Основы технологии ремонта и защиты цилиндровых втулок судовых двигателей эрозионностойкими покрытиями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.04, кандидат технических наук Матвеевский, Олег Олегович

• Матвеевский, Олег Олегович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Матвеевский, Олег Олегович

Введение.

Глава 1. Анализ надежности деталей судовых ДВС в системах охлаждения

1.1 Статистика отказов.

1.2 Идентификация повреждений в системах охлаждения дизелей.

1.3 Характер кавитационно-эрозионного изнашивания ЦВ.

1.4 Сравнительный анализ способов повышения кавитационно - эрозионной стойкости ЦВ ДВС.

1.5 К механизму микроударного нагружения деталей при кавитации.

1.6 Влияние конструкции системы охлаждения и температуры воды на скорость изнашивания втулки.

1.7. Постановка общей и частных задач исследования.

Глава 2. Лабораторное оборудование и методы испытаний материалов

2.1. Стенды для эрозионных испытаний материалов.

2.2. Исследования кавитационно-эрозионной стойкости полимерных материалов и композитов.

2.3 Стойкость нихромовых газотермических покрытий.

Глава 3. Моделирование кавитационно-эрозионной стойкости демпфирующих материалов и покрытий

3.1. Теоретическая модель поведения эластичных покрытий в потоке жидкости.

3.2. Сопоставление результатов моделирования с опытными данными.

Глава 4. Структурно-энергетическая модель надежности материалов и покрытий

4.1. Критерии стойкости материалов и покрытий при ударном внешнем воздействии.

4.2. Экспериментальная оценка работоспособности материалов по новым критериям.

Глава 5. Разработка технологии защиты ИВ ЛВС эластичными покрытиями

5.1 Определение оптимальной толщины синтетического защитного покрытия боковой стенки цилиндровой втулки.

5.2 Технологический процесс нанесения на поверхность втулок синтетического защитного покрытия.

5.3 Стендовые испытания двигателей с штатными и опытными втулками с синтетическим покрытием.

5.4 Результаты натурных испытаний двигателей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Основы технологии ремонта и защиты цилиндровых втулок судовых двигателей эрозионностойкими покрытиями»

Детали цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) в процессе эксплуатации подвергаются весьма жесткому силовому, температурному, гидро- и газообразивному воздействию, а также различным видам изнашивания трибосопряжений поршневые кольца - цилиндровая втулка [7, 8, 12].

Значительное число работ посвящено способам предотвращения кавитационной эрозии блоков цилиндров и втулок со стороны охлаждающей жидкости и еще больше - повышению износостойкости внутренней поверхности втулок, так называемого «зеркала» при трении скольжения в условиях гидродинамической и граничной смазки, а также в режиме полусухого трения при адгезионном и абразивном изнашивании пары втулка - кольцо [12, 19, 27, 28, 32, 33, 34, 38, 39, 40].

Ресурс (долговечность) втулок по допустимой глубине эрозионных раковин на водоохлаждаемой поверхности примерно в четыре раза меньше ресурса по изнашиванию «зеркала». Это означает, что выбраковка цилиндровых втулок ВОД и СОД двигателей во многих случаях производится по кавитационным разрушениям, а не по износу внутренней поверхности. В связи с этим для достижения примерно одинаковой долговечности втулок при изнашивании с наружной и внутренней стороны следует существенно снизить интенсивность эрозии водоохлаждаемых поверхностей ДВС при вибрационной кавитации.

Известны различные способы борьбы с кавитационной эрозией цилиндровых втулок, в основном конструкционного и материаловедческого характера. Целью конструкционных мероприятий является снижение виброактивности втулок, а материаловедческое направление заключается в применении эрозионностойких материалов и покрытий. Практическая реализация указанных мероприятий производится, как правило, без учета режимов эксплуатации ДВС, которые для двигателей одного и того же типа могут быть существенно различными. Так, например, при эксплуатации двигателей 8НФД36 температура охлаждающей воды может изменяться в пределах от 44 до 78 °С. При этом скорость изнашивания «зеркала» втулки уменьшается с ростом температуры охлаждающей воды в три раза, т.е. имеет место квадратичная зависимость [37-40].

Приведенный пример свидетельствует о том, что при недогретом двигателе рабочий процесс может быть далек от оптимального, что сопровождается повышением скорости изнашивания деталей Hill', увеличением расхода топлива и масла.

Очевидно, что при стремлении повысить надежность деталей ЦПГ двигателей наилучшим решением было бы такое, которое одновременно защитило бы втулку от гидроэрозии и обеспечило бы оптимальные условия для протекания рабочего процесса двигателя со всеми вытекающими из такого комплексного решения благоприятными последствиями [40].

При обозначенном комплексном подходе актуальность и значимость проблемы повышения надежности деталей ЦПГ ДВС значительно возрастет. Опыт показывает, что технически эта проблема может быть успешно решена путем разработки состава композиционного эрозионностойкого теплоизоляционного покрытия и технологии его нанесения на водоохлаждаемые поверхности цилиндровых втулок ДВС.

Целью работы является обоснование целесообразности применения предложенной технологии для защиты водоохлаждаемой поверхности цилиндровых втулок от эрозии, повышающей надежность деталей и эффективность эксплуатации судовых ДВС по наиболее важным показателям.

Методы испытаний. При моделировании особенностей воздействия жидких сред на поверхность деталей применялся структурно — энергетический подход; надежность материалов и покрытий оценивалась уровнем энергетических и физико — механических характеристик, в частности - акустическим сопротивлением деформируемых сред. Сравнительные испытания материалов и покрытий производились на магнитострикционных и ударно — эрозионных стендах, адекватно воспроизводящих условия кавитационно — эрозионного изнашивания водоохлаждаемых поверхностей ЦВ в действующих ДВС.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Предложена структурно - энергетическая (гидродинамическая) модель взаимодействия внешней среды с эластичным покрытием, раскрывающая сущность защиты упрочненных деталей от кавитационной эрозии.

2. Разработана методика расчета толщины теплоизоляционного эрозионно стойкого композиционного покрытия по высоте водоохлаждаемой поверхности ЦВ с учетом отличия температуры охлаждающей воды от оптимальной

3. Установлены физико-механические критерии, определяющие поведение металлических материалов, пластмасс и комбинированных покрытий на полимерной основе в условиях динамического воздействия на них неоднородных жидких сред.

Заключение диссертации по теме «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства», Матвеевский, Олег Олегович

Заключение

1. Обоснована методика оценки износостойкости и долговечности материалов и деталей по установленным физико — механическим критериям кавитационно - эрозионной стойкости.

2. Разработана структурно - энергетическая (гидродинамическая) модель взаимодействия внешней среды с эластичным покрытием, раскрывающим сущность защиты упрочненных деталей от кавитационной эрозии.

3. Разработана гидродинамическая модель динамического взаимодействия жидкостей с эластичными поверхностями деталей, объясняющая их повышенную износостойкость за счет локального демпфирования микроударного внешнего воздействия.

4. Разработана схема определения оптимальной толщины синтетического покрытия цилиндровых втулок, с учетом условий эксплуатации двигателей.

5. Проведены сравнительные испытания материалов и покрытий на износостойкость.

6. Оценено влияние втулок с покрытиями на важнейшие эксплуатационные характеристики ДВС, на стендах и в натуральных условиях.

7. Разработан и внедрен технологический процесс нанесения на водоохлаждаемую поверхность цилиндровой втулки защитного композиционного покрытия, состоящего из эпоксидного компаунда, армированного стеклотканью в виде стекложгута.

Реализация этой технологии на практике примерно в два раза увеличивает долговечность ЦВ С ДВС по предельной глубине эрозионных повреждений и обеспечивает 5. .6% экономию топлива и масла.

Личный вклад автора заключается в предложении новой методики прогнозирования, расчета и зашиты цилиндровых втулок и цилиндропоршневой группы от эрозии и коррозии. Данный подход позволяет решить ряд задач связанных с энергосбережением и повышением энергетической эффективности ДВС. Так же, становится возможным снизить выбросы вредных (загрязняющих) веществ в атмосферу, в частности такого, как окислы азота (NOx).

Практическую ценность представляют:

1. Результаты сравнительных испытаний на надежность при кавитационно - эрозионном изнашивании на лабораторных стендах широкого круга материалов и покрытий — сталей, чугуна, сплавов цветных металлов, газотермических покрытий и покрытий на синтетической основе, применяемых для защиты новых деталей и восстановления изношенных.

2. Методики оценки износостойкости и долговечности материалов и деталей по установленным физико — механическим критериям кавитационно — эрозионной стойкости.

3. Результаты продолжительных испытаний, упрочненных покрытиями втулок судовых ДВС в условиях эксплуатации.

4. Технология нанесения защитных покрытий на поверхность цилиндровых втулок.

5. Материалы теоретических и практических разработок диссертации использовано в учебном процессе Санкт —Петербургского гос. унт-та водных коммуникаций при изучении дисциплины «Надежность судовых технических средств».

Достоверность полученных результатов обеспеченным корректным использованием методов математической статистики при обработке экспериментальных данных, критическим сопоставлением установленных критериальных параметров начала кавитации и эрозии с известными (классическими) закономерностями с оценкой адекватности структурно — энергетических моделей реальным процессам и, наконец, удовлетворительной корреляцией результатов лабораторных исследований надежности материалов и покрытий с данными продолжительных испытаний опытных деталей в условиях эксплуатации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Матвеевский, Олег Олегович, 2010 год

1. Абачараев М.М. Выбор параметра кавитационной стойкости сплошных металлических материалов и покрытий / Защитные покрытия на металлах. Киев: Наукова думка, 1983. вып.17.С.70-74.

2. Аскаров М.А. Кавитационное разрушение металлов и полимеров. Тбилиси: «Сабчота Сакартвело», 1973. 140с.

3. Атрошенко С.А. Многомасщтабные процессы локализации динамического деформирования и их связь механическими характеристиками металлов: Автореферат.: докт., дис. СПб. Ин-т проблем машиноведения РАН, 1994.

4. Безюков O.K. Основы комплексного совершенствования охлаждения судовых дизелей. Автореферат, дис. д-ра техн. наук.- СПб.; СПГУВК, 1995.-48с.

5. Богачев И.Н., Минц Р.И. Кавитационное разрушение железоуглеродистых сплавов. М: Машгиз, 1959.-106с.

6. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационностойкие сплавы. М.: Металлургия, 1972. -286с.

7. Борщевский Ю.Т., Погодаев Л.И. Повышение кавитационной стойкости двигателей внутреннего сгорания. Киев: Вища школа, 1980, -208с.

8. Бочманов Д.В. Вопросы износостойкости и надежности судовых дизелей. Л., 1973. С. 161-171.

9. Валишин А.Г. Комплексные методы решения проблем повышения долговечности цилиндровых втулок судовых дизелей, дисс. докт. техн. наук, Калининград, БГАРП, 2008.-274с.

10. Владимиров В.И. Проблемы физики и изнашивания // Физико-химическая обработка материалов, 1974, №2. С. 23-30.

11. Журков С.Н., Томашевский Э.Е. Исследование прочности твердых тел // ЖТФ.1955. XXV. Вып. 1. С. 66-73.

12. Иванченко Н.Н., Скуридин А.А. Никитин М.Д. Кавитационные разрушения в дизелях. JL: Машиностроение, 1970. — 152 с.

13. Иванова B.C., Гордиенко JI.K. Новые пути повышения прочности металлов. М.: Наука, 1964. 118 с.

14. Кедринский В.К. Пузырьковый кластер, кумулятивные струи и кавитационная эрозия // Прикладная механика и техническая физика, 1996, т. 37, №4.С.22-31.

15. Корнфельд М. Упругость и прочность жидкостей. М-Л.: ГИТТЛ, 1951.-107С.

16. Леонтьев Л.Б. Формирование параметров поверхностного слоя чугунных деталей пластическим деформированием // Металлообработка, №3 (15), 2003.С.28-31.

17. Матвеевский О.О. Эффективность эксплуатации ДВС с упрочненными цилиндровыми втулками. СПб.: Изд-во «ПарКом», 2008. С. 158-166.

18. Матвеевский О.О. Лабораторные стенды и методы эрозионных испытаний материалов // «Трение, износ, смазка». Т.10, №3, 2008, С.20-55.

19. Мисилев М.А., Тузов Л.В. Борьба с кавитационными разрушениями гильз цилиндров в быстроходных дизелях. -М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1969, №6. С. 22.

20. Некоз А.И., Анализ кавитационно-эрозионного изнашивания как процесса коррозионно-механического разрушения //Трение и износ. 1984.Т.5 №4. С. 718-753.

21. Осипов К.А. Некоторые акитивируемые процессы в твердых металлах и сплавах. М.: Изд-во АН СССР, 1962.-129с.

22. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Структурные уровни динамики пористых тел // Ре логические модели и процессы деформирования порошковых и композиционных материалов. Киев.: Наукова думка, С.90-98.

23. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел, Новосибирск: Наука, 1985. — 229 с.

24. Панин В.Е. Методология физической мезомеханики как основа построения моделей в компьютерном конструировании материалов // Изв. вузов: Физика. 1995. Т. 38. №11. С. 6-25.

25. Пенкин Н.С. Гуммирование деталей машин. М.: Машиностроение, 1977. — 225 с.

26. Пименов А .Я. К вопросу о допустимых зазорах между поршневым кольцом и телом поршня судового двигателя. «Бурмейстер и Вайн». ММФ, ЦБНТИ. Технико-экономические информация. Серия «Техническая эксплуатация флота», вып. 22(252), 1991.

27. Пимошенко А.П. Повышение кавитационной стойкости цилиндровых втулок // Морской флот, 1973, №5. С. 45-46.

28. Пимошенко А.П., Кошелев И.Ф. Кавитационные разрушения в малооборотных дизелях. Мурманск, 1974.

29. Пимошенко А.П. Защита судовых дизелей от кавитационных разрушений. JL: Судостроение, 1983. 120 с.

30. Пимошенко А.П., Немыченков А.В. Расчеты параметров системы охлаждения дизеля при замене чугунных втулок биметаллическими. / Труды Калининградского технологич. инст. Рыбного хозяйства. .1989. -Вып. 37. С. 71-78.

31. Пимошенко А.П. Биметаллические сталь чугунные втулки дизелей. // Инженерные проблемы трения, смазки, изнашивания : Сб. трудов БГАРФ. Калининград, вып. 48, 2001, С. 34-37.

32. Пимошенко А.П., Валишин А.Г. Комплексные методы повышения надежности цилиндровых втулок судовых дизелей. — М.: Колос, 2007.-168 с.

33. Полипанов И.С. Защита системы охлаждения дизеля от кавитационного разрушения. Л.: Машиностроение. 1978. 150 с.

34. Погодаев Л.И., Шевченко П.А. Гидроабразивный и кавитационный износ судового оборудования. Л.: Судостроение, 1984. -254 с.

35. Погодаев Л.И. Хмелевская В.Б. и др. Исследование надежности модифицированных газотермических покрытий для деталей ЦПГ ДВС / Судостроение и судоремонт. СПб.: СПГУВК, 1998. - С.З - 17.

36. Погодаев Л.И. Моделирование процессов изнашивания материалов и деталей машин на основе структурно-энергетического подхода // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1998. №5. С. 94-103.

37. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н., Дудко П.П. Повышение надежности трибосопряжений. СПб: Академия транспорта, 2001. 304 с.

38. Погодаев Л.И., Кузьмин А.А. Эрозия материалов и судовых технических средств в неоднородных жидкостях и газообразных средах. — СПб.: СПГУВК, 2004. 378 с.

39. Погодаев Л.И., Кузьмин А.А. Эрозия материалов и судовых технических средств в неоднородных жидких и газообразных средах. -СПб.: СПГУВК, 2004. 363

40. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н. Структурно-энергетические модели надежности материалов и деталей машин, СПб.: Академия транспорта РФ, 2006. 608 с.

41. Погодаев Л.И., Третьяков Д.В., Валишин А.Г., Матвеевский О.О. Моделирование долговечности цилиндровых втулок ДВС при вибрационной кавитации СПб.: Трение, износ, смазка. Т5. №3, 2007. С. 525.

42. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н. Защита деталей пленками и покрытиями // Актуальные проблемы трибологии. Т.1 М.: Машиностроение, 2007. С. 299-306.

43. Скуридин А.А. Развитие теории и создания методов расчета кавитационных разрушений полостей охлаждения дизелей. Авторефрат. дис. докт. техн. наук. JL: ЦНИДИ, 1983. 46 с.

44. Спринжер Дж. Эрозия при воздействии капель жидкости. М.: Машиностроение, 1981.- 199 с.

45. Тирувенгадам А. Тр. общества амер. инж. мех. Сер. Д. Техн. механика. 1963. Т. 85. №3. с. 48-59.

46. Третьяков Д.В., Валишин А.Г., Матвеевский О.О. Моделирование долговечности цилиндровых втулок ДВС при вибрационной кавитации. // Пробл. Маш-ия и надежности машин, № 2, 2008. С. 50-60.

47. Федоров В.В. Кинетика поврждаемости и разрушения твердых тел. Ташкент, Фан, 1985. 168 с.

48. Фомин В.В. Гидроэрозия материалов.: М., Машиностроение, 1966.-352 с.

49. Цветков Ю.Н. Методические основы прогнозирования износостойкости судостроительных сплавов при гидроэрозии. Дис. . д-ра техн. наук. СПб.: СПГУВК 1995. 396.

50. Цветков Ю.Н. Трение и износ в машинах. Учебное пособие. СПб.: СПГУВК, 2005-237 с.

51. Цветков Ю.Н. Кавитационное изнашивание металлов и оборудования. СПб.: Изд-во СПГУВК, 2003.- 155 с.

52. Эндо С., Окада Ц., Баба Е. Фундаментальные исследование кавитационной эрозии // Нихон Кикай Гоккай ромбунсю. 1968. Т. 34. № 627. С. 1831-1838.

53. Эрозия. Перевод с англ. под ред. К. Прис. М.: Мир, 1982. 464 с.

54. Klebanoff P.S. Characteristics of turbulence in a boundary lager with zero pressure gradient // NACA. 1954. T.N., 3178.

55. Thiruvengadam A.A. Unified Theory of Cavitation Damage. Trans. ASME.// J.Basic Engr., D, 85, 3.365-376, 1965.

56. Thiruvengadam A.A. Warning S. Mechanical properties of Metals and their cavitation-damage resistance // Journal of Ship Research. 1966. Vol. 10, №1, p. 1-9.