автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Прогнозирование долговечности судового оборудования при кавитационном изнашивании

Третьяков Дмитрий Викторович

Прогнозирование долговечности судового оборудования при кавитационном изнашивании

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011

005013293

005013293

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Цветков Юрий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Фадин Юрий Александрович

кандидат технических наук, доцент Ежов Юрий Евгеньевич

Ведущая организация - ОАО «Центр технологии судостроения и судоремонта»

Защита состоится 16 февраля 2012 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 223.009.04 в ауд. 235 при Санкт-Петербургском университете водных коммуникаций (СПГУВК) по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

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

Автореферат разослан 26 декабря 2011 г.

Ученый секретарь /} ^ ^ 1

диссертационного совета Д 223.009.04 ^ А

доктор технических наук, профессор // ' ///' 1 В. Л. Ерофеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Неудовлетворительная износостойкость конструкционных материалов при динамическом воздействии кавитирующих потоков является серьёзным препятствием на пути развития техники. На водном транспорте изнашиванию при кавитации чаще всего подвергаются элементы движителей судов - лопасти гребных винтов (ГВ), внутренние пояса направляющих насадок - и втулки цилиндров (ВЦ) судовых дизелей. Очаги кавитационного износа появляются на лопастях ГВ каждого четвёртого морского транспортного судна, а на внутренних поясах направляющих насадок ГВ судов внутреннего плавания обнаруживаются почти при каждом очередном освидетельствовании судна. Очаги кавитационного износа на водохлаждаемых поверхностях ВЦ появляются чаще всего у высокооборотных дизелей, при этом ресурс ВЦ по допустимой глубине очагов кавитационного износа на водоохлаждаемой поверхности примерно в четыре раза меньше ресурса по изнашиванию поверхности трения.

Очевидно, что надёжное прогнозирование долговечности деталей судового оборудования, подверженного кавитационному изнашиванию, позволило бы обосновано планировать объём ремонтных работ. Однако существующие в настоящее время немногочисленные методики прогнозирования кавитационного износа различного оборудования не позволяют осуществить надёжное прогнозирование его долговечности.

Объект исследования — кавитационное изнашивание материалов и оборудования.

Предмет исследования - прогнозирование долговечности элементов судовых движителей и ВЦ дизелей при кавитационном изнашивании.

Цель работы - разработка методик прогнозирования долговечности внутреннего пояса направляющих насадок ГВ и ВЦ судовых дизелей при кавитационном изнашивании.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ характера и кинетики кавитационного изнашивания судового оборудования.

2. Выбрать экспериментальную установку и исследовать особенности проведения экспериментов на ней.

3. Исследовать влияние масштабного фактора на процесс кавитационного изнашивания.

4. Исследовать закономерности пластического деформирования металлических материалов в инкубационный период изнашивания, т.е. период, когда унос материала с поверхности ещё отсутствует.

5. Обосновать применимость гипотезы линейного суммирования повреждений для оценки продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания металлических материалов.

Методы исследования. Основные результаты работы получены испытаниями материалов на магнитострикционном вибраторе (МСВ), процессы пластической деформации поверхности при кавитационном воздействии исследовались методами микротвёрдости, анализ экспериментальных результатов проводился с использованием основных положений теории пластичности и механики разрушения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• установлены зависимости инкубационного периода и кавитационного износа от площади очага кавитационного износа при испытаниях на МСВ;

• получены закономерности пластической деформации металлов в инкубационный период кавитационного изнашивания;

• уточнена зависимость коэффициента жёсткости напряжённого состояния поверхности сталей от их твёрдости;

• установлены закономерности изменения коэффициента жёсткости напряжённого состояния поверхности сталей и размеров частиц износа в зависимости от интенсивности кавитационного воздействия;

• разработаны методики прогнозирования долговечности внутреннего пояса направляющих насадок ГВ при кавитационном изнашивании с учётом нерегулярности кавитационного воздействия и долговечности ВЦ судовых дизелей при вибрационной кавитации.

Личный вклад автора. При активном участии автора сформулированы основные цели и задачи исследований и разработаны методики проведения экспериментов, лично автором проведены испытания на кавита-ционное изнашивание, при непосредственном участии автора выполнены анализ и обобщение результатов экспериментов и разработаны методики прогнозирования долговечности судового оборудования при кавитационном воздействии.

Практическая ценность. Методики прогнозирования долговечности внутренних поясов направляющих насадок ГВ и ВЦ судовых дизелей при кавитационном изнашивании могут быть использованы при планировании объёма ремонтных работ.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах и конференциях: семинаре «Трибология и надёжность» (ЛМЗ-ВТУЗ, 2003 г.), Международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта» (СПГУВК, 2003 г.), Научно-практической конференции студентов и аспирантов (СПГУВК, 2004 г.), Научно-методической конференции «Надёжность судовых технических средств, конструкционных материалов и покрытий», посвященной 70-летию Судомеханического факультета (СПГУВК, 2008 г.), а также ежегодно на заседаниях кафедры технологии материалов и материаловедения и кафедры технологии судоремонта СПГУВК.

На защиту выносятся:

• зависимости параметров кавитационного изнашивания от площади очага кавитационного износа при испытаниях на МСВ;

• закономерности пластической деформации металлов в инкубационный период кавитационного изнашивания;

• закономерности изменения коэффициента жёсткости напряжённого состояния поверхности стали, её пластичности и размеров частиц износа в зависимости от интенсивности кавитационного воздействия;

• методика прогнозирования долговечности внутреннего пояса направляющих насадок ГВ судов при кавитационном изнашивании с учётом нерегулярности кавитационного воздействия;

• методика прогнозирования долговечности ВЦ судовых дизелей при кавитационном изнашивании.

Реализация работы. Методика прогнозирования долговечности направляющих насадок ГВ рекомендована к использованию в ОАО «Инженерный Центр Судостроения» и в Северо-Западном филиале Российского Речного Регистра. Результаты диссертационной работы реализованы также в учебном процессе при подготовке морских инженеров в СПГУВК.

Публикации. По результатам работы опубликовано 6 работ, из них 4 статьи опубликованы в изданиях, входящих в список, рекомендованный ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 103 наименования отечественных и зарубежных источников. Диссертация содержит 187 страниц, включая текст, 41 рисунок и 11 таблиц, а также 16 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выполненной работы, дана характеристика объекта и предмета исследования, в конце перечислены основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе выполнен анализ состояния проблемы.

Рассмотрены причины и закономерности кавитационного изнашивания деталей судового оборудования: элементов движительных комплексов судов и ВЦ судовых дизелей. Кавитационное изнашивание деталей судового оборудования происходит с выраженным инкубационным периодом.

Проанализированы работы отечественных и зарубежных учёных, в которых рассматриваются вопросы кавитационного изнашивания материалов и различного оборудования - И. Н. Богачёва, В. В. Быстрицкого, Е. П. Георгиевской, Л. А. Гликмана, Н. Н. Иванченко, С. П. Козырева, А. И. Некоза, А. П. Пимошенко, Л. И. Погодаева, А. А. Скуридина, М. Г. Тимербу-латова, В. В. Фомина, Ю. Н. Цветкова, К. К. Шальнева, Ю. У. Эделя, А. Тирувенгадама, Р. Кнэппа, К. М. Прис, Б. Вайс, Дж. С. Спринжера и др. - и различные подходы к прогнозированию кавитационного износа, развиваемые в этих работах.

Рассмотрены существующие методики прогнозирования кавитационного износа и долговечности деталей судового оборудования при кави-тационном воздействии. Установлено, что в существующих методиках не уделяется должного внимания инкубационному периоду, как основной стадии кавитационного изнашивания, определяющей скорость последующего уноса материала с поверхности. Показано, что необходимо дифференцировать подходы к оценке долговечности деталей при кавитационном воздействии в зависимости от того, по каким критериям, прочностным, или характеризующим качество поверхности, оценивается долговечность. Установлено, что независимо от того, какие критерии кладутся в основу

методики оценки долговечности, исходным пунктом всех методик должно быть определение продолжительности инкубационного периода.

На основе анализа, проведённого в первой главе, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены экспериментальные установки для испытаний материалов на кавитационный износ. Обоснован выбор МСВ для проведения экспериментов, позволяющего варьировать режимы кави-тационного воздействия в широких пределах. Ультразвуковая частота колебаний концентратора МСВ не вносит отличительные особенности в процесс пластического деформирования поверхности.

Для обоснования методики экспериментов, результаты которых изложены в 4-й главе, исследованы вопросы влияния диаметра образцов на кавитационный износ. Показано, что при изменении диаметра образцов, испытываемых на кавитационную износостойкость на МСВ, изменяется и диаметр очага износа на их поверхности, однако кавитационный износ образцов изменяется не пропорционально площади очага износа (рис. 1).

100

инк* Ч

г 10.00 А V,

1.00

0.10

0.01

Рис.1. Зависимости ка-витационного износа (1) и продолжительности инкубационного периода (2) от диаметра очага износа при испытании латуни ЛЦ40МцЗЖ при амплитуде колебаний 33 мкм

Износ является степенной функцией диаметра очага износа, причём показатель степени зависит от амплитуды колебаний торца концентратора. Пересчёт износа с образца одного диаметра на другой необходимо осуществлять с учётом режима испытания, в данном случае в зависимости от амплитуды колебаний торца концентратора МСВ по формуле (1):

I

ду2 =ДУ,

А

(1)

где индексы «1» и «2» относятся соответственно к образцам разных диаметрами, на изнашиваемой поверхности которых образуются очага диаметрами di и d2 соответственно.

При изменении диаметра очага износа изменяется и продолжительность инкубационного периода согласно выражению (2):

const

т = -

шк J 0.5

(2)

Показатель степени п в выражении (1) необходимо определять в зависимости от значения амплитуды колебаний, при которой ведутся испытания, по калибровочному графику (рис. 2). 4

П

А, мкм

Рис. 2. Зависимость показателя степени в выражении (1) от амплитуды колебаний торца

концентратора МСВ

Механизм кавитационного разрушения поверхности с изменением диаметра очага износа (вследствие изменения диаметра образца) остаётся неизменным, так как на графиках рис. 1 нет переломов и разрывов. Характер зависимости показателя степени и в выражении (1) от амплитуды колебаний концентратора МСВ, вероятно, определяется механизмом кавитационного воздействия на поверхность (воздействие микроструй или ударных волн), что подтверждается экспериментами, результаты которых представлены в 3-й главе. Изменение механизма кавитационного воздействия при изменении амплитуды колебаний ведёт к появлению перелома на зависимости показателя степени от амплитуды (рис. 2).

Третья глава посвящена исследованию особенностей пластического деформирования металлических материалов в инкубационный период кавитационного изнашивания.

Кинетика изменения толщины 8наклёпанного слоя во времени ? изучалась на сплаве АМг5 методом измерения микротвёрдости на косых шлифах. На кривой 8(0 можно выделить несколько характерных точек (рис. 3). Максимум на кривых 8(0 соответствует окончанию инкубационного периода. Это подтверждается сопоставлением положения максимума (точка В) с началом потерь массы АС, определенным по кинетическим кривым изнашивания АС(1).

Вероятно, точка А делит инкубационный период на период упрочнения (отрезок ОА) и период разупрочнения (отрезок А В).

Следующий за точкой В период является периодом отделения продуктов изнашивания. Причём длина отрезка (¡„ определяет толщину слоя удаляемого с поверхности в виде частиц износа, а точка С на рис.3 должна соответствовать окончанию процесса отделения продуктов изнашивания. Это подтверждается формой графиков рис.3: кривая Ай(0, начиная с мо-

мента времени, соответствующего точке В, представляет собой зеркальное отражение соответствующего отрезка кривой ¿(1).

3.0

Ь 2

Рис. 3. Зависимости толщины наклёпанного слоя от продолжительности кавитационного воздействия (1) и кинетические кривые кавитационного изнашивания (2) при амплитуде колебаний кон-0 центратора МСВ равной 5 мкм

о

200

400

Как видно на рис. 3, значение с1„ ~ 10 мкм. В аналогичных опытах с амплитудой колебаний торца концентратора МСВ равной 33 мкм получено значение с1„ ~ 40 мкм. Большее значение с1„ при высокоинтенсивном кави-тационном воздействии обусловлено не только большей толщиной слоя, удаляемого с поверхности, но и трещинообразованием в подповерхностных слоях материала. Это вызвано, вероятно, тем, что в отличие от низкоинтенсивного кавитационного воздействия, при больших амплитудах колебаний кроме ударных волн существенную роль начинают играть и удары микроструй. В последнем случае необходимо принимать во внимание не только волновую, но и кинетическую составляющую энергии при внедрении микроструек в поверхность. Наличие максимума, который располагался на некотором расстоянии от поверхности, в распределении микротрещин по глубине слоя, наклёпанного при кавитации, было зарегистрировано ранее в работе японских учёных Й. Тераучи, X. Матуры и М. Китамуры.

При увеличении амплитуды колебаний глубина наклёпа поверхностных слоёв остаётся неизменной до амплитуды колебаний 10 мкм, а затем

увеличивается скачком более чем в 1,5 раза, и опять принимает постоянное значение (таблица). Это подтверждает предположение о различии в механизме кавитационного воздействия при малых и больших амплитудах колебаний концентратора МСВ.

Таблица

Значения толщины наклёпанного слоя и продолжительности инкубационного перио-

Амплитуда колебаний, мкм Максимальная толщина наклёпанного слоя, мкм Продолжительность инкубационного периода, мин.

5 55 70

10 48 60

18 78 60

25 83 20

33 82 3

Появление дополнительного фактора при высокой интенсивности кавитационного воздействия ведёт к появлению переломов и разрывов на кривых усталости поверхностных слоёв (рис. 4) и зависимости средней скорости роста глубины наклёпа в течение инкубационного периода от продолжительности последнего (рис. 5). Важно отметить, что скачкообразные изменения соответствующих величин, показанные в таблице и на рис. 4 и 5, не противоречат друг другу, т.е. происходят между амплитудами колебаний 10 и 18 мкм.

Участок 1 кривой о( так) почти параллелен оси абсцисс, что характерно для циклической ползучести. Этому участку соответствует участок 1

зависимости на Рис- 5. Указанный участок можно аппроксимиро-

вать функцией степенного вида:

£ ~ С , (3)

где 3 - средняя скорость роста толщины наклёпанного слоя в течение инкубационного периода.

X , мин

инк

Рис. 4. Кривая усталости поверхностных слоев сплава АМг5 при кавитационном изнашивании на МСВ (построена с использованием экспериментальных данных учёных из США К. Прис и Б. Вайс)

При кавитационном воздействии высокой интенсивности скорость увеличения толщины наклёпанного слоя практически постоянна в течение ттт, т. е. выражение (3) можно переписать в следующем виде:

(4)

ИНК г» —

где д; - глубина наклепа

Рис. 5. Зависимость средней скорости роста толщины и едИНИЧНОм воздейст-наклбпанного слоя в течение инкубационного периода от продолжительности инкубационного периода вии капли или микроструи

на поверхность материала.

Согласно вышеприведённым рассуждениям при больших амплитудах колебаний концентратора поверхность повергается главным образом ударам струй и капель жидкости. Если уподобить процесс взаимодействия сферического кончика микроструи с поверхностью процессу внедрения

шарового индентора и принять во внимание следующее: интенсивность деформации в отпечатке возрастает пропорционально глубине вдавливания сферического индентора, протяжённость пластически деформированной зоны под отпечатком пропорциональна глубине внедрения индентора, прирост деформации практически постоянен от цикла к циклу, так как постоянна скорость роста глубины наклёпа почти на всём протяжении инкубационного периода, то выражение (4) можно преобразовать к следующему виду:

•tm = const, (5)

где Леi - прирост пластической деформации при каждом цикле кавитаци-онном воздействии, т.е. ширина петли пластического гистерезиса; const -постоянная, определяемая пластичностью материала при напряжённом состоянии поверхности, соответствующем кавитационному воздействию.

Так как продолжительность тиик пропорциональна числу ударов микроструй по поверхности до наступления разрушения, то выражение (5) описывает простое суммирование деформаций от цикла к циклу, т.е. соответствует квазистатическому характеру разрушения, какое имеет место при циклической ползучести.

Для участка 2 кривой усталости (рис. 5) справедливо выражение:

С ~ "С/ , (6)

где <т- условные напряжения, возникающие в поверхностных слоях сплава при кавитационном воздействии; причём:

0 = p-c-v = p-c\vy+Avm)~ p-c-Av„ =p-c-D-e„, (7)

p- плотность сплава; с- скорость распространения упругой волны в сплаве; v - скорость удара микроструй; vy- скорость движения частиц сплава при прохождении волны, соответствующая пределу упругости материала; Avy - превышение скорости удара над величиной vy, вызывающее пластическую деформацию металла; D - скорость распространения пластической

волны в металле; Ст - пластическая деформация сплава при прохождении ударной волны.

Подставив (7) в (6) после простых преобразований получим, что процесс деформирования, описываемого участком 2 (рис. 5), подчиняется выражению:

ет ■ С= const , (8)

где const- постоянная, определяемая пластичностью металла.

Зависимость (8) по форме совпадает с известным соотношением Коф-фина-Мансоиа, описывающим малоцикловую усталость при жёстком на-гружении. Однако в отличие от закона Коффина-Мансона величина £,„ в выражении (8) представляет не амплитуду циклической деформации, а, по сути, ширину петли пластического гистерезиса в условиях циклического нагружения с постоянной амплитудой напряжений.

В диссертации уточнена применительно к сталям полученная ранее Ю. Н. Цветковым зависимость коэффициента жёсткости напряжённого состояния поверхности при кавитационном воздействии от её твёрдости. Зависимость имеет вид:

Я = 0,94-7,3-10^ -HV , (9)

где П - коэффициент жёсткости напряжённого состояния, предложенный Г. А. Смирновым-Аляевым и определяемый следующим образом: П = (О}+02+0>)/о;, где о), сь, oj - главные напряжения, о; - интенсивность напряжений.

Была исследована реакция металлических материалов на изменение интенсивности механического фактора при кавитационном воздействии. На рис. 6 показана зависимость продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания от амплитуды колебаний торца концентратора МСВ (кривая усталости поверхностных слоёв). Продолжительность ^„определяли по кинетическим кривым изнашивания (см. рис.3).

300 400 500 !

1 , МИН

инк'

Рис. 6. Кривая усталости поверхностных слоёв стали 05кп при кавитационном воздействии на МСВ в пресной воде

В результате опытов были получены зависимости коэффициента жёсткости напряжённого состояния поверхности стали и её пластичности от интенсивности кавитационного воздействия (рис.7).

Была разработана методика отбора

частиц износа после испытаний (рис. 8 а) и проведён анализ их размера (рис. 8 (б) и 9), характеризуемого эквивалентным диаметром <1жв. Как видно, на графиках с1же(А) имеется разрыв, соответствующий разрывам на кривых рис. 6 (б) и 7.

4.0

А, МКМ

Рис. 7. Изменение пластичности и коэффициента жёсткости напряжённого состояния поверхности стали 05кп при изменении амплитуды колебаний концентратора МСВ

При увеличении амплитуды колебаний разрыву на рис. 9 соответствует скачкообразное увеличение среднего размера частиц износа примерно в 2,5 раза, при этом, как следует из рис. 7, пластичность металла увеличивается, а не уменьшается, т. е. появление разрывов на рассматриваемых кривых не может быть объяснено сменой масштабных уровней изнашивания.

Рис. 8. Частицы износа (й), полученные при кавитационном изнашивании стали 05кп на МСВ при амплитуде колебаний 27,5 мкм и их распределение по размерам (б)

Из сравнения рис. 7 и рис. 9 следует, что графики йэт(А) имеют такой же вид как и зависимости екр(А) и являются зеркальным отражением зависимости П(А). Вероятнее всего скачкообразное увеличение пластичности и одновременное резкое увеличение размеров продуктов изнашивания при увеличении интенсивности кавитационного воздействия вызвано активизацией ротационного канала пластичности.

мкм

♦ - среднее

6 -

арифметическое

значение

О - наиболее вероятное значение

Рис. 9. Зависимость эквивалентного диаметра частиц износа, полученных при кавитационном изнашивании стали 05кп в пресной воде, от амплитуды колебаний торца концентратора МСВ

2 -

4 -

12

16

20

24

28

А, мкм

В четвертой главе обоснована возможность использования гипотезы линейного суммирования повреждений при прогнозировании продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания; получено условие разрушения при кавитационном воздействии:

где т{ и тют - соответственно продолжительность кавитационного воздействия и инкубационного периода изнашивания на г'-м режиме; Экр - критическое значение суммарного повреждения, т. е. соответствующее разрушению.

Результаты экспериментов показали (рис.10), что зарегистрированные значения йкр близки к единице, причём, для бронзы критические значения суммарного повреждения лежали в диапазоне 0,6...0,88, т.е. оказались меньше единицы, тогда как для сталей Д7, = 0,9...1,16, т.е. в среднем были больше единичного значения. Близость значений йкр к единице подтверждает квазистатический характер разрушения при кавитации. Значение Окр, оказалось практически нечувствительно к тому, в пределах какого участка кривой усталости идёт изменение режимов кавитационного воз-

* т

I: " А

(10)

действия. Вместе с тем, значения Окр, полученные при варьировании режимов в пределах верхнего участка кривых усталости, оказались на 10... 15 % ниже таковых, полученных при изменении режимов в пределах того участка усталостных кривых, который соответствовал малым амплитудам колебаний.

Предложено зависимость (10) при == 1 использовать для прогнозирования долговечности внутреннего пояса направляющих насадок ГВ. Для этого следует располагать зависимостями продолжительности инкубационного периода от параметра, характеризующего интенсивность кавитационного воздействия, и знать характер изменения этого параметра в процессе эксплуатации. Согласно работам Георгиевской Е. П. и Цветкова Ю. Н. таким параметром для элементов судовых движителей может служить линейная скорость вращения ГВ. Анализ работ В. В. Быст-рицкого по кавитационному изнашиванию направляющих насадок ГВ с учётом результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных Л. И. Погодаевым и Ю. Н. Цветковым, позволил получить кривую усталости поверхностных слоёв внутреннего пояса насадок ГВ при кавитационном воздействии следующего вида:

Рис. 10. Пример зависимости потерь массы от накопленного повреждения для бронзы «Новостон». Числа на графике между точками показывают амплитуду колебаний (мкм) на данном режиме

где V - линейная скорость вращения концов лопастей.

Предложена методика оценки длительности предстоящей работы на интересующем режиме до начала кавитационных повреждений внутреннего пояса направляющей насадки ГВ, основанная на использовании зависимостей (10) и (11). При этом необходимо располагать следующей исходной информацией: а) режимами, на которых работали главные двигатели до момента прогнозирования, и их продолжительностью г,; б) режимом, на котором главные двигатели будут работать.

Прогнозирование осуществляют в следующей последовательности:

1. Вычисляют для каждого режима, на котором отработали главные двигатели, соответствующую линейную скорость концов лопастей по формуле V = жЕ>/60, где п и О - частота вращения и диаметр ГВ.

2. По найденным линейным скоростям вращения по формуле (11) определяют значения приведённых продолжительностей инкубационного периода Тинн-

4

3. По формуле = ттК1 —, где тию:. - продолжительность инкубационного

периода, приведённая к числу лопастей равному 4, а г - число лопастей, найденные значения пересчитывают на фактические продолжительности инкубационного периода /,„„,■.

4. Вычисляют накопленные в поверхностном слое повреждения Оптр при

* (

кавитационном воздействии по формуле: опар = .

5. Рассчитывают линейную скорость концов лопастей при работе на интересующем (к-м) режиме, по формуле (11) определяют значения г , а затем - фактическую продолжительность инкубационного периода по формуле, указанной в п. 3.

6. Рассчитывают с использованием (10) при Оч, = 1,0 продолжительность ^ работы ГВ на к-м режиме до начала кавитационных повреждений внутреннего пояса направляющей насадки: ¡к = /„„^ -(А,, - Оптр).

Погрешность прогнозирования времени эксплуатации на интересующем режиме до наступления кавитационных повреждений по предложенной методике составляет 35 % при доверительной вероятности Р = 50%.

В предпоследнем параграфе 4-й главы изложена методика прогнозирования долговечности ВЦ судовых дизелей при вибрационной кавитации, усовершенствованная с учётом влияния масштабного фактора на износ (см. главу 2) и твёрдости материала ВЦ, как фактора, определяющего напряжённое состояние поверхности при кавитационном воздействии; суть методики в следующем:

1. Согласно работам А. А. Скуридина определяется амплитуда вибрации втулки: А = Ади„ - Аст, где Л,„„, и Аст - амплитуды при динамическом и статическом воздействии силы, возникающей при ударе поршня.

2. Определяется напряжение а, возникающее в материале ВЦ при вибрационной кавитации с амплитудой /) по формулам, полученным в результате обработки данных К. М. Прис.

3. Вычисляется относительная продолжительность инкубационного периода ТШК по формуле: СГ = т~—, здесь /°вт" = I ¡ъдь; К ~ (^э дб1 ^ \

\ 0111)1 } J св

ат =<т. /о"злб> где/- частота свободных колебаний ВЦ; <1 - диаметр ВЦ; а— напряжение на поверхности материала при кавитационном воздействии, а индексы «I» и «ЗДбл относятся соответственно к ВЦ исследуемого дизеля и дизеля ЗД6, принятого за эталон.

4. Вычисляется инкубационный период изнашивания ВЦ исследуемого дизеля по формуле:

("Г ) = Т (Т )

инк 'i инк V инк ПИ 6 '

где - продолжительность инкубационного периода кавитационного

изнашивания дизеля ЗД6, равная 858 ч.

5. Вычисляется действительный инкубационный период для ВЦ исследуемого дизеля по формуле: = kHV ■ (тинк)i, где km = {HVt / HV:№AMI0 I )3, здесь HVj и HV38xmioa - твёрдость по Виккерсу материала ВЦ исследуемого дизеля и эталонного дизеля (ЗД6) соответственно.

6. Определятся наибольшая линейная скорость кавитационно-эрозионного изнашивания vy™" по формуле: V™ = const/(Т°Ш1КУ, здесь const равна 6,6105 для серого чугуна СЧ20 и 1,67-106для стали 38Х2МЮА (38ХМЮА).

6. Определяется долговечность втулки Т по формуле: Т = к, + -^i-j, здесь

[h] - допускаемая глубина кавитационных раковин, равная 3/4 толщины стенки ВЦ; кт - коэффициент, учитывающий затухающий характер увеличения глубины раковин, равный 2,0 согласно работам JI. И. Погодаева.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Продолжительность инкубационного периода определяет скорость изнашивания и износ, поэтому исходным пунктом методик прогнозирования кавитационного износа судового оборудования должна быть оценка продолжительности инкубационного периода.

2. При уменьшении диаметра образцов, испытываемых на МСВ, уменьшается диаметр очага износа на их поверхности и увеличивается продолжительность инкубационного периода. Механизм кавитационного разрушения поверхности с изменением диаметра очага износа остаётся неизменным, а изменяется только механизм передачи энергии от схлопы-вающихся пузырьков к изнашиваемой поверхности.

3. Изменение долговечности поверхностных слоев при кавитационном воздействии подчиняется выражению аналогичному по форме известному закону Коффина-Мансона, описывающему малоцикловую усталость при жёстком нагружении.

4. Толщина слоя, упрочнённого при кавитационном воздействии, непрерывно увеличивается в течение инкубационного периода изнашивания и достигает максимума по его окончании. Изменение механизма пластической деформации при кавитационном воздействии с увеличением амплитуды колебаний МСВ ведёт к скачкообразному изменению максимальной толщины упрочнённого слоя.

5. Уточнена зависимость коэффициента жёсткости напряжённого состояния поверхности сталей при кавитационном воздействии от твёрдости поверхности.

6. Переломы и разрывы на кривых усталости поверхностных слоёв металла при кавитации отражают его реакцию на изменение интенсивности кавитационного воздействия, заключающуюся в резком изменении напряжённого состояния поверхности и пластичности, а также скачкообразном (двукратном) изменении размеров частиц износа.

7. Доказана применимость гипотезы линейного суммирования повреждений для оценки продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания, с использованием которой разработана методика оценки долговечности направляющих насадок ГВ судов внутреннего плавания.

8. Разработана методика прогнозирования долговечности ВЦ судовых дизелей, основанная на использовании продолжительности инкубационного периода как исходной информации для определения характеристик изнашивания, учёте масштабного фактора, а также твёрдости материала ВЦ, как параметра, определяющего жёсткость напряжённого состояния поверхности при кавитационном воздействии.

Публикации по теме диссертации

Публикации в гаданиях, входящих в список ВАК РФ:

1. Цветков Ю. Н., Третьяков Д. В. Некоторые особенности пластической деформации металлических материалов при кавитационном изнашивании// Трение и износ. - 2002. - Т. 23. - № 1. - С. 82- 87.

2. Цветков Ю. Н., Третьяков Д. В. Масштабные эффекты эрозии при вибрационной кавитации// Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2003. - Т. 69, № 1. - С. 48-52.

3. Цветков Ю. Н., Третьяков Д. В. Пластичность низкоуглеродистой стали при кавитационном воздействии// Трение и износ. - 2004. - Т. 25. -№ 1.-С. 48-56.

4. Третьяков Д. В., Валишин А. Г., Матвеевский О. О. Моделирование долговечности цилиндровых втулок двигателей внутреннего сгорания при вибрационной кавитации // Проблемы машиностроения и надёжности машин. - 2008. - №2. - С.50-60.

Публикации в других изданиях:

5. Третьяков Д.В., Цветков Ю.Н. Долговечность металлических материалов при кавитационном воздействии нерегулярной интенсивности// Безопасность водного транспорта: Труды международной научно-практической конференции. 10-13 сентября 2003г./ Т.З: - СПб: ИИЦ СПГУВК, С. 216-221.

6. Третьяков Д. В., Цветков Ю. Н. Напряженное состояние поверхности при кавитационном воздействии// Труды научно-практической конференции студентов и аспирантов. - СПб.: ИИЦ СПГУВК, 2004 - С. 167-172.

Подписано в печать 23.12.11 Сдано в производство 23.12.11

Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 1,39. Уч.-изд. л. 1,2.

_Тираж 60 экз._Заказ № б/н_

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФБОУ ВПО СПГУВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

61 12-5/1796

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ»

На правах рукописи

Третьяков Дмитрий Викторович

Прогнозирование долговечности судового оборудования при кавитационном

изнашивании

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Ю. Н. Цветков

Санкт-Петербург 2011

оглавление

Список условных сокращений....................................................................................................5

Ведение..............................................................................................................................................................6

Глава 1. Аналитический обзор исследований по проблеме кавитационного

изнашивания...............................................................

1.1. Виды кавитации и периоды кавитационного изнашивания....................15

1.2. Причины и закономерности кавитационного изнашивания деталей су- 18 дового оборудования......................................................

1.2.1. Кавитационное изнашивание судовых движителей..................................18

1.2.2. Кавитационное изнашивание втулок цилиндров судовых дизе- 26

лей.....................................................................................

1.3. Механизм разрушения поверхностных слоёв при кавитационном воз- 30

действии..........................................................................

1.4. Прогнозирование кавитационного износа....................................................33

1.4.1. Методики лабораторных испытаний по определению относительной 34 кавитационной износостойкости материалов.....................

1.4.2. Методики прогнозирования кавитационного износа деталей судового 40 оборудования................................................. • ..........

1.4.3. Критерии кавитационной износостойкости материалов........................45

1.5. Выводы по главе 1........................................................................................................................49

1.6. Цель и задачи исследования.....................................................................................51

Глава 2. Экспериментальное исследование кавитационного изнашивания 52 металлических материалов...............................................

2.1. Установки для испытаний на кавитационное изнашивание..................52

2.2.Методика испытаний на магнитострикционном вибраторе..................57

2.3. Масштабные эффекты при испытании на магнитострикционном вибра- 61 торе...........................................................................

2.4. Выводы по главе 2........................................................................................................................74

Глава 3. Механизм и кинетика кавитационного изнашивания металличе- 76 ских материалов.............................................................

3.1. Пластическая деформация металлов при кавитационном воздейст- 76 вии..................................................................................

3.2. Напряжённое состояние поверхности при кавитационном воздейст- 89 вии.............................................................................

3.3. Реакция металлических материалов на изменение условий кавитацион- 100 ного воздействия..........................................................

3.4. Выводы по главе 3..........................................................................................................................123

Глава 4. Прогнозирование долговечности деталей судового оборудования 126 при кавитационном изнашивании.....................................

4.1. Применение гипотезы линейного суммирования повреждений в оценке 126 длительности инкубационного периода кавитационного изнашивания...........................................................................

4.2. Прогнозирование долговечности элементов движительного комплекса 136 судов при кавитационном воздействии..............................

4.3. Оценка долговечности втулок цилиндров судовых дизелей при вибра- 144 ционной кавитации.........................................................

4.4. Выводы по главе 4........................................................................................................................156

Заключение......................................................................................................................................................158

Библиографический список использованной литературы..................................160

Приложения........................................................................................................173

список условных сокращений

ГВ - гребной винт;

СПК - судно на подводных крыльях;

ВЦ - втулка цилиндра;

ВОД - высокооборотный дизель;

СОД - среднеоборотный дизель;

МСВ - магнитострикционный вибратор.

введение

Слово кавитация происходит от латинского саква - пустота, полость. Явление кавитации заключается в образовании разрывов сплошности в жидкости там, где происходит значительное понижение давления. Кавитационное изнашивание поверхности вызывается ударами струй и капель жидкости при схлопывании кавитационных полостей, когда внешнее давление резко повышается, или когда пузыри сносятся потоком в область повышенных давлений. При смыкании пузыри продавливаются жидкостью, теряют первоначальную форму и распадаются на более мелкие пузырьки с образованием кумулятивных струй, ударяющих по поверхности тела. Разрушение кавитационных полостей происходит за время порядка тысячной доли секунды. Кавитационные полости заполнены насыщенным паром, плотность и давление которого при заданной температуре являются постоянными величинами для конкретной жидкости, поэтому избыток пара мгновенно конденсируется при резком уменьшении объёма полости, и он не оказывает пружинящего воздействия в отличие от ситуации, когда сжимается, например, воздух. Скорость кумулятивных струй может достигать нескольких сот метров в секунду. Этого достаточно, чтобы жидкость, ударившись о поверхность металла, вызвала пластическую деформацию поверхности. Когда число ударов достигнет критической величины, соот-

ветствующей исчерпанию пластичности, последует разрушение поверхности.

Неудовлетворительная износостойкость конструкционных материалов при динамическом воздействии кавитирующих потоков является серьёзным препятствием на пути развития техники. Бороться с кавитационным изнашиванием можно двояким образом: с позиций гидромеханики и с позиций материаловедения. Методами гидромеханики осуществляют выбор оптимальных режимов эксплуатации и, как следствие, разработку конструктивных мероприятий, с целью уменьшения интенсивности кавитацион-ного воздействия на поверхность. Материаловеды заняты исследованием механизмов изнашивания, разработкой критериев износостойкости, созданием износостойких материалов и методик их испытаний на лабораторных установках, имитирующих кавитационное воздействие.

Различают гидродинамическую кавитацию, возникающую на поверхностях, при обтекании их потоком жидкости, и вибрационную кавитацию, появляющуюся на поверхностях, вибрирующих с высокой частотой в жидкости. Изнашиванию при гидродинамической кавитации на водном транспорте чаще всего подвергаются элементы движительно-рулевого комплекса судов [1]: лопасти гребных винтов (ГВ), внутренние пояса направляющих насадок, а при вибрационной - втулки цилиндров (ВЦ) судовых дизелей [2].

На ГВ очаги кавитационного износа возникают на лопастях или в их концевых сечениях (транспортные суда), или в корневых сечениях (быстроходные суда на подводных крыльях (СГЖ)), часто переходя в последнем случае на ступицу. Скорость изнашивания составляет 1...20 мм/год, причём более высокие значения характерны для ГВ СПК.

От кавитационного износа при вибрационной кавитации, как правило, страдают водоохлаждаемые поверхности ВЦ и блоков цилиндров высоко- и среднеоборотных двигателей внутреннего сгорания (ВОД и СОД), при этом скопления раковин кавитационного износа возникают в плоскости качания шатуна. Часто в результате вибрационной кавитации возникает щелевая эрозия в виде канавок в зазорах между ВЦ и блоком в верхней части деталей. Щелевая эрозия в узкостях и сопряжениях инициирует возникновение фреттинг-коррозии, а также возникновение трещин под опорным буртом втулок. Это является одной из причин отрыва части бурта от втулки. В зависимости от конструкции ВЦ, рабочих характеристик и условий эксплуатации двигателей скорость роста глубины раковин кавитационного износа может изменяться в очень широком диапазоне: от 0,05 до 10 мкм/ч. Во многих случаях выбраковка ВЦ проводится по критической глубине очагов кавитационного износа на водоохлаждаемой поверхности, а не по износу внутренней стороны, так называемого «зеркала» цилиндра.

Как следует из вышеизложенного, скорость кавитационного изнашивания сравнительно невелика и составляет в среднем несколько миллимет-

ров в год, однако кавитационному изнашиванию подвергаются в подавляющем большинстве случаев ответственные детали различного оборудования: лопасти ГВ и осевых насосов, плунжеры топливных насосов, вкладыши подшипников скольжения, ВЦ двигателей внутреннего сгорания [14] и др. Для перечисленных деталей установлены высокие требования к качеству поверхности и надежности, что ставит проблему борьбы с кави-тационным изнашиванием в ряд актуальных. Так как полностью исключить кавитационный износ в большинстве случаев невозможно без нарушения оптимального с точки зрения КПД режима работы ответственного оборудования, то на первое место выходит прогнозирование износа такого оборудования, а именно: 1.) появятся ли очаги кавитационного износа на поверхности, 2.) если да, то в каком месте, и 3.) какова будет скорость изнашивания. Осуществить прогнозирование теоретически в вышеперечисленном объёме невозможно. В настоящее время проблему прогнозирования решают в основном применительно к третьему из вышеперечисленных пунктов, производя оценку относительной износостойкости материалов. Предполагают, что, если известна, к примеру, глубина кавитационного износа на натурном оборудовании, то, после применения другого материала, износостойкость которого по отношению к штатному выше в несколько раз, во столько же раз уменьшится и глубина очагов износа в натурных условиях. Оценку относительной износостойкости производят в настоящее время или экспериментально [5-15], или с помощью критериев кавитаци-

онной износостойкости [16-28]. Однако при этом не обращают внимания на специфическую кинетику кавитационного изнашивания, которая в отличие от других видов эрозионного изнашивания, например, гидроабразивного, более сложная.

Существенная особенность кавитационного изнашивания - наличие инкубационного периода, в течение которого происходит накопление повреждений поверхностным слоем изнашиваемого металла, и потери массы отсутствуют. Продолжительность инкубационного периода сопоставима со сроками эксплуатации детали до её ремонта или замены вследствие износа и в большинстве случаев эксплуатации натурных объектов составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч часов. Такая продолжительность характерна для кавитационного изнашивания лопастей ГВ транспортных судов, направляющих насадок ГВ, гидротурбин, центробежных и осевых насосов и др. оборудования. При очень высокой интенсивности кавитационного воздействия продолжительность инкубационного периода может сокращаться до нескольких десятков часов, что нередко имеет место при изнашивании корневых сечений лопастей ГВ быстроходных судов, игольчатых затворов ковшовых гидротурбин, клапанных устройств мощных гидропрессов и т.д. Во многих случаях, когда появление очагов кавитационного износа на поверхности ответственной детали может привести к отказу оборудования, актуальной становится проблема прогнозирования

и

именно продолжительности начального (инкубационного) периода, когда

износ еще отсутствует.

Актуальность проблемы прогнозирования инкубационного периода становится ещё более очевидной, если принять во внимание тот факт, что продолжительность инкубационного периода определяет скорость последующего уноса материала с изнашиваемой поверхности. Знание особенностей поведения металлических материалов в инкубационный период позволит не только предложить метод оценки его продолжительности, но и, зная продолжительность инкубационного периода, более достоверно прогнозировать развитие износа.

Таким образом, в зависимости от того, какая деталь подвержена изнашиванию, под её долговечностью в условиях кавитационного воздействия понимают либо продолжительность инкубационного периода (лопасти ГВ транспортных судов, направляющие насадки движителей таких судов), либо величину износа, по достижении которого эксплуатацию детали прекращают из-за возможности возникновения аварийной ситуации (корневые сечения лопастей движителей быстроходных судов, ВЦ дизелей и др.).

Соответственно методики прогнозирования долговечности элементов движительно-рулевого комплекса судов при кавитации должны быть нацелены, прежде всего, на оценку продолжительности инкубационного периода, а методики прогнозирования долговечности ВЦ - на оценку времени по достижении определённого износа, но и в этом случае исходным

пунктом методики должна быть оценка продолжительности инкубационного периода.

Следует иметь в виду, что многое оборудование работает при переменных режимах, это затрудняет оценку продолжительности инкубационного периода. Для оценки усталостной долговечности конструкций при переменном нагружении успешно используется гипотеза линейного суммирования повреждений, впервые применённая в 1924 г. Пальмгреном для оценки долговечности подшипников качения. Что касается долговечности поверхностных слоёв при кавитационном воздействии, то ранее никто не проводил экспериментальную проверку линейной гипотезы суммирования повреждений для такого вида нагружения, хотя известны случаи использования гипотезы линейного суммирования повреждений при разработке теоретических моделей кавитационного изнашивания [29, 30].

В настоящее время проблема борьбы с кавитационно-эрозионными разрушениями ВЦ ВОД и СОД еще далека до своего окончательного решения. Это обусловлено высокой степенью сложности и многообразием процессов вибрационной кавитации и эрозии деталей двигателей, отсутствием достоверных физических и математических моделей кавитационного разрушения материалов и конкретных деталей и, как следствие, ограниченностью имеющихся расчетных методов оперативной оценки ресурса деталей при кавитационном воздействии. Оценку кавитационно-эрозионной стойкости ВЦ проводят в основном по статистическим дан-

ным, извлекаемым из ремонтных ведомостей и актов освидетельствования состояния деталей при разборках двигателей. Для более активного влияния на негативные последствия вибрационной кавитации в двигателях требуется проведение стендовых испытаний и создание методов расчета долговечности деталей при кавитационном изнашивании.

Существующие немногочисленные методики оценки кавитационно-го износа судового оборудования носят полуэмпирический характер и не учитывают многих особенностей кавитационного изнашивания, например изменения жёсткости напряжённого состояния поверхности при кавитационном воздействии в зависимости от её твёрдости.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию инкубационного периода кавитационного изнашивания судостроительных металлических материалов на магнитострикционном вибраторе (МСВ) с использованием методов микротвёрдости, теории пластичности и механики разрушения, и разработке на основе проведённых исследований методики прогнозирования долговечности судового оборудования при кавитационном изнашивании.

Объектом исследования является кавитационное изнашивание материалов и оборудования.

Предмет исследования - прогнозирование долговечности элементов судовых движителей и ВЦ дизелей при кавитационном изнашивании.

На защиту выносятся:

• зависимости параметров кавитационного изнашивания от площади очага кавитационного износа при испытаниях на МСВ;

• закономерности пластической деформации металлов в инкубационный период кавитационного изнашивания;

• закономерности изменения коэффициента жёсткости напряжённого состояния поверхности стали, её пластичности и размеров частиц износа в зависимости от интенсивности кавитационного воздействия;

• методика прогнозирования долговечности внутреннего пояса направляющих насадок ГВ судов при кавитационном изнашивании с учётом нерегулярности кавитационного воздействия;

• методика прогнозирования долговечности ВЦ судовых дизелей при кавитационном изнашивании.

глава 1. Аналитический обзор исследований по проблеме кавитационного изнашивания

1Л. Виды кавитации и периоды кавитационного изнашивания

Кавитацию можно разделить на два вида: гидродинамическую и вибрационную. Гидродинамическая кавитация возникает при движении потока жидкости с большими скоростями относительно поверхности твёрдых тел. Гидродинамическая кавитация может быть стационарной и нестационарной. Стационарная кавитация возникает в