уравнениях изнашивания при трибо-технических характеристиках свидетельствует о более жестком напряженном состоянии подшипниковых сплавов в сравнении с напряженным состоянием более твердых ГТП, что компенсируется повышенной скоростью изнашивания антифрикционных материалов на более жестком масштабном (энергетическом) уровне.

Теоретическая модель изнашивания материалов при трении скольжения согласуется также с результатами испытаний ГТП при фреттинг-коррозии в паре с образцами из СЧ25 и Стали 45. Масштаб изнашивания материалов в этой серии опытов соответствовал мезоскопическому уровню, поэтому износ образцов оказался зависимым от Рсхв и ок в степени -5,5. Установлено, что при одинаковой когезионной прочности износостойкость ГТП после оплавления возрастает больше чем на порядок при фреттинге и только в два раза в условиях граничного трения при снижении пористости ГТП с 6 до 0%. Это обстоятельство указывает

Таблица 1

Марки и химический состав порошковых материалов для плазменных покрытий (ГТП)

Химический состав, % (по массе)

№ пп Марка порошка № Сг "Л В С Ре А1 Си Прочие

1 ВСНГН-88 Основа 17 - 3 0,5 3,5 3,0 - - Ч/С 10-14

2 ПГ-СР4 То же 15-18 - 2,8-3,8 0,6-1,0 3,0-4,5 до 5,0 - - 5 и Р по 0,04

3 ПГ-СРЗ То же 13,5-16,5 - 2,0-2,8 0,4-0,7 2,5-3,5 до 5,0 - - То же

4 ПГ-АН9 То же 6-10 - 2,3-3,5 0,5-1,2 1,5-3,5 до 3,0 - 2-9 5 до 0,04 Р 0,2-0,9

5 10в 14 - 3,5-4,0 0,5-0,8 - Основа - 1,0-1,5 V/ 1,0-1,3

6 ПГ-АН7 Основа - - 2,8-3,5 ДО 0,4 2,8-3,7 до 3,0 - - -

7 ПТ-19НВК-01 Остальное 5,8-11,3 - 1,2-2,0 0,8-1,3 0,9-2,6 0,9-2,6 5,0-8,0 - \УС 15,4-19,2

8 ПН55Т45 Основа - 43-47 - - - 0,2 - - -

9 ЛСЖо - 5-10 - - - - Основа - - Мо 012,0

10 ПГ-19М-01 - - - - - до 4,0 8,5-10,5 Основа -

И ПН85Ю15 Основа - - - - - 0,2 12-15 - -

12 ПН70ЮЗО То же - - - - - 0,2 28-33 - -

13 ПХ20Н80 То же 19-22 - - - - - - - -

на резко отрицательное влияние пористости на надежность ГТП при вибрационных нагрузках.

АС, г(о.л)\х 10, г (и.) а)

0,25

Дв, Г

б)

0,2 0,4 1тр

Рис.20. Зависимость износа от усилия схватывания (а) и коэффициента трения (б и в); 1 *, 2* и 3* - износ роликов с ГТП в паре с ВЧ50-1,5 и Бр08С12 соответственно; 4* - износ ко' лодки из ВЧ50-1.5 при граничном трении в паре с ГТП (ролик). Испытания на машине СМЦ-2 при смазке маслом М-10Вг (см. табл.1).

Выполнен анализ статистических данных об износах цилиндровых втулок 36-и судовых среднеоборотных двигателей в зависимости от продолжительности эксплуатации, периода замены масла, температуры

охлаждающей воды, среднего эффективного давления, частоты вращения коленчатого вала и содержания в топливе серы. Получены частные и множественные зависимости скорости изнашивания втулок ишн от перечисленных параметров, необходимые при установлении оптимальных условий эксплуатации двигателей.

Десульфурация топлива позволяет существенно снизить ош„ втулок цилиндров двигателей и увеличить период бессменной работы масла. В частности, для III группы двигателей с ити = 7,0... 12 мкм/1000 ч период использования масла можно увеличить примерно в три раза (рис.21).

Повышение в двигателях I и II групп (ои,н = 15...55 мкм/1000 ч) температуры охлаждающей воды с 45...50°С до 68...72°С приводит к снижению ои,„ "зеркала" втулки на 20...30%, что увеличивает ресурс втулок примерно на три навигации. Этот результат согласуется с отмеченным в III главе положительным влиянием на долговечность втулок и топливную экономичность двигателей синтетических защитных покрытий, наносимых на водоохлаждаемую поверхность втулок, имеющих температурный запас AT на. 20...25°С ниже температуры стенки, соответствующей оптимальным условиям смазки пары трения: втулка - поршневое кольцо (рис.22).

Показана взаимосвязь механических потерь в двигателях (потерь на трение) с износостойкостью деталей цилиндро-поршневой группы. Установлены количественные соотношения между энергетическими уровнями изнашивания в виде геометрической прогрессии, согласующейся с результатами лабораторных испытаний материалов при граничном трении и со структурно-энергетической моделью изнашивания.

Разработана методика расчетного прогнозирования долговечности цилиндровых вгулок двигателей. Метод основан на установленных аналитических зависимостях о,„и втулок от среднего эффективного давления и относительной мощности трения, а также на закономерностях перехода с одного энергетического уровня изнашивания деталей на другой.

Работоспособность методики прогнозирования долговечности втулок показана на примере определения инзн вгулок цилиндров двигателей 8НФД36У и 8НФД36АУ по среднему эффективному давлению. Результаты расчетов долговечности втулок цилиндров трех групп двигателей (с различными ии,„ втулок) удовлетворительно согласуются с данными эксплуатации среднеоборотных двигателей с наддувом и без наддува (рис.23).

■fc. о

а)

б)

инзн-10, мкм/ч

т-1-г

-35exp(0,58es)

"UH3a* 10, мкм/ч

ihn,, -15exp(O,580s)

• - ДСП-11

В)

20

1)из • 10, мкм/ч

20 -

-1-1-г-

Vush " 4,2exp(0,58es)

10 -

10

2,0 es,i

" \Ш-1и -11,6схр (0,580s) ^ - М - 12Вг N-

_i_i_i_I_

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 ,%

о,г

а)

Рис.21. Зависимость скорости изнашивания цилиндровых втулок двигателей 1-Ш групп (а-в) от содержания серы в топливе.

б)

В)

и „и' 10, мкм/ч

■и„зн-10, мкм/ч

■Оизп' 10? мкм/ч

- - т—-— ■ , ( ... . г _ I гр.

»\ \ -

\ а \

2 \

1 -9S> 0,8% . > Ч. Л

2-9s< 0,8%

ДСП-И N. о / I 1 v

40

1 V ' 1 1 Игр.

■^чЧ 0 1

-i-es>o,8%\

2-0s<O,8% ^ Cv / -

.-ДСП-11

*-М-12В2 1 1

40 50 со 70 Тов, °С

60 ?0 ои 10в, -

Рис.22. Влияние температуры охлаждающей воды на скорость изнашивания цилиндровых втулок двигателей I-III гр. (а-в соответственно).

а) б)

в)

О 100 200 Г£п,МПа/мин

Г)

Таблица 2

U„,,=COnStiiPt ПрИПп^З^06/*™

Группа дизелей const, i=om„ прирг=1 (constu">, (СОПЛ,)ш Среднее (округл.)

1 I 78.5 4.35 4.0

по За-польскому 63.5 3.53

11 37.5 2.08 2.0

III 18.0 1.0 1.0

Рис.23. Влияние форсирования двигателей по среднему эффективному давлению на скорость изнашивания втулок: а - зависимость Оюн(Ре)-' кривые 1-3 для дв. без наддува; Г -4" - для дв. с наддувом; б - и„а(рсп), обозначения прежние; в - изменение скорости изнашивания дв. 1-Ш групп при увеличении pt; г - табл.2 с данными анализа constn для дв. I, II и III групп в уравнении (3).

Установленное неоднозначное влияние гГов на ишп втулок двигателей 8НФД36У I и II групп (рис.22 а, б) послужило основанием для разработки технологического процесса защиты втулок снаружи функциональными коррозионно-эрозионностойкими теплоизоляционными покрытиями, позволяющими за счет компенсации температурного запаса покрытиями уменьшить иизн "зеркала".

Внедрение технологического процесса покрытия водоохлаждаемых поверхностей цилиндровых втулок улучшило рабочий процесс двигателей и позволило сэкономить 3...8% топлива и 2...11% масла. Кроме этого разработан и успешно апробирован на практике технологический процесс нанесения на водоохлаждасмые поверхности и посадочные пояски цилиндровых втулок двигателей ЗД6 эрозионностойких ГТП.

ОБЩИЕ ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Целевая установка диссертации, заключающаяся в углублении структурно-энергетической теории изнашивания материалов и применении ее основных положений к условиям внешнего трения, гидроэрозии деталей, гидро- и газоабразивного внешнего динамического воздействия для выявления новых и углубления известных закономерностей процессов поверхностного разрушения материалов с различными структурами и последующего прогнозирования на их основе ресурса судовых (и других) технических средств с учетом условий эксплуатации последних, определила архитектонику работы и реализована по традиционной схеме: исходная (ИСЭМИ) и обобщенная (ОСЭМИ) структурно-энергетические модели изнашивания частные (ЧСЭМИ) структурно-энергетические модели изнашивания основные закономерности различных видов изнашивания —> методы прогнозирования скорости изнашивания и долговечности деталей; способы оптимизации условий эксплуатации СТС; технологические приемы восстановления (упрочнения) деталей.

Подводя итог выполненной работе, целесообразно в сжатой форме отметить наиболее важные полученные результаты.

1. На примерах моделирования процессов эрозии широкого круга материалов и покрытий в абразивных и неабразивных жидких и газоабразивных средах, а также при изнашивании деталей в условиях граничного трения, показана эффективность структурно-энергетического подхода, основанного на использовании энергетических потоковых характеристик внешнего воздействия и энергоемкости материалов (покрытий), представленных критической плотностью мощности деформации,

а также связанными с ней: разномасштабными структурными характеристиками и критическими скоростями на гр ужения, продолжительностью аккумуляционного периода накопления повреждений, энергиями активации элементарных процессов атомно-молекулярных перегруппировок, эквивалентными теплофизическими характеристиками, коэффициентами интенсивности напряжений у вершин трещин и другими механическими характеристиками деформируемых (изнашиваемых) объемов, а также их сочетаниями.

В работе показана аналогия между ротационной и вихревой структурами в твердом теле и в жидкости на мезомасштабном уровне; приведены примеры оптимизации характеристик микроструктуры для достижения наибольшей износостойкости гетерофазных материалов. Показана решающая зависимость скорости изнашивания СТС от структуры внешней среды, в частности: от вихревой структуры гидроабразивного потока в грунтовых насосах, и обоснованы методы ее оптимизации в .макромасштабе, снижающие интенсивность вихрей и повышающие долговечность деталей.

2. Впервые установленные при кавитационной эрозии, гидроабразивном изнашивании и граничном трении деталей количественные соотношения, характеризующие самоорганизацию трибосистем на различных масштабных (энергетических) уровнях внешнего воздействия, открывают новые возможности при моделировании различных видов изнашивания, расчетной оценке износостойкости и долговечности материалов и деталей машин; например: возможность предсказания изменения скорости изнашивания СТС при переходах с одного энергетического уровня с известной скоростью изнашивания на другие, где ошн неизвестна.

3. Исследованная в работе трехуровневая зависимость повреждаемости материалов от скорости (давления) внешних импульсов при гидроэрозии, характеризуется соответствующими энергиями активации, коэффициентами жесткости напряженного состояния поверхности и значениями показателей степени при скорости (давлении) в уравнениях повреждаемости так(о"р), ступенчато изменяющихся в пределах изменения параметра п от 2 до 16, представляет собой основу методики расчетного прогнозирования долговечности СТС при кавитационной эрозии, например, ресурса водоохлаждаемых поверхностей втулок и блоков цилиндров судовых высоко- и среднеоборотных двигателей. Для этого необходимо располагать кривой повреждаемости (усталости) материала, амплитудно-частотными характеристиками вибрирующей стенки втул-

ки и коэффициентом пересчета к„ долговечности материала с лабораторных на натурные условия нагружения. Масштабный коэффициент км можно определить по относительным глубинам пластически деформированного слоя материала образца и цилиндровой втулки, а также путем использования параметров кинетических зависимостей эрозии, построенных по статистическим данным эксплуатации "эталонных" двигателей.

4. Вследствие впервые установленного влияния на энергетические критерии износостойкости и скорость изнашивания материалов жесткости напряженного состояния поверхностных слоев, поведение последних на различных масштабных уровнях нагружения существенно неодинаково. Один и тот же материал на макромасштабном уровне может проявлять хрупкость, а в мезомасштабе быть пластичным. При этом критические скорости макро- и мезоударного нагружения могут различаться более, чем на порядок.

5. Оценку износостойкости и долговечности материалов следует производить с учетом жесткости напряженного состояния поверхности по энергетическому критерию и другим свойствам материалов, наиболее достоверно характеризующим поведение последних на конкретных масштабных (структурных) уровнях нагружения (изнашивания), соотносящихся между собой по правилу, близкому к геометрической прогрессии в соответствии с закономерностями фрактальной механики разрушения.

6. Результаты моделирования процессов взаимодействия потока

жидкости, содержащей абразивные частицы, с ограждающими поверхностями СТС, сопровождающихся интенсивным вихреобразовани-ем и местным гидроабразивным изнашиванием со скоростями, достигающими 0,2...0,6 мм/ч, показали, что ресурс СТС прежде всего зависит от режимов их работы и структуры двухфазного потока. В связи с этим решение частных задач, например: оптимизацию условий эксплуатации землесосных снарядов и гидроперегружателей с целью повышения долговечности ведущих деталей грунтонасосов, особенно при неопгималь-ных исходных условиях работы, целесообразно проводить поэтапно: сначала следует улучшить структуру двухфазного штока в проточных каналах насоса и уменьшить потери энергии на вихреобразование, определяющие масштабные уровни изнашивания, а затем заменить менее -на более износостойкие материалы для быстроизнашивающихся деталей.

При оптимизации, например, путем согласования гидравлических и геометрических параметров грунтовых насосов, в качестве критериев

оптимальности целесообразно использовать: на первом этапе - себестоимость тонны переработанного грунта, на втором - наибольшее значение критерия износостойкости материала с учетом ограничений,

связанных со спецификой эксплуатации и технологией изготовления деталей.

7. Моделирование процесса газоабразивного изнашивания СТС на основе структурно-энергетического подхода и сопоставление частных теоретических зависимостей скорости изнашивания от характеристик газоабразивного потока, свойств твердых частиц и энергоемкости изнашиваемых материалов с соответствующими экспериментальными результатами, выявило их хорошую взаимную корреляцию.

На основании выполненного моделирования впервые разработана методика расчетного прогнозирования долговечности выпускных клапанов СДВС в условиях газоабразивной и капельной эрозии. Расчеты по предложенной методике показывают, что переход на "тяжелые" сорта топлива (высоковязкие с повышенным содержанием серы, натрия и ванадия) уменьшают ресурс выпускного клапана из сильхрома примерно в четыре раза, что соответствует накопленному опыту эксплуатации дизельных двигателей на высоковязких моторных сортах топлива.

8. В результате сопоставления исходной и детализированной структурно-энергетической модели изнашивания материалов и покрытий при граничном трении, учитывающей возможность суперпозиции результатов одновременно протекающих в зоне контакта нескольких процессов повреждаемости (изнашивания), с данными стендовых испытаний на износостойкость нескольких пар трения и с результатами анализа статистических данных об износах цилиндровых втулок 36-и судовых среднеоборотных двигателей в зависимости от продолжительности эксплуатации, периода замены масла, температуры охлаждающей воды, среднего эффективного давления, частоты вращения коленчатого вала и содержания серы в топливе оказалось возможным не только убедиться в целесообразности структурно-энергетического подхода при моделировании процессов изнашивания при внешнем трении, но и получить ряд важных для практики множественных и частных (парных) зависимостей скорости изнашивания сопряженных деталей от триботехнических характеристик и перечисленных выше параметров внешнего воздействия на трибосистему, положенных в основу впервые разработанной методики расчетного прогнозирования скорости изнашивания и долговечности цилиндровых втулок двигателей.

8.1. Скорости изнашивания втулок цилиндров трех групп двигателей нефорсированных 8НФД36У и с наддувом 8НФД36АУ, рассчитанные по предлагаемой методике, составили ряд геометрической прогрессии и оказались близкими к скоростям изнашивания большого количества втулок цилиндров судовых двигателей в условиях эксплуатации.

8.2. Для двигателей I и II групп , имеющих температуру охлаждающей воды на 20...25°С ниже оптимальной, соответствующей наименьшей скорости изнашивания "зеркала" втулок, целесообразно применять с наружной водоохлаждаемой стороны специальные коррозионно-эрозионностойкие теплоизоляционные синтетические покрытия, позволяющие, как показал опыт эксплуатации СДВС, на 20...30% уменьшить üj[3„ "зеркала" втулок и сэкономить при этом до 5...10% топлива и моторного масла. Для двигателей III группы с оптимальной ТОЕ "утепление" втулок не даст положительных результатов.

9. Установленная многоуровневая регулярность и фрактальная размерность параметров, определяющих скорость изнашивания (разрушения) материалов при трении скольжения и виброконтактном взаимодействии сопряженных поверхностей, при гидродинамической и вибрационной кавитации, гидро-, газо- и ударноабразивном внешнем воздействии, указывает на существование фундаментальных закономерностей, единых для любых (открытых) трибосистем в широком дипазоне изменения интенсивности и уровней энергообмена между активной внешней средой и "пассивными" деформируемыми (изнашиваемыми) сплошными средами.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Теория и практика прогнозирования износостойкости и долговечности материалов и деталей машин. (В соавторстве с Погодаевым Л.И.), Санкт-Петербург, изд-во СПГУВК, 1997.-415 с.

2. Прогнозирование износостойкости и долговечности материалов и деталей машин.(В соавторстве с Лебедевым О.Н., Погодаевым Л.И.), Новосибирск, изд-во НГАВГ, 1997. - 180 с.

3. Анализ современных методов и критериев при оценке долговечности и износостойкости материалов.(В соавторстве с Погодаевым Л.И.) //Проблемы машиностроения и надежности машин. 1996, № 3. С. 47-58.

4. Обобщенная модель процессов динамического деформирования и поверхностного разрушения (изнашивания) материалов с гетерогенной структурой. (В соавторстве с Погодаевым Л.И., Чулкиным С.Г., Кузь-

миным A.A.) //Проблемы машиностроения и надежности машин. 1996, № 6, С.60-79.

5. Зависимость износостойкости и долговечности материалов при микроударном нагружении от механических свойств поверхности. (В соавторстве с Погодаевым Л.И., Цветковым Ю.Н., Чулкиным С.Г.). //Проблемы машиностроения и надежности машин, 1997, № 3, С.40-51.

6. Усталостно-энергетическая модель эрозии выпускных клапанов двигателей.(В соавторстве с Погодаевым Л.И., Кузьминым A.A., Власовой JI.B.). //Проблемы машиностроения и надежности машин, 1995, № 3, С.63-73.

7. Анализ надежности выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания. (В соавторстве с Погодаевым Л.И., Кузьминым A.A., Пушни-ным В.П.) //Проблемы машиностроения и надежности машин. 1995, № 5, С.48-64.

8. Основы расчета долговечности выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания. (В соавторстве с Погодаевым Л.И., Кузьминым A.A., Пушниным В.П.). //Проблемы машиностроения и надежности машин. 1996, № 1, С.55-66.

9. Долговечность, износостойкость и энергоемкость материалов при кавитационном воздействии. (В соавторстве с Погодаевым Л.И., Цветковым Ю.Н., Чулкиным С.Г.). //Проблемы машиностроения и надежности машин. 1997, № 2, С.47-63.

10. Методические основы прогнозирования износостойкости цилиндровых втулок двигателей внутреннего сгорания. (В соавторстве с Погодаевым Л.И.). //Проблемы машиностроения и надежности машин. 1997, №5, с.53-61.

11. Восстановление и упрочнение гребных винтов.(В соавторстве с Арабьяном Л.К. и Бекетовым А.И.). //Речной транспорт, 1982, №3, с. 2728.

12. Плазменное упрочнение гребных винтов.(В соавторстве с Арабьяном Л.К., Бекетовым А.И. и Гельтманом И.А.). //Речной транспорт, 1983, №1,с.ЗЗ.

13. Восстановление цилиндровых втулок судовых среднеоборотных дизелей плазменным напылением. /Повышение эффективности водного транспорта. Горький: ГИИВТ, 1983.- С.63-64.

14. Восстановление втулок цилиндров дизелей. (В соавторстве с Арабьяном Л.К., Бекетовым А.И., Голощехиным Ю.И.). //Речной транспорт, 1986, №4, с. 32-33.

15. Опыт эксплуатации восстановленных втулок цилиндров дизе-лей.//Речной транспорт, 1988, № 10, - С.34-35.

16. Анализ эксплуатационных износов "зеркала" цилиндров судового дизеля Г70-5. /Автоматизированные электрические установки водного транспорта.-Л.: ЛИВТ, 1984. С. 112-119.

17. Исследование износостойкости цилиндровых втулок двигателя Г70-5 (6ЧРН36/45), восстановленных методом плазменного напыления. (В соавторстве с Гендлером А.Г.)./Вопросы технологии и организации производства в судоремонте,- Новосибирск: НИИВТ, 1984,- С.33-42.

18. Оптимизация процесса плазменного напыления покрытия на рабочую поверхность цилиндровой втулки. /Повышение надежности и долговечности ответственных судовых деталей механизмов и устройтсв. Новосибирск: НИИВТ, 1985,- С.5-13.

19. Выбор длительности проплавления плазменного покрытия цилиндровой втулки дизеля Г70-5. (В соавторстве с Гендлером А.Г.). /Техническая эксплуатация и исследование судовых энергетических установок. - Новосибирск: НИИВТ, 1985, с.101-106.

20.Адгезионная прочность плазменного оплавленного покрытия. /Проектирование и расчет сцепов судов внутреннего плавания.- Новосибирск: НИИВТ, 1986, с. 104-110.

21. Газотермическое напыление чугунных цилиндровых втулок. (В соавторстве с А.О.Токаревым)./Износостойкость и повышение надежности судовых деталей механизмов и устройств.- Новосибирск: НИИВТ, 1987, с.21-27.

22. Механическая обработка твердых самофлюсующихся сплавов. /Износостойкость и повышение надежности судовых деталей, механизмов и устройств. - Новосибирск: НИИВТ, 1987, с.28-32.

23. Колебательные процессы при кавитации. /Улучшение виброзащитных свойств упругих подвесок СЭУ. - Новосибирск: НИИВТ, 1990, с.78-82.

24. Резонансные явления при кавитации. (В соавторстве с Бишевым Б.А., Зацепиным А.Г. и Казачком В.М.). /Динамика и прочность машин,- Новосибирск: НЭТИ, 1990, с.100-104.

25. Загрязнения и струйная очистка поверхностей металлов. /Проблемы технологии судоремонта,- Новосибирск: НИИВТ, 1990, с.65-72.

26. Методы очистки, судовых конструкций и деталей. /Виброзащитные устройства СЭУ,- Новосибирск: НИИВТ, 1990, с.31-36.

27. Установка для кавитационно-эрозионных испытаний конструкционных материалов. /Динамические свойства машин.- Новосибирск: НЭТИ, 1991, с.81-85.

28. Гидродинамическая очистка металлических поверхностей. /Проблемы инженерного творчества.- Новосибирск: НИИВТ, 1992, с.22-27.

29. Гидроструйная установка УТСЭ 63/320 для испытания материалов на кавитационное изнашивание./Современные методы исследования и предупреждения коррозионных и эрозионных разрушений,- Севастополь: СДНТП, 1991. -С.34-35.

30. Микроструктура чугунных деталей с износостойким плазменным покрытием из самофлюсующегося сплава ПГ-ХН80СР4. (В соавторстве с А.О.Токаревым). /Объемное и поверхностное упрочнение деталей машин. - Новосибирск: НЭТИ, 1995,- С. 11-34.

31. Расчет долговечности выпускных клапанов судовых дизелей (В соавторстве с Погодаевым Л.И., Пушкиным В.П., Власовой Л.В.)./Повышение надежности судовых деталей, механизмов и устройств. - Новосибирск: НГАВТ, 1995, с.11-34.

32. Современные подходы и критерии при оценке долговечности и износостойкости судовых технических средств (В соавторстве с Погодаевым Л.И., Кузьминым А.А.)./Высшее образование в современных условиях. - Санкт-Петербург: СПГУВК, 1996,- С.240-244.

33. Особенности самоорганизации трибосопряжений на различных масштабных уровнях изнашивания.(В соавторстве с Погодаевым Л.И., Цветковым Ю.Н.)./Износостойкость подшипников и зубчатых зацеплений. Труды Междунар. науч.-техн. конф., Москва: ЦНИИГМАШ, 1997.

34. Новые установки для испытаний материалов на гидроэрозию в жидких абразивных и не неабразивных средах. (В соавторстве с Родионовым В.П.)/Известия Новосибирского научного центра «Ноосферные знания и технологии» РАЕН. Вып.1. Новосибирск: Изд. НГАВТ, 1997 г. -с. 54-64

35. Применение структурно-энергетической модели гидроабразивного изнашивания для повышения долговечности грунтовых насосов. /Известия Новосибирского научного центра «Ноосферные знания и технологии» РАЕН. Вып.1. Новосибирск: Изд. НГАВТ, 1997 г. -с. 66-72

36. Fatigue-energy model of exhaust valve erosion, (co-works: Pogodaev L.I., Kusmin A.A., Vlasova L.V.). // Journal of Machinery Manufacture and Reliabiliti. №3, 1995, p.p. 51-57.

37. Analysis of the reliability of internal cjmbustion engine exhaust valves (co-works: Pogodaev L.I. ,Pushnin V.P., Kusmin A.A., Vlasova L.V.). // Journal of Machinery Manufacture and Reliabiliti. №5, 1995, p.p. 40-52.

38. Fundamentals of the service life desidn of disel exhaust valves, (co-works: Pogodaev L.I. ,Pushnin V.P., Kusmin A.A., Vlasova L.V.). // Journal of Machinery Manufacture and Relifbiliti. №1, 1996, p.p. 45-54.

39. Approaches and criteria used in estimating the longevity and wear-resistance of materials, (co-works: Pogodaev L.I.). // Journal of Machinery Manufacture and Reliabiliti. №5, 1996, p.p. 35-48.

Подписано к печати 24.10.97 г. Формат 60x84 1/16. Объем 3,2 усл.печ листа. Тираж 110. Заказ №190

Ротапринт НГАВТ, 630104, Новосибирск, ул. Советская, 60

ПРВДЮЛОБИЕ.

1. АНАЖЗ ПРОБЕЕМЫ. ЗАДАЧИ ИСШВДОВАНИЯ

1.1. Введение .II

1.2. Особенности моделирования процессов изнашивания материалов

1.3. Общая проблема и частные задачи исследования

2. СОВРЕМЕННЫЕ ШЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОВЩЕНИЯ

МАТЕРИАЛОВ ПРИ ТРШИИ И ИЗНАШИВАНИЙ.

2.1. Критерии оценки долговечности и износостойкости материалов

2.2. Структурно-энергетическая модель износостойкости металлических материалов с позиций механики неоднородных сплошных сред.

2.3. Выводы по главе I.

3. ОБОБЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ИЗНАШИВАНИЯ МАТШШОВ

С ГЕТЕРОГЕННОЙ СТРУКТУРОЙ

3.1. Влияние масштабных эффектов на долговечность и износостойкость материалов

3.2. Обобщенная модель изнашивания материалов.

3.3. Особенности диссипации энергии при ротационных механизмах деформации материалов

3.4. Анализ кинетических функций в уравнениях изнашивания Ю

3.5. Структурно-энергетический критерий износостойкости с учетом жесткости напряженного состояния поверхности металлических материалов.

3.6. Выводы по главе

4. МОДЕШРОВАНИЕ ВДР0ЭР03И0НН0Й СТОЙКОСТИ МАТЕШМОВ

Ш СУДОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

4.1. Установки доя гидроэрозионных испытаний материалов 149 4.1Л. Исследование эрозионной способности струйных гидродинамических излучателей.

4.1.2. Установка для исследования закономерностей совместного кавитадонно-гидроабразивного изнашивания

4.2. Исследование повреждаемости поверхности материалов при повторном гидродинамическом нагружении.

4.3. Влияние масштаба внешнего динамического нагружения на критическую скорость разрушения сплавов

4.4. Зависимость эрозионной стойкости от механических свойств материалов

4.5. Влияние энергоемкости на износостойкость сплавов при гидроэрозии.

4.6. Использование структурно-энергетической модели гидроабразивного изнашивания для повышения долговечности грунтонасосных установок.

4.7. Выводы по главе

5. ШДЕЖРОВАШЕ ГАЗОАБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ

И КАПЖЬШЙ ЭРОЗИИ СТО

5.1. Структурно-энергетическая модель эрозии выпускных клапанов судовых двигателей внутреннего сгорания

5.2. Сопоставление аналитической модели газоабразивной эрозии с результатами стендовых испытаний клапанов

5.3. Методика прогнозирования долговечности выпускных клапанов судовых двигателей.

5.4. Пример расчета долговечности выпускного клапана

5.5. Выводы по главе 5.

6. ЮДЕПИРОВАНЙЕ ИЗН0С0СТ0ЙК0СШ СТС ЮТ ТРЕНИЙ СКОЛЬЖЕНИЯ

6.1. Особенности изнашивания цилиндровых втулок СДВС

6.2. Структурно-энергетическая модель изнашивания материалов при трении скольжения

6.3. Сопоставление аналитической модели изнашивания с результатами лабораторных испытаний материалов

6.4. Результаты статистического анализа скоростей изнашивания втулок цилиндров в зависимости от условий эксплуатации СДВС

6.4.1. Закономерности изнашивания втулок двигателей

I группы

6.4.2. Закономерности изнашивания втулок двигателей

П и Ш групп

6.4.3. Методические основы прогнозирования ресурса цилиндровых втулок СДВС .<

6.5. Выводы по главе 6.

Обйше выводы по диссертации

Наблюдаемый в настоящее время в России катастрофический спад промышленного производства, релаксация научного потенциала, прежде всего потеря высококвалифицированных научных кадров и фактическое свертывание работ в головных НИИ и других организациях, ответственных прежде за реализацию государственной технической политики в судо- и машиностроении, металлургии, технологии материалов и в других приоритетных направлениях, определяющих в итоге жизнеспособность государства, эффективность его бюджета и уровень жизни населения, возвращает некогда благополучные отрасли на технологический уровень 60.70-ых годов со сравнительно высоким уровнем ручных операций, особенно при выполнении различного рода ремонтных работ. Однако в отличие от 60.70-ых годов парадокс современности заключается ни в отсутствии высокопроизводительных и надежных технологий, а в том, что нищие предприятия не могут в полной мере воспользоваться современными (наукоемкими) технологиями, приобрести дорогое технологическое оборудование, а также обеспечить суда сменно-запасными деталями, в частности, предназначенных для двигателей внутреннего сгорания зарубежной постройки.

Можно полагать, что в ближайшие 10.15 лет будет происходить постепенное первоочередное возрождение и техническое переоснащение главным образом добывающих отраслей народного хозяйства, быстрее других приносящих дивиденды за счет продажи (в основном за рубеж) природных богатств страны. На их фоне остальные отрасли, в том числе водный транспорт и обслуживающие его предприятия, будут мучительно искать пути выживания. Выживут, видимо, те отрасли и предприятия, которые будут непосредственно обслуживать добывающие комплексы. Если в этих условиях водный транспорт в борьбе за перевозки нефти и нефтепродуктов, сжиженного природного газа, рудных и нерудных полезных ископаемых, леса и других грузов, например контейнеров, сможет конкурировать с железнодорожным и автомобильным транспортом, то он выживет и получит дальнейшее развитие. Наиболее вероятным итогом такой конкуренции окажется частичное выживание водного транспорта, в первую очередь в регионах с низкой плотностью современных автомобильных и железных дорог» а это: Сибщ>ь, Дальний восток и Север европейской части страны. Пассажирские перевозки мо£ут оказаться рентабельными только после того, когда жизненный уровень основной массы населения страны поднимется до уровня, когда проблема пропитания перестанет быть первостепенной и появится возможность удовлетворить другие потребности, связанные с необходимостью переездов. Это в первую очередь относится к перевозкам на судах на подводных крыльях, на воздушной подушке и т.н., т.е. на сравнительно короткие расстояния с достаточно высокой скоростью.

Поскольку на завершение процесса самоорганизации отрасли потребуется примерно 10.15 лет, то ее практически не возобновляемая материальная база, уже в настоящее время требующая 80^-ой замены, вследствие неизбежного физического и морального старения, в первые 5.7 лет существенно уменьшатся, а в последующие 5.7 лет будет наращиваться. В силу указанных выше обстоятельств возрождение отрасли будет интенсивным и неравномерным в отдельных регионах по принципу: где густо, а где пусто.

В период стагнации отрасли первостепенное значение приобретает ремонт судовой техники и оптимизация режимов ее эксплуатации, чтобы хоть как-то свести концы с концами и подольше продержаться на плаву. Очевидно, что целью оптимизации в этих условиях окажется установление щадящих режимов эксплуатации судовой техники, прошедшей ремонт, не гарантирующий требуемой надежности.

В период возрождения отрасли начнется проектирование и постройка новых или модернизированных типов судов, наиболее полно удовдбтворявдих потребностям отдельных регионов страны и конкретным условиям эксплуатации, в том числе условиям смешанного (река-море) плавания. При проектировании и строительстве флота, судовых энергетических установок и другого оборудования важно будет учесть накопленный разносторонний опыт, особенно по надежности судовых технических средств, в частности: по надежности и коррозионной стойкости корпусных конструкций, но ресурсу деталей дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива, по долговечности рабочих устройств судов технического флота, используемых на добыче строительных материалов и погрузочно-разгрузочных операциях в портах и т.п.

Эвристическая ситуационная модель состояния ж развития отрасли на ближайшие два временных периода позволяет сформулировать три укрупненных проблемы, необходимость последовательного решения которых диктуется жесткими объективными обстоятельствами, связанными с приходом государственно-монополистического капитализма. Вот эти проблемы;

1. Разработка и реализация малозатратных (упрощенных) технологических процессов восстановления судовых технических средств и изготовления сменно-запасных деталей;

2. Установление оптимальных (щадящих) условий эксплуатации судовой техники пониженной надежности, используемой на стадии исчерпания ресурса ведущих деталей, а также после ремонта;

3. Проектирование и строительство судовой техники второго тысячелетия с учетом обобщенного опыта эксплуатации прототипов и с использованием расчетных методов оценки надежности наиболее нагруженных механизмов, узлов и отдельных деталей.

Важно отметить, чт© общим для всех tpex проблем является необходимость: достаточно точной идентификации ведущих разновидностей изнашивания и повреждений судовых технических средств; установления масштабных (энергетических) уровней повреждаемости (разрушения) деталей; моделирования процессов изнашивания материалов (деталей) в зависимости от условий эксплуатации судовой техники и наконец - расчетного прогнозирования ресурса ведущих деталей и принятия окончательных решений, включающих режимные, конструктивные, материаловедческие и технологические мероприятия.

Ясно, что без обоснованного решения (в различных сочетаниях) перечисленных укрупненных задач квалифицированное решение трех сформулированных выше отраслевых проблем не представаяется возможным. В то же время для решения укрупненных (частных) задач необходим общий концептуальный подход, который еще до конца не разработан, но который крайне необходим, особенно для указанной выше третьей (магистральной) проблемы, от решения которой будет зависеть эффективность отрасли и ее место в экономическом пространстве страны в начале второго тысячелетия.

Анализ выполненных исследований показывает, что в качестве исходной теоретической концепции может быть использована обобщенная структурно-энергетическая модель процессов повреждаемости и изнашивания, в наибольшей степени пригодная для решения частных задач прогнозирования долговечности и износостойкости как материалов и современных функциональных покрытий, так и разнообразных рабочих устройств судовой техники при гидроэрозии, газо- и гидро-абразявном внешнем воздействии, а также при фреттинг-коррозии, внешнем трении и контактной усталости.

Надежность, а следовательно, и эффективность судовой техники недалекого будущего будет в значительной степени зависеть от того, насколько реально мы сможем учитывать негативные последствия разномасштабного внешнего воздействия на материалы и узлы машин и механизмов в постоянно ужесточающихся условиях их эксплуатации, создающих трудноразрешимые комплексные проблемы. Так например, при работе на тяжелых сортах топлива надежность выпускных клапанов, деталей ЦПГ и топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания существенно снижается. Каждая вторая-третья втулка цилиндров ВОД и СОД имеет эрозионные повреждения на водоохяаждаемой поверхности; то же относится и к каждому четвертому гребному винту морских сухогрузов. При неоптимальных режимах эксплуатации землесосных снарядов скорость местного шдроабразивного изнашивания деталей грунтовых насосов исключительно высока и может более чем на два порядка превосходить скорость общего изнашивания. Решение этих проблем, к сожалению, переносится на более позднее время. Ограничиваясь этим, далеко не полни, перечнем объектов судовой техники, надежность которых явно недостаточна, становится очевидной актуальность моделирования процессов изнашивания, выявления общих закономерностей, свойственных различным видам изнашивания материалов, и необходимость разработки с единых теоретических позиций методик расчетного црогнозирования долговечности и износостойкости деталей и способов повышения их надежности.

ШВА I. АНАЖЗ ПР0Е1ЕМЫ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

I.I. Введение

В настоящее время сформировалось мнение о том, что при контактном взаимодействии поверхностей, например, при трении скольжения, основную роль в образовании диссипативных структур играют эффекты на мезо- и фрагментарном уровнях, то есть в пределах от

0,1.3,0 мкм (мезомасштаб) до = (3.IQ)4z (масштаб фрагментарных структур). Фрагментарный уровень обусловлен кооперативными эффектами в системах мезообъемов. При этом деформационные процессы в поверхностных слоях материалов связаны с ротационной и струйной неустойчивостью многомасштабных структур при размерах ротационных элементов в пределах от ОД до 0,5.1,0 мкм[22].

Ротационная приграничная неустойчивость материала на масштабном уровне струй аналогична турбулентному течению жидкости. Условием возникновения локальных струйных течений являются высокие скорости деформации (скорости нагружения), так называемая гидродинамическая деформация. В работе показана возможность анализа струйных течений в металлах с помощью методов гидромеханики.

Большие потоки энергии через сравнительно тонкие деформируемые слои материала создают условия самоорганизации. Например, при напряжении трения 10 МПа и скорости смещения 0,1 м/с в слой металла толщиной 5 мкм вводится поток энергии плотностью 2.10^ превышающей энергию связи атомов в рассматриваемом слое [22], Однако значительная часть потока энергии диссипирует за счет многомасштабности структуры в слое материала глубиной до 20.30 мкм. При этом процессы, происходящие на разных масштабных уровнях, взаимосвязаны во времени и пространстве, В качестве примера самоорганизации материала при трении скольжения можно привести известный факт возникновения двух типов диссипативных структур - ротационных (0,1.0,5 мкм) и периодических в виде волнистости на поверхности трения с шагом 10.20 мкм. Аналогичная картина имела место и при гидроабразивном изнашивании нержавеющих сталей, когда в зонах местного изнашивания пластическая неустойчивость деформируемого слоя сопровождалась образованием регулярного рельефа в виде ряби с шагом в пределах от 5 до 20 мкм.

Если учесть, что к макромасштабу, на котором возможно осреднение неоднородностей структуры, относят поведение материалов на глубине, превышающей 10 мкм, то нетрудно сделать вывод о том, что процессы, происходящие на фрагментарном уровне, могут быть описаны методами механики однородных сплошных сред. Б то же время определенные надежды можно возлагать на полезное применение известных уравнений механики гетерогенных сплошных сред для описания поведения материалов на неоднородном по плотности дефектов мезоскопичес-ком уровне, тем более, если учесть при этом вероятность фазовых превращений, влияние температуры и особенности протекания скрытого (аккумуляционного) периода накопления повреждений и скрытой (внутренней) энергии в повторно деформируемом слое.

Очевидно, что моделирование долговечности и износостойкости материалов при учете перечисленных факторов в общем случае потребует сращивания решений, полученных методами механики гетерогенных сплошных сред и результатов кинетического термоактивационного подхода, успешно реализованного в свое время В.В.Федоровым [Д31-133] применительно к условиям длительной прочности и ползучести материалов с оценкой структурных и активационных параметров процессов.

Важность такого подхода связана с тем, что методами механики сплошных сред, в частности: уравнениями движения поверхностей разрыва, может быть учтена динамичность внешнего, как правило потокового, нагрукения материалов при различных видах изнашивания. Наблюдаемый при этом перенос введенной энергии волнами упругих и пластических деформаций характеризует "возбужденное" состояние материала и невозможность диссипации внешней энергии другим способом кроме волнового. Возбужденное состояние характеризуется скачкообразным локальным изменением физико-механических свойств материала, аналогичным изменению свойств твердой среды при фазовых переходах. Очевидно, что отмеченное возбужденное состояние материала проявляется при некоторой нижней критической плотности мощности деформации, достаточной для "возбуждения" материала, вплоть до верхней критической плотности потока энергии деформации, соответствующей его немедленному разрушению. При этом предыстория нагру-жения и предварительного "возбуждения" материала и связанная о ними степень накопления внутренней энергии и деструкции, запас пластичности, морфология и размеры неизбежно возникающих при этом диссипативяых структур, оказывают решающее влияние на долговечность (износостойкость) деформируемых объемов. Подобные условия нагружения в литературе принято называть микроударными, что не является правильным, так как не отражает в полной мере многомасштаб-ность диссипативных структур. Для большинства видов изнашивания более правильно было бы использовать термин мезоударное нагружение, если пренебречь вероятностью проявления смешанного разрушения, происходящего одновременно на мезо-, макро- и фрагментарном уровнях. Влияние температуры при мезоударном нагружении будет, очевидно, проявляться в степени замораживания диссипативных структур после снятия внешнего воздействия и перехода избыточной энергии в тепловую. Этот аспект динамического нагружения материала, так же как и квадастатического, полезно рассматривать с использованием термодинамических и молекулярно-кинетических (термоактивационных) представлений.

Ясно, что критериальными параметрами разрушения (износостойкости) материалов при динамическом нагружении будут предельные потоковые характеристики, например: критическая плотность потока энергии деформации, или плотность мощности деформации и соответствующие им - удельная энергия разрушения и критическая скорость удара, изменяющиеся в зависимости от жесткости внешнего нагруже-ния и масштаба диссипативных структур.

Последнее обстоятельство является принципиально важным, поскольку затрагивает вопрос о постоянстве (непостоянстве) плотности энергии разрушения в изменяющихся условиях внешнего нагружения одного и того же материала. Если учесть, что различным условиям внешнего нагружения материала соответствует ступенчатое изменение энергий активации, достаточных для начала структурных изменений, приводящих в итоге к разрушению, то по аналогии можно полагать возможным ступенчатое изменение значений критических потоковых характеристик изнашиваемых материалов, адекватных жесткости напряженного состояния материала и соответствующим уровням (масштабам) диссипативных структур.

Это предположение требует допущения о неодинаковой плотности насыщения скрытой энергией продуктов изнашивания материала в различных условиях внешнего нагружения, дискретного изменения их крупности, и как следствие, - существования нескольких модификаций общей структурно-энергетической модели изнашивания , содержащей в качестве критерия износостойкости критическую плотность мощности деформации. При переходе от динамического к квазистатическому и статическому внешнему нагружению при изнашивании, или при изменении условий контактного взаимодействия сопряженных поверхностей, например, вследствие перехода от одного преобладающего вида изнашивания к другому, критерий износостойкости будет претерпевать соответствующие изменения, при этом потоковая динамическая сущность критерия может оказаться излишней и сложный энергетический критерий может выродиться в одну из механических характеристик поверхности материала (твердость, прочность и пр.), полученную при стандартных статических испытаниях образцов,

Б диссертации использована и получила дальнейшее развитие структурно-энергетическая теория изнашивания материалов, основан -ная на соотношении потока внешней энергии к предельной плотности мощности деформации, учитывающая структуру изнашиваемых материалов, энергоемкость, критическую скорость нагружения, жесткость напряженного состояния, аккумуляционный период накопления повреждений, многомасштабно сть энергетических уровней изнашивания и соответствующих диссипативных структур, и наконец - закономерности перехода от одного масштабного уровня изнашивания к другому.

С позиций структурно-энергетической теории рассмотрены: кави-тационная, гидро- и газоабразивная, а также ударно-абразивная эрозия, изнашивание при трении скольжения и фреттинг-коррозии. Даны методические основы расчета долговечности и износостойкости судовых движителей и деталей центробежных грунтовых насосов, выпускных клапанов и деталей пилилдро-поршневой группы судовых двигателей внутреннего сгорания. Возможность прогнозирования ресурса различного оборудования оказалась возможной, в частности, благодаря впервые установленным количественным соотношениям, учитывающим многомасштабность структур и подчиняющимся закономерностям фрактальной механики разрушения.

ОБЩИЕ ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Учитывая то, что результаты исследований нашли подробное отражение в выводах по главам, основные выводы по диссертации, во избежание повторений, целесообразно обобщить в связи с задачами работы, сформулированными в пЛ.З, с соответствующими ссылками на частные выводы по главам (п.п.: 2.3; 3,6; 4.7; 5.5 и 6.5).

Целевая установка диссертации, заключающаяся в углублении структурно-энергетической теории изнашивания материалов и применении ее основных положений к условиям внешнего трения, гидроэрозии деталей, гидро- и газоабразивного внешнего динамического воздействия для выявления новых и углубления известных закономерностей процессов поверхностного разрушения материалов с различными структурами и последущего прогнозирования на их основе ресурса судовых (и других) технических средств с учетом условий эксплуатации последних, определила архитектонику работы и реализована по традиционной схеме: исходная (ИСЭШ) и обобщенная (ОСЭМИ) структурно-энергетические модели изнашивания частные (ЧСЭШ) структурно-энергетические модели изнашивания —>- основные закономерности различных видов изнашивания методы прогнозирования скорости изнашивания и долговечности деталей; способы оптимизации условий эксплуатации СТО; технологические приемы восстановления (упрочнения) деталей (см.схему).

Кроме указанных этапов исследований на схему нанесены порядковые номера выводов из 2-6 глав диссертации с оценкой их относительной научной и практической значимости.

Подводя итог выполненной работе, целесообразно в сжатой форме отметить наиболее важные полученные результаты.

I. На примерах моделирования процессов эрозии широкого круга материалов и покрытий в абразивных и неабразивных жидких и газоабразивных средах, а также при изнашивании деталей в условиях гра

-т

Схема алгоритмической последовательности и результатов вып олненных исследований У г f S5 a I

Co to новые HQtfYH67e и практические, результаты соответственно• □}0- то же So л ее высокой, ценности-tfi, — новые результаты, имеющие одновременно ларч-ную и практическую ценность, ординарную и гювбгшенную соответственно^

В 5 (СЙ - особо важные новые научные и одновременно научно - пракп?игески& результаты, соат£етстЗенноj практические и одновременно наухно - практические результаты, oS-ладающие злеженталси новизны,. ничного трения, показана эффективность структурно-энергетического подхода, основанного на использовании энергетических потоковых характеристик внешнего воздействия и энергоемкости материалов (покрытий) , представленных критической плотностью мощности деформации, а также связанными с ней: разномасштабными структурными характеристиками, критическими скоростями нагружения, продолжительностью аккумуляционного периода накопления повреждений, энергиями активации элементарных процессов атомно-молекулярных перегруппировок, эквивалентными теплофизическими характеристиками, коэффициентами интенсивности напряжений у вершин трещин и другими механическими характеристиками деформируемых (изнашиваемых) объемов, а также их сочетаниями.

Б работе показана аналогия между ротационной и вихревой структурами в твердом теле и в жидкости на мезомасштабном уровне; приведены примеры оптимизации характеристик микроструктуры для достижения наибольшей износостойкости гетерофазных материалов. Показана решающая зависимость скорости изнашивания СТО от структуры внешней среды, в частности: от вихревой структуры гидроабразивного потока в грунтовых насосах, и обоснованы методы ее оптимизации в макромасштабе, снижающие интенсивность вихрей и повышающие долговечность деталей.

2. Впервые установленные при кавитационной эрозии, гидроабразивном изнашивании и граничном трении деталей количественные соотношения, характеризующие самоорганизацию трибосистем на различных масштабных (энергетических) уровнях внешнего воздействия, открывают новые возможности при моделировании различных видов изнашивания, расчетной оценке износостойкости и долговечности материалов и деталей машин; например: возможность предсказания изменения скорости изнашивания СТО при переходах с одного энергетического уровня с известной скоростью изнашивания на другие, где ииш неизвестна.

3. Исследованная в работе трехуровневая зависимость повреждаемости материалов от скорости (давления) внешних импульсов при гидроэрозий, характеризуется соответствующими энергиями активации, коэффициентами жесткости напряженного состояния поверхности и значениями показателей степени при скорости (давлении) в уравнениях повреждаемости ^акС^пр) » ступенчато изменяющихся в пределах от 2 до 16, представляет собой основу методики расчетного прогнозирования долговечности СТС при кавитахшонной эрозии, например, ресурса водоохлаждаемых поверхностей втулок и блоков цилиндров судовых высоко- и среднеоборотных двигателей. Для этого необходимо располагать кривой повреждаемости (усталости) материала, амплитудно-частотными характеристиками вибрирующей стенки втулки и коэффициентом пересчета долговечности материала с лабораторных на натурные условия нагружения. Масштабный коэффициент можно определить по относительным глубинам пластически деформированного слоя материала образца и цилиндровой втулки, а также путем использования параметров кинетических зависимостей эрозии, построенных по статистическим данным эксплуатации "эталонных" двигателей.

4. Вследствие впервые установленного влияния на энергетические критерии износостойкости и скорость изнашивания материалов жесткости напряженного состояния поверхностных слоев, поведение последних на различных масштабных уровнях нагружения существенно неодинаково. Один и тот же материал на макромасштабном уровне может проявлять хрупкость, а в мезомасштабе быть пластичным. При этом критические скорости макро- и мезоударного нагружения могут различаться более, чем на порядок.

В связи с этим обычно наблюдаемое на практике снижение предела выносливости высокопрочных сталей можно объяснить происходящим с ростом прочности перераспределением упругой и пластической составляющих критической скорости макронагружения в неблагоприятном направлении, т.е. в направлении уменьшения пластической и роста упругой составляющих и адекватного изменения соответствующих энергетических характеристик,

5. Оценку износостойкости и долговечности материалов следует производить с учетом жесткости напряженного состояния поверхности по энергетическому критерию и другим свойствам материалов, наиболее достоверно характеризующих поведение последних на конкретных масштабных (структурных) уровнях нагружения (изнашивания), соотносящихся между собой по правилу, близкому к геометрической прогрессии в соответствии с закономерностями фрактальной механики разрушения.

6. Результаты моделирования процессов взаимодействия потока жидкости, содержащей абразивные частицы, с ограждающими поверхностями СТО, сопровождающихся интенсивным вихреобразованием и местным гидроабразивным изнашиванием со скоростями, достигающими

0,2.0,6 мм/ч, показали, что ресурс СТО прежде всего зависит от режимов их работы и структуры двухфазного потока. В связи с этим решение частных задач, например: оптимизацию условий эксплуатации землесосных снарядов и гидроперегружателей с целью повышения долговечности ведущих деталей грунтонасосов, особенно при неоптимальных исходных условиях работы, целесообразно проводить поэтапно: сначала следует улучшить структуру двухфазного потока в проточных каналах насоса и уменьшить потери энергии на вихреобразование, определяющие масштабные уровни изнашивания, а затем заменить менее -на более износостойкие материалы для быстроизнашивающихся деталей.

На первом этапе оптимизации, например, путем согласования гидравлических и геометрических параметров грунтовых насосов, в качестве критериев оптимальности целесообразно использовать: на первом этапе - себестоимость тонны переработанного грунта, на втором - наибольшее значение критерия износостойкости Ж* материала о учетом ограничений, связанных со спецификой эксплуатации и технологией изготовления деталей.

7. Моделирование цроцесса газоабразивного изнашивания СТО на основе структурно-энергетического подхода и сопоставление частных теоретических зависимостей скорости изнашивания от характеристик газоабразивного потока, свойств твердых частиц и энергоемкости изнашиваемых материалов с соответствующими экспериментальными результатами, выявило их хорошую взаимную корреляцию.

На основании выполненного моделирования впервые разработана методика расчетного прогнозирования долговечности выпускных клапанов СЩВС в условиях газоабразивной и капельной эрозии. Расчеты по предложенной методике показывают, что переход на "тяжелые" сорта топлива (высоковязкие с повышенным содержанием серы, натрия и ванадия) уменьшают ресурс выпускного клапана из сильхрома примерно в четыре раза, что соответствует накопленному опыту эксплуатации дизельных двигателей на высоковязких моторных сортах топлива.

8. В результате сопоставления исходной и детализированной структурно-энергетической модели изнашивания материалов и покрытий при граничном трении, учитывающей возможность суперпозиции результатов одновременного протекающих в зоне контакта нескольких процессов повреждаемости (изнашивания), с данными стендовых испытаний на износостойкость нескольких пар трения и с результатами анализа статистических данных об износах цилиндровых втулок 36-и судовых среднеоборотных двигателей в зависимости от продолжительности эксплуатации, периода замены масла, температуры охлаждающей воды, среднего эффективного давления, частоты вращения коленчатого вала и содержания серы б топливе оказалось возможным не только убедиться в целесообразности структурно-энергетического подхода при моделировании процессов изнашивания при внешнем трении, но и получить ряд важных для практики множественных и частных (парных) зависимостей скорости изнашивания сопряженных деталей от триботехнических характеристик и перечисленных выше параметров внешнего воздействия на трибосистему, положенных в основу впервые разработанной методики расчетного прогнозирования скорости изнашивания и долговечности цилиндровых втулок двигателей.

8.1. Скорости изнашивания втулок цилиндров трех групп двигателей нефорсированных 8НФД36У и с наддувом 8НФД36АУ, рассчитанные по предлагаемой методике, составили ряд геометрической прогрессии и оказались близкими к скоростям изнашивания большого количества втулок цилиндров судовых двигателей в условиях эксплуатации.

8.2. Для двигателей (I и II групп), имеющих температуру охлаждающей воды на 20.25°С ниже оптимальной, соответствующей наименьшей скорости изнашивания "зеркала" втулок, целесообразно применять с наружной (водоохлаждаемой) стороны специальные коррозионно-эро-зионностойкие теплоизоляционные синтетические покрытия, позволяющие, как показал опыт эксплуатации СДВС, на 20.30% уменьшить зеркала" втулок и сэкономить при этом до 5. .10% топлива и моторного масла. Для двигателей Ш группы с оптимальной T0g "утепление" втулок не даст положительных результатов.

9. Установленная многоуровневая регулярность и фрактальная размерность параметров, определяющих скорость изнашивания (разрушения) материалов при трении скольжения и виброконтактном взаимодействии сопряженных поверхностей, при гидродинамической и вибрационной кавитации, гидро-, газо- и ударноабразивном внешнем воздействии, указывает на существование фундаментальных закономерностей, единых для любых (открытых) трибосистем в широком диапазоне изменения интенсивности и уровней энергообмена между активной внешней средой и "пассивными" деформируемыми (изнашиваемыми) сплошными средами.

1. Абачараев М.М. Выбор параметра кавитационной стойкости сплошных металлических материалов и покрытий./ Защитные покрытия на металлах. Киев: Наукова думка, 1983, вып.17, С.70-74.

2. Алексеев Н.М., До бычин M.I. Модели изнашивания./ Трибология: Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ. М.: Машиностроение, 1993, С.66-87.

3. Алексеев В.К., Бодрышев В.В., Денисов Ю.Д. и др. Экспериментальное исследование прочности при имиульсных каплеударных нагружениях.// Проблемы прочности, 1977, № 6, C.II0-II3.

4. А.с. 1452Ш7 СССР МКИ3 01 Л Зё56. Способ испытания материалов при кавитационном изнашивании. В.П.Родионов и другие (СССР) 4633818. Заявлено 6.01.89.

5. Атрошенко С.А. Многомасштабные процессы локализации динамического деформирования ж разрушения и их связь с механическими характеристикам! металлов. Автореф. докт. дис., СПб, йн-т проблем машиноведения РАН, 1994.

6. Байло В.Г. Разработка методов прогнозирования характеристик усталости конструкционных сталей и титановых силавов на основе эргодинамического подхода. Дисс. канд. техн. наук. Ташкент, ПИТ, 1987.

7. Богачев И.Н.» Минц P.M. Кавитационное разрушение железоуглеродистых сплавов. М., 1959.

8. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационностойкие шлаш. М.: Металлургия, 1972, 286 е.

9. XX. БорщевскиЁ Ю.Т., Федоткин И.М., Погодаев Д.И. Повышение эффективности землесосных снарядов. Киев, Будгвельник, Х974, 247 с.

10. Борщевский Ю.Т. Теория одно- и двухфазного турбулентного пограничного слоя. Каев, Выща школа , 1975, 192 с.

11. Борщевский Ю.Т., Мирошниченко А.Ф., Погодаев Л.И. Жовшение кавитационной стойкости двигателей внутреннего сгорания. Киев: Выща школа, 1980, 208 е.

12. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А. , Чичинадзе А.В. и др. Моделирование трения и изнашивания. М.: Машиностроение, 1982, 192 с.

13. Буше Н.А. Трение, изаос в усталость в машинах: Транспортная техника. М.: Транспорт, 1987, 223 с.

14. Буше Н.А., Копытько В.В. Совместимость трущихся поверхностей. М.: Наука, 1981, 127 с.

15. Буяновский М.А. К оценке нижних температурных пределов действия химически активных присадок.// Трение и износ. 1981, Т.2, М 4, G.703-707.

16. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Шрейбер Г.К. Ударно-абразивный износ буровых долот. М.: Недра, 1975, 165 о.

17. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю. Изнашивание при ударе. М., 1982.

18. Вшоградов В.Н., Сорокин Г.М. Износостойкость сталей и сплавов. М.: Нефть и газ, 1994, 246 с.

19. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Механическое изнашивание сталей и сплавов. М.: Недра, 1996, 364 с.

20. Владимиров В.И. Проблемы физики и изнашивания. ФХОМ, 1974, Л 2, С.23-30.

21. Гавранек Б.В., Болынуткин Д.Н. Исследование кавитационной стойкости и кинетики разрушения металлов./ Кавитационная и гидроабразивная стойкость металлов в гидротурбинах. М.: Машиностроение, 1965. С.65-74.

22. Георгиевская ЕЛ. Кавитационная эрозия гребных винтов и методы борьбы с ней. Л-г Судостроение, 1978, 208 с.

23. Голего Н.1., Алябьев А,Я., Шевеля В.А. Фреттинг-коррозия металлов. К.: Техника, 1974, 271 с.

24. Голубев Н.Ф. Современные методы исследования и предупреждения коррозионных и эрозионных разрушений. Материалы П Всесоюзн. науч. школы-семинара. Гидро струйная установка УТСЭ 63/320. Ижевск Севастополь, 1991, С.34-35.

25. Голубев Н.Ф. Повышение долговечности цилиндровых втулок дизельных двигателей газотермическими покрытиями. Автореф.,канд. дисс., JL: ЛЙВТ, 1986.

26. Голубев Н.Ф. Износостойкость цилиндровых втулок двигателей, восстановленных плазменным напылением / Исследования и методы повышения эффективности технической эксплуатации СЭУ. Труды НЙЫВТ. Новосибирск: I98i, C.I20-I29.

27. Голубев Н.Ф. Моделирование износостойкости и долговечности судовых технических средств на основе структурно-энергетического подхода. Автореф. докт. дисс., С.-Петербург, СПГШС, 1997.

28. Голубев Н.Ф., Погодаев Д.й. Закономерности изнашивания втулок цилиндров в зависимости от условий эксплуатации двигателей.// Проблемы машиностроения и надежности машин. 1997, & 5.

29. Голубев Н.Ф.,Логодаев<Л.и.Основы прогнозирования износостойкости втулок цилиндров судовых ДВС.// Проблемы машиностроения и надежности машин. 1997, $ 6.

30. Гоуфорз Р.Е. Критерии штампуемости./ Высокоскоростное деформирование металлов. М.: Машиностроение, 1966.

31. Грегер Г. Расчет износа на основе гипотезы аккумулирования энергии при трении./ Исследования по триботехнике под ред. А.В.Чичинадзе. М.: Шй информ. по маш-ию, 1975, С. 187-195.

32. Гривнин Ю.А., Зубрилов С.П. Кавитация на поверхности твердых тел JL, Судостроение, 1985. 124 с.

33. Гривнин Ю.А., Зубрилов С.Н., Погодаев Л.И. Проблемы кавитации и кавитационной эрозии. С-П.: Гос. университет водн. коммуникаций, 1993. 647 с.

34. Дехтяр И.Я., Осипов К.А. Влияние дефектов кристаллического строения на разрушение металлов. Докл. АН СССР, 1955, 104, Л 2, С.229-231.

35. Дроздов Ю.Н. Температурно-временной критерий износостойкости. //Машиноведение. 1981, 11 6, С.67-69.

36. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях. М.: Машиностроение, 1986. 224 с.

37. Дроздов Ю.Н. Развитие трибологии для экстремальных условий./ Трибология: Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ. М.: Машиностроение, 1993, C.296-3II.

38. Екобори Т. Кинетический подход к распространению усталостной трещины./ Шизика прочности и пластичности. М.: Металлургия, 1972.

39. Шахин, Жену. Схлопывание кавитационного вихревого пузыря. -Теоретические основы инженерных расчетов, Л 4, 1983, С. 116121, изд-во Мир.

40. Жену, Шахин. Численный расчет поля давления, создаваемого при натекании затопленной пульсирующей струи на жесткую преграду.-Теоретические основы инженерных расчетов, Л 4, 1984, С.222-227, изд-во Мир.

41. Журков С.Н., Томашевский З.Е. Исследование прочности твердых тел. ЖТФ, 1955, Ш, вып.1, С.66-73.

42. Журков C.I. Проблема прочности твердых тел. Вестник АН СССР, 1957, Л II, С.78-82.

43. Журков С.й. Дилатонный механизм прочности твердых тел // Физика прочности и пластичности. Л.: Наука, 1986, C.5-II.

44. Запольский Н.В. Методика определения износов деталей и узлов судовых дизелей./ Вопросы износостойкости и надежности судовых дизелей. I.: Транспорт, 1973, С.15-32.

45. Иванченко Н.Н., Скуридин А.А., Никитин М.Д. Кавитационные разрушения в дизелях. I.: Машиностроение, 1970, 152 с.

46. Иванова B.C., Гордиенко U.K. Новые пути повышения прочности металлов. М.; Наука, 1964, 118 с.

47. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975, 456 с.

48. Иванова B.C. Разрушение металлов. М.: Металлургия, 1979, 167с.

49. Иванова B.C. Синергетика: Прочность и разрушение металлических материалов. М.: Наука, 1992. 160 с.

50. Иванова, B.C., Балаякин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994. 383 с.

51. Канавелие Р. Струйный удар и кавитационное разрушение // Тр. Амер. общ. инж.-мех. Сер. Д.: Теоретические основы инженерных расчетов. М., 1968, Л 3, С.39-41.

52. Карелин В.Я. Износ лопастных гидравлических машин от кавитации и наносов. М.: Машиностроение, 1970. 352 с.

53. Карелин В.Я. Изнашивание лопастных насосов. М.: Машиностроение, 1983. 168 с.

54. Карпов Л.Н. и др. Исследование теплового состояния выпускных клапанов среднеоборотного двигателя. Труды ЦНИИ®, вып. 143, Л., 1971. С.30-38.

55. Клейс И.Р., Ууэмыйс Х.2. Износостойкость элементов измельчителей ударного действия. М.: Машиностроение, 1986. 157 с.58,59,60,61,62