Совершенствование технологии нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца судовых дизелей с учетом их вибрационного и напряженно-деформированного состояния тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Мяконьков, Михаил Борисович

• Мяконьков, Михаил Борисович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мяконьков, Михаил Борисович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ПРОБЛЕМАМ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ

1.1. Обзор литературы по проблемам повышения долговечности поршневых колец.

1.2. Общие принципы численного моделирования в зависимости от степени форсирования судового дизеля.

1.3. Критерии оценки виброактивности судовых дизелей.

1.4. Обзор технологий нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца.

1.4.1. Технология гальванических покрытий.

1.4.2. Технология ионноплазменного упрочнения.

1.4.3. Технология плазменного напыления.

1.4.4. Технология нанесения тонкоплёночного покрытия.

1.5. Анализ проблемы повышения износостойкости поршневых колец.

Выводы по главе.

Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИБРАЦИОННОГО И

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УЗЛА ТРЕНИЯ ПРИ ПОВЫШЕННОМ МАКСИМАЛЬНОМ ДАВЛЕНИИ СГОРАНИЯ

2.1. Моделирование напряженно-деформированного состояния цилиндропоршневого узла методом конечных элементов.

2.2. Численное моделирование вибрации поршневого кольца при ударе в момент перекладки поршня в ВМТ.

2.3 Численное моделирование резонансных частот поршневого кольца.

2.4 Численное моделирование резонансных частот цилиндровой втулки.

2.5. Требования, предъявляемые к покрытиям на поршневые кольца судовых дизелей.

Выводы по главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СОВОКУПНОСТИ МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОКРЫТИЙ КОМПРЕССИОННЫХ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ.

3.1. Методика оценки адгезионной прочности покрытий.

3.2. Методика определения триботехнических характеристик покрытия.

3.3. Методика определения коррозионной стойкости покрытий.

3.4 Методика определения адгезионной стойкости покрытия при высоких температурах.

3.5. Исследования структуры покрытий.

3.6. Определение вибрационной стойкости покрытий методом акустической эмиссии.

3.7. Определение износа поршневых канавок при фреттинг испытаниях.

3.8. Методика оценки напряжения рабочей поверхности покрытия по измерению амплитудно - фазочастотной характеристики покрытия.

Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ХРОМА И 8Ю2ОН НАНЕСЕННОГО МЕТОДОМ ОСАЖДЕНИЯ ПАРОВОЙ ФАЗЫ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ

4.1 Сравнение адгезионной прочности.

4.2 Триботехнические испытания

4.3 Исследования структуры покрытий.

4.4 Исследование коррозионной стойкости.

4.5 Исследование адгезии при высоких температурах.

4.6 Исследование фреттинг изнашивание поршневой канавки.

4.7 Исследование вибрационной стойкости

Выводы по главе.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

ОБРАБОТКИ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ

5.1. Обзор методов ультразвуковой обработки при нанесении плазменных покрытий.

5.2. Влияние схемы ввода ультразвукового волновода на размер частиц структуры покрытия.

5.3. Разработка новой технологии повышения износостойкости покрытий методом плазменного напыления с ультразвуковой обработкой.

5.4. Исследование триботехнических свойств покрытий.

5.5. Вибрационные характеристики покрытий при акустической эмиссии.

5.6. Влияние введения фуллереновой сажи в узел трения поршневого кольца с покрытием.

5.7. Влияние ультразвуковой обработки покрытия на стойкость к электрохимической коррозии.

5.8. Влияние ультразвуковой обработки покрытия на адгезию при повышенных температурах.

5.9. Определение фреттинг изнашивания сопряжения покрытия плазменного напыления с ультразвуковой обработкой и без неё с материалом поршневых канавок.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца судовых дизелей с учетом их вибрационного и напряженно-деформированного состояния»

Эффективное использование современного транспортного флота в значительной степени зависит от его технического состояния. Поскольку экономичность и безопасность работы судов непосредственно зависит от рабочего состояния главных и вспомогательных двигателей, то к показателям надёжности судовых дизелей предъявляются повышенные требования. Одним из основных показателей надёжности является назначенный ресурс, который зависит от износостойкости трущихся пар. Известно, что работа трения поршневых колец составляет до 50% от всей работы трения двигателя [14], причём из всех поршневых колец лишь у верхнего компрессионного кольца наивысшая работа трения. Это связано с работой кольца в условиях высоких температур до 200 °С и в режиме полусухого трения, особенно в положении поршня в верхней мёртвой точке. Основное назначение компрессионных колец это теплоотвод от поршневой канавки в цилиндровую втулку и обеспечение уплотнения между камерой сгорания и картером. Верхнее компрессионное кольцо во время работы двигателя испытывает:

• напряжение сжатия от давления отработавших газов;

• напряжение изгиба;

• вибрационные нагрузки;

• трение о втулку цилиндра.

Основную роль в обеспечении теплоотвода и уплотнения играют рабочие поверхности контакта кольца, одновременно и с цилиндровой втулкой и с нижней частью поршневой канавки. Здесь решающее значение имеет материал и технология нанесения покрытия на рабочую поверхность поршневого кольца, а также эпюра напряжения поршневого кольца в зоне его контакта. С повышением уровня форсирования судовых ДВС прежние технологии нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца пористым хромом в меньшей степени удовлетворяют возросшим требованиям к покрытиям в условиях более высоких температур и давлений.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Мяконьков, Михаил Борисович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В результате численного моделирования узла трения методом конечных элементов от действия максимального давления сгорания 25 МПа установлено, что:

• рабочая поверхность кольца, за время повышения давления до максимального, скользит по зеркалу цилиндра в режиме сухого трения со скоростью 8 мм/с, что способствует увеличению износа на рабочей цилиндрической поверхности кольца при повышенных давлениях сгорания;

• нижняя плоскость поршневой канавки работает в более нагруженном режиме, чем нижняя опорная часть кольца, отличающаяся в 8 раз, поэтому технология нанесения износостойких покрытий должна учитывать и функцию распределения напряжения;

• максимальное напряжение, после удара кольца о верхнюю плоскость поршневой канавки в период перекладки поршня, наступает на 41 микросекунде и составляет 27 МПа. Максимальное напряжение достигается на 4-ом ударе кольца. Средняя частота колебания кольца в процессе удара составляет около 89 кГц, что находится в области низких ультразвуковых частот;

• минимальная собственная частота первого компрессионного кольца составляет 80,3 Гц.

2. На основе проведенных исследований сформулированы требования, предъявляемые к покрытиям поршневых колец и канавок для работы судовых дизелей в условиях повышенных максимальных давлений сгорания.

3. С помощью комплексного подхода определена совокупность из 8 методик оценки эксплуатационных параметров компрессионного кольца для проведения сравнительных испытаний покрытий нанесенных различными способами.

4. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что использование покрытия поршневого кольца реагентом 81С2ОН, нанесенного методом осаждения паровой фазы плазменной струи, по сравнению с покрытием хромом, нанесенного гальваническим способом, позволило:

• увеличить адгезионную прочность;

• повысить нагрузку схватывания;

• уменьшить износостойкость;

• повысить коррозионную стойкость;

• повысить адгезионную стойкость при высоких температурах;

• иметь более мелкую структуру покрытия;

• увеличить упругие свойства колец с износостойким слоем;

• снизить износ поршневых канавок при фреттинг испытаниях.

5. Разработана новая технология повышения износостойкости покрытий методом плазменного напыления с ультразвуковой обработкой. Показано, что воздействие ультразвуковой обработки повышает адгезионную прочность сцепления и уменьшает разрушение при склерометрической нагрузке, что определяет уменьшение износа при ударном воздействии поршневого кольца.

6. Проведенные триботехнические исследования покрытий ПН85ЮД5 с карбидом хрома, при испытании на машине трения, показали, что ультразвуковая обработка позволяет:

• снизить износ в 3,6 раза;

• повысить адгезионную прочность сцепления покрытия;

• уменьшить разрушение при склерометрической нагрузке, что определяет уменьшение износа при ударном воздействии поршневого кольца;

• повысить нагрузку схватвтания;

• улучшить триботехнические характеристики;

• снизить коррозионное изнашивание;

• повысить стойкость к электрохимической коррозии;

• снизить фреттинг изнашивания в 3,3 раза.

7. При использовании метода введения фуллереновой сажи при испытании покрытия с чугунной втулкой выполненных путем нанесения покрытия осаждением паровой фазы плазменной струи и гальваническим хромом, осаждения фуллеренов на покрытиях не было обнаружено.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мяконьков, Михаил Борисович, 2012 год

1. Абрамов О.В. Расчёт ультразвуковых излучателей. Металлургия 1972.-31с.

2. Абрамов О.В. Выбор состава присадочных материалов при плазменной наплавке. Труды ДВИМУ. 1980. -150-154с.

3. Андрусенко Е.И. Особенности комплектации кольцевого уплотнения поршней среднеоборотных дизельных двигателей. Двигателестроение, 1990. 47-49с.

4. Андрусенко Е.И. Разработка антивибрационного кольцевого уплотнения поршней. Двигателестроение, 2006. -4с.

5. Барвинок В.А Управление напряжённым состоянием плазменных покрытий. М.: Машиностроение 1990. -80с.

6. Безюков O.K., Афанасьева О.В. Безразмерные комплексы для оценки виброактивности судовых дизелей. Двигателестроение, 2010. -8-42с.

7. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. -702с.

8. Бобров С.В Приборы для контроля качества. Метрология и измерительная техника. №2 1998.-15-16с.

9. Борисов Ю.С. Плазменное напыление. Киев: Наука, 1998. -456с.

10. Ю.Борисов Ю. С., и др., Газотермические покрытия из порошковыхматериалов : справочник, Акад. наук УССР. Ин-т проблем материаловедения Киев: Наукова думка, 1987. -544с.

11. П.Бычков Т.П., Хмелевская В.Б., Исследование свойств покрытий с ультразвуковой обработкой. Динамика узлов и механизмов, СПГУВК, 1999. -130с.

12. Бычков Т.П. Хмелевская В.Б. Экспериментально теоретическое обоснование изнашивания сопряженных пар с плазменным покрытием. СПб.: Пленки и покрытия 2001. -51с.

13. Бурштейн Л.М. Расчет толщины масляного слоя на стенке цилиндра ДВС. Машиноведение, 1981. 97-98с.

14. Н.Бурштейн Л.М., Кобяков C.B. Основы расчетов смазки и трения поршневого кольца. СПб.: Двигателестроение, 1985. -6—9с.

15. Ваншейдт В.А. Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей. Л., Судостроение, 1969. -639с.

16. Васильков Д.В. Комплексное состояние поверхности. Межвузовский сборник. Машиностроение и автоматизация производства, выпуск 11, СПб.: 1998.-84-88С.

17. Гапонов М.А. Плазмохимическое осаждение пленок карбидов кремния на металлические поверхности, 42, Днепропетровск 2002. -214с.

18. Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца. М.: Машиностроение, 1979. -271 с.

19. Гинцбург Б.Я. О приспособляемости поршневых колец к деформациям цилиндра. СПб.: Вестник машиностроения, №12 1961. -27- 30с.

20. Гитлевич А. Е. Электроискровое легирование металлических поверхностей. Кишинёв: Штиница, 1985. -196с.

21. Гуль В.Е. Высокомолекулярные соединения М.Металлургия 1976. -320с.

22. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия. 1986. -544с.

23. Дизели. Справочник, под ред. В.А. Ваншейдта, Л.: Машиностроение, 1977.-480с.

24. Дудко П.П., Чулкин С.Г., Семидельников А.Н. Исследование износостойкости поршневых колец с покрытиями для судовых дизелей. СПб.: Двигателестроение. №.2. 1998. -6-8с.

25. Зуев В.В. Конструкции и свойства минералов. Л.: Наука 1990. -54с.

26. Калмыков А. И. Исследование электрических характеристик тонких кремнеуглеродистосодержащих покрытий. СПб.: Дефектоскопия №10. 2003. -31с.

27. Кобаско Н.И. Повышение ресурса работы машин созданием в них высоких сжимающих напряжений. СПб.: Изд. ВУЗов 1987. -71с.

28. Кесаев Н.Г. Катодные процессы электрической дуги. М.: Наука 1998. -52с.

29. Ковалевский Е.А., Хмелевская В.Б. Влияние свойств плазменных покрытий на износостойкость. Томск. 1998. -145с.

30. Кондратьев H.H. Дефекты и отказы судовых двигателей. М.: Транспорт. №3, 1982, -19с.

31. Кондратьев Н. Н. Отказы и дефекты судовых дизелей. М.: Транспорт. 1985. 345 с.

32. Костецкий Б.И. Структура и поверхностная прочность материалов при трении. Проблемы прочности, №3, 1983. -34- 36с.

33. Костецкий Б.И. Поверхностная прочность металлов при трении. Киев: Техника, 1998. -259с.

34. Костецкий Б.И., Носовский И.Г., Караулов А.К. Поверхностная прочность материалов при трении. Киев: Техника. 1976. 296с.

35. Костин А.К. Работа дизелей в условиях эксплуатации. JL: Машиностроение, 1989. -247 с.

36. Костин A.K. JI.: Машиностроение, 1998. 345с.

37. Коченов В.А. Конструктивные средства повышения износной долговечности ДВС. Н. Новгород, 2003. 175с.

38. Кравцов Т.Г. Электродуговая наплавка электродной лентой, М.: Машиностроение 1978. -240с.

39. Крагельский И.В., Добыгич H.H., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526с.

40. Криуилин A.C. Газовое сульфацианирование Сб. трудов ЛИВТа 1981. -145с.

41. Кудинов В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. М.: Машиностроение.2003. -190с.

42. Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука, 1977. -184с.

43. Кулик А. Я. Никитин М. Д. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизелей. СПб.: Машиностроение, 1974. 112 с.

44. Лазарев С.Ю. Машины с аномально низким трением. СПб.: 2004. -50с.

45. Лазарев С.Ю. Принцип выбора материалов на основе триботехнических свойств. СПб.: Наука 2000. 84с.

46. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1980. 493с.

47. Левкин М.Н. Выбор формы боковой поверхности верхних компрессионных колец дизелей. СПб.: Двигателестроение, №4, 1981.- 57- 59с.

48. Леонтьев Л.Б. Повышение долговечности втулок судовых дизелей. Сб. трудов ДВИМУ 1980. 142с.

49. Лесенкова Т.И. Повышение свойств покрытий введением ультразвука в материалы. Сб. трудов Самарского политехнического университета. 2007.-240с.

50. Лысенков П.М. Идеальный триботехнический комплекс в составе триботехнического комплекса судового валопровода. СПб.: Вопросы материаловедения. 2001. 180с.

51. Любарский И. М., Палатник Л. С. Металлофизика трения. М.: Металлургия. 1976,- 176с.

52. Матвеев Ю.И. Исследование коррозионной стойкости материалов. Тр. ГИИВТ, Н.Новгород, вып. 265, 1992. 109- 112с.

53. Моисеев В.Ф., и др. Вязкость и пластичность ионно-плазменных покрытий из нитрида титана. Заводская лаборатория. 1990. 57- 59.

54. Мяконьков М.Б. Сравнительные исследования способов нанесения покрытий на поршневые кольца для уменьшения их износа. СПб.: Журнал Металлообработка № 3 2010. 36- 39с.

55. Мяконьков М.Б. Разработка нанотехнологий для упрочнения деталей судовых механизмов. СПб.: Журнал Металлообработка №2 2009. -47- 50с.

56. Мяконьков М.Б. Применение наноструктурированных покрытий. СПб.: Журнал Металлообработка №2 2011. 35- 40с.

57. Мяконьков М.Б Влияние ультразвукового воздействия на плазменные технологические процессы. СПб.: Сб. Ремонт. 2008. -142- 145с.

58. Никитин М.Д., Кулик А.Я. Плазменное напыление. М.: Машиностроение. 1982. 58с.

59. Никитин М.Д., Кулик А .Я., Теплостойкие и износостойкие детали дизелей, JL: Машиностроение, 1979. 114с.

60. Никитин М.Д. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизелей. JL: Машиностроение 1973. 58- 74с.

61. Панин В.А. Новые материалы и технологии, Новосибирск: Наука 1993. -34с.

62. Перч В.Д., Петриченко P.M., Шабанов А.Ю. Мгновенная сила трения поршневого уплотнительного кольца. СПб.: Двигателестроение, №3, 1984.-7- 9с.

63. Петров В.М. Исследования свойств покрытий ЭИЛ при внесении в электроды наноматериалов. СПб.: Трение 2010. 58с.

64. Погодаев Л.И., Хмелевская В.Б. Изнашивание плазменных покрытий при трении скольжении. СПб.: Проблемы машиностроения, №4, 1991.-110с.

65. Погодаев Л. И. Триботехнология. изд. СПГУВК 2008. 203с.

66. Повышение износостойкости деталей двигателей внутреннего сгорания. Сб. под ред. Проф. М.М. Хрущева. М.: Машиностроение, 1972.- 175с.

67. Сасов А.Ю. Микропроцессорные средства и системы. 1988. 58-62с.

68. Тополянский П. А. Плазменные технологии. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. - 405с.

69. Тополянский П.А. Исследование электрических характеристик тонких кремнийуглеродосодержащих покрытий. Дефектоскопия. №10, 2003.-38- 44с.

70. Тополянский П.А. Упрочнение деталей технологической оснастки с помощью высокочастотной плазмы. СПб.: изд. Политех. 1991. -190с.

71. Тополянский П.А. Триботехнические исследования нанопокрытий при финишном плазменном упрочнении. СПб.: Ремонт 2010.-320с.

72. Хасуй А., Моригаки О. Наплавка и напыление. М.: Машгиз. Машиностроение. 1985. 240 с.

73. Френкель З.Г.Физика твердого тела. М.: Машиностроение 1973. -260с.

74. Хмелевская В.Б., Кузьмин A.A. Выбор технологий и материалов для повышения надежности судового оборудования. Изд. СПГУВК. 2005. 132с.

75. Хмелевская В.Б., Петров В.М. Трение и износ. СПб.: Машиностроение. 2010. 148с.

76. Хмелевская В.Б., Погодаев Л.И., Зайцев И.Г. Упрочнение акустическим методом. СПб.: Сб. ЛИВТ 1999. 187с.

77. Хопинг М.В. Керамические покрытия. М.: Машиностроение. 2001. -305с.

78. Чулкин С.Г., Полонский В.Л., Ашейчик A.A. Вычислительная механика. СПб.: Изд. Политехнического ун-та. 2011. 302с.

79. Чулкин С.Г., Абачараев И.М., Абачараев М.М. Лысенков П.М., Черненко В.И. Оптимальные технологии повышения эксплуатационных качеств судов. СПб.: Изд. Политехнического унта. 2012. 198с.

80. Энглиш К. Поршневые кольца. М.: Машгиз, т.1, 1962. 584с.

81. Энглиш К. Поршневые кольца, т.2, М.: Машгиз, 1963. 368с.

82. Binford J. Dudley. Piston ring designs have they changed. SAE .Preprints, s.a. №650483, pp.13. .1

83. Diesel and Gas Turbine Worldwide Catalog, 1984, Vol.49, p.l298,"Goetze".

84. Duck Gerhard. Tendezen in der Kolbenringetwicklung. MTZ, 1969, 30, №3,100-106.1

85. Ehglisch C. DieEntwicklungderKolbenringform. Schiffs-Ing. -J., 1977, 24, №128,2 02 3

86. Furuhama Shaichi, Takiguchi Masaaki. Measurement of Piston Frictional Force in Actual Operating Diesel Engine. SAE Techn. Pap. Ser., 1979, №790855, pp.19.

87. Furuhama Shaichi, Hiruma Masaru, Tsuzita Makoto. Piston Ring Motion and Ins Influence on Engine Tribology. SAE Techn. Pap. Ser., Ii979, 0790860, pp.13.

88. Golothan D.W. Piston rings and cylinders. Industrial Lubrication and Tribology. 1978,30, №4,128 133,148.11

89. Griffith W. Piston developments for medium speed engines. (Wellworthy, France). The Motor Ship, November 1987, p. 25.

90. Mattox, Donald M. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing: Film Formation, Adhesion, Surface Preparation and Contamination Control. Westwood, N.J.: Noyes Publications, 2001.

91. McGeehan J. A. A Servey of the Mechanical Design Factors. Affecting Engine Oil Consumption. SAE Techn. Pap. Sen, 1979, №790864, pp.35.

92. Muller Reinhard. Die Herleitung der Spannbandform und der Dvalitat von beliebig steting Kolbenringen. MTZ, 1971, 32, №2, 53 57.1 i

93. Muller Reinhard. Zur Auslegung von Kolbenringen. MTZ, 1972, 33,№2,51-56.

94. Newbury P.J., Hengeveld J. «Cost effective engine lubrication I; helps control liner wear rate». «The Motor Shih», 1986, April, p. 31 34.

95. Piston ring coatings for high performance diesel. Diesel and Gas Turbin Progr., 1968,34, №16 64 65.

96. Practical value of piston ring theory. Motor Ship, 1978, 59, №699,62.

97. Stecher Friedhelm. Analysis of piston ribg packs for Combustion engines. SAE Techn. Pap. Serv., 1979, №790863, pp.7.

98. Zum Entwick lungsstand der Kolbenrings und Dichtungen fur Verbrennungs motoren. Bericht über das GOETZE. Kolloquium 78 in Dusseldorf. Teil 1. MTZ, 1978, 39, №10,469 472.