автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Основы технологии ремонта и защиты цилиндровых втулок судовых двигателей эрозионностойкими покрытиями

004696996

Матвеевский Олег Олегович

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА И ЗАЩИТЫ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭРОЗИОННОСТОЙКИМИ ПОКРЫТИЯМИ

Специальность:

05.08.04 - «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2010

004606996

Работа выполнена в федеральном государственном образовательном

учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций».

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Погодаев Леонгард Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Чистов Валентин Борисович кандидат технических наук, доцент, Муравьев Александр Николаевич

Ведущее предприятие: ОАО "Центр технологии судостроения и судоремонта"

Защита состоится «15» июня 2010 г. в 14.00 в ауд. 235 на заседании диссертационного совета Д 223.009.04 при Санкт-Петербургском университете водных коммуникаций (СПГУВК) по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций.

Автореферат разослан «14» мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 223.009.04 доктор технических наук, профессор

В.Л. ЕРОФЕЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность темы диссертации. Детали цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) в процессе эксплуатации подвергаются весьма жесткому силовому, температурному, шдро- и газообразивному воздействию, а также различным видам изнашивания трибосопряжений поршневые кольца - цилиндровая втулка.

Значительное число работ посвящено способам предотвращения кавитационной эрозии блоков цилиндров и втулок со стороны охлаждающей жидкости и еще больше - повышению износостойкости внутренней поверхности втулок, так называемого «зеркала» при трении скольжения в условиях гидродинамической и граничной смазки, а также в режиме полусухого трения при адгезионном и абразивном изнашивании пары втулка - кольцо.

Ресурс (долговечность) втулок по допустимой глубине эрозионных раковин на водоохлаждаемой поверхности примерно в четыре раза меньше ресурса по изнашиванию «зеркала». Это означает, что выбраковка цилиндровых втулок ВОД и СОД двигателей во многих случаях производится по кавитационным разрушениям, а не по износу внутренней поверхности. В связи с этим для достижения примерно одинаковой долговечности втулок при изнашивании с наружной и внутренней стороны следует существенно снизить интенсивность эрозии водоохлаждаемых поверхностей ДВС при вибрационной кавитации.

Очевидно, что при стремлении повысить надежность деталей ЦПГ двигателей наилучшим решением было бы такое, которое одновременно защитило бы втулку от гидроэрозии и обеспечило бы оптимальные условия для протекания рабочего процесса двигателя со всеми вытекающими из такого комплексного решения благоприятными последствиями.

При обозначенном комплексном подходе актуальность и значимость проблемы повышения надежности деталей ЦПГ ДВС значительно возрастет. Опыт показывает, что технически эта проблема может быть успешно решена путем разработки состава композиционного эрозионностойкого теплоизоляционного покрытия и технологии его нанесения на водоохлаждаемые поверхности цилиндровых втулок ДВС.

Целью работы является обоснование целесообразности применения предложенной технологии для защиты водоохлаждаемой поверхности цилиндровых втулок от эрозии, повышающей надежность деталей и эффективность эксплуатации судовых ДВС по наиболее важным показателям.

Для выполнения данной цели были поставлены следующие задачи: 1. Обосновать методику оценки износостойкости и долговечности материалов и деталей по установленным физико - механическим критериям кавигационно - эрозионной стойкости.

2. Разработать структурно - энергетическую (гидродинамическую) модель взаимодействия внешней среды с эластичным покрытием, раскрывающую сущность защиты упрочненных деталей от кавитационной эрозии.

3. Разработать гидродинамическую модель динамического взаимодействия жидкостей с эластичными поверхностями деталей, объясняющую их повышенную износостойкость за счет локального демпфирования микроударного внешнего воздействия.

4. Разработать схему определения оптимальной толщины синтетического покрытия цилиндровых втулок с учетом условий эксплуатации двигателей.

5. Провести сравнительные испытания материалов и покрытий на износостойкость.

6. Оценить влияние втулок с покрытиями на важнейшие эксплуатационные характеристики ДВС на стендах и в натуральных условиях.

7. Разработать и внедрить в производство технологический процесс нанесения на водоохлаждаемую поверхность цилиндровой втулки (ЦВ) защитного композиционного покрытия, состоящего из эпоксидного компаунда, армированного стеклотканью в виде стекложгута.

Методы испытаний. При моделировании особенностей воздействия жидких сред на поверхность деталей применялся структурно -энергетический подход; надежность материалов и покрытий оценивалась уровнем энергетических и физико - механических характеристик, в частности - акустическим сопротивлением деформируемых сред. Сравнительные испытания материалов и покрытий производились на магнитострикционных и ударно - эрозионных стендах, адекватно воспроизводящих условия кавитационно - эрозионного изнашивания водоохлаждаемых поверхностей ЦВ в действующих ДВС.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Предложена структурно - энергетическая (гидродинамическая) модель взаимодействия внешней среды с эластичным покрытием, раскрывающая сущность защиты упрочненных деталей от кавитационной эрозии.

2. Разработана методика расчета толщины теплоизоляционного эрозионно стойкого композиционного покрытия по высоте водоохлаждаемой поверхности ЦВ с учетом отличия температуры охлаждающей воды от оптимальной.

3. Установлены физико-механические критерии, определяющие поведение металлических материалов, пластмасс и комбинированных покрытий на полимерной основе в условиях динамического воздействия на них неоднородных жидких сред.

Личный вклад автора заключается в предложении новой методики прогнозирования, расчета и зашиты цилиндровых втулок и цилиндропоршневой группы от эрозии и коррозии. Данный подход позволяет решить ряд задач, связанных с энергосбережением и повышением энергетической эффективности ДВС. Также становится возможным снизить

выбросы вредных (загрязняющих) веществ в атмосферу, в частности таких, как окислы азота (NOx).

Практическую ценность представляют:

1. Результаты сравнительных испытаний на надежность при кавитационно - эрозионном изнашивании на лабораторных стендах широкого круга материалов и покрытий - сталей, чугуна, сплавов цветных металлов, газотермических покрытий и покрытий на синтетической основе, применяемых для защиты новых деталей и восстановления изношенных.

2. Методики оценки износостойкости и долговечности материалов и деталей по установленным физико - механическим критериям кавитационно - эрозионной стойкости.

3. Результаты продолжительных испытаний упрочненных покрытиями втулок судовых ДВС в условиях эксплуатации.

4. Технология нанесения защитных покрытий на поверхность цилиндровых втулок.

5. Материалы теоретических и практических разработок диссертации использованы в учебном процессе Санкт - Петербургского государственного университета водных коммуникаций при изучении дисциплины «Надежность судовых технических средств».

На защиту выносится:

1. Методика оценки износостойкости и долговечности материалов и деталей по установленным физико - механическим критериям кавитационно -эрозионной стойкости.

2. Структурно - энергетическая (гидродинамическая) модель взаимодействия внешней среды с эластичным покрытием, раскрывающая сущность защиты упрочненных деталей от кавитационной эрозии.

3. Гидродинамическая модель динамического взаимодействия жидкостей с эластичными поверхностями деталей, объясняющая их повышенную износостойкость за счет локального демпфирования микроударного внешнего воздействия.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением методов математической статистики при обработке экспериментальных данных, критическим сопоставлением установленных критериальных параметров начала кавитации и эрозии с известными (классическими) закономерностями с оценкой адекватности структурно -энергетических моделей реальным процессам и, наконец, удовлетворительной корреляцией результатов лабораторных исследований надежности материалов и покрытий с данными продолжительных испытаний опытных деталей в условиях эксплуатации.

Реализация работы. По разработанной технологии были нанесены защитные покрытия на втулки двигателей нескольких размерностей и проведены сравнительные испытания дизелей с штатными и опытными ЦВ, в частности, на двух дв. 6НФД 48А т/х «Волга-Балт - 14» в течение 11170 ходовых часов. Результаты испытаний показали не только повышенную

надежность ЦВ (повреждения на их поверхностях отсутствовали), но также при мощности двигателя 400 л.с. экономию топлива (ср. 6,3 %) и масла (ср. 8,5%).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: ежегодных научно - методических конференциях Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций в 2006-09 г.г.; научно практической конференции «Трибология -машиностроению», Москва, 2006; 6-9 Международных конференциях «Трибология и надежность», СПб, 2006-2009 г.г.; научно-технической конференции «Трибология - машиностроению», Москва, 2008; 6-9 международная конференция «Пленки и покрытия», СПб., 2006 - 2009 г.г.; круглый стол «Трибология в России», Москва, «Роснанотех», 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 4 соответствуют изданиям в списке ВАК РФ. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 134 страниц, 33 графика и рисунка, 20 таблиц, список литературы, включающий 57 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности изучаемой проблемы, изложены сущность и постановка цели исследования. Приводятся основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ состояния проблемы способов повышения надежности цилиндро-поршневой группы СДВС.

Приведена статистика отказов деталей ЦПГ двигателей. Сравнение данных показывает, что отказы по износу «зеркала» ЦВ происходят примерно в 2 раза реже, чем отказы от эрозии стенок и трещин под буртом при соотношении ~ 16%, 35%, соответственно. Кавигационно -коррозионные повреждения снижают надежность ЦВ, вызывая в ряде случаев появление трещин сквозных свищей. Отказы из-за кавитационно -эрозионных повреждений на водоохлаждаемой поверхности ЦВ по частоте возникновения сопоставимы с отказами, связанными с появлением трещин под верхним посадочным буртом.

Рассмотрены современные способы повышения надежности деталей ЦПГ и перспективные (малозатратные ресурсосберегающие) технологии защиты деталей ЦПГ СДВС от изнашивания, выполнен сравнительный анализ эффективности мероприятий. Для повышения надежности ЦПГ СДВС чаще всего используют: конструктивные решения (число опор, толщина стенки, геометрия верхней части и т.д.); материаловедческие варианты (выбор материалов, покрытий, термо - и химикотермическую обработку, пластическое деформирование поверхности и пр.) и эксплуатационные

мероприятия (присадки к охлаждающей жидкости, оптимизацию температурных режимов и т.п.).

Современные способы упрочнения материалов, эффективность которых для защиты цилиндровых втулок от кавитащюнно-эрозионных разрушений проверена на образцах, стендах или на действующих дизелях, перечислены в таблице сравнительного анализа методов повышения кавитационно-эрозионной стойкости охлаждаемых поверхностей цилидровых втулок дизелей, (табл.1)

Таблица 1.

Способы упрочнения Особенности технологического процесса Эксплуатационные характеристики цилиндровых втулок

Относительная кавитационная стойкость Конструктивная грочность, % Износостойкость «зеркала», % Теплопроводность, %

Центробежное литье СЧ 25 (без упрочнения) 1,0 100 100 100

Электролитическое хромирование Молочный хром, оптимальная толщина защитного слоя (20... 25 мкм) 1,5...2,0 100 100 100

Диффузионное хромомар ганици-рование Нагрев до 1050° С выдержка 8ч; толщина слоя до 60 мкм 10...12 - 100

Диффузионное титанирование Нагрев до 900... 1000 "С, выдержка $ч; толщина слоя до 1000 мкм 5...6 - - 100

Поверхностное легирование чугунных отливок втулок, не подвергающихся механической обработке Проводится непосредственно в литейной форме; толщина легированного слоя на поверхности отливки до 1мм 2,0 100 100 100

Отбеливание водоохлаждаемой поверхности ЦВ из чугуна Отбеливание слоя глубиной до 0,2 мм происходит при оплавлении поверхности пучком электронов 1,5...2,0 100 100 -

Очевидно, что целесообразность практического использования того или иного метода упрочнения будет определяться конструкцией, материалов и размерами втулок, а также технологическими возможностями предприятий.

Рассмотрен механизм микроударного нагружения деталей при кавитации. Интенсивные вибрации втулок цилиндров, приводящие к кавитации в водяных рубашках дизелей, вызываются ударами поршней. При проходе поршнем верхней мертвой точки изменяется направление действий (знак) силы бокового давления, и поршень переходит от одной стенки цилиндра к другой, противоположной. Происходит перекладка поршня. В связи с тем, что между поршнем и втулкой цилиндра имеется зазор, перекладывание осуществляется с ударом. Очевидно, что при большей величине зазора между поршнем и втулкой и большей боковой силе будет

выше скорость, с которой поршень ударяется о стенку цилиндра. Вследствие этого энергия удара также увеличивается.

Рассмотрены особенности эксплуатации СДВС, влияющие на надежность деталей ЦПГ. В дизелях применяются две системы жидкостного охлаждения: проточная и замкнутая.

При проточной системе пресная или морская вода после охлаждения деталей дизеля поступает на слив. В отличие от этого в замкнутой системе охлаждения вода после двигателя поступает в теплообменник, где она охлаждается водой или воздухом, а оттуда вновь идет в двигатель.

В настоящее время в использующихся системах охлаждения часто либо полностью отсутствуют системы температурного регулирования, либо они обладают столь большей степенью инерционности и неравномерности регулирования, что во время работы на малых нагрузках двигатели оказываются переохлажденными.

При отсутствии системы температурного регулирования температура воды на входе в дизель резко колеблется в зависимости от условий плавания судна и времени года, дизель часто работает переохлажденным, в результате чего увеличиваются зазоры и повышается виброактивность втулок.

Проточная вода содержит обычно большое количество зародышей кавитации в виде пузырьков воздуха и газа, а также в виде твердых взвешенных частиц. Все это делает проточную систему охлаждения неблагоприятной в отношении кавитационной эрозии втулок и блоков цилиндров. Кроме того, когда при проточной системе охлаждения используется соленая морская вода, вся водяная полость двигателя подвергается коррозионному разъеданию.

Температура охлаждающей воды Тов оказывает существенное влияние на скорость изнашивания «зеркала» ЦВ (рис.1). Обработка опытных данных показала, что г)шн ЦВ СДВС для 3 групп дизелей, по Тов изменяется по правилу геометрической прогрессии, увеличиваясь по мере уменьшения Тов примерно в 4 раза. Надежность ЦВ при этом определяется разностью между оптимальной Товот и фактической T0BiT.e. величиной ДТ = Товопт - T0Bi.

Влияние на износ стали 38ХМЮА свойств воды при испытании образцов на кавигационно-эрозионное изнашивание на магнито-стрикционном вибраторе (МСВ) показано на рис.2, из которого можно получить температурный критерий эрозионной способности жидкости к„ :

К = eomtl 2 (1)

(TV

где consti 2 - опытные постоянные; р и рнл. - давление в жидкости и давление насыщенного пара соответственно; а и у- поверхностное натяжение и вязкость жидкости соответственно.

При Тов > 55°С (кривая 1) скорость эрозии снижается, т.е. в диапазоне изменения Тов от 50-60°С (рис.2) до 70°С (рис.1) влияние температуры воды на v^, стали при ультразвуковой кавитации и при трении скольжения деталей ЦПГ (изнашивание «зеркала» ЦВ) имеет одинаковый характер. В

связи с этим увеличение Тов в ДВС до оптимальной, например за счет нанесения теплоизолирующего эрозионностойкого покрытия на водоохлаждаемые поверхности ЦВ снизит износ их стенок с наружной и внутренней сторон.

Рис.1.

Влияние температуры охлаждающей воды на скорость изнашивания втулок двигателей 8НФД36У при смазке маслом ДСП- 11 (а); ДСП- 11 и М-12В2 (б) Цифрами у опытных точек обозначены номера опытных дизелей (см. табл. 2)

Рис.2 Влияние температуры воды на интенсивность изнашивания стали 38ХМЮА (1) и нержавеющей стали (2) на поверхностное натяжение (3), давление насыщенного пара (4), кинетическая вязкость (5), теоретическая зависимость интенсивности изнашивания от температурного критерия (6). Приведенные примеры, а также многочисленные статистические данные, опубликованные за последние несколько десятилетий в открытой печати, не позволяют считать проблему предотвращения кавитационно - эрозионного

разрушения систем охлаждения ДВС решенной, несмотря на большое число реализованных мероприятий, повышающих надежность ЦВ на действующих двигателях. Сравнительно невысокая эффективность борьбы с кавитационно - эрозионным изнашиванием (КЭИ) ЦВ высоко - и среднеоборотных КЭИ деталей связано с необходимостью учета многих факторов и с большой сложностью проблемы. В настоящее время основные факторы, влияющие на КЭИ ЦВ и блоков ДВС, известны. Это, например, уровень виброактивности деталей ЦПГ, температурная напряженность двигателей, комплекс физико -механических свойств изнашиваемых деталей, качество охлаждающей жидкости и т.п. Однако в действующих ДВС одновременно снизить негативное влияние целого ряда факторов на надежность ЦПГ не всегда представляется возможным. Поэтому решение проблемы повышения надежности в большинстве случаев носит частный характер и не позволяет полностью предотвратить КЭИ деталей.

Таблица 2.

Статистические данные об износах цилиндровых втулок и

эксплуатационных характеристиках двигателей 8 ЧР 24/36.

№ гр. Масло мкм'ю'ч и=Хз № дмз.

I группа Масло ДСП- 29,5 30,0 72,6 78,0 6 8

двигателей II 31,0 32,0 75,3 68.1 7 5

38,0 55.0 34

38,1 61,1 4

40,1 72.5 20

45,0 50,8 2

45,0 60,0 31

48.0 49,1 1

50,2 43,5 3

55,0 47,5 18

II гр. ДВС Масло ДСП 18.2 19,0 77,0 74,2 30 35

-II 20,6 76,0 29

24.1 74,7 19

№гр. Масло »н. Т„ К* днз.

II группа Масло 14,6 15.8 74.5 70,0 16 14

двигателей М-12В2 16.0 16,4 17,1 78,0 71.5 59,0 17 15 13

19,0 19,6 74.8 48.5 27 11

21,0 64.0 32

21.8 22.4 24,2 47,0 44.9 49,5 10 9 12

25.0 46,3 21

III гр. ДВС Масло М- 6,6 7.7 69.5 69.5 22 23

12В2 8.4 9.0 9,2 66,0 73,9 69.9 24 28 25

10,0 11,0 12,0 74,3 74,9 73,2 26 36 33

Во второй главе описаны методы исследований, материалы и

лабораторное оборудование. Кавитация, возникающая в системе охлаждения дизелей, вызывает эрозионное разрушение материала деталей. Для

оперативного определения кавитационной стойкости материалов и жидкостей проводят ускоренные испытания образцов материалов и малых количеств жидкостей, интенсифицируя различными методами кавитационно-эрозионные процессы.

Начало методам ускоренных испытаний на образцах было положено работой Корнфельда М. Наиболее полно кавигационным разрушениям цилиндровых втулок и блоков дизелей соответствуют ускоренные испытания на машитострикционных вибраторах, что доказано работами ЦНИДИ: Иванченко H.H., Скурдина A.A., Никитина М.Д. и другими учеными.

Порядок проведения опытов на МСВ следующий. Испытываемый образец крепится с помощью гайки к концентратору преобразователя. Конец концентратора с открытой рабочей поверхностью образца опускается в исследуемую жидкость. Через дно стеклянного сосуда, в который налита жидкость, осуществляется подсветка образца с целью наблюдения кавитации и установления наиболее эффективного режима опытов. После этого фиксируются параметры режима работы генератора. Новый образец, соизмеримый по массе с первым, промывается, сушится, взвешивается и крепится к преобразователю. После проведения испытаний образец снова промывается, сушится и взвешивается. Убыль веса образца является мерой кавитационного разрушения материала образца, иначе говоря, мерой

Установка на базе ультразвукового генератора УЗГ-2-10 позволяла проводить обширные исследования кавитационной стойкости материалов и жидкостей, продолжительностью от 10 минут до 5 и более часов, в зависимости от конкретных задач.

Для установки оптимальных режимов испытаний на МСВ, соответствующих условиям вибрации деталей ДВС на практике, была разработана методика измерения виброактивности втулок в действующих дизелях. С этой целью использовалась виброизмерительная аппаратура ВА-2 с датчиками - пьезоаксельрометрами. Уровень виброактивности втулки определялся по значениям виброускорений, схема измерения которых показана на рисунках 3 и 4.

Г к. — У ОС

УД

У - усилитель вибрации; ОС • светолучевой осциллограф.

Рис.3.

Блок-схема измерения виброускорения втулки цилиндра: Д - датчик вибрации; К - коммутатор; БУ - блок управления;

Рис.4.

Схема крепления вибродатчика к втулке цилиндра: 1- стенка втулки цилиндра; 2 - вода; 3 - стенка блока цилиндра; 4 - муфта уплотнительная;

5 - сальник; 6 - шток; 7 - датчик.

Сравнительные испытания материалов на кавитационно - эрозионную стойкость проводились также на установке с затопленной кавитационной струей (УЗС). Принцип испытаний материалов на УЗС заключается в том, что на образцы, закрепленные в заполненной водой камере, воздействует высоконапорная кавитационная струя, которая через сопло вводится в камеру. Из рис.5 следует, что кинетические кривые эрозии материалов можно описать зависимостями Аат(т) в форме интеграла вероятности.

Установлено, что наибольшее влияние на скорость эрозии материалов оказывают: длина кавитационной струи; частота ее автоколебаний и относительное давление, равное отношению давления в камере к давлению струи на срезе насадка. Наибольшая скорость эрозии соответствует периферийной зоне проекции струи на поверхность препятствия, (образца в виде диска), где наблюдается максимальная интенсивность энергообмена между струей, окружающей жидкостью и поверхностью препятствия. Зависимость износа материалов от диаметра сопла насадка при переходе с одного масштабного уровня на другой подчиняется закономерностям фрактальной механики разрушения, поскольку при этом выполняется соотношение:

(Рс)1: (Ос) 11: (Ос)

иг

-Д01/4,:

Д01/2п:Д01П,

(2)

где: Бс- диаметр сопла; ДО - весовой износ образца при разных насадках

а) Лс 0.4

0.08

1.9-Ю'

2,о\

При«»**,, VI .5 \|.о

200 " Э0О 400

2.0 3.0 п,.ми

140 480 720 360 1200 1400 Продолжительность испытаний

Рис.5. Зависимость износа образцов из стали 25Л от продолжительности х^ при различных диаметрах отверстия насадки (а) и зависимость Д00(Т)с) (б) при испытании на стенде УТСЭ63/320

Рис.6.

Кинетическая зависимость кавитационной эрозии образцов из алюминиевого сплава при различных отверстиях в насадках (мм): 1-(1„ =3,0; 2-с1н =2; 3- с!н=1,5 и 4- с1я=1,0

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

В условиях кавитационно-эрозионного (К), гидроабразивного (ГА) и коррозионного (Кор) изнашивания были испытаны различные сплавы. Между относительной стойкостью сплавов при (К) и (ГА), а также между (К) и (Кор) изнашивании были установлены квадратичные зависимости, а между (ГА) и (Кор) изнашивании зависимость оказалась линейной.

При кавитационном износе оказалось возможным выявить особенности, характерные для мезо- и микромасштабиых уровней внешнего нагружения. В частности: количественные изменения в рядах относительной износостойкости к* в соответствии с тенденцией удвоения показателя степени при кк при масштабных переходах

(кк)мсзо —>( кк)2 макро, (3)

что сопровождается сужением рядов износостойкости сплавов при переходах с меньшего на больший масштаб.

Для достижения воспроизводимости результатов следует сопоставлять между собой ряды износостойкости материалов одного масштабного уровня, например:

(ккХ.акро-^ (Ьга) макро > (кгд) мезо*""* (кукор)мезо (4)

Установленные закономерности (3) и (4) позволяют опративно определить относительную стойкость широкого круга материалов при интересующей нас разновидности изнашивания по известному (одному из трех) ряду износостойкости.

Кроме весовых ЛО или объемных ЛУ потерь образцов объективными критериями, использовавшимися в работе при оценке износостойкости материалов, являются энергетические (У/*^ и Еуд), а также аккумуляционный ПерИОД Так.

Результаты свидетельствуют о том, что моделирование кавитационно-эрозионных процессов на МСВ позволяет получить данные о надежности материалов и покрытий водоохлаждаемых поверхностях цилиндровых втулок ДВС, приемлемые для прогнозных оценок износостойкости и долговечности оборудования.

В третьей главе приводятся некоторые результаты моделирования кавитационно-эрозионной стойкости демпфирующих материалов и покрытий.

Несмотря на то, что по кавитационно-эрозионному воздействию жидких сред на поверхность деталей к настоящему времени накоплен обширный теоретический материал и обобщены многочисленные опытные и статистические данные, некоторые вопросы, важные как для теории, так и для прогнозирования надежности оборудования при кавитационном

изнашивании, требуют уточнения. В частности: 1 - до конца неясен механизм взаимодействия потока жидкости с демпфирующей (эластичной) обтекаемой поверхностью; 2 - неизвестно, как влияют масштабные переходы на кавитационно-эрозионную стойкость материалов; 3 - не установлены зависимости критических чисел начала кавитации Кк и критических параметров начала кавигационной эрозии от числа Рейнольдса для существенно различных масштабных уровней внешнего динамического воздействия жидкости на обтекаемые поверхности; 4 - не установлены конкретные соотношения между Бкэ, и Кк на разных масштабных уровнях.

В данной главе предпринята попытка осветить поставленные выше вопросы с позиций структурно-энергетической теории изнашивания материалов и покрытий.

Рассмотрено поведение жидкости, обтекающей изнашиваемую поверхность, вблизи этой поверхности. Нестационарные процессы в тонком пристеночном слое жидкости представим в виде вихревой площадки, где происходит разрыв горизонтальных составляющих скорости (вдоль оси х1). При этом вихревая площадка отстоит от граничной поверхности на расстоянии х,. Уравнение состояния этой вихревой площадки аналогично уравнению диффузии микровихрей и может быть записано в следующем виде:

ЭДу. ЭДу Э2Ду,

^ (5)

где Ду,- разрыв продольной компоненты скорости V, (х, г)

После упрощения решение уравнения (5) может быть представлено в виде интеграла вероятностей, который будет характеризовать интенсивность микроударного воздействия жидкости на граничную жесткую поверхность при х3 =0. При этом кривая в форме интеграла вероятностей будет отражать развитие эрозии обтекаемой поверхности во времени.

При обтекании турбулентным потоком демпфирующей (эластичной) поверхности исходное уравнение (5) перепишется в несколько ином виде: ЭДу. , , ЭДу. ЭгДу,

(б)

где Ду3 - уменьшение поперечной составляющей скорости г) за счет

возникновения гак называемого потока вытеснения при деформации демпфирующей поверхности.

Давление в жидкости р{х]1) в общем случае влияет на скорость к3 в соответствии с выражением

Для демпфирующих поверхностей формула (7) примет вид:

где Дх, - можно рассматривать как локальную эластическую деформацию (вмятину) на обтекаемой поверхности; I - безразмерное время.

Периодически возникающие в зоне с вихревой структурой (вследствие массообмена между турбулентным слоем и ламинарным подслоем) микропотоки жидкости вызывают мгновенные пульсации давления, которые в определенных условиях могут приводить к усталостным повреждениям материалов и покрытий на обтекаемых поверхностях. Локальные пульсации давления могут способствовать возникновению импульсных кумулятивных микроструек жидкости при несимметричном замыкании кавитационных каверн. Существует мнение, что кумулятивные эффекты в жидкостях являются одной из главных причин кавитационной эрозии материалов.

■. 1 г 4 б 8« 20 <« 60 80100 200 Хл

Основными результатами выполненного анализа являются следующие:

1. Предложена модель взаимодействия потока жидкости с эластичной (демпфирующей) обтекаемой поверхностью, объясняющая механизм процесса и причины реализуемой при этом повышенной кавитационно-эрозионной стойкости материалов.

2. Основной причиной повышенной сопротивляемости материалов и оборудования кавитационно-эрозионному воздействию со стороны жидкости является переход от более жесткого внешнего воздействия на менее жесткое за счет использования эластичных материалов, «отдаляющих» обтекаемую поверхность от зоны интенсивного вихреобразования в потоке и способствующих диссипации внешней энергии за счет высокоэластической деформации.

ol Рис.7. Профили

скоростей:

1 - турбулентного слоя жидкости; 2 -осредненного поля; 3 -ламинарного подслоя; 4 - изменение энергии слоя жидкости с вихревой структурой; ьх и ил - продольная и динамическая скорости; Хъ- поперечная

координата.

3. На примере масштабного перехода из зоны наибольшего вихреобразования в зону с более благоприятным полем скоростей жидкости за счет использования эластичных материалов вместо более жестких (металлов и сплавов) показано примерно семикратное повышение кавитационно-эрозионной стойкости деталей, что подтверждено результатами сравнительных испытаний металлических и полимерных материалов на кавитационное изнашивание.

4. Благодаря учету влияния масштабных эффектов уточнены зависимости чисел кавитации и начала эрозии от критерия Рейнольдса, необходимые для объективной оценки кавитационно-эрозионнои стойкости материалов для деталей гидромашин.

В четвертой главе представлена структурно-энергетическая модель надежности материалов и покрытий.

Согласно современному структурно-энергетическому подходу материал разрушается после насыщения деформируемых объемов внутренней энергией критической плотности . Так же, как в моделях B.C. Ивановой, в работе учитывается неравномерность насыщения продуктов изнашивания внутренней энергией и возможность выражения энергетического критерия через микроструктурные физико-механические и термодинамические характеристики изнашиваемых материалов.

В качестве исходной модели эрозии металлических материалов принято соотношение подведенной (внешней) энергии к ее плотности в деформируемом объеме материала в момент превращения его в продукты изнашивания. На основании исходного соотношения и энергетического баланса при деформировании материала в виде

Ег = А « + & = Аи.+ + AUie + AUr+Q, (9)

где Ег - общая затраченная энергия; Ажх - механическая составляющая энергии; Qs - тепловая составляющая; ДЦ. и AUt - потенциальная и тепловая кинетические части внутренней энергии соответственно; Ди®е - часть энергии фазовых превращений, изменяющая внутреннюю энергию материала; AU®q - необратимая (тепловая) часть энергии фазовых превращения в объеме материала V; Q,- часть поглощенной энергии деформации, рассеянная в виде тепла в окружающей среде, было получено уравнение объемного износа материалов за фиксированный период времени

AI, fe-A^e-S)«, , Ez-v, nn.

AV — —--¡Ц—--= const,-,--—т- , (10)

[Eyd-ElJ-v,p K-Ej-VKp

где const! - опытная постоянная (зависит от масштабов нагружения и структуры деформируемых материалов); ц- текущая скорость внешнего воздействия и ее критическое значение vi6, соответствующее разрушению материала на конкретном масштабном уровне изнашивания; Еа и Е^-

удельная энергоемкость материалов в момент разрушения и перед началом изнашивания соответственно.

Структурно - энергетическая модель кавитационно-эрозионного изнашивания материалов с учетом влияния химически-активной жидкой среды позволяет прогнозировать износостойкость и долговечность оборудования. Совпадения основных материаловедческих решений с результатами оценки долговечности материалов, полученными при анализе эрозионного воздействия кавитации на твердые поверхности методами теоретической гидромеханики, указывают на веские признаки создания обобщенной аналитической (расчетной) модели кавитационно-эрозионного изнашивания материалов.

В пятой главе приводится описание разработанного технологического процесса защиты поверхности цилиндровых втулок защитными композиционными покрытиями.

Основанием для разработки технологического процесса защиты водоохлаждаемых поверхностей ЦВ синтетическим покрытием на основе эпоксидного компаунда послужили: сравнительно высокая кавитационно-эрозионная стойкость эпоксипласта, сопоставимая со стойкостью чугуна и конструкционных сталей после нормализации и улучшения; возможность значительного повышения надежности покрытия за счет армирования эпоксидного компаунда высокопрочным стекложгутом путем его многослойной намотки на поверхность втулки по винтовой линии; частичная реализация эффекта безызносности за счет неизбежного образования специального рельефа на поверхности ЦВ синтетического покрытия.

Оптимальная толщина защитного синтетического покрытия должна выбираться на основе компромисса между двумя требованиями: для обеспечения экономии топлива и смазки, покрытие должно выполнять теплоизолирующую функцию, при этом его толщина может быть значительной; в то же время увеличение толщины покрытия ограниченно условием обеспечения необходимой кавитационно-эрозионной стойкости.

Для установления оптимальной толщины покрытия аналитическим методом необходим совместный анализ применительно к конкретному типу двигателя и конструкции ЦВ.

Необходимую толщину покрытия 8„ (У) по высоте ЦВ определяли по формуле:

При Л = Л„(0Г1 -Т,) = 0,3(1,7-5• 433-333) = 128 ккал/м2'Ч;

где: А и Б - комплексные характеристики, зависящие от соответствующих температур втулки и коэффициентов теплопроводности сред;

аг- коэффициент теплоотдачи; Тг -абсолютная температура газов;

(П)

б - эмпирический коэффициент, учитывающий перегрев масляной пленки; Т] - оптимальная температура на поверхности «зеркала», равная сумме, состоящей из температуры охлаждающей жидкости с опытной добавкой ДТ для оптимизации теплового режима ДВС, т.е. Т1=Т0В+ ДТ. Пример расчета 5П по высоте ЦВ дан в табл.3.

Результаты расчета толщины защитного слоя по высоте ЦВ дв. 6 НФД 48А при Т,= 140 + 20 = 160°С

_Таблица 3

С(у) 1 0,5 0,25 0,125 0,063 0,055

8„ 0 0 0,25 1,0 3,0 4,0

Положение поршня ВМТ - - - - НМТ

Из табл. 4 следует что толщина покрытия увеличивается в направлении от ВМТ к НМТ в соответствии с формулой

5П=[0,125/С(у)]'-8 (12)

Технология нанесения покрытия на водоохлаждаемые поверхности цилиндровых втулок. Данный процесс состоит из четырех операций:

1.Подготовка поверхности втулки. Боковая поверхность втулки подлежащая покрытию, должна быть тщательно очищена от смазки, ржавчины и грязи металлическими щетками, а затем обезжирена уайтспиритом или бензином.

2. Приготовление компаунда. Для пропитки стекложгута использовали компаунды двух составов (табл.4).

Состав компаундов, в.ч.

Компоненты Состав 1 Состав 2

Смола ЭД-16 - 100

Смола ЭД- 20 100 -

Смола ЭД-181 20 20

Дибутилфталат 15 20

ПЭПА 12 от веса ЭД-20 + 10 от веса ЭД-16+

(полиэтиленполиамин) 20 отвеса Э-181 20 отвеса Э-181

Необходимые количества составляющих компаундов взвешивают на технических весах в чистой сухой посуде из стекла, фарфора, эмалированного металла или полиэтилена. Для удобства взятия навесок из смол ЭД-16 или ЭД-20 емкости со смолой подогревают до температуры 60... 70 °С в термошкафу или на водяной бане.

Для получения компаунда все составляющие, кроме ПЭПА, сливают и тщательно перемешивают; смесь можно хранить длительное время.

Компаунд готовят для разового применения путем введения в смесь ПЭПА и тщательного перемешивания состава в течение пяти минут.

Сохранность компаунда при температуре 18...20° С составляет 50...60 минут.

Время полного отверждения стеклопластика на эпоксидном компаунде составляет 1 ...2 суток, а полностью покрытие затвердевает через 7 суток.

3.Нанесение покрытия. Для нанесения покрытия цилиндровую втулку зажимают в патроне токарного станка и поджимают задней бабкой. Приспособление для намотки стекложгута закрепляют резцедержателем на суппорте станка. Конец жгута пропускают через направляющие вилки. На приспособление устанавливают ванночку, куда заливают порцию компаунда. Жгут протягивают через компаунд, сухой конец обрубают, а пропитанный смолой жгут закрепляют на втулке (рис.8).

4.Полимеризация покрытия. Полимеризация покрытия производится в течение двух суток при температуре 18...20°С. После полимеризации покрытия излишки смолы, попавшие на посадочные пояски, удаляют шабером.

Схема намотки синтетического покрытия на поверхность цилиндровой втулки: 1- втулка; 2- нить ровинга; 3- прижим; 4- ёмкость с компаундом; 5-направляющие токарного станка; б- бобина ровинга.

Комплексная оценка влияния защитного покрытия на эффективность работы ДВС. Экономический эффект от внедрения синтетического покрытия складывается из следующих факторов: увеличения срока службы ЦВ в два раза до капитального ремонта; уменьшения до 30% износа рабочей поверхности «зеркала» ЦВ; снижения расхода топлива до 5% и масла до 6% из-за повышения механического КПД двигателя; снижения трудоемкости за счет уменьшения количества вновь изготавливаемых втулок примерно вдвое и уменьшение объёма работ по демонтажу старых и монтажу новых втулок.

Кроме экономии горюче-смазочных материалов положительным итогом эксплуатации дизелей с упрочненными втулками можно считать высокую долговечность синтетического покрытия. Несмотря на тяжелые условия

Рис.8.

работы в контакте с горячей стенкой втулки и охлаждающей водой, нагретой до температуры 80°С, покрытие после 11 тыс. часов эксплуатации в дв. на т/х «Волга - Балт 14» не имело значительных следов кавитационно-эрозионного разрушения, отслоений и других повреждений, однако прочность покрытия, а именно: предел прочности при растяжении и работа разрушения при ударном изгибе, снизилась примерно на 6%.

Малозатратная и технически легко выполнимая технология ремонта для бывших в эксплуатации ЦВ СДВС, а также упрочнения новых ЦВ путем нанесения на водоохлаждаемые поверхности деталей эрозионно-стойкого теплоизолирующего синтетического покрытия рекомендовано для реализации на РЭБ и на ремонтных участках судостроительно-судоремонтных предприятий.

Основные результаты и выводы

1. Обоснована методика оценки износостойкости и долговечности материалов и деталей по установленным физико - механическим критериям кавитационно - эрозионной стойкости.

2. Разработана структурно - энергетическая (гидродинамическая) модель взаимодействия внешней среды с эластичным покрытием, раскрывающим сущность защиты упрочненных деталей от кавитационной эрозии.

3. Разработана гидродинамическая модель динамического взаимодействия жидкостей с эластичными поверхностями деталей, объясняющая их повышенную износостойкость за счет локального демпфирования микроударного внешнего воздействия.

4. Разработана схема определения оптимальной толщины синтетического покрытия цилиндровых втулок, с учетом условий эксплуатации двигателей.

5. Проведены сравнительные испытания материалов и покрытий на износостойкость.

6. Оценено влияние втулок с покрытиями на важнейшие эксплуатационные характеристики ДВС, на стендах и в натуральных условиях.

7. Разработан и внедрен технологический процесс нанесения на водоохлаждаемую поверхность цилиндровой втулки защитного композиционного покрытия, состоящего из эпоксидного компаунда, армированного стеклотканью в виде стекложгута.

Публикации по теме диссертации, соответствующие изданиям в списке

ВАК РФ

1 .Моделирование долговечности цилиндровых втулок двигателей внутреннего сгорания при вибрационной кавитации // Проблемы машиностроения и надежности машин - М.:№2. 2008 С.50-59 (Соавторы: Третьяков Д.В. Валишин А.Г.)

2.Моделирование кавитационно-эрозионной стойкости демпфирующих материалов и покрытий // Проблемы машиностроения и надежности машин -М.:№3 2008. С.43-50 (Соавтор: Погодаев Л.И.)

3.Структурно-энергетические модели усталости и эрозии металлов с учетом масштабных уровней деформирования// Трение и смазка в машинах и механизмах -М.: №6,2008. С.3-12 (Соавторы: Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н.)

4.Энергетические критерии кавитационной стойкости сталей //Трение и смазка в машинах и механизмах - М.:№10,2007. С.20-23 (Соавтор Валишин А.Г.)

Публикации по теме диссертации в других журналах

5.Повышение надежности цилиндровых втулок ДВС за счет газотермических и композиционных покрытий. СПб.: Трение, износ, смазка. Т.9, №3, 2007. С5-12.

6.Некоторые результаты повышения надежности деталей нанесения покрытий и пленок. СПб.: Трение, износ, смазка. Т.9 №3,2007.С.30-33. (Соавтор Погодаев Л.И.).

7.Снижение интенсивности кавитации за счет увеличении релаксирующих свойств жидкостей, использования эмульсий и покрытий. СПб.: Трение, износ, смазка. Т.10, №1,2008. С.48-54

(Соавтор Погодаев Л.И.)

8.Эрозия цилиндровых втулок ДВС и способы ее предотвращения. СПб.: Трение, износ, смазка. Т.10, №1,2008. С.55-68. (Соавтор Пимошенко А.П.)

9.Способы повышения надежности цилиндровых втулок ДВС при вибрационной кавитации. СПб.: Трение, износ, смазка. Т.10, №2,2008. С.52-72

Ю.Разработка и внедрение в производство технологического процесса защиты цилиндровых втулок двигателей от кавитационной эрозии синтетическими покрытиями. СПб.: Трение, износ, смазка. Т.10, №2, 2008. С.46-52

(Соавторы: Картышова Л.В., Погодаев Л.И.).

11.Износостойкость полимеров и металлов в неоднородных жидких средах. В сб. «Надежность судовых технических средств, конструкционных материалов и покрытий». Санкт-Петербургский гос. ун-т водных коммуникаций Изд. «ПарКом» 2008. С. 130-157. (Соавтор Погодаев Л.И.)

12.Эффективность эксплуатации ДВС с упрочненными цилиндровыми втулками. В сб «Надежность судовых технических средств, конструкционных материалов и покрытий». СПб гос. ун-т водных коммуникаций. Изд «ПарКом», 2008. С.158-167.

Подписано в печать 14.05.2010 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 60 экз. Заказ № 1640.

Отпечатано в ООО «Издательство "JIEMA"» 199004, Россия, Санкт-Петербург, В.О., Средний пр., д.24 тел.: 323-30-50, тел./факс: 323-67-74 e-mail: izd_lema@mail.ru http://www.lemaprint.ru

Введение.

Глава 1. Анализ надежности деталей судовых ДВС в системах охлаждения

1.1 Статистика отказов.

1.2 Идентификация повреждений в системах охлаждения дизелей.

1.3 Характер кавитационно-эрозионного изнашивания ЦВ.

1.4 Сравнительный анализ способов повышения кавитационно - эрозионной стойкости ЦВ ДВС.

1.5 К механизму микроударного нагружения деталей при кавитации.

1.6 Влияние конструкции системы охлаждения и температуры воды на скорость изнашивания втулки.

1.7. Постановка общей и частных задач исследования.

Глава 2. Лабораторное оборудование и методы испытаний материалов

2.1. Стенды для эрозионных испытаний материалов.

2.2. Исследования кавитационно-эрозионной стойкости полимерных материалов и композитов.

2.3 Стойкость нихромовых газотермических покрытий.

Глава 3. Моделирование кавитационно-эрозионной стойкости демпфирующих материалов и покрытий

3.1. Теоретическая модель поведения эластичных покрытий в потоке жидкости.

3.2. Сопоставление результатов моделирования с опытными данными.

Глава 4. Структурно-энергетическая модель надежности материалов и покрытий

4.1. Критерии стойкости материалов и покрытий при ударном внешнем воздействии.

4.2. Экспериментальная оценка работоспособности материалов по новым критериям.

Глава 5. Разработка технологии защиты ИВ ЛВС эластичными покрытиями

5.1 Определение оптимальной толщины синтетического защитного покрытия боковой стенки цилиндровой втулки.

5.2 Технологический процесс нанесения на поверхность втулок синтетического защитного покрытия.

5.3 Стендовые испытания двигателей с штатными и опытными втулками с синтетическим покрытием.

5.4 Результаты натурных испытаний двигателей.

Детали цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) в процессе эксплуатации подвергаются весьма жесткому силовому, температурному, гидро- и газообразивному воздействию, а также различным видам изнашивания трибосопряжений поршневые кольца - цилиндровая втулка [7, 8, 12].

Значительное число работ посвящено способам предотвращения кавитационной эрозии блоков цилиндров и втулок со стороны охлаждающей жидкости и еще больше - повышению износостойкости внутренней поверхности втулок, так называемого «зеркала» при трении скольжения в условиях гидродинамической и граничной смазки, а также в режиме полусухого трения при адгезионном и абразивном изнашивании пары втулка - кольцо [12, 19, 27, 28, 32, 33, 34, 38, 39, 40].

Ресурс (долговечность) втулок по допустимой глубине эрозионных раковин на водоохлаждаемой поверхности примерно в четыре раза меньше ресурса по изнашиванию «зеркала». Это означает, что выбраковка цилиндровых втулок ВОД и СОД двигателей во многих случаях производится по кавитационным разрушениям, а не по износу внутренней поверхности. В связи с этим для достижения примерно одинаковой долговечности втулок при изнашивании с наружной и внутренней стороны следует существенно снизить интенсивность эрозии водоохлаждаемых поверхностей ДВС при вибрационной кавитации.

Известны различные способы борьбы с кавитационной эрозией цилиндровых втулок, в основном конструкционного и материаловедческого характера. Целью конструкционных мероприятий является снижение виброактивности втулок, а материаловедческое направление заключается в применении эрозионностойких материалов и покрытий. Практическая реализация указанных мероприятий производится, как правило, без учета режимов эксплуатации ДВС, которые для двигателей одного и того же типа могут быть существенно различными. Так, например, при эксплуатации двигателей 8НФД36 температура охлаждающей воды может изменяться в пределах от 44 до 78 °С. При этом скорость изнашивания «зеркала» втулки уменьшается с ростом температуры охлаждающей воды в три раза, т.е. имеет место квадратичная зависимость [37-40].

Приведенный пример свидетельствует о том, что при недогретом двигателе рабочий процесс может быть далек от оптимального, что сопровождается повышением скорости изнашивания деталей Hill', увеличением расхода топлива и масла.

Очевидно, что при стремлении повысить надежность деталей ЦПГ двигателей наилучшим решением было бы такое, которое одновременно защитило бы втулку от гидроэрозии и обеспечило бы оптимальные условия для протекания рабочего процесса двигателя со всеми вытекающими из такого комплексного решения благоприятными последствиями [40].

При обозначенном комплексном подходе актуальность и значимость проблемы повышения надежности деталей ЦПГ ДВС значительно возрастет. Опыт показывает, что технически эта проблема может быть успешно решена путем разработки состава композиционного эрозионностойкого теплоизоляционного покрытия и технологии его нанесения на водоохлаждаемые поверхности цилиндровых втулок ДВС.

Целью работы является обоснование целесообразности применения предложенной технологии для защиты водоохлаждаемой поверхности цилиндровых втулок от эрозии, повышающей надежность деталей и эффективность эксплуатации судовых ДВС по наиболее важным показателям.

Методы испытаний. При моделировании особенностей воздействия жидких сред на поверхность деталей применялся структурно — энергетический подход; надежность материалов и покрытий оценивалась уровнем энергетических и физико — механических характеристик, в частности - акустическим сопротивлением деформируемых сред. Сравнительные испытания материалов и покрытий производились на магнитострикционных и ударно — эрозионных стендах, адекватно воспроизводящих условия кавитационно — эрозионного изнашивания водоохлаждаемых поверхностей ЦВ в действующих ДВС.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Предложена структурно - энергетическая (гидродинамическая) модель взаимодействия внешней среды с эластичным покрытием, раскрывающая сущность защиты упрочненных деталей от кавитационной эрозии.

2. Разработана методика расчета толщины теплоизоляционного эрозионно стойкого композиционного покрытия по высоте водоохлаждаемой поверхности ЦВ с учетом отличия температуры охлаждающей воды от оптимальной

3. Установлены физико-механические критерии, определяющие поведение металлических материалов, пластмасс и комбинированных покрытий на полимерной основе в условиях динамического воздействия на них неоднородных жидких сред.

Заключение

1. Обоснована методика оценки износостойкости и долговечности материалов и деталей по установленным физико — механическим критериям кавитационно - эрозионной стойкости.

2. Разработана структурно - энергетическая (гидродинамическая) модель взаимодействия внешней среды с эластичным покрытием, раскрывающим сущность защиты упрочненных деталей от кавитационной эрозии.

3. Разработана гидродинамическая модель динамического взаимодействия жидкостей с эластичными поверхностями деталей, объясняющая их повышенную износостойкость за счет локального демпфирования микроударного внешнего воздействия.

4. Разработана схема определения оптимальной толщины синтетического покрытия цилиндровых втулок, с учетом условий эксплуатации двигателей.

5. Проведены сравнительные испытания материалов и покрытий на износостойкость.

6. Оценено влияние втулок с покрытиями на важнейшие эксплуатационные характеристики ДВС, на стендах и в натуральных условиях.

7. Разработан и внедрен технологический процесс нанесения на водоохлаждаемую поверхность цилиндровой втулки защитного композиционного покрытия, состоящего из эпоксидного компаунда, армированного стеклотканью в виде стекложгута.

Реализация этой технологии на практике примерно в два раза увеличивает долговечность ЦВ С ДВС по предельной глубине эрозионных повреждений и обеспечивает 5. .6% экономию топлива и масла.

Личный вклад автора заключается в предложении новой методики прогнозирования, расчета и зашиты цилиндровых втулок и цилиндропоршневой группы от эрозии и коррозии. Данный подход позволяет решить ряд задач связанных с энергосбережением и повышением энергетической эффективности ДВС. Так же, становится возможным снизить выбросы вредных (загрязняющих) веществ в атмосферу, в частности такого, как окислы азота (NOx).

Практическую ценность представляют:

1. Результаты сравнительных испытаний на надежность при кавитационно - эрозионном изнашивании на лабораторных стендах широкого круга материалов и покрытий — сталей, чугуна, сплавов цветных металлов, газотермических покрытий и покрытий на синтетической основе, применяемых для защиты новых деталей и восстановления изношенных.

2. Методики оценки износостойкости и долговечности материалов и деталей по установленным физико — механическим критериям кавитационно — эрозионной стойкости.

3. Результаты продолжительных испытаний, упрочненных покрытиями втулок судовых ДВС в условиях эксплуатации.

4. Технология нанесения защитных покрытий на поверхность цилиндровых втулок.

5. Материалы теоретических и практических разработок диссертации использовано в учебном процессе Санкт —Петербургского гос. унт-та водных коммуникаций при изучении дисциплины «Надежность судовых технических средств».

Достоверность полученных результатов обеспеченным корректным использованием методов математической статистики при обработке экспериментальных данных, критическим сопоставлением установленных критериальных параметров начала кавитации и эрозии с известными (классическими) закономерностями с оценкой адекватности структурно — энергетических моделей реальным процессам и, наконец, удовлетворительной корреляцией результатов лабораторных исследований надежности материалов и покрытий с данными продолжительных испытаний опытных деталей в условиях эксплуатации.

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. Аскаров М.А. Кавитационное разрушение металлов и полимеров. Тбилиси: «Сабчота Сакартвело», 1973. 140с.

3. Атрошенко С.А. Многомасщтабные процессы локализации динамического деформирования и их связь механическими характеристиками металлов: Автореферат.: докт., дис. СПб. Ин-т проблем машиноведения РАН, 1994.

4. Безюков O.K. Основы комплексного совершенствования охлаждения судовых дизелей. Автореферат, дис. д-ра техн. наук.- СПб.; СПГУВК, 1995.-48с.

5. Богачев И.Н., Минц Р.И. Кавитационное разрушение железоуглеродистых сплавов. М: Машгиз, 1959.-106с.

6. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационностойкие сплавы. М.: Металлургия, 1972. -286с.

7. Борщевский Ю.Т., Погодаев Л.И. Повышение кавитационной стойкости двигателей внутреннего сгорания. Киев: Вища школа, 1980, -208с.

8. Бочманов Д.В. Вопросы износостойкости и надежности судовых дизелей. Л., 1973. С. 161-171.

9. Валишин А.Г. Комплексные методы решения проблем повышения долговечности цилиндровых втулок судовых дизелей, дисс. докт. техн. наук, Калининград, БГАРП, 2008.-274с.

10. Владимиров В.И. Проблемы физики и изнашивания // Физико-химическая обработка материалов, 1974, №2. С. 23-30.

11. Журков С.Н., Томашевский Э.Е. Исследование прочности твердых тел // ЖТФ.1955. XXV. Вып. 1. С. 66-73.

12. Иванченко Н.Н., Скуридин А.А. Никитин М.Д. Кавитационные разрушения в дизелях. JL: Машиностроение, 1970. — 152 с.

13. Иванова B.C., Гордиенко JI.K. Новые пути повышения прочности металлов. М.: Наука, 1964. 118 с.

14. Кедринский В.К. Пузырьковый кластер, кумулятивные струи и кавитационная эрозия // Прикладная механика и техническая физика, 1996, т. 37, №4.С.22-31.

15. Корнфельд М. Упругость и прочность жидкостей. М-Л.: ГИТТЛ, 1951.-107С.

16. Леонтьев Л.Б. Формирование параметров поверхностного слоя чугунных деталей пластическим деформированием // Металлообработка, №3 (15), 2003.С.28-31.

17. Матвеевский О.О. Эффективность эксплуатации ДВС с упрочненными цилиндровыми втулками. СПб.: Изд-во «ПарКом», 2008. С. 158-166.

18. Матвеевский О.О. Лабораторные стенды и методы эрозионных испытаний материалов // «Трение, износ, смазка». Т.10, №3, 2008, С.20-55.

19. Мисилев М.А., Тузов Л.В. Борьба с кавитационными разрушениями гильз цилиндров в быстроходных дизелях. -М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1969, №6. С. 22.

20. Некоз А.И., Анализ кавитационно-эрозионного изнашивания как процесса коррозионно-механического разрушения //Трение и износ. 1984.Т.5 №4. С. 718-753.

21. Осипов К.А. Некоторые акитивируемые процессы в твердых металлах и сплавах. М.: Изд-во АН СССР, 1962.-129с.

22. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Структурные уровни динамики пористых тел // Ре логические модели и процессы деформирования порошковых и композиционных материалов. Киев.: Наукова думка, С.90-98.

23. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел, Новосибирск: Наука, 1985. — 229 с.

24. Панин В.Е. Методология физической мезомеханики как основа построения моделей в компьютерном конструировании материалов // Изв. вузов: Физика. 1995. Т. 38. №11. С. 6-25.

25. Пенкин Н.С. Гуммирование деталей машин. М.: Машиностроение, 1977. — 225 с.

26. Пименов А .Я. К вопросу о допустимых зазорах между поршневым кольцом и телом поршня судового двигателя. «Бурмейстер и Вайн». ММФ, ЦБНТИ. Технико-экономические информация. Серия «Техническая эксплуатация флота», вып. 22(252), 1991.

27. Пимошенко А.П. Повышение кавитационной стойкости цилиндровых втулок // Морской флот, 1973, №5. С. 45-46.

28. Пимошенко А.П., Кошелев И.Ф. Кавитационные разрушения в малооборотных дизелях. Мурманск, 1974.

29. Пимошенко А.П. Защита судовых дизелей от кавитационных разрушений. JL: Судостроение, 1983. 120 с.

30. Пимошенко А.П., Немыченков А.В. Расчеты параметров системы охлаждения дизеля при замене чугунных втулок биметаллическими. / Труды Калининградского технологич. инст. Рыбного хозяйства. .1989. -Вып. 37. С. 71-78.

31. Пимошенко А.П. Биметаллические сталь чугунные втулки дизелей. // Инженерные проблемы трения, смазки, изнашивания : Сб. трудов БГАРФ. Калининград, вып. 48, 2001, С. 34-37.

32. Пимошенко А.П., Валишин А.Г. Комплексные методы повышения надежности цилиндровых втулок судовых дизелей. — М.: Колос, 2007.-168 с.

33. Полипанов И.С. Защита системы охлаждения дизеля от кавитационного разрушения. Л.: Машиностроение. 1978. 150 с.

34. Погодаев Л.И., Шевченко П.А. Гидроабразивный и кавитационный износ судового оборудования. Л.: Судостроение, 1984. -254 с.

35. Погодаев Л.И. Хмелевская В.Б. и др. Исследование надежности модифицированных газотермических покрытий для деталей ЦПГ ДВС / Судостроение и судоремонт. СПб.: СПГУВК, 1998. - С.З - 17.

36. Погодаев Л.И. Моделирование процессов изнашивания материалов и деталей машин на основе структурно-энергетического подхода // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1998. №5. С. 94-103.

37. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н., Дудко П.П. Повышение надежности трибосопряжений. СПб: Академия транспорта, 2001. 304 с.

38. Погодаев Л.И., Кузьмин А.А. Эрозия материалов и судовых технических средств в неоднородных жидкостях и газообразных средах. — СПб.: СПГУВК, 2004. 378 с.

39. Погодаев Л.И., Кузьмин А.А. Эрозия материалов и судовых технических средств в неоднородных жидких и газообразных средах. -СПб.: СПГУВК, 2004. 363

40. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н. Структурно-энергетические модели надежности материалов и деталей машин, СПб.: Академия транспорта РФ, 2006. 608 с.

41. Погодаев Л.И., Третьяков Д.В., Валишин А.Г., Матвеевский О.О. Моделирование долговечности цилиндровых втулок ДВС при вибрационной кавитации СПб.: Трение, износ, смазка. Т5. №3, 2007. С. 525.

42. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н. Защита деталей пленками и покрытиями // Актуальные проблемы трибологии. Т.1 М.: Машиностроение, 2007. С. 299-306.

43. Скуридин А.А. Развитие теории и создания методов расчета кавитационных разрушений полостей охлаждения дизелей. Авторефрат. дис. докт. техн. наук. JL: ЦНИДИ, 1983. 46 с.

44. Спринжер Дж. Эрозия при воздействии капель жидкости. М.: Машиностроение, 1981.- 199 с.

45. Тирувенгадам А. Тр. общества амер. инж. мех. Сер. Д. Техн. механика. 1963. Т. 85. №3. с. 48-59.

46. Третьяков Д.В., Валишин А.Г., Матвеевский О.О. Моделирование долговечности цилиндровых втулок ДВС при вибрационной кавитации. // Пробл. Маш-ия и надежности машин, № 2, 2008. С. 50-60.

47. Федоров В.В. Кинетика поврждаемости и разрушения твердых тел. Ташкент, Фан, 1985. 168 с.

48. Фомин В.В. Гидроэрозия материалов.: М., Машиностроение, 1966.-352 с.

49. Цветков Ю.Н. Методические основы прогнозирования износостойкости судостроительных сплавов при гидроэрозии. Дис. . д-ра техн. наук. СПб.: СПГУВК 1995. 396.

50. Цветков Ю.Н. Трение и износ в машинах. Учебное пособие. СПб.: СПГУВК, 2005-237 с.

51. Цветков Ю.Н. Кавитационное изнашивание металлов и оборудования. СПб.: Изд-во СПГУВК, 2003.- 155 с.

52. Эндо С., Окада Ц., Баба Е. Фундаментальные исследование кавитационной эрозии // Нихон Кикай Гоккай ромбунсю. 1968. Т. 34. № 627. С. 1831-1838.

53. Эрозия. Перевод с англ. под ред. К. Прис. М.: Мир, 1982. 464 с.

54. Klebanoff P.S. Characteristics of turbulence in a boundary lager with zero pressure gradient // NACA. 1954. T.N., 3178.

55. Thiruvengadam A.A. Unified Theory of Cavitation Damage. Trans. ASME.// J.Basic Engr., D, 85, 3.365-376, 1965.

56. Thiruvengadam A.A. Warning S. Mechanical properties of Metals and their cavitation-damage resistance // Journal of Ship Research. 1966. Vol. 10, №1, p. 1-9.