автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей формированием износостойких покрытий

На правах рукописи

Токликишвили Антонина Григорьевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ

СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ФОРМИРОВАНИЕМ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ

05.08.04-Технология судостроения, судоремонта и

организация судостроительного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ДЕК 2013

005543257

Владивосток - 2013

005543257

Работа выполнена в Морском государственном университете имени адмирала Г.И. Невельского

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Леонтьев Лев Борисович

Официальные оппоненты:

Гордиенко Павел Сергеевич — заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией защитных покрытий и морской коррозии института химии ДВО РАН

Тарасов Валентин Васильевич - кандидат технических наук,

профессор, начальник кафедры технологии материалов

Морского государственного университета имени адмирала Г.И. Невельского

Ведущая организация ОАО Дальневосточный научно-исследовательский проектно-изыскательский и конструкторско-технологический институт морского флота (ДНИИМФ), г. Владивосток.

Защита состоится декабря 2013 года в Щ часов на заседании диссертационного совета Д 223.005.01

при Морском государственном университете имени адмирала Г.И. Невельского по адресу: 690059, Владивосток, Верхнепортовая, 50А, ауд. 241. Факс (423) 251-52-70; e-mail: Toklikishvili@msun.ru _J С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УК1 Морского государственного университета им. адм. Г.И. Невельского.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Резник Александр Григорьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Ресурс судового дизеля до капитального ремонта зависит в основном от состояния кривошипно-шатунного механизма, а коленчатый вал — главное звено этого механизма. Коленчатые валы принадлежат к наиболее ответственным деталям двигателей и эксплуатируются в условиях переменных нагрузок. Шейки вала подвержены трению скольжения при больших скоростях и высоких удельных давлениях. Коленчатый вал — одна из важных дорогостоящих деталей двигателя (его стоимость составляет более 10 % стоимости всего двигателя) - в значительной степени определяет его ресурс.

Наиболее характерными дефектами коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей (СОД) являются: износ и задиры шеек, деформации, коррозия и др. Основной причиной отказов коленчатых валов двигателей является износ шеек. Преждевременный износ рабочих поверхностей коленчатых валов выше предельных значений ведет, как правило, не только к значительным затратам на ремонт или замену коленчатых валов, но и к убыткам из-за простоя судна в ремонте, а выход из строя главного двигателя при поломке коленчатого вала может привести к аварии судна. Из-за повышенных скоростей изнашивания рабочих поверхностей коленчатые валы часто эксплуатируются шлифованными в последний ремонтный размер, или выбраковываются из-за износа выше предельных значений, не выработав при этом назначенного ресурса

Повышенный износ и отклонения формы шеек вала от цилиндричности вследствие неравномерного изнашивания иногда приводит к проворачиванию вкладышей. В результате этого происходит деформация или поломка коленчатого вала, задир шеек или образование трещин на поверхностях трения, что значительно увеличивает стоимость ремонта.

Существующие технологические процессы (ТП) восстановления не обеспечивают требуемую долговечность коленчатых валов, так как при их проектировании не учитываются комплексно технологические особенности методов нанесения покрытий и упрочнения, их технико-экономические показатели, а также условия эксплуатации деталей. Необеспечение требуемых показателей долговечности восстановленных коленчатых валов предопределяет необходимость совершенствования ТП их восстановления, выбора критериальных параметров поверхностного слоя деталей, а также оценки долговечности восстановленных валов в зависимости от полученных параметров материала поверхностного слоя.

Степень разработанности. На основании выполненных исследований разработан и апробирован технологический процесс упрочнения коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей.

Целью работы является повышение эффективности технической эксплуатации судовых СОД путем применения технологического процесса восстановления коленчатых валов с упрочнением шеек, позволяющего получить оптимальный комплекс параметров материала износостойкого покрытия и

обеспечить требуемую их долговечность при приемлемой экономической эффективности.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Установлены особенности условий эксплуатации, виды, причины и последствия отказов коленчатых валов СОД.

2. Проведено дальнейшее развитие методики системного проектирования технологического процесса модифицирования шеек коленчатых валов и формирования тонкопленочного износостойкого покрытия, включающего оптимизацию параметров режимов упрочнения, выбор минеральных и органомине-ральных материалов для упрочнения рабочих поверхностей шеек коленчатых валов, прогнозирование долговечности и оценку экономической эффективности технологических решений.

3. Исследовано влияние твердости шеек коленчатого вала и технологии формирования антифрикционного слоя вкладышей на триботехнические свойства сопряжения «сталь 45 - антифрикционный слой вкладыша подшипника», а также определены его критериальные параметры, обеспечивающие высокие свойства сопряжения.

5. Исследовано влияние химического состава минеральных и органомине-ральных материалов на механические и триботехнические свойства, состав и топографию покрытия шеек коленчатого вала.

6. Исследовано влияние параметров модифицирования шеек коленчатых валов меташюсилоксаном на триботехнические свойства пары трения «сталь 45 — износостойкое покрытие — антифрикционный слой вкладыша подшипника» для определения оптимального режима.

7. Исследовано влияние температуры смазки на триботехнические свойства пар трения «сталь 45 — антифрикционный слой вкладыша подшипника» и «сталь 45 — износостойкое покрытие — антифрикционный слой вкладыша подшипника».

8. Исследовано влияние механических параметров и топографии покрытия шеек коленчатого вала на триботехнические свойства сопряжения «шейка вала-вкладыш подшипника».

9. Разработан и внедрен в производство ТП восстановления и упрочнения коленчатых валов СОД путем шлифования на ремонтный размер и нанесения износостойкого композиционного покрытия на шейки.

Научная новизна

1. Установлена структура отказов коленчатых валов судовых главных и вспомогательных среднеоборотных дизелей, работающих на тяжелых и легких сортах топлива.

2. Установлено влияние твердости вала и технологии формирования антифрикционного слоя вкладыша на триботехнические свойства трибоузла «шейка вала — вкладыш подшипника».

3. Разработана методика системного проектирования технологического процесса модифицирования шеек коленчатых валов судовых СОД при их восстановлении, которая включает: выбор минеральных и органоминеральных

материалов для упрочнения рабочих поверхностей шеек коленчатых валов, оптимизацию параметров режимов модифицирования шеек, прогнозирование долговечности и оценку экономической эффективности.

4. Определены критериальные параметры композиционного покрытия шеек коленчатых валов судовых СОД, обеспечивающие высокие триботехниче-ские свойства сопряжения «сталь 45 — антифрикционный слой вкладыша подшипника».

5. Получены математические зависимости влияния режима модифицирования шеек коленчатых валов металлосилоксаном на скорости изнашивания шеек вала и вкладыша подшипника.

6. Установлено влияние химического состава минеральных и органоми-неральных материалов на механические и триботехнические свойства и топографию покрытия.

7. Разработаны составы композиций полимерминеральных и органоми-неральных материалов для модифицирования шеек коленчатых валов судовых СОД.

8. Установлено влияние температуры смазки на триботехнические свойства износостойких тонкопленочных покрытий и трибоузла «шейка вала -вкладыш подшипника».

9. Установлено, что динамическая микротвердость и модуль упругости покрытия шейки вала оказывают существенное влияние на износостойкость трибоузла «шейка вала — вкладыш подшипника». Получены математические зависимости скорости изнашивания шейки коленчатого вала, антифрикционного слоя вкладыша подшипника и трибоузла от механических свойств износостойкого покрытия.

10. Разработан технологический процесс восстановления коленчатых валов судовых СОД с упрочнением шеек.

Теоретическая и практическая значимость работы

Разработана методика проектирования ТП модифицирования шеек коленчатых валов судовых СОД, позволяющая прогнозировать долговечность, которая апробирована при восстановлении коленчатых валов судовых СОД с упрочнением шеек и может найти применение при необходимости повышения износостойкости и обеспечения заданной долговечности деталей машин, работающих в трибоузлах, в которых возникают режимы трения при граничной смазке.

Комплексные исследования формирования композиционных износостойких покрытий и их эксплуатационных свойств, полученные путем модифицирования стали 45 полимерминерапьными и органоминеральными материалами, позволили разработать технологический процесс восстановления коленчатых валов судовых СОД с упрочнением шеек, обеспечивающий повышение долговечности и позволяющий снизить затраты судовладельцев на приобретение комплектов вкладышей подшипников, а также получить существенный экономический эффект благодаря повышению надежности трибоузла

«шейка коленчатого вала - вкладыш подшипника» и снижению вероятности аварии СОД из-за задира шеек коленчатого вала.

Методология и методы исследования

Проблема повышения износостойкости коленчатых валов судовых дизелей решена на основе применения методологии системного проектирования. С позиции теории управления коленчатый вал представляет собой в системе «технология — подшипник коленчатого вала — эксплуатация» объект исследования, в который входят следующие блоки: входные параметры (технологические, эксплуатационные и помехи); процессы, происходящие в трибосисте-ме, и выходные параметры.

Экспериментальные исследования выполнены в соответствии со стандартными (планирование эксперимента, регрессионного анализа и др.) и разработанными методиками проведения экспериментальных исследований (триботехнических испытаний и др.). Обработка экспериментальных данных проводилась с помощью методов математической статистики.

Для определения свойств композиционных износостойких металлокера-мических покрытий использованы современные методы исследования: нано-индентирования, атомно-силовой микроскопии, сверхвысоковакуумной фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновской дифрактометрии и др.

Положения, выносимые на защиту:

— методика проектирования технологии восстановления коленчатых валов судовых СОД на основе системного проектирования, которая включает: выбор минеральных и органоминеральных материалов для упрочнения рабочих поверхностей шеек коленчатых валов, оптимизацию параметров режимов модифицирования шеек, прогнозирование долговечности и оценку экономической эффективности;

— критериальные параметры композиционного покрытия шеек коленчатых валов судовых СОД, обеспечивающие высокие триботехнические свойства сопряжения «сталь 45 — антифрикционный слой вкладыша подшипника»;

— составы композиций полимерминеральных и органоминеральных материалов для модифицирования шеек коленчатых валов судовых СОД;

— математические зависимости скорости изнашивания композиционного покрытия от его механических свойств;

— технологический процесс восстановления коленчатых валов судовых СОД с упрочнением шеек.

Степень достоверности результатов исследования обусловлена применением современных методов исследования состава и свойств материалов и покрытий, подтверждена значительным объемом экспериментальных данных. Результаты аналитических исследований получены с использованием методов математического анализа, теории планирования эксперимента, корреляционно-регресионного анализа и современных систем компьютерной математики (Excel, Matead и др.). Достоверность результатов подтверждена промышленным апробированием разработанного ТП, а также положительными решения-

ми и рекомендациями по обсуждаемым докладам автора на конференциях и семинарах.

Для сравнения полученных результатов использованы данные, полученные ранее другими исследователями по рассматриваемой тематике; установлено качественное совпадение авторских результатов с результатами, представленными в независимых источниках по данной тематике.

ТП восстановления коленчатых валов судовых СОД с упрочнением шеек методом формирования композиционных покрытий внедрен в ООО НПК «Моринтех» (г. Владивосток).

Апробация работы. Основные результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на: 57-ой международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь-наука-инновации» (Владивосток, ноябрь 2009 г.), Научной конференции «Вологдинские чтения» (Владивосток, ноябрь 2010 г.), 58-ой международной молодежной научно-технической конференции, посвященной 120-летию морского образования в Приморском крае (Владивосток, ноябрь 2010 г.), 59-ой международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь-наука-инновации» (Владивосток, ноябрь 2011 г.), VII Mi^dzy-narodowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspek-tywiczne opracowania s^ nauk^ i technikami - 2011» (Przemysl, декабрь 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология» (Курск, декабрь 2011 г.), Международном научном форуме студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азитско-Тихоокеанского региона (Владивосток, май 2012 г.), Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2012» (Одесса, июнь 2012 г.), 60-ой международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь-наука-инновации» (Владивосток, сентябрь 2012 г.), IX Mezinarodni vedecko - praktica konference «Vedecky pokrok na prelomu tysya-chalety - 2013» (Praha, июнь 2013 г.), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2013» (Одесса, июнь 2013 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях, в том числе 3 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 186 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 175 наименований и 4 приложения. Работа содержит 12 таблиц и 43 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обозначены актуальность темы исследования, степень ее разработанности, цель и задачи исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, методология и методы исследования, степень достоверности и апробация результатов, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложено состояние проблемы, сформулированы цель и основные задачи исследования, приведены сведения о влиянии конструктивных факторов подшипников и условий работы коленчатых валов судовых дизелей на их долговечность, причины отказов и дефекты коленчатых валов судовых дизелей, применяемые методы восстановления и повышения износо- и задиростойкости шеек коленчатых валов судовых дизелей; дан анализ технологических возможностей способов восстановления и повышения износо- и задиростойкости шеек коленчатых валов и эксплуатационных свойств получаемых покрытий, рассмотрены пути повышения долговечности подшипников.

Предпосылкой для успешного проведения исследований являются фундаментальные работы ученых:

- в области трения и изнашивания: А.К. Зайцева, Д.Н. Гаркунова, Н.А. Буше, Э.Д. Брауна, В.И. Костецкого, И.В. Крагельского, Н.К. Мышкина, Л.И. Тушинского, М.М. Хрущева, В. Пекошевски, X. Чихоса и др.;

— в области использования минеральных материалов для повышения износостойкости узлов трения: В.В. Зуева, Ю.Г. Лаврова, С.Ю. Лазарева, Л.И. Погодаева, В.Н. Половинкина, Ю.В. Холопова и др.

На основании анализа литературных источников установлено, что существующие ТП восстановления коленчатых валов не обеспечивают требуемую долговечность подшипников коленчатых валов, так как при их проектировании не учитываются комплексно технологические особенности методов формирования покрытий и условия эксплуатации деталей.

Необеспечение требуемых показателей долговечности восстановленных коленчатых валов судовых СОД предопределяет необходимость совершенствования ТП их восстановления, а также выбора критериальных параметров поверхностного слоя деталей.

Во второй главе представлены программа и методики проведения исследования, в числе которых регрессионный анализ и планирование эксперимента, определение геометрических параметров шеек коленчатого вала, триботехниче-ских свойств материалов; исследование механических свойств покрытий на микро- и наноуровне, состава и топографии поверхностей трения стальных образцов и различных покрытий, рентгенофазного анализа покрытий.

Исследования триботехнических свойств покрытий проводили на универсальной машине трения модели УМТВК производства АО «АвтоВАЗ» (г. Тольятти) по схеме «ролик — колодка» при постоянной скорости скольжения 0,71 м/с. Для триботехнических испытаний образцы изготавливали из стали 45 в форме роликов диаметром 45 мм, шириной 10 мм. На исследуемых судовых СОД шейки коленчатых валов имеют твердость в интервале от 164 НВ до 58 НЯС, поэтому часть образцов изготавливали из стали 45 без дополнительной термообработки, их твердость находилась в диапазоне 190-225 НВ (средняя величина твердости 212 НВ), часть образцов подвергали закалке с последующим отпуском для получения величин твердости 44±1, 54±1 и

62±1 HRC. Часть образцов различной твердости модифицировали. Перед проведением испытаний образцы полировали до Ra = 0,32 мкм.

В качестве неподвижного образца использовались колодки, вырезанные из различных типов вкладышей СОД. Смазку пары трения осуществляли капельным способом (5-6 капель в минуту). Для смазки применялось работающее дизельное масло марки М-14-Д2(цл 30) ГОСТ 12337-84.

Для интенсификации процесса изнашивания каждые 5 минут осуществлялся процесс остановки и пуска машины. Нагрузка изменялась от 40 до 400 Н. В процессе испытаний фиксировали следующие параметры: интенсивность (величину) изнашивания, коэффициент трения и температуру в зоне трибоконтакта. Время испытаний каждой пары трения составляло 4 часа.

Для исследования механических свойств покрытий на наноуровне использовали ультрамикротестер для динамических испытаний твердости материалов DUH-211S фирмы Shimadzu (Япония). Прибор предназначен для измерения твердости, модуля упругости и упругого восстановления по методу наноиндентирования. Испытания соответствуют стандарту ISO 14577-4.

Морфологию покрытий исследовали на сканирующем зондовом (атомно-силовом) микроскопе SPM-9600 фирмы Shimadzu (Япония) с высоким пространственным разрешением.

Структурный, качественный и количественный анализ кристаллических фаз, а также фазовую идентификацию покрытий проводили на рентгеновском дифрактометре Advance-D8 фирмы «Bruker» (Германия).

Исследование химических соединений, образующихся при модификации поверхности минеральными органоминеральными материалами, проводили на сверхвысоковакуумном фотоэлектронном спектрометре Omicron (Германия).

В третьей главе изложено экспериментально-теоретическое обоснование целесообразности упрочнения шеек коленчатых валов нанесением износостойких покрытий.

На основании анализа статистических данных отказов 42 коленчатых валов 10 типов СОД (главных и вспомогательных) различных фирм-изготовителей установлено, что 69% отказов валов относятся к функциональным явным и скрытым отказам (в том числе число отказов валов из-за аварийных ситуаций составляет 40,5%) и всего 31% отказов валов относятся к параметрическим явным отказам.

Анализ аварий (внезапных отказов) на 17 судовых СОД из-за повреждения коленчатых валов позволил установить, что они распределяются по видам отказов следующим образом: 70,6% эксплуатационные, 29,4% производственные. Внезапные отказы коленчатых валов происходят при возникновении сочетания неблагоприятных факторов (режим трения при граничной или смешанной (полужидкостной) смазке, наличии механических примесей в смазке, схватывания при трении и др.) и случайных внешних воздействиях (например, переходной режим работы двигателя), превышающих несущую способность трибоузла и приводящих к проворачиванию вкладышей. Аварии и отказы валов возникают чаще всего после ремонта двигателей с заменой

вкладышей или протачиванием шеек при нарушении технических требований на ремонт. Эксплуатационные отказы возникают из-за наличия механических примесей в смазке (в случае выхода из строя фильтров), возрастания масляного зазора свыше предельного и перехода вследствие этого режима трения от гидродинамической смазки к режимам трения при граничной или смешанной (полужидкостной) смазкам, а также из-за падения давления в системе смазки. Последствиями таких отказов являются повышенный износ и задир шеек вала. Задир шеек и расплавление антифрикционного слоя вкладышей, как правило, приводят к деформации коленчатых валов, реже — к поломке вала, т.е. к критическим или катастрофическим последствиям. Производственные отказы возникают, как правило, через 50-900 ч наработка после ремонта или технического обслуживания двигателя.

Анализ геометрических параметров коленчатых валов СОД, поступающих на восстановление, позволил установить, что 66,7 % коленчатых валов имеют величины износов и отклонений формы шеек значительно меньше допускаемых. Однако риски и круговые царапины на шейках имеют 100% коленчатых валов (рисунок 1). Задиры шеек имеют до 33 % валов (от одной до 8 шеек, в среднем 2-3 шейки), расплавление вкладышей и наволакивание металла на шейки — менее 5% валов, пятна коррозии на шейках — до 10% валов, имеют деформацию — до 24% валов. На исследуемых двигателях шейки коленчатых валов имели твердость в интервале от 164 НВ до 58 НЯС, т.е. были проанализированы износы закаленных и незакаленных коленчатых валов. Установлено, что свыше 80% коленчатых валов имеют твердость в пределах 164-247 НВ.

При отсутствии задиров, рисок и царапин на шейках 66,7 % коленчатых валов могли бы еще эксплуатироваться. Для уменьшения вероятности образования задиров, рисок и царапин на шейках и снижения скорости изнашивания необходимо увеличить твердость и износостойкость поверхностного слоя шеек валов. Очевидно, что задача повышения износостойкости коленчатых валов может быть решена лишь технологически путем создания меташгоке-рамических покрытий на шейках вала для повышения триботехнических свойств сопряжения «шейка вала - вкладыш подшипника».

Проблему повышения износостойкости коленчатых валов решали на основе применения системного проектирования. С позиции теории управления коленчатый вал представляет собой в системе «технология — подшипник коленчатого вала - эксплуатация» объект исследования, в который входят следующие блоки: входные параметры; процессы, происходящие в трибосисте-ме, и выходные параметры. По сравнению с методологией X. Чихоса и В. Пе-кошевски, в данной работе более полно определены входные факторы, которые поделены на три категории - технологические, эксплуатационные и помехи. Такое разделение позволяет в явном виде выделить влияние технологических параметров на трущиеся элементы системы.

г

где

Рисунок 1 - Дефекты шеек коленчатого вала: риски и царапины на рамовой а и мотылевой б шейках; в - начальная стадия задира; г - задир с наволакиванием металла на шейку; д - задир (х 27); е - пятна коррозии (х 27)

Разработана блок-схема проектирования технологии ТП упрочнения шеек коленчатых валов нанесением композиционного покрытия, включающая следующие этапы: определение критериальных параметров, выбор способа механической обработки шеек вала, выбор материала для модифицирования шеек, выбор способа упрочнения, оптимизация процесса упрочнения, предварительный выбор ТП на основе результатов прогнозирования ресурса упрочненного коленчатого вала и анализа стоимости восстановления с упрочнением, принятие решения и его реализация.

На основании анализа эксплуатационных свойств покрытий, получаемых при использовании геоматериалов, и применяемых для упрочнения поверхностей трения, были выбраны следующие минеральные и органоминеральные материалы для триботехнических испытаний и создания на их основе оптимальной триботехнической композиции для модифицирования шеек коленчатых валов, а именно: серпентинит (брутто-формула: М§-Ре08-А1о.4"812109-Н20-(Са810з)о.9),; алюмосиликат природного происхождения (брутто-формула: Г\%Ре08-А104-812109-Н20(Са8Ю3)о.9); алюмосиликат, модифицированный полисахаридом (брутто-формула полисахарида: (С604Н7МН2)„) и карбонатом магния; металлосилоксан.

Металлосилоксан был выбран в качестве модификатора, так как он имеет слоистую структуру с с1\оо близкую к с/юо алюмосиликата, легко растворим в органических растворителях и таким образом его легко наносить на поверхность алюмосиликата.

Описан механизм формирования износостойкого металлокерамического покрытия на шейке вала в условиях фрикционного взаимодействия упрочняемой поверхности и индентора и размещенной между ними антифрикционной композиции, смешанной с углеводородным связующим и модифицирующей контактирующие трущиеся поверхности.

В четвертой главе приведены исследования свойств износостойких покрытий и выбор оптимальных технологических параметров их нанесения.

На морских судах установлены среднеоборотные дизели (СОД) в качестве главных и вспомогательных двигателей, имеющих коленчатые валы с твердостью шеек в интервале от 164 НВ до 58 Н11С, и укомплектованные различными типами вкладышей подшипников. Основной целью проведения сравнительных триботехнических испытаний являлась оценка фрикционной совместимости шеек коленчатых валов с различной твердостью и вкладышей подшипников с различными типами антифрикционных покрытий и методами их нанесения, используемых в СОД. Совместимость оценивалась по трибо-стойкости узла, т. е. способности данного сочетания материалов обеспечивать при переходных режимах работы приемлемо малые и стабильные значения сил трения, интенсивности изнашивания и вероятности заедания в заданном диапазоне рабочих давлений, скоростей и температур.

Наибольшей износостойкостью среди исследуемых антифрикционных покрытий обладают вкладыши с напыленным сплавом А020. Наименьшую износостойкость имеют вкладыши с гальваническим антифрикционным покрытием сплавом РЬ8п18Си2. Современные вкладыши с покрытием М1еп1а§ег (МШа 33) занимают по износостойкости промежуточное положение между гальваническими и напыленными сплавом А020. При этом износ стального образца при любой твердости наименьший при использовании вкладышей с гальваническим антифрикционным покрытием, наибольший — у вкладышей с покрытием 11Шеп1а§ег. Суммарный износ сопряжения «шейка вала - вкладыш подшипника» наименьший при использовании вкладышей с напыленным антифрикционным сплавом А020. Для пары трения «незакаленная сталь-вкладыш подшипника» по триботехническим свойствам предпочтительными являются вкладыши с гальваническим антифрикционным слоем, однако они характеризуются низким ресурсом - при нагрузке 200 Н в течение 1 ч антифрикционный гальванический слой полностью изнашивается и подшипник работает в паре трения «сталь - бронза».

Повышение удельной нагрузки на трибоузел «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника» при любых сочетания твердости вала и материала вкладыша приводит к росту коэффициента трения и температуры в зоне трибоконтак-та, причем с уменьшением твердости шейки величина температуры растет более интенсивно.

Исследование влияния параметров режима модифицирования шейки вала металлосилоксановыми полимерами проводили с использованием метода полного факторного эксперимента.

На основании литературного анализа по получению металлокерамических покрытий и серии предварительных экспериментов были выбраны следующие уровни факторов и интервалы варьирования (таблица 1).

Таблица 1 - Уровни факторов и интервалы их варьирования

Наименование фактора Уровни факторов Интервал варьирования

нижний -1 основной 0 верхний +1

Усилие прижатия индентора к упрочняемой поверхности Ри, Н 100 250 400 150

Время упрочнения мин 1 3,5 6 2,5

Диски для упрочнения были взяты из стали 45 твердостью 212 НВ, так как свыше 80% коленчатых валов имеют твердость шеек в диапазоне 201-230 НВ. В качестве сопряженной детали использовали элементы из вкладыша №33 (КП1еп1а§ег), обеспечивающие достаточную долговечность для испытаний.

В качестве функций отклика выбраны величины скорости изнашивания ме-таллосилоксанового слоя диска и антифрикционного покрытия вкладыша подшипника.

В результате исследований получены зависимости величин скоростей изнашивания метаплосилоксанового слоя диска (1) и вкладыша подшипника (2) от параметров режима упрочнения стального образца

Ккв = 3,78 - 0,88? - 0,0086РИ +0,0056//'и (1)

Кю, = 6,67 - 0,8( - 0,0055Ри +0,0028гР» (2)

Оптимальными по всем триботехническим параметрам являются следующие режимы упрочнения металлосилоксановым полимером:

- усилие прижатия индентора к упрочняемой поверхности 100 Н, линейная скорость упрочняемой поверхности 0,71 м/с, время упрочнения 6 минут;

— режим ступенчатого увеличения усилия прижатия индентора к упрочняемой поверхности с интервалом 100 Н, минимальная величина усилия 100 Н, максимальная — 400 Н, время воздействия при каждой нагрузке составляет 1 минута.

Для модифицирования стальных образцов минеральными и органомине-ральными материалами была реализована ступенчатая схема увеличения усилия прижатия индентора к упрочняемой поверхности.

Для модифицирования шеек валов на первом этапе исследования использовались следующие материалы и композиции: серпентинит, алюмосиликат, искусственный силикат магния, металлосилоксановый полимер и серпентинит, модифицированный полисахаридом природного происхождения.

Для получения модифицирующего состава предварительно размолотые минералы до размера частицы не более 0,1 мм вводят в масло марки М-14-Д2(цл 30) из расчета 350-400 г на литр и затем подвергают обработке в

гидродинамическом кавитационном диспергаторе, с частотой около 200 Гц не менее 30 минут, обеспечивая конечную дисперсность твердых частиц в суспензии в пределах от 0,05 до 1 мкм.

Так как шейки коленчатых валов различных типов СОД имеют разную твердость для исследований были взяты три группы образцов из стали 45 с различной твердостью, однако наибольший объем исследований выполнялся для стали 45 твердостью 212 НВ.

В результате сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал - вкладыш» при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала 212 НВ установлено, что модифицирование стали позволяет снизить коэффициент трения после приработки сопряженных поверхностей (примерно через 45 минут после начала испытаний) и существенно уменьшить износ модифицированной стали (рисунок 2) и антифрикционного слоя вкладышей подшипников, при этом величины износов существенно зависят от состава модификатора.

/

✓

7

.-У—/

A/f "*2 < A "J а 1

40 80 120 160 200 240 280 320 ЗвО Р, Н

Рисунок 2 - Зависимости скоростей изнашивания стального образца в условиях трения при граничной смазке в трибосопряжении «вал (сталь 45 твердостью 212 НВ) -вкладыш (№ 33 (КШеп^ег))» от нагрузки и типа покрытия, полученного в результате модифицирования стали: 1 - серпентинитом; 2 - алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном; 3 - алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния; 4- композицией 50% серпентинита + 50% метаплосилоксана;

5 - металлосилоксаном; 6 - контрольный; 7 - алюмосиликатом;

8 - композицией 50 % метаплосилоксана + 50 % препарата «Ресурс»

На следующем этапе для исследования разработаны композиции: 50% метаплосилоксана + 50% серпентинита, 50% метаплосилоксана + 50% препарата «Ресурс», алюмосиликат модифицированный металлосилоксаном, алюмосиликат, модифицированный полисахаридом и карбонатом магния.

Анализ результатов сравнительных триботехнических испытаний пары трения «шейка вала - вкладыш подшипника» при различных упрочняющих покрытиях и твердости вала позволил установить:

- применение модифицирования шеек вала минеральными и органомине-ральными материалами вне зависимости от ее исходной твердости позволяет повысить как ее износостойкость так и трибосопряжения «шейка вала - вкладыш подшипника» не менее чем в 2 раза;

- эффективность от модифицирования шеек вала минеральными и органо-минерапьными материалами возрастает по мере снижения твердости шеек вала;

- наиболее высокие триботехнические характеристики достигаются при применении композиций материалов: алюмосиликата, модифицированного ме-таллосилоксаном и алюмосиликата, модифицированного полисахаридом и карбонатом магния, которые позволяют повысить износостойкость трибосопряжения от 8 до 10 раз (для незакаленной стали) в зависимости от нагрузки, снизить коэффициент трения и температуру в зоне трибоконтакта на больших нагрузках более чем в 2 раза, которые наиболее опасны вследствие создания условий для возникновения схватывания и задира;

- композиции на основе алюмосиликата и металлосилоксана позволяют управлять триботехническими характеристиками в зависимости от условий эксплуатации трибосопряжения и открывают широкие возможности дальнейших исследований в данном направлении для повышения эффективности тонкопленочных покрытий и долговечности пар трения.

Температура циркуляционного смазочного масла на входе в дизель для обеспечения заданной вязкости в зависимости от марки двигателя находится в пределах 40-60 °С. Для определения влияния температуры циркуляционного смазочного масла на триботехнические свойства пары трения «сталь 45 - антифрикционное покрытие» были проведены ускоренные испытания в течение 1 ч при нагрузке 400 Н в условиях трения при граничной смазке. Установлено, что:

- при температуре циркуляционного масла свыше 40 °С в трибосопряже-нии с неупрочненной сталью в условиях трения при граничной смазке резко возрастают: коэффициент трения, температура в зоне трибоконтакта и скорость изнашивания антифрикционного слоя вкладыша, что создает предпосылки для схватывания и задира и, соответственно, созданию аварийной ситуации на дизеле;

- модифицирование поверхности стали минеральными и органоминераль-ными материалами позволяет во всем диапазоне температур подогрева смазки повысить износостойкость сопряжения, снизить величины коэффициентов трения и температуры в зоне трибоконтакта и, соответственно, существенно повысить долговечность трибоузла. Причем по мере увеличения температуры подогрева масла эффект от модифицирования стали возрастает: уменьшаются величины скорости изнашивания стали и трибосопряжения в целом;

- наиболее высокими триботехническими свойствами обладают следующие композиционные покрытия: сталь, упрочненная алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном или алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния.

Для определения влияния типа покрытия на топографию поверхностей и параметры их шероховатости, а также выявления взаимосвязи топографии по-

верхностей и параметров их шероховатости с износостойкостью различных покрытий, были проведены исследования на атомно-силовом микроскопе. Установлено, что модифицирование стали алюмосиликатом, модифицированыым металлосилоксаном или алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния (рисунок 3) позволяет получить топографию поверхности, близкую к идеальной, которая обеспечивает высокую фактическую площадь контакта и минимальную удельную нагрузку на поверхность вследствие увеличения опорной длины профиля при хорошей маслоудерживающей способности благодаря большому количеству микровпадин с плавными краями и, соответственно, высокую износостойкость сопряжения.

Большое влияние на износостойкость материалов оказывает химический состав тонкопленочного покрытия. В зависимости от применяемого материала для модифицирования стали поверхностный слой после трибоиспытаний имеет следующий состав (в атомных процентах):

1) при упрочнении серпентинитом: О = 42.4,С = 40.3, Ре = 9.4, А1 = 2.4, 8! = 2.2, N = 1.6, Са = 1.1, 8п = 0.4, РЬ = 0.3; после травления поверхности аргоном при напряжении 1000 В/см на глубине 100 нм: Ре = 80.8, О = 12.1, С = 3.8%, А1 = 1.5, = 0.7, Са = 0.6, Бп = 0.1, N = 0.1, РЬ = 0.2;

2) при упрочнении металлосилоксановым полимером: О = 46.6, С = 40.6, Ие = 9.3, Б! = 2.0, N = 1.2, Са = 0.4; после травления поверхности аргоном на глубине 100 нм: Ре = 34.2,0 = 49.9, С = 14.6, N = 0.6, Са = 0.7;

3) при упрочнении алюмосиликатом модифицированным металлосилоксаном: О = 43.2, С = 39.8, А1 = 7.2, Ре = 4.5, = 2.4, N = 1.6, Са = 1.0, Бп = 0.3, РЬ = 0.1; после травления поверхности аргоном на глубине 100 нм: О = 45.5, Ре = 21.1, А1 = 18.6, С = 10.6,81 = 2.9, Са = 1.1, N = 0.5,8п = 0.3, РЬ = 0.1.

Для анализа эксплуатационных свойств покрытия определяли отношение Р к Б1, которое не зависит от глубины отпечатка и контактной площади и, по мнению Ю.И. Головина, хорошо коррелирует с некоторыми трибологическими характеристиками и определяется по формуле

где Я - динамическая твердость, НУ; Е - модуль упругости, Н/мм2.

Анализ механических свойств износостойких покрытий и результатов триботехнических испытаний (рисунок 4, зависимости 3-9) позволил установить, что характеристика Р / Б2 зависит от состава покрытия и оказывает существенное влияние на скорость изнашивания трибосопряжения «вал — вкладыш подшипника».

Вследствие того, что металлосилоксаны имеют существенно больший модуль упругости и, соответственно, меньшую величину характеристики Р / 82, они были выделены в отдельную группу для анализа ее влияния на износостойкость.

в г

Рисунок 3-Топография поверхностей стали 45 после трибоиспьгганий: а — неупрочненной; б —упрочненной алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния; в - упрочненной металлосилоксаном; г-упрочненной алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном

В связи со значительным влиянием нагрузки испытаний на износостойкость поверхностей трения трибосопряжения зависимости были определены для нагрузки 200 Н (удельное давление 10-12 Н/мм2) и для 400 Н (удельное давление 18-20 Н/мм2).

Зависимость скорости изнашивания покрытия вала (Кв) от характеристики P/S1 для металлокерамических покрытий для нагрузки 200 Н описывается выражением (R2 = 0,77):

К = 0,000643(/У52)2 - 0,122P/S2 + 5,74, мг/ч. (3)

Аналогичные зависимости для нагрузки 400 Н приведены на рисунке 4. Математические зависимости скоростей изнашивания описываются выражениями:

— покрытия вала (R2 = 0,91187):

Кв = 0,000707(тг)2-0,135ТОа +7,07, мг/ч; (4)

-трибосопряжения «вал - вкладыш» (R2= 0,81):

Fc = 0,00119(/>/Saf - 0,225P/S1 + 11,8, мг/ч. (5)

V, мг/ч

12 10 8 6 4 2

О

Рисунок 4 - Зависимости скорости изнашивания от характеристики P/S2

для металлокерамических, органометаллокерамических и полимерметаллокерамических покрытий и стали 45 (нагрузка 400 Н):

1 — вала; 2 - вкладыша подшипника; 3 — трибосопряжения «вал — вкладыш»

Оптимальный диапазон характеристики Р / S1 для металлокерамических покрытий составляет 70-120, который обеспечивается при модуле упругости покрытия (1,7—2,5)х105Н/мм2 и динамической микротвердости 570-610 HV. Покрытия с данными механическими характеристиками позволяют уменьшить скорости изнашивания по сравнению с неупрочненными шейками коленчатого вала и трибосопряжения «вал — вкладыш подшипника» более чем в 10 раз.

При создании композиций для получения покрытий с характеристикой P/S2 в диапазоне 70-120 единиц и обеспечения требуемой износостойкости необходимо управлять как твердостью покрытия, так и модулем его упругости путем легирования минералами или металлами имеющими низкий модуль упругости.

Высокой износостойкостью обладают покрытия, полученные при модифицировании поверхности стали металлосилоксаном. Математические зависимости скоростей изнашивания для нагрузки 200 Н описываются следующими выражениями:

- покрытия вала (R2 = 0,82):

Уъ = -1,76(P/S2)3 + 16,5(P/S2)2 - 47,7P/S2 + 43,9, мг/ч; (6)

- вкладыша (R2 = 0,98):

КкЛ = -1,31 (P/S2)3+ 11,3(P/S2)2 - 30,3P/S2+ 29, мг/ч; (7)

- трибосопряжения (R2 = 0,944):

Кс = -3,07(P/S2)3 + 27,8(P/S2)2 - 78P/S2+72,7, мг/ч. (8)

Математическая зависимость скорости изнашивания трибосопряжения «вал — вкладыш» для нагрузки 400 Н описывается выражением (R2 = 0,77):

Fe = - 17,6(P/S2)3 + 141 (P/S2)2 - 337P/S2+260, мг/ч. (9)

Оптимальной характеристикой Р / S1 после модифицирования металло-силоксаном для различных диапазонов нагрузки на трибоузел является величина 1,7, для нагрузок до 200 Н — 2,1-3,1.

Таким образом, модифицирование поверхности трения для формирования тонкопленочных металлокерамических покрытий позволяет повысить износостойкость трибосопряжения «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника» не менее, чем в 2 раза.

В пятой главе определены критериальные параметры тонкопленочного покрытия, обеспечивающие высокие триботехнические характеристики подшипников коленчатого вала, приведен ТП восстановления коленчатых валов судовых СОД с модифицированием шеек износостойкими материалами и оценка эффективности восстановления коленчатых валов с формированием композиционных износостойких покрытий.

Установлено, что высокие триботехнические характеристики подшипников коленчатого вала обеспечиваются при модуле упругости покрытия (1,7— 2,5)х105 Н/мм2 и динамической микротвердости 570-610 HV.

Основные технологические операции при восстановлении коленчатого вала с формированием композиционных покрытий включают в себя мойку и очистку вала, дефектацию, шлифование шеек на ремонтный размер, модифицирование шеек и контроль качества коленчатого вала.

На основании выполненных исследований для упрочнения шеек коленчатых валов выбраны следующие композиционные материалы: алюмосиликат, модифицированный металлосилоксаном и алюмосиликат, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния, так как они позволяют получить покрытия с наиболее высокими триботехническими свойствами.

Учитывая, что обеспечить линейную скорость обрабатываемой поверхности точно 0,71 м/с при обработке на станках невозможно, максимальную приведенную нагрузку при упрочнении шейки рассчитывают по формуле

Р < 10 / V2, Н/мм.

Скорость упрочнения может устанавливаться в пределах от 0,71 м/с (максимальная приведенная нагрузка 40 Н/мм) до 1,0 м/с при нагрузке ЮН/мм.

Время обработки каждого участка шейки зависит от ее диаметра и должно обеспечить 300 проходов индентора, определяется по формуле

t = 5In, с

где п - частота вращения вала, с-1.

Стоимость восстановления коленчатых валов вспомогательных СОД шлифованием на ремонтный размер в зависимости от его размеров находится в пределах 90-100 тыс. рублей. Технологическая операция модифицирования шеек валов увеличивает стоимость на 12—15% от стоимости восстановления.

Годовой экономический эффект при восстановлении с упрочнением шеек 30 коленчатых валов СОД составляет 943 тыс. рублей за счет увеличения срока службы упрочненных валов по сравнению с неупрочненными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, на основании выполненных исследований, получены следующие основные научные результаты и выводы, определяющие научную новизну и практическую значимость работы.

1. Разработана структура отказов, установлены причины и последствия отказов коленчатых валов судовых СОД.

2. Установлено, что наиболее распространенными дефектами шеек коленчатого вала являются износы, сопровождающиеся образованием круговых рисок и царапин глубиной до 0,05 мм. Риски и круговые царапины на шейках имеют 100% коленчатых валов, поступающих на восстановление. Задиры шеек имеют до 33 % валов, расплавление вкладышей и наволакивание металла на шейки — менее 5% валов, пятна коррозии на шейках — до 10% валов, имеют деформацию — до 24% валов.

3. Повышение удельной нагрузки на трибоузел «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника» при любых сочетаниях твердости вала и материала вкладыша приводит к росту коэффициента трения и температуры в зоне трибоконтак-та, причем с уменьшением твердости шейки температура растет более интенсивно.

4. Решена задача повышения износостойкости трибосопряжения «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника» не менее чем в 2 раза за счет формирования композиционных износостойких покрытий с учетом комплекса «технология — трибоузел - эксплуатация» на основе системного проектирования. Для этого разработана методика функционирования системы формирования параметров материала в этом комплексе.

5. Получены зависимости величин скоростей изнашивания меташюсилок-санового покрытия и вкладыша подшипника от параметров режима упрочнения шейки вала. Определена оптимальная область параметров режима формирования металлокерамического покрытия.

6. Разработаны композиции материалов, обладающие наиболее высокой износостойкостью, минимальным коэффициентом трения и оптимальной топографией покрытий для упрочнения шеек коленчатого вала. Установлено, что более перспективными материалами являются: алюмосиликат, модифицированный металлосилоксаном, и алюмосиликат, модифицированный полисахаридом и карбонатом магния.

7. Установлено, что модифицирование поверхности шейки коленчатого вала разработанными материалами позволяет во всем диапазоне температур подогрева смазки повысить износостойкость сопряжения, снизить величины коэффициентов трения и температуры в зоне трибоконтакта и, соответствен-

но, существенно повысить долговечность трибоузла. Причем по мере увеличения температуры подогрева масла эффект от модифицирования шеек возрастает: уменьшаются величины скоростей изнашивания сопряженных поверхностей трения.

8. Установлено, что упрочнение стали алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном, или алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния, позволяет получить топографию поверхности, близкую к идеальной, которая обеспечивает высокую фактическую площадь контакта и минимальную удельную нагрузку на поверхность вследствие увеличения опорной длины профиля при хорошей маслоудерживающей способности.

9. Определены критериальные параметры композиционного покрытия, обеспечивающие заданную долговечность коленчатого вала. Установлено, что динамическая микротвердость и модуль упругости поверхностного слоя покрытия оказывают существенное влияние на коэффициент трения и износостойкость трибоузла.

10. Основные результаты работы внедрены в технологический процесс восстановления коленчатых валов с формированием износостойкого композиционного покрытия на шейки вала, дающий существенный экономический эффект для судовладельцев, так как срок службы восстановленных коленчатых валов по сравнению с новыми более чем в 2 раза больше, а цена упрочнения вала не превышает 15% стоимости восстановления его шлифованием на ремонтный размер, что подтверждается актом о внедрении.

Список основных работ, опубликованных автором по теме диссертации

Рецензируемые научные издания

1. Токликишвили, А.Г. Исследование влияния параметров формирования металлокерамических покрытий на триботехнические свойства сопряжения / Л.Б. Леонтьев, Н.П. Шапкин, А.Л. Леонтьев, А.Г. Токликишвили // Металлообработка. - 2012. -№ 2. - С. 28-30.

2. Токликишвили, А.Г. Оптимизация состава минеральных и органомине-ральных материалов для модифицирования поверхностей трения деталей машин / Л.Б. Леонтьев, Н.П. Шапкин, АЛ. Леонтьев, А.Г. Токликишвили // Металлообработка - 2012. -№ 4. - С. 74-78.

3. Токликишвили, А.Г. Анализ функционирования трибосисгемы «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника - смазка» судовых среднеоборотных дизелей / Л.Б. Леонтьев, А.В. Надежкин, В.М. Макаров, А.Г. Токликишвили // Дви-гателестроение. - 2013. - № 2. - С. 41-47.

В сборниках научных трудов высших учебных заведений

и материалах международных конференций

4. Токликишвили, А.Г. Повышение триботехнических свойств сопряжения нанесением композиционных покрытий / Л.Б. Леонтьев, Н.П. Шапкин, А.Л. Леонтьев, А.Г. Токликишвили // Materiafy VII Mi^dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowania s^ nauk^ i technikami -2011» Volume 55. Techniczne nauki: PrzemySl. Nauka i studia, 2011. - C. 31-34.

5. Токликишвили, А.Г. Влияние механических свойств композиционных покрытий на износостойкость трибосопряжения / АЛ. Леонтьев, A.B. Погодаев, А.Г. Токликишвили // Материалы международного научного форума студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона. — Владивосток: Инженерная школа ДВФУ, 2012. — С. 747 — 751.

6. Токликишвили, А.Г. Исследование причин отказов коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей / Л.Б. Леонтьев, А.Г. Токликишвили // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2012». - Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. - Т. 2. - С. 37 - 39.

7. Токликишвили, А.Г. Влияние температуры смазки на триботехнические свойства композиционных покрытий / Л.Б. Леонтьев, AJI. Леонтьев, А.Г. Токликишвили // Вестник Инженерной школы ДВФУ. — Владивосток: ДВФУ, 2012. -№1(10).-С. 31-34.

8. Токликишвили, А.Г. Причины отказов коленчатых валов среднеоборотных дизелей и пути повышения их надежности / Л.Б. Леонтьев, А.Г. Токликишвили // Вестник Инженерной школы ДВФУ. - Владивосток: ДВФУ, 2012. — №3 (12).-С. 40-47.

9. Токликишвили, А.Г. Повышение надежности трибосистемы «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника» судовых среднеоборотных дизелей технологическими методами / Л. Б. Леонтьев, Н.П. Шапкин, А.Г. Токликишвили // Сборник научных трудов SWorld. Вып. 2. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2013. - Т.2. -С. 37-39.

10. Токликишвили, А.Г. Особенности функционирования подшипников коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей / Л. Б. Леонтьев, A.B. Надежкин, А.Г. Токликишвили // Materiäly IX mezinärodni vedecko - prak-tickä konference «Vedecky pokrok na prelomu tysyachalety - 2013». Dil 38. Technicke vedy. - Praha: Publishing House «Education and Science», 2013. - P. 77-82.

токликишвили

Антонина Григорьевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ФОРМИРОВАНИЕМ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.11.2013 г. Формат 60 х 84/16. Бумага писчая. Уч.- изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 430 Отпечатано в типографии ИПК МГУ им. адм. Г.И. Невельского 690059 г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени адмирала Г. И. Невельского

На правах рукописи

04201455559

Токликишвили Антонина Григорьевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ФОРМИРОВАНИЕМ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ

05.08.04 - Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Леонтьев Лев Борисович

Владивосток - 2013

( I*

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................5

1. Состояние и анализ проблемы совершенствования технологии восстановления шеек коленчатых валов судовых дизелей технологическими методами и задачи исследования...................................................................................12

1.1. Влияние конструктивных факторов подшипников и условий работы коленчатых валов судовых дизелей на их долговечность.........................12

1.2. Причины отказов и дефекты коленчатых валов судовых дизелей...............25

1.3. Влияние износа шеек коленчатых валов на долговечность и эксплуатационные характеристики судовых дизелей дизеля.....................27

1.4. Технологические методы восстановления и повышения износо- и задиростойкости шеек коленчатых валов судовых дизелей.......................30

1.5. Выводы и постановка цели и задач исследования....................................36

2. Программа и методики проведения исследования.....................................39

2.1. Программа исследований..................................................................39

2.2. Методика определения геометрических параметров шеек коленчатого вала.41

2.3. Методика использования регрессионного анализа и планирования экспериментов..............................................................................42

2.4. Определение триботехнических свойств материалов..............................45

2.5. Методика исследования механических свойств покрытий на макро- и наноуровне...................................................................................50

2.6. Методики исследований структуры и топографии поверхностей трения шеек коленчатых валов и покрытий, рентгенофазного анализа покрытий ...54

3. Экспериментально-теоретическое обоснование упрочнения шеек коленчатых валов нанесением износостойких покрытий...........................................56

3.1. Структура отказов коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей....56

3.2. Особенности изнашивания шеек коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей................................................................60

3.3. Обоснование путей повышения долговечности коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей...............................................................67

3.4. Системное проектирование технологического процесса упрочнения шеек коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей.............................71

3.5. Обоснование выбора материала и способа его нанесения для повышения износостойкости трибосопряжения «шейка вала - вкладыш подшипника» .80

3.6. Разработка механизма формирования износостойкого металлокерамического покрытия на шейке вала..................................................................88

4. Исследование свойств износостойких покрытий и выбор оптимальных технологических параметров их нанесения...............................................93

4.1. Исследование влияния твердости шеек коленчатого вала и типа антифрикционного покрытия на износостойкость трибосопряжения...........93

4.2. Выбор оптимальных параметров модифицирования шейки вала металлосилоксановыми полимерами, минеральными и органоминеральными материалами.................................................................................97

4.3. Исследование влияния состава минеральных и органоминеральных материалов, используемых для модифицирования шейки вала, на триботехнические свойства сопряжения.............................................101

4.4. Влияние температуры смазки на триботехнические свойства износостойких покрытий...................................................................................117

4.5. Исследование влияния химического состава минеральных и органоминеральных материалов на топографию и состав поверхности трения шейки вала после ее модифицирования............................................123

4.6. Влияние механических свойств композиционных покрытий на износостойкость трибосопряжения...................................................131

4.7. Выводы......................................................................................139

5. Проектирование технологического процесса восстановления коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей с модифицированием шеек износостойкими материалами.................................................................................140

5.1. Технологический процесс восстановления коленчатых валов судовых

среднеоборотных дизелей с упрочнением шеек...................................140

5.2. Прогнозирование ресурса коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей, упрочненных нанесением композиционного покрытия..............143

5.3. Экономическая эффективность восстановления коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей с нанесением композиционного покрытия...................................................................................145

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ...............................................146

Список литературы............................................................................149

Приложение А Основные дефекты и повреждения шеек коленчатых валов судовых дизелей, возникающие в процессе эксплуатации и приводящие к аварийным ситуациям, возможные причины

возникновения и методы устранения повреждений...............169

Приложение Б Триботехнические свойства износостойких покрытий при

различных температурах подогрева смазки.........................179

Приложение В Профилограммф микронеровностей поверхностей стали 45 с

различными типами покрытий.........................................181

Приложение Г Результаты исследования механических свойств стали и покрытий методом наноиндентирования..........................................183

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Ресурс судового дизеля до капитального ремонта зависит в основном от состояния кривошипно-шатунного механизма, а коленчатый вал — главное звено этого механизма. Коленчатые валы принадлежат к наиболее ответственным деталям двигателей и эксплуатируются в условиях переменных нагрузок. Шейки вала подвержены трению скольжения при больших скоростях и высоких удельных давлениях. Коленчатый вал — одна из важных дорогостоящих деталей двигателя (его стоимость составляет более 10 % стоимости всего двигателя) - в значительной степени определяет его ресурс.

Наиболее характерными дефектами коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей (СОД) являются: износ и задиры шеек, деформации, коррозия и др. Основной причиной отказов коленчатых валов двигателей является износ шеек. Преждевременный износ рабочих поверхностей коленчатых валов выше предельных значений ведет, как правило, не только к значительным затратам на ремонт или замену коленчатых валов, но и к убыткам из-за простоя судна в ремонте, а выход из строя главного двигателя при поломке коленчатого вала может привести к аварии судна. Из-за повышенных скоростей изнашивания рабочих поверхностей коленчатые валы часто эксплуатируются шлифованными в последний ремонтный размер, или выбраковываются из-за износа выше предельных значений, не выработав при этом назначенного ресурса.

Повышенный износ и отклонения формы шеек вала от цилиндричности вследствие неравномерного изнашивания иногда приводит к проворачиванию вкладышей. В результате этого происходит деформация или поломка коленчатого вала, задир шеек или образование трещин на поверхностях трения, что значительно увеличивает стоимость ремонта.

Существующие технологические процессы (ТП) восстановления не обеспечивают требуемую долговечность коленчатых валов, так как при их проектировании не учитываются комплексно технологические особенности методов нанесения покрытий и упрочнения, их технико-экономические показатели, а также уело-

вия эксплуатации деталей. Необеспечение требуемых показателей долговечности восстановленных коленчатых валов предопределяет необходимость совершенствования ТП их восстановления, выбора критериальных параметров поверхностного слоя деталей, а также оценки долговечности восстановленных валов в зависимости от полученных параметров материала поверхностного слоя.

Степень разработанности. На основании выполненных исследований разработан и апробирован технологический процесс упрочнения коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей.

Целью работы является повышение эффективности технической эксплуатации судовых СОД путем применения технологического процесса восстановления коленчатых валов с упрочнением шеек, позволяющего получить оптимальный комплекс параметров материала износостойкого покрытия и обеспечить требуемую их долговечность при приемлемой экономической эффективности.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Установлены особенности условий эксплуатации, виды, причины и последствия отказов коленчатых валов СОД.

2. Проведено дальнейшее развитие методики системного проектирования технологического процесса модифицирования шеек коленчатых валов и формирования тонкопленочного износостойкого покрытия, включающего оптимизацию параметров режимов упрочнения, выбор минеральных и органоминеральных материалов для упрочнения рабочих поверхностей шеек коленчатых валов, прогнозирование долговечности и оценку экономической эффективности технологических решений.

3. Исследовано влияние твердости шеек коленчатого вала и технологии формирования антифрикционного слоя вкладышей на триботехнические свойства сопряжения «сталь 45 - антифрикционный слой вкладыша подшипника», а также определены его критериальные параметры, обеспечивающие высокие свойства сопряжения.

5. Исследовано влияние химического состава минеральных и органоминеральных материалов на механические и триботехнические свойства, состав и топографию покрытия шеек коленчатого вала.

6. Исследовано влияние параметров модифицирования шеек коленчатых валов металлосилоксаном на триботехнические свойства пары трения «сталь 45 — износостойкое покрытие - антифрикционный слой вкладыша подшипника» для определения оптимального режима.

7. Исследовано влияние температуры смазки на триботехнические свойства пар трения «сталь 45 - антифрикционный слой вкладыша подшипника» и «сталь 45 - износостойкое покрытие - антифрикционный слой вкладыша подшипника».

8. Исследовано влияние механических параметров и топографии покрытия шеек коленчатого вала на триботехнические свойства сопряжения «шейка вала-вкладыш подшипника».

9. Разработан и внедрен в производство ТП восстановления и упрочнения коленчатых валов СОД путем шлифования на ремонтный размер и нанесения износостойкого композиционного покрытия на шейки.

Научная новизна

1. Установлена структура отказов коленчатых валов судовых главных и вспомогательных среднеоборотных дизелей, работающих на тяжелых и легких сортах топлива.

2. Установлено влияние твердости вала и технологии формирования антифрикционного слоя вкладыша на триботехнические свойства трибоузла «шейка вала - вкладыш подшипника».

3. Разработана методика системного проектирования технологического процесса модифицирования шеек коленчатых валов судовых СОД при их восстановлении, которая включает: выбор минеральных и органоминеральных материалов для упрочнения рабочих поверхностей шеек коленчатых валов, оптимизацию параметров режимов модифицирования шеек, прогнозирование долговечности и оценку экономической эффективности.

4. Определены критериальные параметры композиционного покрытия шеек коленчатых валов судовых СОД, обеспечивающие высокие триботехнические свойства сопряжения «сталь 45 - антифрикционный слой вкладыша подшипника».

5. Получены математические зависимости влияния режима модифицирования шеек коленчатых валов металлосилоксаном на скорости изнашивания шеек вала и вкладыша подшипника.

6. Установлено влияние химического состава минеральных и органомине-ральных материалов на механические и триботехнические свойства и топографию покрытия.

7. Разработаны составы композиций полимерминеральных и органомине-ральных материалов для модифицирования шеек коленчатых валов судовых СОД.

8. Установлено влияние температуры смазки на триботехнические свойства износостойких тонкопленочных покрытий и трибоузла «шейка вала - вкладыш подшипника».

9. Установлено, что динамическая микротвердость и модуль упругости покрытия шейки вала оказывают существенное влияние на износостойкость трибоузла «шейка вала - вкладыш подшипника». Получены математические зависимости скорости изнашивания шейки коленчатого вала, антифрикционного слоя вкладыша подшипника и трибоузла от механических свойств износостойкого покрытия.

10. Разработан технологический процесс восстановления коленчатых валов судовых СОД с упрочнением шеек.

Теоретическая и практическая значимость работы

Разработана методика проектирования ТП модифицирования шеек коленчатых валов судовых СОД, позволяющая прогнозировать долговечность, которая апробирована при восстановлении коленчатых валов судовых СОД с упрочнением шеек и может найти применение при необходимости повышения износостойкости и обеспечения заданной долговечности деталей машин, работающих в три-боузлах, в которых возникают режимы трения при граничной смазке.

Комплексные исследования формирования композиционных износостойких покрытий и их эксплуатационных свойств, полученные путем модифицирования стали 45 полимерминеральными и органоминеральными материалами, позволили разработать технологический процесс восстановления коленчатых валов судовых

СОД с упрочнением шеек, обеспечивающий повышение долговечности и позволяющий снизить затраты судовладельцев на приобретение комплектов вкладышей подшипников, а также получить существенный экономический эффект благодаря повышению надежности трибоузла «шейка коленчатого вала - вкладыш подшипника» и снижению вероятности аварии СОД из-за задира шеек коленчатого вала.

Методология и методы исследования

Проблема повышения износостойкости коленчатых валов судовых дизелей решена на основе применения методологии системного проектирования. С позиции теории управления коленчатый вал представляет собой в системе «технология - подшипник коленчатого вала - эксплуатация» объект исследования, в который входят следующие блоки: входные параметры (технологические, эксплуатационные и помехи); процессы, происходящие в трибосистеме, и выходные параметры.

Экспериментальные исследования выполнены в соответствии со стандартными (планирование эксперимента, регрессионного анализа и др.) и разработанными методиками проведения экспериментальных исследований (триботехниче-ских испытаний и др.). Обработка экспериментальных данных проводилась с помощью методов математической статистики.

Для определения свойств композиционных износостойких металлокерамиче-ских покрытий использованы современные методы исследования: наноинденти-рования, атомно-силовой микроскопии, сверхвысоковакуумной фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновской дифрактометрии и др.

Положения, выносимые на защиту

— методика проектирования технологии восстановления коленчатых валов судовых СОД на основе системного проектирования, которая включает: выбор минеральных и органоминеральных материалов для упрочнения рабочих поверхностей шеек коленчатых валов, оптимизацию параметров режимов модифицирования шеек, прогнозирование долговечности и оценку экономической эффективности;

- критериальные параметры композиционного покрытия шеек коленчатых ва-

лов судовых СОД, обеспечивающие высокие триботехнические свойства сопряжения «сталь 45 - антифрикционный слой вкладыша подшипника»;

- составы композиций полимерминеральных и органоминеральных материалов для модифицирования шеек коленчатых валов судовых СОД;

- математические зависимости скорости изнашивания композиционного покрытия от его механических свойств;

- технологический процесс восстановления коленчатых валов судовых. СОД с упрочнением шеек.

Степень достоверности результатов исследования обусловлена применением современных методов исследования состава и свойств материалов и покрытий, подтверждена значительным объемом экспериментальных данных. Результаты аналитических исследований получены с использованием методов математического анализа, теории планирования эксперимента, корреляционно-регресионного анализа и современных систем компьютерной математики (Excel, Matead и др.). Достоверность результатов подтверждена промышленным апробированием разработанного ТП, а также положительными решениями и рекомендациями