автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей деталей машин методом электрохимического осаждения композиционных покрытий

На правах рукописи

ЗЯБЛИЦЕВА ОЛЬГА ВИТАЛЬЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ВНУТРЕННИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ

Специальность: 05.02.08 Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

16 т 2013

005058881

Ковров 2013

005058881

Работа выполнена на кафедре «Колёсные машины» ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярёва».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Рябов Геннадий Кондратьевич

доктор технических наук, профессор Денисенко Владимир Иванович, кандидат технических наук Белоусов Андрей Германович

Ведущая организация ОАО «завод имени В.А.Деггя-

рёва», г. Ковров

Защита состоится « 24 » мая 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.090.01 в ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Деггарёва по адресу: 601910 г. Ковров, ул. Маяковского, 19, в главном корпусе аудитория 244.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярёва».

Автореферат разослан «24» апреля 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Пантелеев Евгений Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Повышение надёжности машин непосредственно связано с повышением износостойкости деталей машин. Задача повышения износостойкости конкретного изделия часто решается поверхностным упрочнением.

Перспективные направления развития поверхностно-упрочняющих технологий предполагают создание упрочняющих покрытий из разнородных материалов, обладающих как высокой прочностью и достаточной пластичностью, так и повышенной износостойкостью.

Разработка композиционных покрытий и способов их получения является актуальным направлением исследований, связанным с проблемой повышения износостойкости деталей машин. Применение композиционных покрытий позволяет не только повысить эксплуатационные характеристики изделий, но и существенно сократить себестоимость изготовления.

Целью работы является повышение износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей деталей машин методом электрохимического осаждения композиционных упрочняющих покрытий.

Поставленная цель достигается в результате решения следующих задач:

1. Анализ существующих способов достижения высокой износостойкости деталей машин.

2. Выявление взаимосвязи концентрации и размеров частиц дисперсной фазы, их устойчивости в металлической матрице с характеристиками контакта.

3. Обоснование возможности осаждения композиционных электрохимических покрытий (КЭП) с заданным содержанием дисперсной фазы на внутренние цилиндрические поверхности деталей машин.

4. Разработка технологии и оборудования для осаждения КЭП с заданными характеристиками на внутренние цилиндрические поверхности деталей машин.

5. Экспериментальные исследования структуры и износостойкости КЭП.

Научная новизна

1. На основе выявленных взаимосвязей между износостойкостью и характеристиками контакта доказано, что наибольшая износостойкость КЭП в условиях упругого контакта достигается при размерах частиц дисперсной фазы, сравнимых с размерами пятна фактического контакта и относительном содержании частиц в покрытии 4-13%.

2. Получена математическая зависимость, связывающая угловую скорость вращения электролита-суспензии с относительным содержанием частиц дисперсной фазы в покрытии на внутренних цилиндрических поверхностях деталей машин, параметрами анодной и катодной поверхностей, технологическими параметрами, характеристиками частиц и параметрами электролита суспензии.

Практическая значимость

1. Разработаны технология и оборудование для получения КЭП на внутренних цилиндрических поверхностях деталей машин с заданным содержанием ДФ.

2. Разработаны алгоритм и программа расчёта износа цилиндра ДВС с КЭП для автоматизации прогнозирования износа.

3. Проведены опытно-промышленные испытания гильз цилиндров ДВС мототехники с КЭП (М-БЮ и №-А1203) на поверхностях трения, которые показали повышение износостойкости в 1,8...2,8 раза по сравнению с гильзами из чугуна ЧХНМД и 1,2... 1,6 раза по сравнению с хромированными гильзами.

Методика проведения исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях адгезионно-деформационной теории изнашивания, теории контактного взаимодействия трущихся поверхностей, теории осаждения электрохимических покрытий, гидродинамики суспензий, на использовании методов математического анализа, применении информационных технологий. Экспериментальные исследования базируются на применении методики однофакторного эксперимента и метода малых выборок, использовании современных контрольно-измерительных приборов и оригинальных экспериментальных установок.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование концентрации и размеров частиц дисперсной фазы в упрочняющем КЭП.

2. Обоснование условий устойчивости частиц дисперсной фазы в металлической матрице.

3. Обоснование возможности осаждения КЭП с заданным содержанием дисперсной фазы на внутренние поверхности деталей машин.

4. Алгоритм расчёта износа внутренней поверхности цилиндра ДВС с КЭП.

5. Технология осаждения КЭП с заданными характеристиками на внутренние поверхности деталей машин и оборудование для её реализации.

6. Результаты экспериментальных исследований структуры и износостойкости КЭП.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены в производство при изготовлении опытной партии цельнолитых цилиндров к мототехнике с предполагаемым годовым экономическим эффектом 483700 руб. в ценах 2010 г., а также используются в учебном процессе на кафедре колёсных машин ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярёва».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийской научно-практической конференции "Гальванотехника, обработка поверхности и экология", Москва, РХТУ им. Менделеева, 2002; Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России» - Ижевск, 2008; Научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление»,- Ковров: КГТА, 2007, 2008, 2009, 2010; V международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» - Пенза, 2009; Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России» -МИВлГУ, 2010, 2011, 2012; Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении» - ИМАШ, 2010; Всероссийской научно-практической конференции «Машиностроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства»-Ижевск, ИжГТУ,2012; на заседаниях кафедр прикладной математики и САПР (ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярёва», 2009, 2010 г.),

колёсных машин (ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярёва» 2010, 2011,2012,2013г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатных работы, в том числе 5 статей в журналах рекомендованных ВАК, 3 патента РФ, а также 1 отчёт по хоздоговорной НИР.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 129 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, общих выводов и приложений, содержит 26 рисунков, 3 таблицы и список использованной литературы из 128 наименований.

Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ КГТА им. В.А. Дегтярёва, хоздоговорной темой НИР 78/97 и договорами творческого содружества 44-с/03 и 45-с/05 между ОАО завод им. В.А. Дегтярёва и ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А.Дегтярёва».

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введенпп обоснована актуальность работы, изложены её научная новизна и практическая значимость.

В первой главе обоснован выбор объекта исследования, проведен анализ состояния вопроса, сформулированы цель и задачи исследования.

В качестве объекта исследования выбраны цилиндры двигателей мототехники, имеющие небольшие габариты и большой объём выпуска. Проведённый анализ характеристик этих двигателей показал, что основное влияние на долговечность двигателя оказывает износостойкость рабочей поверхности (зеркала) цилиндра.

Анализ факторов, влияющих на износ деталей цилиндро-поршневой группы ДВС, позволил установить, что наибольшее влияние на износ рабочих" поверхностей цилиндров двигателей мототехники оказывают усталостный и абразивный виды износа. Однако абразивный износ переходит в усталостный, если твёрдость рабочей поверхности цилиндра будет выше твёрдости абразивных частиц, попадающих на трущиеся поверхности.

В результате анализа методов повышения износостойкости поверхностей трения установлено, что наибольшую износостойкость имеют покрытия, состоящие из твердых зерен, распределенных среди пластичного основного металла (матрицы). В этой связи, эффективным способом повышения износостойкости рабочих поверхностей цилиндров ДВС может быть использование композиционных электрохимических покрытий (КЭП).

Обзор работ, посвященных повышению износостойкости деталей машин осаждением композиционных электрохимических покрытий, показал:

- в литературных источниках отсутствует взаимосвязь содержания и размеров частиц дисперсной фазы, их устойчивости в металлической матрице с характеристиками контакта;

- нет обоснования возможности осаждения на внутренние поверхности деталей машин КЭП с заданным содержанием дисперсной фазы, отсутствуют технология и оборудование для осаждения КЭП с заданным содержанием дисперсной фазы на внутренние цилиндрические поверхности деталей машин.

На основании проведённого анализа в соответствии с поставленной целью сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приведено теоретическое обоснование повышения износостойкости деталей машин осаждением композиционных

электрохимических покрытий, основанное на положениях адгезионно-деформационной теории изнашивания для упругого ненасыщенного контакта.

Сравнительная оценка износостойкости трущихся поверхностей, проведённая с использованием критериальных соотношений, предложенных Дроздовым Ю.Н., показала, что износостойкость трущейся поверхности пропорциональна её твёрдости. Следовательно, наибольшую износостойкость будут иметь покрытия, в которых характеристики контакта определяются свойствами частиц ДФ.

Характеристики контакта определяются, в основном, свойствами материала дисперсной фазы в том случае, когда размер частиц дисперсной фазы сравним с размером пятен фактического контакта (Патент РФ 2213167).

Связь между размером и содержанием частиц в покрытии с характеристиками трения сопрягаемых поверхностей, работающих в условиях упругого контакта, может быть установлена при следующих допущениях: форма частиц ДФ сферическая; твёрдость ДФ больше твёрдости частиц пыли, попадающих на поверхность контакта с топливной смесью; износ сопрягаемых поверхностей происходит в условиях граничного трения; основной металл покрытия изнашивается быстрее, поэтому контакт между трущимися поверхностями происходит по поверхностям частиц дисперсной фазы.

Установлено, что диаметр частиц дисперсной фазы связан с характеристиками контакта соотношением

=2[0,2 6КггКа{рс/рг)°'гъ]11\ (1)

а минимальное объёмное содержание частиц дисперсной фазы в покрытии, определяется из выражения:

К=9,2А{Ра1РгГ- (2)

В этих формулах ра - номинальное давление, МПа; рс - контурное давление, МПа; рг - фактическое давление, МПа; г - радиус кривизны вершин выступов микронеровностей, м; Яа - средняя арифметическая высота неровностей профиля шероховатости, м; Кг - коэффициент формы неровностей.

Если под влиянием сил, действующих в процессе трения, частицы дисперсной фазы будут разрушаться или отрываться от матрицы, характер трения и износа изменится, т.к. в процессе трения и износа будут уча-

ствовать свободные абразивные частицы. Анализ напряжений, возникающих в зоне контакта частицы и матрицы под действием силы фактического давления, показал, что устойчивость частицы в матрице будет сохраняться при следующих условиях:

сг/<ст-,/; <х-1/; <cr-im; хк <T-im; af (?)

G/=Pr^ + f2 >

т k=(PRp+fP(Rf-hf))/AmRr,

xk=(-PRp+jP(Rf-hf))IAmRf,

Am=2nRfhf,

где ст/ - напряжения сжатия; r4 - напряжения сдвига в зоне контакта частицы и матрицы от действия нормальной и тангенциальной сил; CTif, G_/m G-iic- предел прочности при циклической нагрузке материала частиц, металла матрицы и зоны контакта частицы и матрицы соответственно; х.ф х.]т, т.,к - предел устойчивости при циклических сдвиговых напряжениях материала частиц, металла матрицы и зоны контакта частицы и матрицы соответственно; Р - сила давления; hf— высота частицы; Rf -радиус частицы; Rp - расстояние от центра до точки приложения сил.

Анализ напряжений, возникающих при номинальном давлении p¿=5...20 МПа характерном для двигателей мототехники , выполненный по специально разработанной программе, показал, что напряжения сдвига в зоне контакта частицы и матрицы и напряжение сжатия на поверхности контакта частицы и контртела не превышают предельных значений для материалов дисперсной фазы и матрицы покрытия.

Для автоматизации расчёта износа внутренней поверхности цилиндра ДВС с КЭП разработаны алгоритм и программа. В алгоритме была использована усталостная модель Крагельского для расчёта интенсивности изнашивания в условиях упругого ненасыщенного контакта, дополненная данными академика Дроздова и др., с учетом свойств частиц дисперсной фазы, ограничений по диаметру частиц и условиям их устойчивости.

Схема алгоритма:

Pal-* Pal Peí уРс2 Vi -» v2 -> V -> Г-> Rmax~* Ы —> b2—*b—*A—*pr¡—*pr2—*Vc—*AT—+T—>HBi-+ty—*df-+Kw—>Rf -> hf Lk Ak —> P —>Fc —> P, —> fx(Lp) —> Lp—>Rp —y Am—* оу-*тк—+ afKp

—* &_]/■ —> г.//-—> сг.л«, —>• —» если (о^ ст_,г и оу< сгЛч) г/ (т*< г_//М г* < т_1м), то^ II12 ^ и—*1.

В третьей главе приведено теоретическое обоснование возможности осаждения композиционных электрохимических покрытий с заданным содержанием дисперсной фазы на внутренние поверхности деталей машин.

При осаждении КЭП на внутренние цилиндрические поверхности получение заданного содержания ДФ в покрытии возможно путём придания электролиту-суспензии (ЭС) вращательного движения (Патент РФ №2226574). Предполагается, что при вращении ЭС частицы ДФ под действием центробежных сил перемещаются к катодной поверхности (зеркалу цилиндра) по траектории, аналогичной спирали Архимеда. При контакте с поверхностью катода они попадают в пограничный слой электролита, останавливаются и врастают в кристаллизующийся осадок.

При вертикальном расположении оси катодной поверхности определяются концентрация ДФ в межэлектродном пространстве по формуле:

где Ке - заданная концентрация частиц ДФ в электролите; Яа - радиус анода, м; Як - радиус катодной поверхности, м; 3 - заданная толщина покрытия, м;

и угловая скорость вращения ЭС из выражения:

со =

9цдыере 1п

яр(р/ - р„, XI - К„)

(5)

где со - угловая скорость вращения ЭС, с"; р/х рс. и р,„ - плотности частиц, электролита и основного металла, кг/м3; ц, - кинематическая вязкость электролита, м2/с; у - коэффициент формы частиц; г) - катодный выход по току; д - электрохимический эквивалент основного металла, кг/А*с; г -величина технологического тока, А; Ьк- длина катода, м.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментального исследования износостойкости деталей цилиндро-поршневой группы

двигателеи мототехники с композиционными электрохимическими покрытиями.

Для выбора количества экспериментов, обеспечивающего достоверность информации, использовался метод малых, выборок. В качестве результирующего значения исследуемой величины принималось её среднее арифметическое. Оценка точности полученных данных проводилась путём определения доверительных границ по I критерию Стыодента при вероятности 95%. Данные по плотности частиц дисперсной фазы принимались из справочников, диаметр частиц принимался равным размеру фракции. Скорость вращения электролита принималась равной скорости вращения лопастей вращающего устройства.

Для экспериментальной проверки полученной зависимости разработана и изготовлена специальная установка (рис.1).

Рис.1. Установка для осаждения композиционных электрохимических покрытий во вращающемся электролите: 1 - бак с электролитом; 2 - крышка бака; 3 - привод вращающего устройства 4 - электродвигатель привода; 5 - вращающее устройство с токоподводом к аноду и катоду; 6 - управляющее устройство; 7 - температурное реле; 8 - источник тока; 9 - нагреватель электролита; 10 - гильза (катод); 11 - вращающийся анод с пластинами;

12 - мешалка

Осаждение КЭП проводилось после специальной подготовки поверхности при скоростях вращения лопастей вращающего устрой-

ства: 0,05; 0,1; 0,2; 0,3 об/с в электролите-суспензии, приготовленном на основе стандартного электролита для никелирования с добавлением дисперсной фазы в виде микропорошка.

Покрытия осаждались на внутреннюю поверхность гильз, изготовленных из стали и алюминиевого сплава.

Контроль толщины покрытия проводился измерением диаметров гильз до покрытия и после покрытия с помощью координатно-измерительной машины Vista фирмы Карл Цейс с точностью 2 мкм.

Покрытия испытывались на твёрдость и адгезию к металлу втулки.

Твёрдость покрытий проверялась на приборе для измерения микротвёрдости ПМТЗ.

Адгезия покрытия проверялась методами прогрева, запиловки, хонингования.

Содержание и распределение дисперсной фазы в покрытии контролировалось по микрошлифам. Микрошлифы готовились по методике и на оборудовании фирмы Struers. Фотографирование структуры проводилось на микроскопе OLYMPUS - GX71, совмещённом с персональным компьютером, а также на микроскопе MVK-H1 фирмы Mitutoyo с увеличением Х300.

Площади, занимаемые частицами ДФ на микрошлифах, определялись с помощью компьютерного анализа бинаризованных изображений шлифов с применением метода связных компонент.

Рис.2. Структура КЭП (никель-корунд M15): а) и=0об/с; б) я=0,05об/с; £/=0,038, £,,=0,0085; в) и=0,1об/с, £/=0,14, £w =0,038; г) п=0,2об/с, £/=0,32, £,, =0,126; д) п = 0,Зоб/с, £,-0,42, £w=0,204

Анализ структуры покрытий показал, что содержание дисперсной фазы в покрытии зависят от скорости вращения электролита (рис.2).

Расхождение между результатами расчётов по формуле 5 для заданных условий осаждения КЭП и экспериментальными результатами составляет от 7 до 26% , табл.1.

Таблица1

Влияние скорости вращения электролита на коэффициент

объёмного содержания дисперсной фазы в покрытии

п, об/с 0,05 од 0,2 0,3

ЛЦрасчёт) 0,0063 0,032 0,11 0,19

^^эксперимент) 0,0085 0,038 0,126 0,204

Погрешность,% 26 18 14 7

С увеличением скорости вращения расхождение между расчётными и экспериментальными результатами уменьшается, что может быть объяснено снижением влияния диффузионного переноса частиц.

При Ку, >0,2 отмечено появление конгломератов частиц, не разделённых металлом матрицы. Наличие в покрытии конгломератов частиц, имеющих низкую прочность, может привести к выкрашиванию частиц из покрытия. В этой связи получение КЭП с содержанием ДФ больше 20% является нецелесообразным.

При определении параметров шероховатости использовались профилограммы, снятые на профилографе-профилометре 170311с вертикальным увеличением 5000 и горизонтальным увеличением 200 с образцов, имеющих КЭП (никель-корунд М15)с различным содержанием ДФ: после хонингования, после приработки в течение 1часа, 3 и 10 часов. Приработка проводилась в условиях сухого трения при возвратно-поступательном скольжении идентора, изготовленного из чугуна марки ЧХНМД по образцу со скоростью 14,4м/мин, при номинальном давлении 2,2МПа.

Установлено, что после приработки шероховатость поверхности контакта практически не зависит от содержания ДФ в покрытии и не превышает Яа0,03; ЛгО, 1; Ктах0,4 см. рис.4.

Коэффициент трения определялся с помощью специально изготовленного устройства при сухом трении и трении со смазкой. Нормальная нагрузка на контртело обеспечивалась мерными грузами. Диапазон изменения давления соответствовал изменению давления верхнего поршневого кольца на зеркало цилиндра, определённому из индикаторной диаграммы. Сила трения скольжения определялась тангенциальной силой, приводящей к скольжению образца относительно контртела после предварительного смещения.

В результате экспериментов установлено, что введение в никелевую матрицу 4-13% карбида кремния или корунда с зернистостью 15мкм снижает коэффициент сухого трения на 16-30%, при трении со смазкой коэффициент трения снижается на 10-24%, табл.2.

Таблица 2

Значения коэффициентов трения скольжения для различных пар трения (числитель- сухое трение, знаменатель-трение со смазкой)

№ Материал образца Материал контртела

ЧХНМД Сталь45 Твёрдый хром

1 твёрдый хром Rz0,1...0,13 0,16...0,18 0,17...0,19 0,18...0,2

0,061 ...0,12 0,07...0,125 0,074...0,13

2 никель, Rz0,07.. .0,1 0,18...0,21 0,23...0,26 0,23...0,26

0,073 ...0,133 0,1...0,142 0,11...0,14

3 никель-карборунд М5, Kw=0,04; Rz 0,07...0,1 0,17...0,2 0,196...0,22 0,218...0,247

0,072 ...0,132 0,098...0,14 0,105...0,14

4 никель-корунд Ml 5; Kw=0,04; Rz0,07...0,l 0,15...0,16 0,18...0,2 0,18...0,23

0,064...0,12 0,075...0,127 0,076...0,134

5 никель-корунд M15; Kw=0,13; Rz0,07...0,l 0,13...0,15 0,16...0,18 0,18...0,21

0,053 ...0,11 0,07...0,12 0,076...0,132

6 никель-карборунд M15, Kw=0,12; Rz 0,07...0,1 0,123...0,145 0,156...0,178 0,17...0,205

0,05 ...0,10 0,067...0,11 0,07...0,13

Наибольшее снижение коэффициента трения наблюдается при введении в никелевую матрицу частиц карбида кремния с дисперсностью М15.

Испытания полученных КЭП на износ проводились на специальном стенде в условиях сухого трения, по схеме с возвратно-поступательно движущимися образцами и на стенде V40 SCHENCK в условиях, близких к условиям эксплуатации.

Результаты экспериментов показывают, табл.3, что наименьший износ обеспечивают покрытия Ni-SiC с концентрацией ДФ 13% с размером дисперсной М15.

Таблица 3

Износ покрытий при Ро=5,бМПа, У= 160м/мин, путь трения-864м

Пара трения Начальный износ UQ, мкм Расчётная величина износа Up, мкм Экспериментальная величина износа U, мкм

Ni-SiC с зернистостью М15 (Kw = 0,12)-ЧХНМД j 4,48 4,66 4,8

Ni-Al203 с зернистостью М15 (Kw = 0,13^ ЧХНМД 4,8 5,095 5,18

№-А1203 с зернистостью М15 (Kw= 0,04)-ЧХНМД 4,85 5,095 5,24

Ni-SiC с зернистостью М5 (Kw = 0,04)-ЧХНМД 6,08 - 6,76

ЧХНМД-ЧХНМД 13,42 16,14 14,38

Сг-ЧХНМД 5,14 - 5,59

Сравнение результатов расчёта износа по предложенному алгоритму с результатами экспериментального определения износа показывает, что расхождение теоретических и экспериментальных результатов находится в пределах 3 - 10%, что свидетельствует об адекватности принятой модели интенсивности изнашивания.

Испытания на износ, проведённые на стенде БСНБЫСК показали (рис. 3), что износ гильз цилиндров с покрытиями, содержащими 5... 10% карбида кремния или корунда с зернистостью М15 в 1,2... 1,6 раз меньше, чем износ хромированных гильз ив 1,8... 2,8 раз меньше чем износ гильз из чугуна ЧХНМД.

h m 0

10 20 30 40 50

0 5 10 15 20 25 Цмкм

Рис.3. Величина и характер износа гильзы цилиндра при п=5500об/мин; Ратах=8МПа; Ттах=190°С; топливная смесь: бензин АИ80+моторное масло SAE15W-40 в соотношении 10:0,4; время испытаний 100 часов: 1 - покрытие Ni-SiC (5... 10% SiC с зернистостью М15); 2 - покрытие Ni-Al203 (5.. .10% AI2O3 с зернистостью М15); 3 - покрытие твёрдый хром; 4- чугун ЧХНМД

В пятой главе приведены результаты практической реализации исследований: программа расчёта износа внутренней цилиндрической поверхности ДВС, программа расчёта технологических параметров осаждения композиционного электрохимического покрытия на зеркало цилиндра, техническая характеристика установки для осаждения композиционных электрохимических покрытий во вращающемся электролите, фотография цилиндров мототехники с КЭП содержащим ДФ Ni-SiC зернистостью М15.

Технология осаждения КЭП с заданными характеристиками, на внутренние поверхности цельнолитых цилиндров состоит из следующих операций:

1. Подготовка поверхности: обезжиривание химическое, промывка горячая, промывка холодная, травление, промывка холодная, цинкатная обработка, снятие цинкатной обработки, промывка холодная, повторная цинкатная обработка, промывка холодная, химическое никелирование, промывка холодная.

2. Осаждение покрытия

Осаждение КЭП проводится в электролите-суспензии, приготовленном на основе стандартного электролита для никелирования с добавлением дисперсной фазы в виде микропорошка зернистостью М15 в количестве Юг/л.

Режим осаждения: температура ЭС - 40...50°С ; плотность тока -ЮА/дм2; напряжение -6... 10В; время - 2,5 часа; скорость вращения лопастей вращающего устройства 0,15-0,2 об/с.

3. Прогрев при температуре 300° в течение 3 часов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Наибольшая износостойкость КЭП в условиях упругого контакта достигается при размерах частиц ДФ, сравнимых с размерами пятна фактического контакта, и относительном содержании частиц в покрытии 4-13%.

2. Устойчивость частиц ДФ в металлической матрице сохраняется при максимальных давлениях, реализуемых в двигателях внутреннего сгорания 5-20МПа.

3. Получена математическая зависимость, связывающая угловую скорость вращения электролита суспензии с относительным содержанием частиц дисперсной фазы в покрытии, параметрами анодной и катодной поверхностей, технологическими параметрами, характеристиками частиц и параметрами электролита суспензии. Она позволяет определить скорость вращения ЭС для получения покрытия с заданным содержанием дисперсной фазы на внутренних цилиндрических поверхностях деталей машин.

4. Разработаны технология и оборудование для получения КЭП на внутренних поверхностях деталей машин с заданным содержанием ДФ.

5. Разработаны алгоритм и программа расчёта износа цилиндра ДВС с КЭП для автоматизации прогнозирования износа.

6. Проведены опытно-промышленные испытания КЭП (Ni-SiC и №-А120з) на поверхностях трения гильз цилиндров ДВС мототехники, которые показали повышение износостойкости в 1,8...2,8 раза по сравнению с гильзами из чугуна ЧХНМД и 1,2...1,6 раза по сравнению с хромированными гильзами.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Зяблицев, В.В. Элекгроосаждение композиционных покрытий на детали из алюминиевых сплавов в проточных электролитах [Текст] / В.В.Зяблицев,

A.М.Великолуг, О.В.Зяблицева // Гальванотехника и обработка поверхности. -2002. -Т.10. -№2- С. 25-28.

2. Зяблицев, В.В. Обоснование количества и размеров частиц дисперсной фазы в упрочняющих композиционных покрытиях [Текст] / В.В. Зяблицев, О.В.Зяблицева // Вестник машиностроения. -2004. - №7. - С. 54-56.

3. Зяблицев, В.В. Обоснование возможности осаждения композиционных электрохимических покрытий с заданным содержанием дисперсной фазы на внутренние поверхности деталей машин [Текст] / В.В.Зяблицев, О.В.Зяблицева // Автоматизация и современные технологаи.-2004.-№7.-С.20-24.

4. Зяблицев, В.В. Условия устойчивости частиц дисперсной фазы металлической матрицы при контакте в условиях трения скольжения [Текст]/

B.В.Зяблицев, О.В.Зяблицева // Вестник машиностроения. -2011.-№2 - С.54-56.

5. Зяблицева, О.В. Осаждение композиционных электрохимических покрытий с заданным содержанием дисперсной фазы [Текст]/ О.В.Зяблицева, В.В.Зяблицев, А.М.Великолуг // Гальванотехника и обработка поверхности. -2011. -Т. 19. -№2. -С.Зб-42.

Патенты»

1. Пат. 2138583 РФ, С1 МПК6 С 25 Б 5/08, 15/00. Способ осаждения композиционных электрохимических покрытий [Текст]/ Зяблицев В.В., Великолуг А.М., Зяблицева О.В.; патентообладатель ОАО «Завод им. В.А.Деггярева». -№98110483/02; заявл.01.06.98; опубл.27.09.1999, Бюл.№27.-3с.

2. Пат. 2213167 РФ, С1 МПК7 С 25 Б 15/00. Износостойкое композиционное покрытие [Текст]/ Великолуг А.М., Зяблицев В.В., Зяблицева О.В.; патентообладатель ОАО «Завод им. В.А.Деггярева». - №2002107768/02; за-явл.26.03.2002; опубл.27.09.2003, Бюл.№27. - 5с.

3. Пат. 2226574 РФ, С1 МПК7 С 25 Б 5/08, 19/00. Способ и устройство для осаждения композиционных электрохимических покрытий [Текст]/ А М Великолуг В.В.Зяблицев, О.В.Зяблицева; патентообладатель ОАО «Завод им. В.А.Дегтярева». - №2002120380/02; заявл. 29.07.2002; опубл. 10.04.2004, Бюл.№10. -6 с.

В прочих изданиях:

1. Зяблицев, В.В. Устройство для осаждения композиционных электрохимических покрытий в движущемся электролите [Текст]/ В.В.Зяблицев, О.В.Зяблицева // Совершенствование технологии гальванических покрытий: материалы XI Всероссийского совещания. - Киров: ВГТУ, 2000. - С. 36-37.

2. Зяблицева, О.В. Автоматизация прогнозирования износа деталей цилиндро-поршневой группы двигателей мототехники [Текст]/ Зяблицева О.В., Зяблицев В.В.// Управление в технических системах - XXI век: сбор-

ник научных трудов III Международной научно-технической конференции,-Ковров: КГТА, 2000. -С.58-59.

3. Зяблицева, О.В. Определение размера и объёмного содержания частиц дисперсной фазы в композиционном покрытии при заданных характеристиках упругого контакта трущихся поверхностей [Текст] / О.В.Зяблицева // Вооружение. Технология. Безопасность. Управление: материалы II научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых. - Ковров: КГТА, 2007.-С. 178-184.

4. Зяблицева, О.В. Обоснование устойчивости частиц дисперсной фазы в металлической матрице при эксплуатации деталей с композиционным электрохимическим покрытием [Текст] / О.В.Зяблицева // Вооружение. Технология. Безопасность. Управление: материалы Ш научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых. В 3 ч. Ч. 1 -Ковров: КГТА,2008. -С. 162-166.

5. Зяблицева, О.В. Осаждение упрочняющих композиционных электрохимических покрытий во вращающихся электролитах [Текст] / ОБ.Зяблицева // Проблемы и перспективы автомобилестроения в России: материалы всероссийской научно-технической конференции. - Ижевск: Изд. ИжГУ, 2008. -С.48-53.

6. Зяблицева, О.В. Применение модели усталостного изнашивания при расчете износа композиционных электрохимических покрытий [Текст]/ О.В.Зяблицева, Н.В.Артемов // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сборник статей V международной научно-технической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2009. -С.56-58.

7. Зяблицева, О.В. Математическая модель изнашивания композиционных электрохимических покрытий [Текст] / О.В.Зяблицева // Вооружение. Технология. Безопасность. Управление: материалы IV научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых. - Ковров: КГТА,2009. -С. 92-95.

8. Зяблицева, О.В. Анализ факторов, влияющих на износ деталей ци-линдро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания [Текст] / О.В.Зяблицева // Вооружение. Технология. Безопасность. Управление: материалы V научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых. Ковров: КГТА,2010. -С. 112-116.

9. Зяблицева, О.В. Электрохимическое износостойкое композиционное покрытие [Электронный ресурс] / О.В.Зяблицева // II Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России»:МИВлГУ, 2010. -Режим доступа: http://www.mivlgu.ru/, свободный.

10. Зяблицева, О.В. Расчет износа композиционных электрохимических покрытий [Электронный ресурс] / О.В.Зяблицева // III Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России» : МИВл-ГУ, 2011.-Режим доступа: http://www.mivlgu.nl/, свободный.

11. Зяблицев, В.В. Получение упрочняющих композиционных электрохимических покрытий с заданным содержанием дисперсной фазы [Текст] /

В.В.Зяблицев, О.В.Зяблицева// Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении: научные труды международной научно-практической конференции (приложение). - М. Маши построение,2010. - С.93-97.

12. Зяблицева, О.В. Методика расчета износа композиционных электрохимических покрытий [Текст] / О.В.Зяблицева // Машиностроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции. - Ижевск: Изд. ИжГТУ,2012. - С. 227-229.

13. Зяблицева, О.В. Исследование износостойкости композиционных электрохимических покрытий [Текст] / О.В.Зяблицева // Машиностроение: проектирование, конструирование, расчет и технолога! ремонта и производства: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции. - Ижевск: Изд. ИжГТУ,2012. - С. 230-232.

14. Зяблицева, О.В. Контроль состава при осаждении покрытия на внутренние цилиндрические поверхности [Электронный ресурс] / О.В.Зяблицева // IV Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России». - МИВлГУ, 2012. - Режим доступа: http://www.mivlgu.ru/, свободный.

15. Zyablitsev, V.V. Stability of disperse particles in a metallic matrix with slipping friction/ V.V.Zyablitsev, O.V.Zyablitsev //Russian Engineering Research. -2011. -T. 31. - № 2. - C.133-135.

16. Зяблицева, О.В. Контроль состава при осаждении покрытия на внутренние цилиндрические поверхности [Текст] / О.В.Зяблицева // Достижения в области технических наук: сборник научных трудов, посвященный 60-летию высшего образования в городе Коврове. - Ковров: ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А.Дегтярева», 2012. - С. 305-312.

Изд. лиц. № 020354 от 05.06.97 г. Подписано в печать 08.04.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага писчая № 1. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Усл.-печ. л. 1,16. Уч.-издл. 1,18. Тираж 100 экз. Заказ № 915.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева» 601910, Ковров, ул. Маяковского, 19

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

КОВРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ им. В.А. ДЕГТЯРЁВА

На правах рукописи

04201356882

Зяблицева Ольга Витальевна

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ВНУТРЕННИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ

Специальность: 05.02.08 Технология машиностроения

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Рябов Г.К.

Ковров 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

ГЛАВА 1 Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования 11

1.1. Выбор объекта исследования 11

1.2. Общая характеристика двигателей мототехники 12

1.3. Анализ существующих методов расчета и прогнозирования износа твёрдых тел 16

1.4. Анализ факторов влияющих на износ деталей цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания 21

1.5. Анализ методов повышения износостойкости поверхностей трения 25

1.6. Анализ условий осаждения композиционных электрохимических покрытий 35

Выводы 3 8

ГЛАВА 2 Теоретическое обоснование возможности повышения износостойкости внутренних поверхностей деталей машин осаждением композиционных электрохимических покрытий 40

2.1. Обоснование количества, размеров и свойств частиц дисперсной фазы в упрочняющем композиционном электрохимическом покрытии 40

2.2. Обоснование условий устойчивости частиц дисперсной фазы в металлической матрице 45

2.3. Алгоритм расчёта износа внутренних цилиндрических поверхностей деталей машин с композиционным электрохимическим покрытием 54

Выводы 60

ГЛАВА 3 Теоретическое обоснование возможности осаждения композиционных электрохимических покрытий с заданным содержанием дисперсной фазы на внутренние поверхности деталей машин 61

3.1. Обоснование связи между содержанием частиц в покрытии и угловой скоростью вращения электролита-суспензии 61

3.2. Осаждение КЭП на вертикально расположенные внутренние цилиндрические поверхности 66 Выводы 69

ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование износостойкости деталей цилиндро-поршневой группы двигателей мототехники с упрочняющими композиционными электрохимическими покрытиями 70

4.1. Осаждение композиционных электрохимических покрытий во вращающемся электролите 72

4.2 Осаждение композиционных электрохимических покрытий на внутреннюю поверхность гильз из алюминиевых сплавов с активацией катодной поверхности 77

4.3. Испытания покрытий 84

4.4. Исследование структуры композиционных электрохимических покрытий 85

4.5. Исследование влияния дисперсной фазы на характеристики шероховатости 89

4.6. Исследование влияния дисперсной фазы на коэффициент трения 94

4.7. Исследование износостойкости композиционных электрохимических покрытий 97

Выводы 103

ГЛАВА 5 Практическая реализация результатов исследований 104

5.1. Программа расчёта износа внутренней поверхности цилиндра ДВС с композиционным электрохимическим покрытием 105

5.2. Программа расчёта технологических параметров осаждения композиционного электрохимического покрытия на внутреннюю поверхность цилиндра 110

5.3.Техническая характеристика установки для осаждения композиционных электрохимических покрытий во вращающемся электролите 117

Выводы 118

Заключение 119

Литература 121

Приложения 132

Введение

Известно, что уже со второй половины XX века надёжность, экономичность и экологичность машин, приборов, аппаратов, транспортных средств и технологического оборудования начали определяться в основном не показателями прочности, а трибологическими показателями узлов и деталей, работающих в условиях трения.

Анализ специальных комитетов Международного совета по трибологии показал, что за полный цикл эксплуатации машин эксплуатационные расходы в несколько раз превышают затраты на изготовление новой техники. Потери средств от трения и износа в развитых государствах достигают 4...5% национального дохода. ^ -

Повышение долговечности машин непосредственно связано с повышением износостойкости деталей машин. Таким образом, повышение износостойкости деталей машин является актуальным направлением исследований. Долговечность многих машин определяется износостойкостью деталей имеющих внутренние цилиндрические поверхности, работающие в условиях трения скольжения.

Известно, что задача повышения износостойкости конкретного изделия часто не предусматривает качественной модификации структурного состава используемого материала во всем его объеме, а переносится на видоизменение поверхностного слоя материала, поскольку защита сопрягаемых деталей от износа в ряде случаев решается поверхностным упрочнением. В общем случае под поверхностным упрочнением понимается повышение твердости поверхности и других механических характеристик.

Повышению механических характеристик трущихся поверхностей посвящено большое число работ, в результате которых предложены различные способы упрочнения. Перспективные направления развития поверхностно-упрочняющих технологий предполагают использование новых методов

получения износостойких покрытий, в основном с использованием износостойких материалов, т.е. покрытий на основе соединений типа оксидов, нитридов и карбидов. Образование упрочняющих покрытий из разнородных материалов приводит не только к модификации поверхностного слоя, но и к образованию, в ряде случаев, принципиально нового композиционного материала поверхностного слоя, обладающего как высокой прочностью и достаточной пластичностью, так и повышенной износостойкостью. В наибольшей степени этим условиям соответствуют композиционные электрохимические покрытия, состоящие из металлической матрицы и размещённых в ней частиц дисперсной фазы. Такие покрытия могут отвечать практически всей совокупности требований эксплуатационного и технологического характера в части твердости, износостойкости, теплостойкости, прочности сцепления с основой, коррозионной стойкости. Анализ литературных источников, отражающих результаты научно-исследовательских работ, показал, что широкое применение композиционных электрохимических покрытий для повышения износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей деталей машин сдерживается вследствие того, что в настоящее время недостаточно изучены взаимосвязи содержания и размеров частиц дисперсной фазы, их устойчивости в металлической матрице с характеристиками контакта трущихся поверхностей, не исследована возможность осаждения на внутренние поверхности деталей машин композиционных электрохимических покрытий с заданным содержанием дисперсной фазы.

Исследование этих вопросов позволит расширить применение композиционных электрохимических покрытий для повышения износостойкости деталей машин и определяет актуальность работы.

Целью настоящей работы является повышение износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей деталей машин методом электрохимического осаждения композиционных упрочняющих покрытий.

Поставленная цель достигается в результате решения следующих задач:

6

1. Анализ существующих способов достижения высокой износостойкости деталей машин.

2. Выявление взаимосвязи концентрации и размеров частиц дисперсной фазы, их устойчивости в металлической матрице с характеристиками контакта.

3. Обоснование возможности осаждения композиционных электрохимических покрытий (КЭП) с заданным содержанием дисперсной фазы на внутренние цилиндрические поверхности деталей машин.

4. Разработка технологии и оборудования для осаждения КЭП с заданными характеристиками на внутренние цилиндрические поверхности деталей машин.

5. Экспериментальные исследования структуры и износостойкости КЭП.

Большое разнообразие деталей современных машин, работающих в условиях трения (подшипники, колёса, зубчатые колёса, корпуса насосов, детали гидро и пневмораспределителей, детали цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания и т.д.), обуславливает не только различные условия трения, но и различные требования к трущимся поверхностям. В этой связи невозможно применить одни и те же подходы к повышению износостойкости самых различных деталей, т. к. методы, эффективные для одних деталей, не позволят получить требуемый результат для других.

Большая часть машин приводится в действие двигателями внутреннего сгорания (ДВС), имеющими различные конструкции, размеры и условия эксплуатации. Общим является наличие в этих двигателях деталей цилиндро-поршневой группы (цилиндр, поршень, поршневые кольца) между которыми реализуется процесс трения. Износостойкость цилиндра определяет долговечность работы двигателя и, как правило, долговечность машины.

Условия, в которых реализуется процесс трения в двигателях различных типов и размеров неодинаковы, однако, вводя соответствующие граничные условия, можно результаты, полученные для двигателей одного типоразмера, использовать для других двигателей. Это делает целесообразным выбор в

7

качестве объекта исследования цилиндры двигателей мототехники. Предметом исследования является износ внутренней поверхности цилиндра, контактирующей в процессе эксплуатации с поршневыми кольцами и поршнем, т.к. износ основной процесс, влияющий на изменение состояния объекта исследования.

Методика проведения исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях адгезионно-деформационной теории изнашивания, теории контактного взаимодействия трущихся поверхностей, теории осаждения электрохимических покрытий, гидродинамики суспензий, на использовании методов математического анализа, применении информационных технологий. Экспериментальные исследования базируются на применении методики однофакторного эксперимента и метода малых выборок, использовании современных контрольно-измерительных приборов и оригинальных экспериментальных установок.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование концентрации и размеров частиц дисперсной фазы в упрочняющем КЭП;

2. Обоснование условий устойчивости частиц дисперсной фазы в металлической матрице.

3. Обоснование возможности осаждения КЭП с заданным содержанием дисперсной фазы на внутренние поверхности деталей машин.

4. Алгоритм расчёта износа внутренней поверхности цилиндра ДВС с КЭП.

5. Технология осаждения КЭП с заданными характеристиками на внутренние поверхности деталей машин и оборудование для её реализации.

6. Результаты экспериментальных исследований структуры и износостойкости КЭП.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе выявленных взаимосвязей- между износостойкостью и характеристиками контакта доказано, что наибольшая износостойкость КЭП в условиях упругого контакта достигается при размерах частиц дисперсной фазы, сравнимых с размерами пятна фактического контакта и относительном содержании частиц в покрытии 4-13%.

2. Получена математическая зависимость, связывающая угловую скорость вращения электролита-суспензии с относительным содержанием частиц дисперсной фазы в покрытии на внутренних цилиндрических поверхностях деталей машин, параметрами анодной и катодной поверхностей, технологическими параметрами, характеристиками частиц и параметрами электролита суспензии.

Практическая значимость

1. Разработаны технология и оборудование для получения КЭП на внутренних цилиндрических поверхностях деталей машин с заданным содержанием ДФ.

2. Разработаны алгоритм и программа расчёта износа цилиндра ДВС с КЭП для автоматизации прогнозирования износа.

3. Проведены опытно-промышленные испытания гильз цилиндров ДВС мототехники с КЭП (М-ЭЮ и №-А120з) на поверхностях трения, которые показали повышение износостойкости в 1,8...2,8 раза по сравнению с гильзами из чугуна ЧХНМД и 1,2... 1,6 раза по сравнению с хромированными гильзами.

Результаты работы могут быть реализованы при изготовлении ДВС с улучшенными эксплуатационными характеристиками, в том числе безгильзовых, а также других деталей, работоспособность которых определяется износостойкостью внутренних цилиндрических поверхностей.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийской научно-практической конференции "Гальванотехника, обработка поверхности и экология", Москва, РХТУ им. Менделеева,

9

2002;Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России» - Ижевск, 2008; Научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление».-Ковров: КГТА, 2007, 2008, 2009, 2010; V международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» - Пенза, 2009; Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России» -МИВлГУ, 2010, 2011, 2012; Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении» - ИМАШ, 2010; Всероссийской научно-практической конференции «Машиностроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства»- Ижевск, ИжГТУ,2012; на заседаниях кафедр прикладной математики и САПР (КГТА им В.А.Дегтярёва, 2009,2010 г.), колёсных машин (КГТА им В.А.Дегтярёва, 2010, 2011, 2012, 2013г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, в том числе 5 статей в журналах рекомендованных ВАК, 3 патента РФ, а также 1 отчёт по хоздоговорной НИР.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 129 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, общих выводов и рекомендаций, содержит 26 рисунков, 3 таблицы и список использованной литературы из 128 наименований.

ГЛАВА 1

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Выбор объекта исследования

Большое разнообразие деталей современных машин работающих в условиях трения (подшипники, колёса, зубчатые колёса, корпуса насосов, детали гидро и пневмораспределителей, детали цилиндро - поршневой группы двигателей внутреннего сгорания и т.д.) обуславливает не только различные условия трения, но и различные требования к трущимся поверхностям.

В этой связи невозможно применить одни и те же подходы к повышению износостойкости самых различных деталей, т. к. методы, эффективные для одних деталей, не позволят получить требуемый результат для других. Выделим класс деталей, повышение износостойкости которых является целью настоящего исследования.

Большая часть машин приводится в действие двигателями внутреннего сгорания, имеющими различные конструкции, размеры и условия эксплуатации. Общим является наличие в этих двигателях деталей цилиндро-поршневой группы (цилиндр, поршень, поршневые кольца), между которыми реализуется процесс трения. Износостойкость цилиндра определяет долговечность работы двигателя и, как правило, долговечность машины.

Условия, в которых реализуется процесс трения в двигателях различных типов и размеров неодинаковы, однако вводя соответствующие граничные условия, можно результаты, полученные для двигателей одного типоразмера, использовать для других двигателей. Это позволяет выбрать в качестве объекта исследования цилиндры двигателей мототехники имеющие небольшие габариты.

В значительной степени выбор объекта исследования обусловлен технической политикой ОАО Завод им. В.А. Дегтярёва, являющегося одним из основных производителей мототехники в России, направленной на повышение надёжности и долговечности выпускаемой продукции.

1.2 Общая характеристика двигателей мототехники

К двигателям мототехники принято относить двигатели мотоциклов, мотороллеров, мопедов, бензопил и других подобных им изделий. В основном это двухтактные или четырехтактные, одно или двухцилиндровые двигатели с кривошипно-камерной продувкой [3,44,63,100], в которых поршень перемещается относительно внутренней поверхности цилиндра под действием давления, возникающего при сгорании топлива в камере сгорания.

Для предотвращения прорыва газов в кривошипную камеру, зазор между поршнем и внутренней поверхностью цилиндра, называемой еще зеркалом цилиндра, уплотняется поршневыми кольцами (рис. 1.1). Для обеспечения надежности уплотнения на поршень устанавливаются, как правило, два поршневых кольца.

Рис. 1.1 Схема сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме: Р - сила давления газов на поршень; N - нормальная сила, действующая на зеркало цилиндра; Рк - сила давления кольца на стенку цилиндра; Рш - сила действующая вдоль оси шатуна.

Двигатели мототехники обычно характеризуются диаметром цилиндра-

Бц , величиной хода поршня - Ьп, степенью сжатия, объёмом камеры сгорания, характером изменения давления и температуры в к�