автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологические методы повышения работоспособности подшипников скольжения транспортных дизелей

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Остапчук Віктор Миколайович

УДК 621.43.002

ТЕХНОЛОГІЧНІ МЕТОДИ ПІДВИЩЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ ПІДШИПНИКІВ КОВЗАННЯ ТРАНСПОРТНИХ ДИЗЕЛЮ

Спеціальність 05.02.08 - Технологія машинобудування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків-2000 р.

Дисертацією е рукопис.

Робота виконана в Північно-Східному Науковому центрі Національної Академії наук України (м. Харків).

доктор технічних наук, професор Тимофеева Лариса Андріївна, Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, професор кафедри технології металів і матеріалознавства.

доктор технічних наук, професор Мовшович Олександр Якович,

Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування, заступник директора.

кандидат технічних наук, доцент Зенкін Микола Анатолійович, Київський державний університет технології та дизайну, доцент кафедри.

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут

авіаційної технології Міністерства промислової політики України (м. Київ).

Захист відбудеться 18 травня 2000 р. о 14-ій годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий ЗО березня 2000 р.

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Узунян М.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Залізничний транспорт є найважливішою господарською га/зею країни. Вимоги, запропоновані до рухомого складу залізниць, в останні роки значно двищились. Основна з цих вимог - забезпечення високої надійності вагонів і локомотивів умовах інтенсивної експлуатації. Зросли швидкості руху, збільшилися навантаження і панується подальший їх ріст.

Рішення цих задач неможливо без створення для вагонів і локомотивів надійних ву-іів і деталей, що мають достатню працездатність і довговічність. В цей же час довговіч-сть значного числа деталей визначається тривалістю одного лише міжремонтного пробі'. До таких деталей відносяться, зокрема, корінні і шатунні вкладиші колінчатих валів ба-ітонавантажних тепловозних дизелів, які багато коштують і при ремонтах цілком заміняться новими.

Збільшити термін служби як корінних, так і шатунних вкладишів можливо шляхом нього відновлення. Проте, в даний час, таких технологій взагалі не існує. Спроба застоювати для відновлення вкладишів гальванічний метод, метод відцентрового лиття та ін. )зитивних результатів не дали.

У зв'язку з викладеним, а також з урахуванням дорожнечі шатунних і корінних вкла-ішів колінчатих валів, дефіцитності їх останнім часом (а те і відсутність), розробка висо-іпродуктивної технології їхнього виготовлення і відновлення виявляється надзвичайно іжливою і актуальною. Широкі можливості відкриває використання вакуум-плазмових їхнологій. Серед них перевагу варто віддати методу конденсації речовини в умовах іон->го бомбардування (КІБ), що дозволяє регулювати температуру процесу в широкому ін-рвапі (200... 800 °С) і, також, наносити покриття на деталі, виготовлені з різноманітних зтеріалів, що робить його універсальним і ведучим серед сучасних технологій.

Застосування методу КІБ для нанесення антифрикційного шару на поверхню вкла-ішів підшипників дозволить вирішити задачу відновлення вкладишів, які вийшли з ладу, з заощаджує значні матеріальні ресурси, а також дозволить замінити шкідливий гальва--іний процес, використовуваний при виготовленні вкладишів, екологічно чистим.

Основними труднощами при одержанні багатошарового покриття методом КІБ є іобхідність почергового одержання шарів різноманітного складу , з заданими фізико-зтематичними властивостями і визначеною товщиною, при цьому адгезія між шарами івинна мати значення, що забезпечує високі характеристики вкладиша підшипника. Для іержання необхідних значень адгезії між шарами необхідно робити їхнє осадження в іиному вакуумному циклі. Рішенню цих актуальних питань присвячена дійсна робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, яі проводились, спрямовані на вирішення наукових проблем, що розроблюються Національ ною академією наук України відповідно до наказу Міністерства науки України еі, 17.01.97 р. №72 за темою “Дослідження змін фазового складу та валентно-енергетичноп стану елементів композиційних покриттів шпінельного типу при радіаційному, термічном та механічному впливах", а також дослідження входять в національну програм "Транспорт” Міністерства транспорту України. Ця тема є складовою частиною фундамен тальних досліджень, які проводяться Міністерством освіти і науки України в галу: "Екологічно чиста енергетика та ресурсо-зберігаючі технології".

Метою та завданням дослідження є розробка високоефективної і екологічно чис тої технології виготовлення і відновлення вкладишів підшипників колінчатих валів багато навантажених дизелів шляхом нанесення антифрикційного шару методом конденсації ре човини в умовах іонного бомбардування на основі:

- розробки фізичної моделі процесу нанесення покриттів з урахуванням парамет рів його формування, зносу, значення коефіцієнта тертя;

- вибору оптимальних режимів нанесення покриттів:

- одержання аналітичної залежності між складом, структурою й експлуатаційнимі властивостями антифрикційного багатошарового покриття; проведення метало графічних, рентгеноскладових, тріботехнічних досліджень антифрикційного шар; вкладишів; проведення стендових і експлуатаційних іспитів.

Досягнення поставленої цілі засновано на теоретичному й експериментальному до слідженні зв'язку робочих характеристик багатокомпонентних покриттів з оптимальними параметрами їх формування і на цій основі розробка технології виготовлення і відновлен ня підшипників ковзання транспортних дизелів.

Наукова новизна одержаних результатів підтверджується патентом на винахід полягає в тому, що вперше на основі глибокого аналізу умов експлуатації, методів вигото влення корінних і шатунних вкладишів тепловозних двигунів, теоретично обгрунтована розроблена і впроваджена технологія нанесення антифрикційного багатошарового по криття при застосуванні вакуум-плазмового напилення, при якому формування кожного : наступних шарів обумовлено підвищеною адгезійною міцністю, що дозволяє, використо вуючи модернізоване серійне устаткування для виготовлення і ремонту вкладишів, забез печити їх більш високу довговічність с працездатність при високій технологічності процесу.

Дана технологія містить у собі

з

розробку фізичної моделі формування робочого шару підшипників ковзання вакуум-плазмовим методом з урахуванням взаємозв'язку технологічних параметрів одержання з його працездатністю;

встановлення залежності формування шарів антифрикційного покриття від струму дуги

і розміру негативної напруги зсуву, що дозволяють варіювати температуру в зоні нанесення покриття і попереджують утворення геометричних, кристаллохімічних і фізико-механічних дефектів;

розрахунок по розробленій методиці оптимальних параметрів вакуум-ллазмового методу одержання багатошарового антифрикційного покриття підшипників ковзання з урахуванням заданих значень розміру лінійного зносу, значення коефіцієнта тертя і навантажень;

одержання аналітичної залежності між складом, структурою й експлуатаційними властивостями антифрикційного багатошарового покриття;

підтвердження результатами експериментальних досліджень можливості підвищення працездатності і зносостійкості підшипників ковзання транспортних дизелів, що виготовлені і відновлені за допомогою технології вакуумного напилення.

Практичне значення одержаних результатів полягає в: розробці високоефективного процесу виготовлення і відновлення корінних і шатунних вкладишів транспортних двигунів (Патент /країни на винахід "Спосіб виготовлення підшипників ковзання" за заявкою № 99126823 від 15.12.99 р., по якій прийнято рішення на видачу патенту від 02.12.99 р),

удосконалення серійної вакуум-плазмової установки, що дозволяє завдавати антифрикційний шар на максимально-можливу кількість вкладишів підшипників у єдиному технологічному циклі;

розробці конструкції і програми експлуатаційних іспитів корінних і шатунних вкладишів підшипників колінчатого вала транспортного дизеля типу 5Д49; . впровадження розробленої технології виготовлення і відновлення вкладишів у локомотивному депо «Основа» Південної залізниці із загальним економічним ефектом 620 тис. гривень у рік.

Особистий внесок зяобувача. Виконано сгруктуризацію теми і сформовані задачі »слідження. Рішення цих задач за допомогою математичного планування і розробленої зичної моделі зв’язку технологічних параметрів формування багатошарових покриттів з триботехнічними властивостями дозволило здобувану достатньо повно розкрити ціль іботи і провести всі розрахунки, виконані в дисертації, аналіз і обговорення результатів ісліджень. Автором розроблена і впроваджена технологія виготовлення і відновлення

вкладишів підшипників ковзання тепловозних двигунів. Автором були написані тексти вс статей і доповідей, які увійшли у дисертацію. Автор за результатами дисертації робив д( повіді на наукових семінарах і різноманітних міжнародних конференціях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи ре комендувались й одержали ухвалення на таких наукових конференціях:

- Міжнародної конференції-семінарі "Матеріали, технологія, устаткування й інструмент в машинобудуванні'' (м. Київ, 1999 р.);

- Міжнародної конференції "Технології ремонту машин, механізмів і устаткування (м. Алушта, 1999 р.);

- Міжнародної конференції "Сучасні методи і засоби контролю, що не руйнує, і технічне діагностики" (м. Ялта, 1999 р.);

- Міжнародної школі-семінарі "Перспективні системи керування на залізничному промисловому і міському транспорті" (м. Алушта, 1999 р.).

Публікації. Основний склад дисертації опубліковано в 8 роботах, із них - 4 статт одна заявка на патент.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'ятьох розділі висновків, заключения, списку літератури, що цитується і додатків. Загальний обсяг ду сертаційної роботи складає 146 сторінок, у тому числі 20 малюнків, 14 таблиць і бібліоі рафію з 120 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко обговорюється об'єкт дослідження, обгрунтовуються актуальніст обраної теми, вказується мета і задачі проведених досліджень, а також формулюютьс. основні результати, що отримані в дисертації. Наводиться перелік опублікованих статей наукових конференцій за темою дисертації, на яких були повідомлені основні результаті даної дисертації.

У першому розділі розглянуті умови роботи підшипників ковзання колінчатих валі тепловозних дизелів, причини виходу їх з ладу і задача дослідження.

Статистика свідчить про те, що більш 80% машин і механізмів виходять із ладу результаті зносу деталей, що працюють в умовах тертя. До таких деталей, зокрема, віл носяться вкладиші підшипників колінчатих валів багатонавантажених дизелів. Робот підшипників після приробки відбувається в умовах тривалого впливу мінливих по розмір тисків, підвищеної температури і явищ, пов'язаних із змінами режимів тертя. До цього вар то прирахувати вплив на підшипниковий матеріал мастила та образивних часток. ,.

Під впливом цих факторів сполучена тертьова пара буде зношуватись швидше або повільніше в залежності від якості виконання і монтажу тертьових частин, якості підшипникового сплаву, умов експлуатації. Дуже багато підшипників виходять із ладу по утомленому руйнуванню бабітового шару.

В даний час існує декілька напрямків, по яких розвивається рішення проблеми під-зищення надійності і довговічності деталей сполучених пар. Це добір антифрикційних матеріалів, що характеризуються високими службовими властивостями, вибір більш вдоско-іалих мастил у порівнянні з застосовуваними, розробка засобів відновлення вкладишів, жі вийшли із ладу.

Основні вимоги, запропоновані до антифрикційних сплавів, визначаються умовами юботи вкладиша підшипника. Ці сплави повинні мати достатню й у той же час помірну вердість, щоб не викликати значного зносу вала, порівняно легко деформуватися під іпливом місцевих напруг, тобто бути пластичними; утримувати мастило на поверхні; мати лалий коефіцієнт тертя між валом і підшипником. Крім того, температура плавлення цих :плавів не повинна бути високою і сплави повинні мати значну теплопровідність і стійкість іроти зносу. Для забезпечення цих властивостей, структура антифрикційних сплавів по-инна бути гетерогенною, що складається з м'якої і пластичної основи з включенням Гшьш твердих часток.

Надзвичайно важливим здається шлях підвищення зносостійкості і довговічності за ахунок застосування більш вдосконалих технологій нанесення на поверхню вкладишів окриття (робочих шарів). При цьому витрата дорогих, дефіцитних матеріалів зменіііуєть-я, а ефект підвищення довговічності може виявитися більш значним, тому що в тонких оверхнееих шарах можна одержати більш високі фізико-механічні властивості, чим у мо-олітних деталях. Існує велика кількість технологічних методів нанесення покриттів, про-

2, найбільше екологічно чисті - фізичні методи. При аналізі фізичних методів осадження окриттів, що включають вакуумний випар необхідного елемента - утворювача покриття, упинимося на методі конденсації покриттів із плазмової фази у вакуумі з іонним бомбар-уванням поверхні.

Другий розділ присвячений питанням розробки технології нанесення антифрик-ійного шару на вкладиші підшипників вакуум-плазмовим засобом.

Нанесення покриттів на вкладиші підшипників здійснювалось за допомогою серійної ;тановки "Булат-ЗТ" методом конденсації речовини в умовах іонного бомбардування ;іБ). Для того, щоб зробити можливим нанесення складного антифрикційного покриття, ,о складається з чотирьох шарів різноманітного складу, в одному технологічному циклі, зтором було сконструйоване джерело металевої плазми, що є коаксіальною системою

є

електродів. Вивчення працездатності джерела показало, що для всіх досліджуваних ма теріалів існує мінімальне значення струму стабільного горіння дуги Л/1"1, нижче якого роз ряд гасне. Визначено оптимальні по стабільності значення параметрів дуги і длі одержання кожного з шарів антифрикційного покриття.

Таблиці

Параметі зи вакуумних дуг для різноманітних мате ріалів катода

Параметр Сплав 90%Си0-10%5п Мі Бп бабіт 13%5п-3°/оСи-РЬ

і і*: с ,Є ! <ч 35 70 45 8

4, А 85 110 100 20

и„. В 20 10 20 12

Споживана потужність. кВт 1,7 2,1 2 0,24

Швидкість ерозії катоду, мг/с 6,4 - 4,4 11.2

Для підвищення ефективності іонно-плазмової технології виготовлення і відновлен ня вкладишів сконструйоване і виготовлене пристосування, що дозволяє одночасно обро блювати 8-10 вкладишів. При розробці оптимальних параметрів процесу нанесення по криттів вакуум-плазмовим методом було використано математичне моделювання, у ре зупьтаті чого були отримані рівняння регресії, що адекватно описують експериментальн данні.

Коефіцієнти отриманого рівняння регресії перевіряли на значимість за критерієм Стьюдента, а також на адекватність експериментальним данним отриманої моделі за кри терієм Фішера. Отримані рівняння регресії, що зв'язують технологічні параметри процесу ; властивостями отриманого поверхневого шару, а саме, із зносостійкістю й антифрикційні стю мають вид:

зносостійкість

З = 407-0,281-12,2т+0,02и+0,0041с+0,37-сс+0,000 И2+0,1т2+0,09с2;

коефіцієнт тертя

1 = 2,77-0,271-0,14г*-0,27с+510-51г+0,03-3т2-0,01с2,

1 - температура, °С; т - час, хв; С - концентрація, г.

Аналіз отриманих рівнянь показав, що на знос і коефіцієнт тертя утвореного повер хневого шару найбільш суттєвий вплив має температура і час конденсації. Високу зносос тійкість і порівняно низькі значення коефіцієнта тертя має шар, отриманий при температу рі і часі конденсації, що знаходяться в інтервалі, відповідно. - 400-650 °С і 15-25 хв. Дослі дження оптимуму за допомогою математичного планування експериментів показали, що е цьому інтервалі температур і часу витримки є такі їх значення, при яких формується по

ерхневий шар, що володіє достатньо високою зносостійкістю при низькому значенні кое-зіцієнта тертя.

З метою одержання максимально високого терміну експлуатації підшипників мето-ом математичної статистики визначені оптимальні значення твердості і шорсткості по-ерхні вкладиша, на якій буде нанесене покриття, відповідно до товщини робочого шару, кий наноситься. Олтимізуємим параметром був термін експлуатації. Складено матрицю панування експерименту і функцію регресії, що описує процес у виді поліному другого гупеню. Максимальний термін експлуатації мають вкладиші з твердістю матеріалу основі 45 Н(?С, шорсткості поверхні, на якій завдається покриття, 0,16 при загальній тов-іині антифрикційного шару 45 мкм.

У третьому розділі розглянуті методики досліджень і властивості багатоскладових зкриттів, нанесених вакуум-плазмовим методом.

Товщина покриття, яке наноситься, замірювалась на установці "Мікродерн" і за до-змогою методу контролю, що не руйнує, по ослабленню інтенсивності відбитка рентге-вського залізного випромінювання від площини підпожки в залежності від товщини по-іиття. Критерієм ослаблення приймався логарифм відношення інтенсивностей відбитка д сталі з покриттям і без нього. Для визначення твердості окремих структурних складо-іх, а також анізотропії твердості в різноманітних ділянках покриття, використовували ме->д виміру мікротвердості. Результати вимірів опрацьовувалися статистично з визначенім довірчого інтервалу для можливості 0,95.

Для встановлення зв'язків між умовами нанесення плазмових покриттів, їхнім фазо-ш складом, особливостями мікроструктури й експлуатаційних характеристик проводили-

i металографічні, рентгенівські, мікрорентгеноспектральні дослідження на установках 3ОН-2, УРС-50, МАР-2. "Кембскан". Міцність з'єднання покриття з основним металом (інювалась методом нормального відриву плівки. Досліджувалися особливості форму-іння конденсатів багатокомпонентних матеріалів, отриманих вакуумно-дуговим методом, ізначалися розходження між складом конденсату і складом електродів, що еродують, у лежності від режимів процесу.

Розроблено фізичну модель впливу параметрів нанесення покриттів на тріботехні-

ii властивості багатокомпонентних покриттів. Коефіцієнт тертя ї = ї„ + їа визначається не іьки матеріалом покриттів, але й умовою його формування. Тут Гд - деформаційна скла-іва коефіцієнта тертя; - адгезійна складова.

Деформаційна складового коефіцієнта тертя

/а=аг-юк, (1)

де її - висота сходинки за нормаллю до поверхні; ат - межа текучості матеріалу; ю ширина дислокаційної петлі.

При вакуум-плазмовому напилюванні межа текучості матеріалу покриттів (ат) знач но більше, ніж межа текучості матеріалу основи. Високе значення стт матеріалу покритті веде до збільшення 1А, а зниження И за рахунок радіаційної ерозії виступів обумовлюї тенденцію до зниження деформаційної складової коефіцієнта тертя. Неоднозначний вплив на їд оказує і ширина дислокаційної петлі со. Таким чином, деформаційна складова тертя неоднозначно залежить від умов конденсації покриття.

Адгезійна складова коефіцієнта тертя (^) також неоднозначно залежить від умої формування покриттів. Іонне бомбардування поверхні призводить до появи великої кіль кості різноманітних енергетичних рівнів на поверхні, що забезпечує її підвищену адгезійн; й адсорбційну спроможність. Цей розмір досягає найбільшого значення при максимальнії кількості дислокації на поверхні і декілька знижується при збільшенні радіаційної дози.

При формуванні плівки в таких умовах адсорбційна спроможність поверхні і, отже, ї спроможність утримувати мастильні матеріали досягає максимального значення.

Зносостійкість поверхні можна приблизно оцінити за формулою

121

/аЕ

де Н - мікротвердість; f - коефіцієнт тертя; а - коефіцієнт лінійного розширення Е - модуль Юнга.

Коефіцієнт С в данному вираженні залежить від ряду механічних і термодинамічни; характеристик матеріалу і може бути поданий у виді:

С = -^-, (3)

* & уся

де г - постійний коефіцієнт, що залежить від атомної маси елементів поверхні /, - коефіцієнт теплопровідності; Я - радіус округлення виступів; аусп - умови тривкості вза ємодіючих часток.

Аналізуючи приведенні вираження, можна зробити висновок про те, що зносостій кість покриття істотно залежить від елементного складу поверхневих шарів, а залежністі коефіцієнта тертя від режимів конденсації робить цю характеристику функцією від умої формування покриттів.

Це, у свою чергу, дозволяє зробити висновок, що при визначених параметрах про цесу можна формувати з багатокомпонентного потоку покриття з заданим градієнтом роз поділу компонентів по товщині.

э

Дійсно, що результуючий потік І, що визначає число атомів данного елемента, які юіли в одиницю часу на одиниці площі підпожки, може бути поданий у виді:

£

де С - концентрація речовини поблизу поверхні підложш; V - власна частота ко-іивання атома; Е - енергія вбудування атома а решітку; К - постійна Больцмана; Т- плаз-нова температура падаючого іона.

При осадженні з плазмової сфери енергія іона

де я - заряд іона; и - напруга , що прискорює.

г.£. „

Як очевидно з (4-6), розмір потоку часток, що осідають, данного елемента залежить ід енергії кристалізації речовини і параметрів процесу осадження. Концентрація компо-іентів весь час змінюється і може бути визначена вираженням;

де ц - коефіцієнт, що залежить від форми острівця (для шарового сегмента 1); V ■ об'єм, що припадає на 1 атом компонента; о - коефіцієнт поверхневого натягу; К - радіус істрівця; ф - функція, що подає собою кінетичну діаграму стану.

Співвідношення компонентів у покритті визначається їхнім співвідношенням у плаз-ювому потоку і режимами осадження. З вищевикладеного можна зробити висновок про е, що з багатокомпонентного потоку протягом однієї технологічної операції можна одер-сувати покриття з заданими властивостями.

У даній роботі для нанесення одного з шарів антифрикційного покриття був викори-таний катод, що має елементний склад 2,5%Си; 90%8п; 87%РЬ. У результаті проведених кспериментальних досліджень властивостей покриттів, установлена залежність складу і ластивостей покриттів від розміру негативної напруги зсуву (1)ш) на підложці, доведено, до розмір струму дуги розряду помітного впливу на властивості покриття не робить.

У ході тріботехнічних іспитів покриттів РЬ-Эп-Си досліджувались вплив режимів >садження шару на значення коефіцієнту тертя, розмір зносу і максимальний контактний иск, що забезпечує стабільну роботу пари тертя.

Встановлено, що із зростанням исм відбувається збільшення коефіцієнту тертя по-риття, це приводить до підвищеного зносу осі в той час, як знос покриття максимальний

І = Са-У-ех ркг,

(4)

кт*чи,

(5)

при низьких значеннях напруги зсуву. Причому найбільші контактні навантаження, що зг безпечують стабільну роботу пари тертя, мають максимум при Ucu « 40 В, а знос покритт в даній області мінімальний.

Приведені дослідження дозволили розробити технологічний процес виготовлення відновлення робочого шару підшипників ковзання при виконанні таких вимог:

1) рівномірність товщини покриття повинна бути не більше 6 мкм;

2) твердість багатошарового покриття не повинна перевищувати 200 НВ, при цьс му шари, що відновлюються, повинні бути як можна більш пластичними, щоб забезпечиті значну припрацьовуванність деталей у вузлі тертя і виключити їхній швидкий знос;

3) шорсткість поверхні вкладиша після відновлення повинна мати клас чистоти н гірше Ra 6,3;

4) температура вкладиша, що відновлюється, не повинна перевищувати Т™ легке плавких шарів бабіту й олова в процесі і після їхнього осадження.

Розроблені оптимальні режими формування багатошарового антифрикційного по криття:

шар Cu-Sn Ц=60А UCU=60B

шар Ni Іа=70А Ucu=55B

шар Pb-Sn-Cu Іа=20А 1/Сц=40В

шар Sn Іа=20А Uc«=25B

Проведені дослідження показали, що багатошарове покриття, отримане по цих ре жимах, цілком відповідає вимогам, пред'явленим до нього Держстандартом.

Таким чином, теоретично обгрунтований й експериментально підтверджений зв'я зок тріботехнічних властивостей покриттів із параметрами їх формування, що дає можли вість одержувати багатокомпонентні покриття з апріорі заданими властивостями.

У четвертому розділі наведені лабораторні дослідження відновлення вкладишів Вкладиші, відновлені вакуум-плазмовим і гальванічним методами, були піддані різнобіч ним лабораторним досліджуванням. Аналіз отриманих результатів необхідний був дл оцінки ефективності, а, отже, і доцільності застосування плазмового методу з метою вір новлення вкладишів.

Лабораторні іспити оцінки впливу поверхневого шару на тертя проводились на ма шинах тертя СМЦ-2, М-22М. Режими іспитів визначались на основі умов роботи детале кривошипно-шатунної групи дизеля 5249.

Для визначення зносостійкості досліджувалася швидкість ковзання 2 м/с при наваь таженні бМПа протягом 7 годин. Несучу спроможність і коефіцієнт тертя визначали пр швидкостях 1-3 м/с і навантаженнях від 2 до 20 МПа. Критерієм зносостійкості є утрата вг

ги випробуваних зразків, що визначали зважуванням на аналітичних вагах із точністю до 10“* г. Коефіцієнт тертя підраховували по приведеній формулі і фіксували навантаження, при якому відбувається зміна моменту тертя.

Проведено випробування вкладишів підшипників, виготовлених методом відцентрового лиття, хіміко-термічним, гальванічним і вакуум-плазмовим методами.

Результати випробувань показали, що по ступені підвищення протизадирних властивостей багатошарового покриття вкладиша найбільший ефект дає еакуум-ппазмовий метод (рис.1).

1000

800

600

400

200

з:

Рис.1

Вплив виду нанесення багатошарового покриття на опір задирам

Ефект підвищення задиростійкості, що досягається при вакуум-плазмовому нанесенні покриття, супроводжується зниженням сил тертя, про що свідчить Зміна коефіцієнта тертя (рис.2), де 1 - відцентрове лиття; 2 - хіміко-термічна обробка; 3 - гальванічний засіб;

4 - вакуум-плазмовий метод.

навантаження, Н

Рис.2 Вплив виду нанесення покриття на зміну коефіцієнту тертя

І

Для розробленого методу при навантаженнях від 200 до 1000 Н коефіцієнт тертя залишається практично постійним (0,20-0,23), що дає можливість у 2,5-3 рази зменшити коефіцієнт тертя в порівнянні з гальванічними покриттями, у 2 рази у порівнянні з відцентровим литтям.

Порівняння протизносних властивостей, отриманих при розглянутих методах, проведено по інтенсивності зносу (рис.З), де позначення для зразків аналогічні попередньому рисунку.

Рис.З Вплив засобу нанесення покриттів на лінійний знос зразків

Проведені дослідження показали, що вакуум-плазмовий метод нанесення багатошарового покриття підвищує зносостійкість матеріалу підшипників ковзання в 1,6-1,7 рази в порівнянні з гальванічним.

Відомо, що одним з основних вимог, запропонованих до вкладишей колінчатих валів, є відсутність мїкронапружень у поверхневих шарах вкладишів, що призводить до їх руйнування. Дослідження проводились на зразках, вирізаних безпосередньо з досліджуваних вкладишів. Напружений стан визначається тільки в областях зразка, близьких до поверхні. Дослідження з напруженого стану покриттів, отриманих як гальванічним методом, так і вакуум-плазмовим, показали відсутність макронапружень.

Наступний етап лабораторних досліджень полягав в оцінці адгезіонної міцності робочих шарів, що наносяться при відновленні вкладишів, з основою. З цією метою були проведені адгезіонні випробування на зразках, вирізаних із вкладишів, отриманих обома засобами. У цій роботі використаний акустичний метод оцінки адгезіонної тривкості. Адге-зіонна міцність для гальванічних покриттів складає 7 МПа, для вакуум-плазмового 22 МПа.

Вакуум-плазмове покриття характеризується високою адгезією, у той час як гальванічне - когезією. Цим і пояснюються факти відшарування гальванічного покриття від основи в процесі експлуатації.

Одне з найважливіших експлуатаційних властивостей для досліджуваних вкладишів - зносостійкість. Проведені іспити показали, що зносостійкість зразків із вакуум-плазмовим покриттям у 2 рази вище, чим із гальванічним.

Металографічні дослідження показали, що в зразках із поверхневим шаром, відновленим гальванічним методом, на межі між основою і покриттям спостерігається перехідна зона, на відміну від відновлених іонно-плазмовим методом. У перехідній зоні, крім міді, свинця, спостерігається залізо, що дифундує зі сталевої основи. Наявність цієї зони послабляє адгезіонна взаємодія між нанесеним покриттям і основою.

При відновленні вакуум-плазмовим методом характерна відсутність перехідної зони і переміщення елементів, зокрема заліза, з основи в покриття. Це пояснюється особливостями вакуум-плазмового методу. Зокрема, незначним локальним розігрівом поверхні, на відміну від об'ємного в гальванічній ванній.

У п'ятому розділі подані результати розробки і впровадження технологічного про-4есу вакуум-плазмового напилювання для нанесення багатошарового антифрикційного покриття при виготовленні і відновленні вкладишів підшипників ковзання багатонаванта-кенних тепловозних дизелів. Проведені теоретичні й експериментальні дослідження дозволили спроектувати і розробити промислове устаткування, що було введено в зразкову гксплуатацію локомотивного депо «Основа» ПЗ для відновлення корінних і шатунних зкладишів підшипників колінчатих валів тепловозного дизеля 5Д49.

Економічний ефект від упровадження нової технології відновлення вкладишів під-шпників ковзання отриманий за рахунок підвищення експлуатаційної надійності і зносостійкості отриманої продукції. Це дозволяє знизити собівартість виробництва, скоротити штрати на заміну вкладишів, що достроково вийшли з ладу, і ліквідувати додаткові ремонти дизелів. Слід зазначити, що дотепер у транспортному машинобудуванні зношені ікладиші не відновлялися, а замінялися новими. Заміна гальванічного методу нанесення інтифрикційного покриття вакуум-плазмовим дає також додатковий економічний ефект за >ахунок екологічної чистоти процесу і скорочення кількості технологічних операцій (при альванічному методі - 7 технологічних операцій, а лри розробленій технології - 2). За-альний економічний ефект складає 620 тис. грн. у рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На підставі вивчення умов роботи і причин виходу з ладу вкладишів підшипників багатонавантажених дизелів, а також аналізу існуючих засобів нанесення покриттів, установлено, що гальванічний засіб нанесення багатошарового антифрикційного покриття не забезпечує задану зносостійкість підшипників ковзання, крім того, гальванічний засіб не забезпечує екологічну чистоту технологічного процесу.

2. Зносостійкість технологічними методами може бути забезпечена шляхом нанесення багатошарового антифрикційного покриття, що не має перехідної зони між кожним із шарів, а формування кожного з наступних шарів може бути обумовлено підвищеною ад-гезіонною міцністю.

3. Аналіз роботи кривошипно-шатунних пар тертя тепловозних дизелів 5Д49 і технологи виготовлення їх робочих поверхонь показує доцільність проведення робіт із дослідження можливості застосування вакуум-плазмового напилювання багатошарового анти-фрикціонного покриття як одного з екологічно чистих методів.

4. Для одержання високих антифрикційних властивостей багатошарового покриття рекомендується напилювання проводити в дві стадії в одному технологічному циклі: іонне бомбардування перед нанесенням кожного з шарів і напилювання при дотриманні умови, що склад покриття повинний відповідати матеріалу катода, що розпилюється і відсутності перехідної зони.

5. Встановлено, що склад багатошарового антифрикційного шару змінюється в залежності від параметрів процесу вакуум-плазмового напилювання. Оптимальний процес: тік дуги 60 А для шару Си-Бп; при розмірі негативної напруги зсуву (ІІси) 60 В; для шару N1 Іа = 70 А, ІІс = 55 В; для шару РЬ-Єп-Си Іа = 20 А, иси = 20 В.

6. Запропонований процес може здійснюватися при використанні серійного устаткування, що випускається для вакуум-плазмового напилювання, за умови деякої його модернізації, що полягає в додатковому запровадженні спеціального пристосування для опрацювання заданої кількості вкладишів.

7. Дослідження адгезіонної взаємодії багатошарового покриття з основою методом нормального відриву показали, що відділення покриття при зазначених розмірах ис» носить когезіонний характер, причому руйнування вибувається по шару РЬ-вп-Си і починається при розмірі навантаження 60-65 МПа, що відповідає розміру межі тривкості бабіту на розрив.

8. Розроблений технологічний процес виготовлення і відновлення корінних і шатунних вкладишів тепловозних двигунів 5Д49 полегшує прилрацьовуванність, підвищує мого-

эесурс дизелів приблизно в 2 рази в порівнянні з вкладишами, виготовленими гальванічним засобом, що дає підставу рекомендувати цей процес у широке промислове виробни-дтво для пар тертя інших двигунів.

9. Економічний ефект від впровадження технології забезпечується за рахунок під-зищення експлуатаційних властивостей, зниження собівартості вкладишів приблизно в З )ази, економії матеріалів, а також запропонований засіб екологічно чистий.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ АВТОРА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Остапчук В.Н. Оптимизация технологических параметров осаждения плазменных юкрытий // Вестник ХГПУ. —1999. - №47. - С.65-66.

2. Тимофеева Л.А., Мацак А.Т., Остапчук В.Н. Разработка рекомендаций по повы-иению долговечности редукторов автокранов// Вестник ХГПУ. - 1999. - №65. - С.118-22.

3. Остапчук В.Н. Влияние параметров вакуум-плазменнот лапыпения на триботех-іические свойства многокомпонентного покрытия// Вестник ХГПУ. - 1999. - №63, -:. 119-123.

4. Остапчук В.Н., Тимофеева Л.А., Глушкова Д Б. Расширение функциональных ха-актеристик экологично чистых технологий// Сучасне машинобудування. - 1999. - №1. -:.65-67.

5.Рішення про видачу патенту України на винахід, МКЧ6Г16СЗЗ/04, С23С14/48, :23С14/32, С23С4/12 / В.М.Остапчук, Р.О.Ровенський, Л.А.Тимофеева, Д.Б.Глушкова за аявкою №99126823 від 15.12.99 р.

6. Тимофеева Л.А., Глушкова Д.Б., Остапчук В.Н. Восстановление вкладышей под-іипников коленчатых валов высокофорсированных двигателей методом вакуум-лазменного напыления // Международная конференция-семинар "Материалы, техноло-ія, оборудование и инструменты в машиностроении", г. Киев. - 1999. - С.10.

7. Глушкова Д.Б., Тимофеева Л.А., Саппа Ж.В.. Остапчук В.Н. Новая технология -овые возможности в машиностроении// Международная конференция "Технологии ре-онта машин, механизмов и оборудования", г. Алушта. - 1999. - С.6.

8. Тимофеева Л.А., Остапчук В.Н. Методика дефектоскопического контроля дета-ей и узлов транспортных средств II Международная конференция "Современные методы

средства неразрушающего контроля и технической диагностики", г. Ялта, октябрь. -999.-С. 14. . .

АНОТАЦІЇ

Остапчук В.М. "Технологічні засоби підвищення працездатності підшипників ковзан ня транспортних дизелів" - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахої 05.02.08 - технологія машинобудування, Харківський державний політехнічний універси тет, м. Харків, 2000 р.

Дисертаційна робота присвячена питанню розробки і впровадження екологічно чис того високопродуктивного засобу при виготовленні та відновленні підшипників ковзанні транспортних дизелів, що забезпечує підвищену їхню працездатність і зносостійкість.

Встановлено, що теоретично обгрунтований і експериментально підтвердженні взаємозв'язок технологічних параметрів запропонованого засобу з тріботехнічними влас тивостями підшипників ковзання. Запропонований технологічний процес не тільки вигото влення підшипників ковзання, але й їх відновлення, основні результати роботи отрималі промислове впровадження при відновленні вкладишів з покращеними експлуатаційнимі характеристиками.

Ключові слова: зносостійкість, вакуум-плазмове напилення, аналіз, підшипник ков зання, тріботехнічні властивості, коефіцієнт тертя.

Ostapchuk V.N. The technological methods of increasing serviceability of transport die sels plain bearings. - Manuscript.

The thesis on the searching for the degree of Candidate of Technical Sciences on the specialty “The Manufacturing Engineering", Kharkov’s Politechnical University, Kharkov, 2000.

The work is devoted to the question of the development and introduction of the ecologi cally pure and high-productive method when plain bearings are making and restorating, which supports the increasing of their serviceability and wear resistance.

It was established that the relation between the technological parameters of the methoc which is proposed and the tribotechnical properties of the plain bearings are theoretically anc experimentally verificated.

It was supposed the manufacturing process not only for making but for restoring the plair bearing

The main results of the work have been introduced in the industrial practice when th€ plain bearings with the improved using characteristics are restoring.

Keywords: wear resistance, vacuum-plasma spraying, plain bearing, tribotechnical prop erties. friction coefficient.

Остапчук В.Н. «Технологические методы повышения работоспособности подшипников скольжения транспортных дизелей» - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения, кафедра технологии машиностроения и металлорежущие станки, Харьковский государственный политехнический университет, г. Харьков, 2000 г.

Диссертационная работа посвящена вопросу разработки и внедрения экологически чистого высокопродуктивного метода при изготовлении и восстановлении подшипников скольжения транспортных дизелей, который обеспечивает повышенную их работоспособность и износостойкость.

Изучение условий работы и причин выхода из строя вкладышей подшипников, а также анализ существующих способов нанесения покрытий позволил сделать заключение о возможности применения вакуум-плазменного метода для изготовления и восстановления изношенных рабочих слоев вкладышей.

Основными трудностями при получении покрытий из многокомпонентных катодов вакуум-ллазменным методом являются: формирование покрытий, имеющих элементный состав, аналогичный составу исходного материала, а также получение структуры покрытий, которая обеспечивает максимально высокие эксплуатационные свойства. .

При получении плазменных покрытий на основе баббита вероятно значительное отличие состава покрытия от состава катода за счет сильного различия коэффициентов испарения компонентов баббита. Но процессом изменения состава можно управлять варьированием как температурой подложки, так и энергией осаждающихся частиц, для эпределения которых проводились исследования. При этом учитывалось, что структура антифрикционных покрытий должна представлять собой мягкую пластичную матрицу с зключениями твердых фаз.

Определены оптимальные технологические параметры нанесения плазменных по-<рытий на вкладыши подшипников.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена взаимосвязь техно-погических параметров предложенного метода с триботехническими свойствами подшипников скольжения.

Изучение особенностей вакуум-плазменной технологии при формировании многодойного антифрикционного покрытия на рабочей поверхности вкладышей позволило эешить проблему восстановления изношенных вкладышей подшипников коленчатых еа-юв тяжелонагруженных дизелей, что сэкономит значительные материальные ресурсы, а также позволит заменить вредный гальванический процесс нанесения антифрикционных юкрытий, исследуемый при изготовлении вкладышей, экологически чистым.

Лабораторными исследованиями установлено, что показатели свойств рабочих слоев вкладышей, нанесенных разработанным методом, превосходят показатели тех же свойств серийных вкладышей, изготовленных гальваническим методом, в частности:

- показатели адгезии выше в 3 раза;

- износостойкость выше в 2 раза.

Для установления связей между условиями восстановления изношенных слоев вкладышей их микроструктурой и эксплуатационными характеристиками проводили мик-рорентгеноспектральные исследования. Показано, что у образцов с поверхностным слоем, восстановленным гальваническим методом, на границе между основой и покрытием наблюдается переходная зона, в которой кроме меди и свинца, обнаружено железо, диффундирующее из стальной основы. Наличие этой зоны ослабляет адгезионное взаимодействие между нанесенным покрытием и основой.

При восстановлении вкладышей вакуум-плазменным методом полностью отсутствует переходная зона и перемещение элементов, в частности железа, из основы в покрытие. Это объясняется особенностями этого метода и делает его доминирующим среди существующих методов изготовления вкладышей.

Результаты стендовых и производственных испытаний подтвердили целесообразность разработанного метода.

Основные результаты работы получили промышленное внедрение при восстановлении вкладышей с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Ключевые слова: износостойкость, еакуум-плазменное напыление, анализ, подшипник скольжения, триботехнические свойства, коэффициент трения.