Интенсификация процессов приработки цилиндро-поршневой группы отремонтированных дизельных двигателей путем финишной обработки гильз цилиндров антифрикционными материалами
На правах рукописи
ПАНКРАШЕВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПРИРАБОТКИ
ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ
ОТРЕМОНТИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ПУТЕМ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ
АНТИФРИКЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического обслуживания в
сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург-Пушкин 2010 2
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сковородин Василий Яковлевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ожегов Николай Михайлович кандидат технических наук Иванов Дмитрий Николаевич
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им. С.М. Кирова» (СПбГЛТА)
Защита состоится «08» июня 2010 г. в 13.30ч на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, г. Санкт-Петербург – Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2, СПбГАУ, ауд. 2.719.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт Петербургский государственный аграрный университет».
Автореферат размещен на сайте ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»: www.spbgau.ru Автореферат разослан «07» мая 2010 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Смирнов В.Т.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одним из факторов, определяющих долговечность двигателей, является состояние поверхностей трения. Известно, что износостойкость зависит от финишной (окончательной) технологической обработки поверхностей деталей. Имеются экспериментальные исследования по влиянию шероховатости поверхностей трения на интенсивность изнашивания. Для широко распространенных сочленений выявлены оптимальные значения параметров шероховатости, при которых износ деталей минимален. Установлено, что от финишной обработки деталей зависит не только первоначальный (приработочный) износ, но и установившийся износ, т.е. первоначальная приработка может влиять на интенсивность изнашивания при длительной эксплуатации машин. Прежде всего, это относится к деталям цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
При формировании поверхностей трения необходимо обеспечивать получение оптимальных триботехнических характеристик сопрягаемых поверхностей, таких как низкий коэффициент трения, высокая износостойкость, оптимальные физико-механические свойства. В значительной степени они определяются способами обработки поверхностей трения. В последнее время разработаны новые технологические процессы финишной обработки, которые позволяют снизить приработочный износ и повысить антифрикционные свойства (повысить смазку деталей, снизить коэффициент трения и т.д.), а также уменьшить время приработки пар трения.
Однако, анализ информации, полученной из печатных и электронных источников, дает возможность утверждать, что не все резервы интенсификации процессов приработки ЦПГ в части применения новых способов финишной обработки гильз цилиндров исчерпаны.
В последнее время быстро развивается рынок разнообразных антифрикционных материалов, присадок и добавок в масла, которые образуют защитные пленки на трущихся поверхностях. Возможность применения таких препаратов для придания рабочим поверхностям гильз оптимальных триботехнических характеристик на этапе их окончательной обработки при ремонте или изготовлении ДВС мало изучена. Поэтому влияние обработки гильз цилиндров различными антифрикционными материалами при ремонте или изготовлении ДВС на характеристики рабочих поверхностей и процессы приработки сопряжений является актуальной темой для исследований.
Цель исследования. Совершенствование процессов приработки ЦПГ путем применения финишной обработки гильз цилиндров антифрикционными материалами.
Объект исследования. Процесс трения в сопряжении «гильза-поршневое кольцо» при приработке ЦПГ.
Предмет исследования. Антифрикционные и противоизносные свойства поверхностей трения гильзы и кольца, обработанных разными препаратами.
Научная новизна. Научную новизну представляют:
технология финишной обработки гильз цилиндров антифрикционными материалами;
методика оценки эффективности применения антифрикционных материалов при проведении финишной обработки гильз цилиндров капитально отремонтированных дизельных двигателей;
данные по изменению параметров шероховатости гильз цилиндров и параметров приработки пары трения «кольцо - гильза цилиндра» дизельного двигателя Д-240 при проведении стендовой обкатки после хонингования гильз цилиндров и после их финишной обработки антифрикционными материалами.
Практическая ценность работы. Практическая значимость работы заключается в рекомендациях по применению специальных антифрикционных материалов и рациональных режимов при проведении финишной обработки гильз цилиндров отремонтированных дизельных двигателей. Данная обработка позволяет обеспечить дополнительную подготовку рабочих поверхностей гильз к восприятию высоких нагрузок, повысить скорость приработки ЦПГ, уменьшить интенсивность изнашивания в период приработки, снизить значение величины коэффициента трения, снизить приработочный износ, получить параметры шероховатости трущихся поверхностей, соответствующие параметрам после холодной обкатки по типовой технологии.
Апробация. Основные положения и результаты исследований представлены, обсуждены и одобрены на ежегодных научных конференциях Санкт-Петербургского государственного аграрного университета в 2005– гг.
Внедрение. Материалы исследований приняты для разработки новых составов композиций в ООО «ПИОТР» (Санкт-Петербург). Результаты исследований используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.
Публикации. По результатам исследований опубликованы пять статей, в том числе три – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка литературы из 127 наименований и приложения, изложена на 127 страницах, включает 18 таблиц и 43 рисунка.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены условия работы и вопросы приработки ЦПГ (нанесение приработочных покрытий, формирование поверхностей трения при обкатке);
произведены обзоры: технологических приемов увеличения долговечности гильз и уменьшения износа их трущихся поверхностей;
различных способов финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО);
современных антифрикционных материалов, принципов их действия, положительных и отрицательных сторон их применения.
Исследованием процессов приработки трущихся поверхностей при проведении обкатки ДВС, способов обработки рабочих поверхностей деталей ЦПГ, вопросов применения различных антифрикционных материалов занимались многие ученые. Данным темам посвятили свои научные работы следующие авторы: С.Г. Арабян, В.И. Балабанов, Н.С. Ждановский, В.Ф. Карпенков, В.С. Комбалов, В.Н. Кузьмин, В.Н. Листовский, И.А. Мишин, С.С. Некрасов, С.А. Оводов, Л.И. Погодаев, Польцер Г., В.Н. Попов, Э.В.
Рыжов, В.В. Стрельцов, В.И. Цыпцин и многие другие.
Анализ проведнных исследований показывает, что, несмотря на очень большое число работ, посвящнных повышению качества и уменьшению времени приработки трущихся поверхностей двигателей, некоторые вопросы требуют дальнейшего изучения. В частности, мало представлено исследований по применению новых методов финишной обработки гильз цилиндров на основе различных антифрикционных материалов с целью интенсификации процессов приработки ЦПГ.
Исходя из вышеизложенного, поставлены следующие задачи исследования:
обосновать возможность уменьшения времени приработки ЦПГ и приработочного износа гильз цилиндров с помощью их финишной обработки антифрикционными материалами;
разработать технологию финишной обработки гильз цилиндров антифрикционными материалами;
разработать рекомендации для применения антифрикционных материалов, используемых при финишной обработке гильз цилиндров;
исследовать закономерности изменения параметров шероховатости рабочей поверхности гильзы и процесса приработки пары трения «кольцо гильза цилиндра» в зависимости от применяемых материалов при финишной обработке гильз.
Во второй главе «Расчетно-теоретическое обоснование уменьшения времени приработки и приработочного износа гильз цилиндров в результате применения финишной обработки антифрикционными материалами» дается теоретический анализ влияния финишной обработки с применением специальных материалов на приработку пары трения «кольцо-гильза цилиндра»
двигателя Д-240.
При скольжении контактирующих поверхностей вначале идет процесс приработки, сопровождающийся изменением микрогеометрии, в результате которого устанавливается некоторая постоянная шероховатость, характерная для данных условий трения. В процессе приработки меняются также физико механические свойства поверхностных слоев, поскольку в контакте обычно преобладают пластические деформации. Поэтому, исходя из начальной микрогеометрии и исходных свойств поверхностей, можно определить характеристики контакта только в начальный период приработки. Процесс приработки можно рассматривать как постепенное увеличение опорной поверхности и упругой составляющей площади контакта, уменьшение доли пластической, вследствие чего суммарный износ снижается.
Процесс приработки можно оценивать по изменению опорной кривой.
Опорная кривая характеризует распределение материала по высоте шероховатого слоя и играет важную роль при расчетах площадей шероховатых тел. По данным Н.Б. Демкина и И.В. Крагельского начальная часть опорной кривой может быть представлена в виде:
(1) где tp – параметр относительной опорной длины профиля;
lр – суммарная длина сечений выступов на уровне р, мм;
l – базовая длина профиля, мм;
Ар – площадь сечения выступов на уровне р, мм2;
Ас – номинальная площадь, мм2;
b и – коэффициенты степенной аппроксимации опорной кривой (получаются путем соответствующей обработки профилограмм поверхностей);
а – расстояние от линии выступов до уровня сечения, мкм;
Rmax – максимальная высота неровностей профиля, мкм.
Зависимость (1) хорошо аппроксимирует начальный участок опорной кривой (до средней линии профиля шероховатости).
Ориентировочные значения параметров шероховатости гильзы на разных этапах ее обработки и обкатки, используемые для расчетов опорной кривой, представлены в табл. 1, которая составлена по данным В.С. Комбалова, Э.В. Рыжова и С.А. Оводова, а также полученным в ходе предварительных экс периментов.
Таблица 1. Значения параметров шероховатости гильзы для расчета опорной кривой Rmax, Ra, Этап обработки r, мкм b мкм мкм После хонингования 4,7 0,65 15 0,7 1, После финишной обработки спе 2,4 0,27 30 1,4 1, циальными препаратами После стендовой обкатки 2,3 0,25 35 2,0 2, На рис. 1 представлены расчетные значения начального участка опорной кривой.
a /Rmax tp Рисунок 1. Расчетные значения начального участка опорной кривой Рис. 1 иллюстрирует, что опорная длина профиля поверхности гильз увеличивается приблизительно в 2 раза после финишной обработки антифрикционными материалами (как и после стендовой обкатки) по сравнению с поверхностью гильзы после хонингования. Исходя из этого можно утверждать, что после финишной обработки увеличивается фактическая площадь контакта и, соответственно, уменьшается давление поршневых колец на гильзу цилиндра.
Также процесс приработки можно оценивать по изменению параметров шероховатости. Для гильз цилиндров двигателя Д-240 нормативно-технической документацией нормируется параметр Ra (среднее арифметическое отклонение профиля).
По данным Л.Е. Галстяна изменение среднего арифметического откло нения профиля Ra во время приработки поверхности происходит по гипер болическому закону:
, (2) где Ra(t) – среднее арифметическое отклонение профиля, изменяющееся в зависимости от времени изнашивания, мкм;
Raн – первоначальное значение среднего арифметического отклонения профиля, мкм;
t – время приработки, ч;
k – коэффициент зависящий от времени приработки.
Используя эмперическую формулу Боше, был выражен коэффициент k:
, (3) где f - коэффициент трения скольжения (безразмерный), с течением времени f снижается и для разного времени приработки t будет разный;
с – коэффициент (для металлов с =34);
– скорость поршня, м/с (принята скорость = 3,36 м/с).
Для расчета коэффициента трения при приработке ЦПГ и изменения интенсивности изнашивания в процессе приработки использовались данные, полученные С.А. Оводовым.
После проведения предварительных лабораторных испытаний, были выведены зависимости коэффициента трения f от времени приработки для разных способов обработки рабочей поверхности гильз. При начальном коэффициенте трения f = 0,1 на масле М-10Г2 были получены зависимости коэффициента трения при приработке после хонингования fх и после финишной обработки антифрикционными материалами fф от времени t:
fх = 0,1006-0,0414t+0,0246t2-0,0050t3;
(4) fф = 0,0691-0,0422t+0,0343t2-0,0089t3. (5) Подставляя формулы (4) и (5), а также значения с = 3,5 и = 3,36 м/с в зависимость (3), а затем полученную формулу в зависимость (2), были получены формулы для расчета Ra(t):
Rax=(t/(1,183-0,487t+0,289t2-0,059t3) + 1/Raнх)-1 ;
(6) Raф=(t/(0,813-0,496t+0,403t2-0,105t3) + 1/Raнф)-1, (7) где Rax, Raф – среднее арифметическое отклонение профиля, изменяющееся в зависимости от времени приработки, гильз после хонингования и после финишной обработки антифрикционными материалами мкм.
Зависимости (6) и (7) представлены графически на рис. 2 при: начальном значении для приработки после хонингования Raнх=0,65 мкм, начальном значении для приработки после финишной обработки антифрикционными материалами Raнф=0,27 мкм.
Шероховатость Ra, мкм Время приработки, ч Рисунок 2. Зависимость среднего арифметического отклонения профиля от времени приработки Расчетно-теоретический анализ процесса приработки гильз цилиндров по зволил сделать следующие выводы:
финишная обработка гильз цилиндров увеличивает опорную поверхность в 2-2,5 раза (см. рис. 1), при этом значения опорной кривой после финишной обработки близки к ее значениям после стендовой обкатки ЦПГ;
коэффициент трения и шероховатость в начале процесса приработки ЦПГ в случае предварительной обработки гильз антифрикционными материа лами, равны значениям этих параметров в конце стендовой обкатки ЦПГ в случае, когда гильзы после хонингования (см. рис. 2);
поскольку интенсивность изнашивания прямопропорционально зависит от коэффициента трения и давления в паре трения, то финишная обработка ан тифрикционными материалами снижает приработочный износ, что влияет на долговечность гильз;
исходя из вышесказанного, можно утверждать, что финишная обработка гильз цилиндров антифрикционными материалами позволяет интенсифициро вать процесс приработки ЦПГ, что выражается в уменьшении времени приработки и приработочного износа.
В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» изложена общая методика исследований, методика проведения испытаний, а также дан анализ оценочных параметров, используемых при испытаниях. Программа ис следований включала лабораторные и стендовые испытания.
Лабораторные исследования проводились в два этапа: 1) по выбору и оптимизации режима обработки антифрикционными материалами гильз цилиндров двигателя Д-240, 2) по выбору антифрикционных материалов, обеспечивающих наилучшие результаты финишной обработки гильз цилиндров. Оба этапа лабораторных исследований проводились на серийном вертикально-сверлильном станке 2А125 с применением разработанных устройств для фрикционно-механической обработки рабочей поверхности гильзы и для крепления гильз двигателя Д-240. Обработка гильз производилась натиранием (с применением брусков из латуни) антифрикционными материалами, содержащимися в смазочной среде (моторном масле).
При моделировании число реализаций определялось из условия получения ошибки не более 0,05. При этом использовался метод статистического моделирования.
На первом этапе лабораторных исследований по выбору режима обработки гильз в качестве факторов были приняты: время обработки t, окружная скорость натирающих брусков и контактное давление P. Диапазон изменения времени обработки при выяснении ее оптимального режима принимался от 5 до 30 мин.
Верхнее значение времени выбрано исходя из того, что бльшая продолжительность обработки на этапе внедрения в производство существенно бы увеличивала общее время обработки гильз цилиндров двигателя и влияла бы на экономическую целесообразность применения данной операции. Окружная скорость изменялась от 0,56 до 7,83 м/с, а контактное давление от 0,1 до 4,2 МПа. Данные интервалы были выбраны исходя из технических характеристик оборудования.
На втором этапе лабораторных исследований по определению наиболее эффективных антифрикционных материалов использовались гильзы двигателя Д-240, которые обрабатывались различными материалами на режиме, определенном на первом этапе испытаний. Материалы для проведения испытаний были выбраны следующие: Liqui Moly Oil Additiv (Ликви), RVS Engine Treatment (РВС), СУРМ ускоренная обкатка (СУРМ-УО), Renom Engine (Реном), Ресурс, E3000 (Энергия), композиция ТСК-В100+СУРМ-КВ (ТСК+СУРМ). Их выбор происходил на основе их принадлежности к различным группам по составу и механизму действия. Композиции масла с выбранными материалами по концентрации были составлены согласно инструкциям производителей.
Эффективность обработки оценивалась с помощью измерения параметров шероховатости поверхности. Измеряли следующие параметры шероховатости:
Ra, Rz, Rmax. Измерения производились до обработки гильзы (после хонингования) и после обработки антифрикционными материалами. Путем сравнения и анализа этих параметров, по минимизации шероховатости выяснялись рациональные значения режима обработки и эффективные материалы.
Стендовые испытания проводились на стенде, моделирующем процесс приработки деталей ЦПГ при холодной обкатке, разработанном на кафедре «Надежность и технический сервис машин» СПбГАУ.
В качестве объекта исследования использовалась цилиндропоршневая группа дизельного двигателя Д-240. В данной части исследований использовались гильзы, обработанные на режиме, определенном на первом этапе лабораторных исследований, материалами, определенными на втором этапе лабораторных исследований.
В качестве смазочного материала для проведения приработки выбрано моторное масло М-10Г2 ГОСТ 8581-78, которое применяется при работе дизельного двигателя Д-240.
При проведении стендовых исследований контролировались следующие параметры:
механические потери на трение, для измерения которых в электрическую схему стенда был включн трехфазный счетчик электроэнергии с функцией измерения текущей мощности потерь;
температура в зоне трения измерялась с помощью хромелькопелевой термопары ТХК, которая соединялась с входным датчиком микропроцессорного программируемого измерителя типа 2ТРМОА-Щ1.ТП с классом точности 0,5;
давление сжатия контролировалось манометром;
шероховатость поверхности измерялась при помощи пертометра М2.
Значения механических потерь, температуры и давления сжатия измерялись в течение всего времени эксперимента, а значения параметров шероховатости измерялись до и после его проведения.
В четвертой главе «Экспериментальные исследования» представлены результаты лабораторных и стендовых испытаний.
Для определения оптимального режима обработки гильз цилиндров двигателя Д-240 был использован метод планирования многофакторного эксперимента. В качестве плана эксперимента был использован центральный ротатабельный композиционный план, который позволил получить математические модели влияния факторов, определенных в третьей главе (время t, скорость, нагрузка P), на принятые функции отклика: Ra – среднеарифметическое значение отклонений профиля поверхности, Rz – высота профиля по десяти точкам.
После проведения всех опытов согласно плана трехфакторного эксперимента, проводились измерения параметров шероховатости поверхности обработанных поясов гильз. При обработке данных были получены модели Ra = f (t,, P) и Rz = f (t,, P) после чего производилась проверка их адекватности и статистической значимости коэффициентов. Проверку статистической значимости коэффициентов модели проводили с помощью критерия Стъюдента. Проверка адекватности осуществлялась по критерию Фишера.
В результате анализа коэффициентов на статистическую значимость и полиномов на адекватность, модели приняли вид:
Ra=1,731-0,024t-0,021-0,718P-0,005t+0,032P+0,002tP+0,001t2-0, 2+0,093P2;
(8) Rz=9,987-0,202t+0,376-3,724P-0,03t+0,04P+0,019tP+0,007t2-0, 2+0,522P2, (9) при t = 530 мин, = 0,567,83 м/с, P = 0,14,2 МПа.
В результате анализа полученных уравнений и решения оптимизационной задачи методом наискорейшего спуска были получены параметры режима обработки, соответствующего минимальному значению шероховатости (табл. 2).
Таблица 2. Рациональные параметры режима обработки гильз цилиндров антифрикционными материалами и значения параметров шероховатости Время, мин Скорость, м/с Нагрузка, МПа Параметры шероховатости, мкм t P Ra Rz 22 5,53 2,95 0,27 2, Анализ моделей (8) и (9) показал, что скорость обработки выше 4 м/с мало влияет на параметры шероховатости. Для наглядного представления характера зависимостей Ra и Rz от факторов были получены модели зависимостей Ra = f (t, P) и Rz = f (t, P) при = const = 5,53 м/с, которые выражены в виде трехмерных графиков на рис. 3.
1 0,8 0, 0, а б Рисунок 3. Зависимости параметров шероховатости от времени обработки t и нагрузки Р при скорости инструмента = 5,53м/с: а - Ra, б - Rz Наиболее наглядно влияние финишной обработки гильз цилиндров на микрогеометрию их рабочих поверхностей иллюстрируют профилограммы, представленные на рис. 4. В результате обработки профилограмм было выяснено, что опорная длина профиля поверхности гильз увеличивается в 2-2, раза после финишной обработки по сравнению с поверхностью гильзы после хонингования, исходя из чего можно утверждать, что экспериментальные данные соответствуют расчетным, определенным в главе 2.
а б Рисунок 4. Профилограммы поверхности гильз цилиндров:
а - после финишной обработки антифрикционными материалами, б - до обработки В результате анализа уравнений регрессии с помощью метода наискорейшего спуска и анализа характера этих зависимостей были приняты следующие рациональные параметры режима обработки: 1) время обработки t=20 мин (диапазон 18-30 мин), 2) скорость инструмента =5,5 м/с (диапазон 4,0-7,6 м/с), 3) нагрузка инструмента на гильзу P=3 МПа (диапазон 2,0-3, МПа).
Предварительная оценка влияния материалов на изменение микрогеометрии поверхности гильз при их финишной обработке и выбор наилучших материалов, применяемых для обработки, произведены на основе однофакторного эксперимента с восемью уровнями. Уровни фактора имеют качественный характер. Эффективность применения материалов оценивалась по минимизации значений параметров шероховатости обработанной поверхности.
В качестве функций отклика выбраны:
среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости поверхности гильзы Ra;
средняя высота неровностей профиля по десяти точкам Rz;
максимальная высота неровностей профиля Rmax.
Как было сказано, для оценки эффективности применения материалов при финишной обработке гильз цилиндров были отобраны следующие: Liqui Moly Oil Additiv (Ликви), RVS Engine Treatment (РВС), СУРМ ускоренная обкатка (СУРМ УО), Renom Engine (Реном), Ресурс, E3000 (Энергия), ТСК В100+СУРМ-КВ (ТСК+СУРМ).
После обработки данными препаратами проводились измерения параметров шероховатости поверхности обработанных поясов гильз, результаты которых приведены на рис. 5.
1, 1, 1, 1, Ra, отн.ед.
1, 0, 0, 0, 0,6 Среднее значение Стандарт. ошибка 0, Стандарт. отклонение 0, Необр. Р еном Р ВС Энергия Масло Ликви СУР М УО Р есурс Т СК и СУР М а 1, 1, 1, 1, Rz, отн.ед.
1, 1, 0, 0, 0, Среднее значение Стандарт. ошибка 0, Стандарт. отклонение 0, Необр. Р еном Р ВС Энергия Масло Ликви СУР М УО Р есурс Т СК и СУР М б 2, Среднее значение 1, Стандарт. ошибка Стандарт. отклонение 1, Rmax, отн.ед.
1, 1, 1, 0, 0, 0, Р еном Необр. Р ВС Энергия Масло Ликви СУР М УО Р есурс Т СК и СУР М в Рисунок 5. Параметры шероховатости после финишной обработки гильз цилиндров антифрикционными материалами: а - Ra, б - Rz, в - Rmax Для обработки результатов эксперимента был использован дисперсионный анализ, который сводился к выявлению влияния обработки гильз цилиндров различными материалами на величину функций откликов. Для анализа опытных данных производилась проверка однородности дисперсий с помощью критерия Кохрена. Далее производилась проверка по критерию Фишера. По критерию Кохрена было определено, что дисперсии однородны, а по критерию Фишера с вероятностью 0,95 было доказано влияние обработки материалами ТСК+СУРМ, СУРМ-УО и РВС на шероховатость поверхности.
После определения рационального режима обработки и эффективных материалов были проведены стендовые испытания. Гильзы двигателя Д- были предварительно обработаны композициями с материалами ТСК+СУРМ, СУРМ-УО и РВС на выбранном режиме. Каждый эксперимент продолжался 150 мин. В процессе проводились измерения температуры, мощности, давления сжатия.
Температура в процессе приработки сначала увеличивается, а затем, после формирования оптимальных характеристик поверхностей трения в данных условиях, стабилизируется на определенном уровне, что означает наступление равновесного состояния процесса трения и окончания процесса приработки.
Экспериментальные данные показали, что температура при обкатке гильзы, обработанной РВС, стабилизировалась на значении 38 оС (после мин. опыта);
гильзы, обработанной ТСК+СУРМ, на значении 37 оС (после мин. опыта);
гильзы, обработанной СУРМ-УО, на значении 36,5 оС (после мин. опыта);
необработанной гильзы (после хонингования) на значении 40 оС (после 110 мин. опыта). Это позволило сделать вывод о том, что финишная обработка гильз цилиндров препаратами РВС, ТСК+СУРМ и СУРМ-УО не ведет к увеличению температуры в зоне трения при обкатке ЦПГ.
Мощность механических потерь также служит объективным критерием процессов в паре трения. В ходе приработки механические потери постепенно уменьшаются и стабилизируются при окончании процесса.
После получения данных по мощности механических потерь, они были обработаны, в результате чего построены графики зависимости механических потерь от времени приработки, представленные на рис. 6. Он иллюстрирует, что значения механических потерь (соответственно и коэффициент трения) при приработке пары трения «кольцо-гильза» после предварительной обработки материалами РВС, ТСК+СУРМ и СУРМ-УО, в начальный период процесса приработки ниже, чем механические потери в конце периода стендовой приработки необработанной гильзы на 5-19%.
Также в процессе эксперимента измерялось значение давления сжатия, среднеарифметическое значение которого показывает его увеличение при испытаниях гильз, обработанных антифрикционными материалами: на 5% для обработки RVS, на 8% для обработки ТСК+СУРМ, на 7% для обработки СУРМ-УО по сравнению с необработанной гильзой.
Р Р ВС = 67,6-7,8•log10(t) Мех. потери в паре трения P, Вт Р необр. = 99,5-12,1•log10(t) Обработка Р ВС Без обработки 0 20 40 60 80 100 120 Времяt, мин а Мех. потери в паре тренияP, Вт •log10( P ТСК+СУР М = 80,3-14,8 t) •log10( P необр. = 99,5-12,1 t) Обработка Т СК+СУР М Без обработки 0 20 40 60 80 100 120 Времяt, мин б Мех. потери в паре трения Р, Вт РСУР М-УО •log10( =64,3-6,9 t) Рнеобр.=99,5-12, •log10(t) Обработка СУР М-УО Без обработки 0 20 40 60 80 100 120 Времяt, мин в Рисунок 6. Зависимости механических потерь от времени приработки гильз, обработанных: а - РВС, б - ТСК+СУРМ, в - СУРМ-УО в сравнении с необработанной гильзой Одним из важнейших параметров, по которому можно оценивать приработку деталей является шероховатость поверхности, поэтому были проведены исследования микрогеометрии рабочих поверхностей. До и после проведения стендовых исследований были проведены измерения параметров шероховатости рабочей поверхности гильз цилиндров двигателя Д-240 с применением пертометра М2, результаты которых иллюстрирует рис. 7.
1, 1, 0, Ra, отн.ед.
0, Среднее значение 0, Стандарт. ошибка Стандарт. отклонение 0, 0, Без обработки Обраб. РВС Обраб. СУРМ УОПрираб. Т СК и СУРМ Прираб.без обраб. Обраб.Т СК и СУРМ Прираб. РВС Прираб. СУРМ УО Рисунок 7. Параметр шероховатости Ra рабочей поверхности гильз цилиндров при финишной обработке антифрикционными материалами и приработке Наиболее наглядно можно увидеть различия шероховатости поверхностей при приработке гильз после финишной обработки антифрикционными материалами и при приработке гильз без финишной обработки из профилограмм, приведенных на рис. 8 (масштаб профилограмм одинаковый).
а б в г Рисунок 8. Профилограммы рабочей поверхности гильз после приработки:
а, б, в – обработанных РВС, ТСК+СУРМ и СУРМ-УО соответственно, г – без финишной обработки Из профилограмм (см. рис. 8) следует, что при финишной обработке материалами РВС, ТСК+СУРМ, СУРМ-УО увеличиваются опорная поверхность и радиус вершин профиля при приработке. Это способствует уменьшению контактного давления и возможности увеличения нагрузок в паре трения «гильза-поршневое кольцо».
Исследуя микрогеометрию рабочих поверхностей гильз цилиндров двигателя Д-240 (см. рис. 7) можно сделать вывод о целесообразности включения операции их финишной обработки композициями ТСК+СУРМ-КВ, СУРМ-УО и РВС, т.к. после данной обработки значения параметров шероховатости находятся на таком же уровне, как и после стендовой обкатки по типовой технологии (гильз после хонингования), а после приработки поверхностей снижаются еще на 20-25%.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Анализ работ и данных в научных литературных и электронных источниках, направленных на исследование применения различных материалов, добавок и присадок к маслам, позволяет сделать вывод, что их применение в основном ограничивается этапами эксплуатации, стендовой и эксплуатационной обкатки. Научных работ по изучению применения антифрикционных материалов на этапе обработки деталей ДВС, лимитирующих ресурс, мало, несмотря на то, что такая обработка позволяет сократить время проведения обкатки и улучшить приработку трущихся поверхностей ДВС.
2. Теоретический расчет параметров рабочей поверхности гильзы цилиндра двигателя Д-240 при их финишной обработке с применением специальных антифрикционных материалов показал увеличение опорной поверхности в 2 раза (с 0,2 до 0,4 от номинальной площади поверхности на уровне средней линии профиля) и получение шероховатости Ra=0,27 мкм, что близко к значениям после стендовой обкатки. Это доказывает возможность применения данной обработки с целью уменьшения времени приработки ЦПГ и улучшения характеристик прирабатываемых поверхностей.
3. Финишную обработку гильз цилиндров двигателя Д- антифрикционными материалами следует проводить при контактном давлении рабочего инструмента (латунных брусков) на поверхность гильзы – 3 МПа, скорости рабочего инструмента – 5,5 м/с, времени обработки гильзы – 20 мин.
4. Финишная обработка гильз с применением композиций ТСК-В100+СУРМ КВ, СУРМ-УО и РВС позволяет: а) снизить механические потери на трение в ЦПГ на 5-19% в начале процесса обкатки после обработки по сравнению с механическими потерями в конце холодной обкатки без финишной обработки гильз, б) получить параметры шероховатости после финишной обработки такие же, как после холодной обкатки без дополнительной обработки гильз, в) увеличить опорную поверхность в 2 2,5 раза (с 0,2-0,25 до 0,4-0,5 от номинальной площади поверхности на уровне средней линии профиля), что подтверждает расчетные данные.
5. Окончательная обработка гильз композициями на основе антифрикционных материалов ТСК-В100+СУРМ-КВ, СУРМ-УО и РВС позволяет обеспечить значения параметров рабочей поверхности гильз (уменьшение шероховатости, увеличение опорной поверхности) приближающиеся к их значениям после холодной обкатки, следовательно позволяет увеличить контактные нагрузки в сопряжении «гильза поршневое кольцо» после данной обработки и уменьшить время стендовой обкатки (до значений, необходимых для приработки других сопряжений двигателя).
6. Применение финишной обработки гильз цилиндров антифрикционными материалами позволяет увеличить ресурс ЦПГ отремонтированных двигателей на 10-15% за счет снижения приработочного износа.
ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
В изданиях, рекомендованных ВАК 1. Панкрашев, А.С. Определение оптимального режима обработки гильз цилиндров ДВС антифрикционными добавками [Текст] / А.С. Панкрашев // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета :
ежеквартальный научный журнал / [Гл. ред. М.В. Москалев]. – 2009. – №17. – С. 210-215.
2. Панкрашев, А.С. Исследование процесса приработки цилиндров ДВС, обработанных антифрикционными материалами [Текст] / А.С. Панкрашев // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета :
ежеквартальный научный журнал / [Гл. ред. М.В. Москалев]. – 2010. – №18. – С. 252-258.
3. Сковородин, В.Я. Финишная обработка гильз цилиндров ДВС с применением антифрикционных материалов [Текст] / В.Я. Сковородин, А.С.
Панкрашев // Труды всероссийского научно-исследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машино-тракторного парка (ГНУ ГОСНИТИ) / Редкол. : Черноиванов В.И. [и др.]. – 2010. – № 105. – С. 80-83.
В других изданиях научных трудов 4. Ковалев, В.А. Методика нанесения приработочных покрытий на гильзы цилиндров ДВС [Текст] / В.А. Ковалев, А.С. Панкрашев // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования : сборник научных трудов / [Отв. за вып. М.В. Москалев]. – СПб : СПбГАУ, 2008. – С. 113-115.
5. Сковородин, В.Я. Применение антифрикционных материалов для финишной обработки гильз цилиндров ДВС [Текст] / В.Я. Сковородин, А.С.
Панкрашев // Ресурсосберегающие технологии и технические средства в агропромышленном комплексе : материалы международной научно практической конференции Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии / [Редкол. : Лисунов Е.А., Ретивин А.Г., Колпаков А.В.]. – Н. Новгород : НГСХА, 2010. – С. 183-189.