CC BY
35[15] Нефтсводяныс фильтрующие установки (НВФУ) "Экомарин", Техническая характеристика и описание. - С.Петербург ЗАО "Южное морское пароходство", 2007. - 8 с.
[16] Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и человек. Учебное пособие - М.: Знание, 1986.-256 е.: ил.
[17] Охрана окружающей среды и экологическая безопасность на железнодорожном транспорте: Учебное пособие / под ред. проф. Зубрева Н.И., Шараповой НА - М.: УМК МПС России, 1999. - 592 с.
[18] ПНД Ф 14.1:2.110-97 "Методика выполнения измерений содержаний взвешенных веществ и общего содержания примесей в пробах природных и очищенных сточных вод гравиметрическим методом".
[19] Проектирование сооружений для очистки сточных вод: Справочное пособие к СНИП/ Все-союз. комплекс, научн.-исслед. и конструкт.-технолог. институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инж. гидроэкологии. - М: Стройиздат, 1990. - 192 с.
[20] Российский Речной Регистр. Правила (в 4-х томах). Т. 4. - М.: «По Волге», 2002.-264 с.
[21] Стахов Е. А. Очистка нефтесодержащих сточных вод предприятий хранения и транспорта нефтепродуктов.- Л.: Недра, 1983.-263 е., ил.
[22] Суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания. Санитарные правила и нормы: СанПин 2.5.2-703-98. - М.: Минздрав России, 1998. - 144 с.
[23] ФрогБ.Н, Левченко АП. Водоподготшка. Учебн. пособие для вузоа М: МГУ, 1996-620 е.: ил.
[24] Чиняев И.А. Судовые системы: Учеб. для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. Транспорт, 1984.-216 с.
[25] Этин В.Л., Плотникова В.Н., Наумов B.C. Экологическая безопасность судов и промышленных предприятий водного транспорта: Курс лекций для студентов специальностей 14.01, 14.02, 24.02,33.02. / В.Л. Этин, В.Н. Плотникова, В.С.Наумов. Н.Новгород: ВГАВТ,1997 - 208с.: ил.
[26] С. В. Яковлев, Я. А. Карелин, А. И. Жуков, С. К. Колобанов Канализация. Учебник для вузов. Изд. 5-е, перераб. и доп. - М: Стройиздат, 1975. - 632 е., ил.
CREATING OF MATHEMATIC MODELS OF SHIP SYSTEMS FOR COMPLEX PROCESSING SHIP OPERATION WASTE
D. S. Mizgirev, A. S. Kurnikov
The article deals questions of processing and recycling of operatin ship waste way application of courts of complex waste processing, systems using interaction in manufacturing processes are considered. Mathematical modeling of pointed systems is made.
УДК 621.822.5.004.67:669.02/09
И. П. Мордвинкин, аспирант. Ф. Ф. Репин, к. т. н., профессор. В. В. Глебов, к. физ.-мат. н., доцент, ВГАВТ. 60395, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
АНАЛИЗ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОСАДОЧНЫХ МЕСТ ОПОР СКОЛЬЖЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ВАЛОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
В статье проводится сравнение и оценивается перспективность современных технологий ремонта опорных поверхностей крупногабаритных валов двигателей и других энергетических агрегатов. На основе анализа применяемых антифрикционных материалов предлагается конструктивное решение вкладыша подшипника для валов, восстановленных газотермическим напылением.
Гфистика и опи-
»с-М.: Знание,
мнспорте: Учеб-99.-592 с. !снных веществ ; гравиметриче-
г к СНИП/ Все-I, канализации, 92 с.
- М.: «По
м и транспорта
вила и нормы:
¡20 с: ил. • М.:Транспорт,
I и промыщлен-ей 14.01. 14.02, - 208с.: ил. я. Учебник для
ЕМБ РОЯ 5ТЕ
и>' аррНса-'urmg ргос-
ОЧНЫХ X ВАЛОВ
ных техно-я» и других тыл мате-«алов, вос-
Введение
В настоящее время в различных отраслях промышленности находится большое количество агрегатов выпуска 70-80 гг. с наработкой до 120 тыс. часов, многие виды оборудования имеют физический износ 60-70 %, [7]. Ресурс энергетических установок в значительной степени ограничен износом деталей опор скольжения. Изменение геометрии опорных шеек валов являются следствием изнашивания в процессе эксплуатации. Из всех деталей энергетических агрегатов валы являются наиболее дорогостоящими, в связи с чем проведение ремонта для них однозначно предпочтительнее замены.
В настоящее время опоры скольжения ремонтируются преимущественно методом механической обработки шейки до ремонтного размера. Средний срок службы валов, включая 7 ремонтов, составляет 100 тыс. часов, после чего вал подлежит списанию.
Существующие методы восстановления шеек валов, такие как электролитическое осаждение и наплавление покрытий, не всегда подходят для выполнения поставленной задачи, т. к. часто не обеспечивают необходимой надежности восстановленных деталей, в связи с чем особый интерес представляет внедрение технологии газотермического напыления покрытий (ГТНП).
1. Современные методы восстановления поверхностей шеек валов
При ремонте поверхностей скольжения валов из всех видов механической обработки применяют наружное точение и шлифование шеек в ремонтные размеры, что предусматривает изготовление соответствующих типоразмеров вкладышей подшипника скольжения. (ПСК). Точение шеек - простой и доступный метод механической обработки, однако последующее полирование, необходимое для обеспечения требуемой шероховатости рабочих шеек, существенно увеличивает трудоемкость метода. Более производительным и перспективным является шлифование шеек абразивным (в т. ч. алмазным) инструментом, [10, 13]. Однако распространенная практика ремонта валов по системе постоянных ремонтных размеров механической обработкой на станках приводит к преждевременному ускоренному изнашиванию этих деталей, снижая при этом их конструктивную прочность, [20].
Для восстановлении изношенных при эксплуатации поверхностей шеек з настоящее время применяют различные способы нанесения покрытий: электрохимические покрытия, наплавка, газотермическое напыление, [12] и др., нашедшие в нашей стране широкое применение.
1.1. Электрохимические методы
Восстановление посадочных мест валов электрохимическими (гальваническими) покрытиями состоит в осаждении металлов на поверхности шеек из водных растворов солей под действием электрического тока. Эти покрытия обеспечивают высокие стойкость к коррозии и поверхностную твердость, однородность свойств, лучшую прира-батываемость за счет малой шероховатости поверхности и пористости, а также возможность эксплуатации при ограниченном количестве смазочного материала. Достоинствами этого способа являются также отсутствие термического воздействия на деталь, возможность получения покрытий различной толщины (отклонения не превышают 0,01-0,02 мм, что дает возможность исключить доводку деталей с помощью обработки резанием) и с требуемыми физико-химическими свойствами. Помимо достоинств, восстановлению поверхностей электрохимическими покрытиями присущ ряд существенных недостатков. К ним можно отнести сложность и недостаточную надежность технологического процесса, большое потребление питьевой воды и вредное влияние сточных вод на окружающую среду, [7]. Из электрохимических покрытий наиболее широкое применение для восстановления размеров деталей нашли хромирование и железнение (осталивание), [12].
Хромирование применяется для восстановления и упрочнения рабочих поверхностей ответственных деталей, работающих в тяжелых условиях, износ которых составляет не более 0,3 мм. Электролитический хром отличают низкий коэффициент трения и высокая микротвердость (НУ 750 -1100). Значение твердости сохраняется при температурах до 300 °С, ее заметное уменьшение начинается только при 370...390 °С, [25]. Для хромовых покрытий характерен низкий коэффициент трения и высокая коррозионная стойкость. Их относительно широкое применение также обусловливают высокие химическая стойкость и сопротивление механическому изнашиванию (износостойкость хромированных деталей возрастает в 5-15 раз), [22]. Нанесение электролитического хромового покрытия на поверхность стальных деталей вызывает появление в слое покрытия и тонких граничащих с иим поверхностных слоях стали значительных растягивающих напряжений. Увеличиваясь в результате шлифования и термообработки детали, эти напряжения могут превысить предел прочности стали, следствием чего станет возникновение трещин. Существенным недостатком электролитического хромирования является снижение предела выносливости стали на 30-50 % (водородная хрупкость). Рост толщины слоя хрома и повышение температуры электролита усиливает эффект снижения усталостной прочности, [16]. Важно отметить, что отрицательное влияние гальванических покрытий растет с увеличением содержания в материале вала вредных примесей, способствующих наводораживанию, таких как серы и фосфора, [1]. Электролитические осадки хрома отличаются склонностью к растрескиванию вследствие наводораживания и структурных изменений, вызывающих повышенные внутренние напряжения в металле, [8].
При железнении из растворов солей железа на рабочие поверхности валов электролитически наращиваются железные покрытия высокой твердости, близкой к твердости стали, [14, 18]. Твердость наращиваемого при железнении слоя составляет 50 -52 НЯС, а прочность сцепления с основой может достигать 150 МПа. Осталивание в сравнении с хромированием отличается более высокой производительностью процесса, позволяет нанесение более толстых (до 3 мм) покрытий. Преимуществами метода также являются его низкая стоимость и доступность исходных материалов. К недостаткам метода следует отнести наличие агрессивных сред, большое количество технологических операций, низкие износостойкость и сопротивление усталости.
1.2. Методы наплавки
При восстановлении изношенных поверхностей валов наплавлением на шейки наносится компактный слой металла, обладающий высокой прочностью сцепления с основой. Наплавка позволяет нарастить слои металла большой толщины, различного химсостава и свойств. Твердость слоя наплавленного металла составляет 4500 - 7000 МПа, износостойкость восстановленных поверхностей шеек достигает 70 - 100% износостойкости новых (в зависимости от наплавляемого материала и режима наплавки), [6]. Основными разновидностями способа наплавки, нашедшими применение для восстановления поверхностей скольжения, являются: электродуговая, газовая, плазменная и лазерная наплавки.
Электродуговая автоматизированная наплавка бывает следующих разновидностей: под слоем флюса, в среде защитных газов и открытой дугой, [12]. Технология восстановления коленчатых валов автоматической электродуговой наплавкой приводится в работе [17]. Проведенные исследования, последующее производственное апробирование и предварительные данные эксплуатационных испытаний опытной партии двигателей показали, что валы, восстановленные наплавкой, по физико-механическим характеристикам практически не уступают новым (изготовленным по стандартной технологии).
Преимуществами наплавки в среде защитных газов (С02, аргон и др.) являются: простота, возможность наплавлять слои металла небольшой толщины, хорошая видимость зоны горения дуги.
»абочих поверхно-с которых состав->ффициент трения раняется при тем-при 370...390 °С, ия и высокая Корее обусловливают шииванию (изно-анесение электро-вызывает появле-лоях стали значи-лифования и тер-аости стали, следком электролити-ггали на 30-50 % емпературы элек-Важно отметить, ячением содержа-»аживанию, таких ся склонностью к •нений, вызываю-
ности валов элек-I. близкой к твер-1Я составляет 50 -1а. Осталивание в льностью процес-шествами метода ¡риалов. К недос-; количество тех-талости.
на шейки нано-:пления с основой, но го химсостава и МПа, износостой-остойкости новых Эсновными разно-:ния поверхностей еплавки.
игах разновидного]. Технология наплавкой приво-пводственное ап-шй опытной партой, по физико-зготовленным по
I и др.) являются: ы, хорошая види-
Наплавка открытой дугой имеет существенное преимущество перед способами наплавки под слоем флюса и в среде защитных газов в том, что отпадает необходимость специальной защиты сварочной ванны, которая обеспечивается применением специальных материалов, например порошковой проволоки, в состав которой входят защитные газо- и шлакообразующие вещества.
Восстановление поверхностей газовой наплавкой проводят путем расплавления пруткового или проволочного материала в газокислородном пламени горелки. Преимущество этого способа - получение равномерных по толщине слоев наплавленного металла с малой шероховатостью и минимальным припуском на обработку, [12].
К основным недостаткам вышеперечисленных способов наплавления можно отнести достаточно большую толщину наплавляемого металла (до 4 мм), термическое влияние на основной материал, и как результат, значительные деформации и остаточные напряжения в материале вала. Усталостная прочность восстановленных наплавкой валов составляет 60-70% в сравнении с новыми.
При плазменной наплавке покрытие на поверхность наносится из расплавленного присадочного материала с использованием в качестве источника нагрева плазменной дуги (сильно ионизированный газ с температурой до 15 тыс. °С), горящей между электродом плазмотрона и изделием. В качестве присадочного материала применяется проволока, прутки или металлический порошок. Основные преимущества плазмен-но-дуговой наплавки в сравнении с аналогами (газопламенной и электродуговой наплавкой в среде защитных газов): меньшая доля основного металла в наплавленном слое: наименьшее снижение сопротивления усталости восстановленного изделия; незначительный припуск на последующую механическую обработку; наибольшая производительность. более высокий уровень автоматизации технологического процесса. Малые остаточные напряжения и деформации, отсутствие разбавления наплавленного покрытия основным металлом также выгодно отличают этот способ, [12]. К недостаткам можно отнести высокую стоимость производственного оборудования.
Эффективным методом восстановления рабочих поверхностей и повышения эксплуатационных характеристик является лазерная наплавка, осуществляемая с помощью светового лазерного луча, создаваемого оптическим квантовым генератором. Узкая направленность луча и высокая плотность энергии в обрабатываемой зоне позволяют напылять широкий спектр материалов. Способ отличают локальность воздействия и высокая производительность. Возможны два варианта реализации данного метода: наплавляемый материал предварительно наносят на восстанавливаемую поверхность с последующим лазерным оплавлением или одновременно с действием излучения подают в зону обработки, [9]. В первом случае материал перед обработкой в виде обмазки наносят на деталь слоем требуемой толщины. Во втором случае порошок газовым потоком принудительно подается непосредственно в зону лазерного излучения (газопорошковая лазерная наплавка), [21]. Сложность устройства для подачи и улавливания неиспользованного в процессе наплавки порошка, и как следствие, неполное его использование, являются недостатком метода. Измельчение структуры и образование пересыщенных твердых растворов, происходящие при лазерной наплавке, улучшают свойства поверхностных покрытий, обеспечивая высокие износостойкость и усталостную прочность, [6].
1.3. Методы газотермического напыления покрытий
Восстановление шеек валов ГТНП состоит в расплавлении исходного материала и переносе его струей воздуха, плазмы или пламенем горючего газа на поверхность детали. При соударении жидких частиц с восстанавливаемой поверхностью происходит образование механических и физико-химических связей, в т.ч. сплавление на участках поверхности напыляемых частиц с основой. К общим преимуществам всех разновидностей газотермического напыления можно отнести:
75
- малое термическое влияние, исключающее деформацию и изменение структуры поверхностного слоя основного материала;
- широкий выбор материалов для напыления, и, как следствие, возможность повысить ресурс детали до более высокого уровня, чем позволяет основной материал детали при изготовлении ее вновь;
- минимальные затраты на покрытие: припуск на механическую обработку 0,2 -1,0 мм (в зависимости от геометрических размеров и конфигурации);
- высокая производительность, возможность механизации процесса.
Все это обеспечивает методам ГТНП высокую конкурентоспособность среди технологий, продлевающих ресурс деталей. На индустриальном рынке наблюдается постоянное расширение областей применения технологии газотермического нанесения покрытий. Его ежегодный прирост составляет 8-15 %, [24].
Восстановление изношенных деталей - одна из основных областей применения способа ГТНП, поскольку 70 % деталей требует восстановления размеров в пределах до 1 мм. Способность газотермических покрытий выдерживать высокие нагрузки при статическом нагружении, не снижать усталостную прочность и другие механические характеристики основного материала, высокая износостойкость и сопротивление задиру, несущая способность позволяют применять газотермические покрытия для восстановления размеров изношенных деталей ответственного назначения. Основными разновидностями газотермического напыления, применяемыми для восстановления деталей, являются электродуговая металлизация, газопламенное, плазменное, высокочастотное и детонационное напыление.
Сущность электродуговой металлизации заключается в расплавлении исходного материала (проволоки) в электрической дуге и переносе его на поверхность детали струей сжатого воздуха (0,6 МПа), [13]. Метод отличают низкое термическое воздействие на материал восстанавливаемой детали (до 150°С), высокая производительность, а также простота и невысокая стоимость оборудования. Недостатками являются высокая пористость покрытия, перегрев и окисление напыляемого материала, выгорание легирующих элементов до 50 % (температура дуги достигает 6000 °С), невысокая прочность сцепления.
При восстановлении поверхностей газопламенным напылением источником нагрева является газокислородное пламя (горючий газ - ацетилен, пропан-бутан, природный газ и др.) с температурой 3200 °С. Напыляемый материал (проволока или порошок), расплавляясь в пламени и разгоняясь до скорости более 100 м/с, наносятся на предварительно подготовленную механической или струйно-абразивной обработкой поверхность детали. Способ отличают простота применения, высокая производительность, компактность и мобильность оборудования, низкий уровень шума и излучения, низкие затраты на эксплуатацию, незначительное термическое влияние на основной материал (в случае напыления без последующего оплавления), отсутствие ограничений на сочетания материалов покрытия и подложки.
Недостатками газопламенного напыления являются высокая пористость и низкое сцепление с поверхностью.
Ведущее место на рынке газопламенного напыления занимает продукция фирм "Мейо" и "СэбюПп + Е1йес11с" (Германия). Отличительная особенность этих компаний заключается в том, что, помимо выпускаемого ими оборудования для напыления, ими производятся адаптированные под это оборудование порошки и вспомогательные приспособления.
Плазменное напыление - образование покрытий с помощью плазменной дуги в качестве источника нагрева, расплавления, ускорения и доставки жидких частиц на поверхность детали. Роль плазмообразующего газа могут выполнять аргон, азот, водород, воздух и их смеси. Покрытия, полученные этим способом, обладают гораздо более высокой плотностью и лучшим сцеплением с основой (примерно в 3 раза вы-
<енение структу-
возможность по-ювной материал
• обработку 0,2 -
сса.
ность среди тех-наблюдается по-ского нанесения
тей применения [еров в пределах ;ие нагрузки при те механические противление закрытия для вос-шя. Основными восстановления менное, высоко-
ении исходного :рхность детали ическое воздей-производитель-■атками являют-■ материала, вы-6000 °С), невы-
источником на-пан-бутан, при-эволока или по-№ наносятся на ной обработкой производительна и излучения, ие на основной ггвие ограниче-
стостъ и низкое
ия фирм "Меко" ний заключается ни производятся собления. змеиной дуги в дхих частиц на аргон, азот, во-ладают гораздо во в 3 раза вы-
ше), чем при газопламенном и электродуговом напылении. Преимущества: высокая -емпература мазменной струи, позволяющая напылять широкий спектр материалов от цинка и пластмасс до тугоплавкой керамики и вольфрама. Недостатки: низкая производительность, высокий уровень шума и ультрафиолетового излучения, высокая стоимость установок и материалов, [3].
При высокочастотном индукционном напылении расплавление напыляемого материала (проволоки) осуществляется с помощью вихревых токов, возникающих под лействием переменного магнитного поля, образующегося при прохождении тока высокой частоты. Проволока, проходя через катушку ТВЧ, расплавляется и сжатым воздухом (инертным газом) распыляется на поверхность детали. Для способа характерны высокая производительность, малое выгорание легирующих элементов, прочность и однородность покрытия. Главным недостатком является сложность и высокая стоимость оборудования, [13].
Детонационное напыление среди методов ГТНП обеспечивает самую высокую прочность сцепления, позволяет сочетать любые материалы с любыми подложкам без изменения свойств основного материала. Процесс происходит за счет взрыва смеси горючего газа (ацетилена или пропана) с кислородом: образуется ударная волна, разогревающая и разгоняющая частицы порошка, которая затем выстреливает порции порошка на восстанавливаемую поверхность детали (3-6 выстрелов в секунду). Преимущества: повышение износостойкости (до 10 раз), высокая прочность сцепления, низкая пористость, небольшой нагрев детали (до 250 °С), отсутствие необходимости предварительной обработки поверхностей, [12]. Недостатки: высокий уровень шума, низкая производительность, дороговизна оборудования, взаимодействие напыляемого материала с кислородом, азотом, водородом.
Сверхзвуковое напыление - новая технология нанесения металлических покрытий за счет сверхзвукового удара металлических частиц о поверхность изделия. В создаваемый воздушный сверхзвуковой поток вводится поток частиц напыляемого порошкового материала, где происходит ускорение этих частиц до скоростей, достаточных для эффективного формирования металлических покрытий, обладающих высокими эксплуатационными свойствами. Для обеспечения работы оборудования необходим сжатый воздух давлением 0,6-1,0 МПа и расходом 0,3-0,4 мЗ/мин, и электросеть напряжением 220 В. Важным преимуществом технологии является отсутствие нагрева обрабатываемой детали выше 100-150 °С, [5]. Значительным недостатком способа является высокая стоимость оборудования.
2. Антифрикционные материалы подшипников скольжения
Долговечность узла трения при определенных условиях эксплуатации определяется, с одной стороны, его конструкцией, а с другой - свойствами материалов взаимодействующих деталей. Правильный подбор подшипникового материала для восстановленных поверхностей скольжения имеет очень большое значение.
Подшипниковые антифрикционные материалы по химическому строению разделяют на две основные группы: металлические и неметаллические.
2.1. Металлические подшипниковые материалы
Наиболее распространенные металлические антифрикционные подшипниковые материалы: оловянные, свинцовые, медные, алюминиевые и цинковые сплавы.
2.1.1. Баббиты
Баббиты - белые антифрикционные сплавы на основе олова, свинца с добавлением сурьмы, меди, никеля, кадмия, висмута, мышьяка, алюминия. Для них характерны низкая твердость (НВ 13-32), невысокая температура плавления (240-320 °С), повышенная размягчаемость (НВ 9-24 при 100 °С). Баббиты применяются в подшипниках в виде
77
слоя, залитого по стали (иногда по бронзе), возможна также наплавка баббита. Баббит является одним из лучших подшипниковых материалов для работы со смазкой минеральными маслами преимущественно в условиях жидкостного трения. Благодаря хорошим прирабатываемости, теплопроводности, малому коэффициенту трения, высоких износостойкости и сопротивлению задиру подшипники из этих сплавов кратковременно могут работать и в режимах граничного трения. Высокие антифрикционные свойства баббитов достигаются в результате переноса мягкой структурной составляющей сплава на сопряженную поверхность шейки вала и образованием пленки защитного слоя, обеспечивающей низкое трение и малый износ в случае локальных разрушений смазочной пленки. Вследствие низкого предела усталостной прочности (6-15 МПа), снижающегося с повышением температуры, баббиты имеют тенденцию к усталостному разрушению и выкрашиванию, [19]. Из-за невысокой температуры плавления известны выходы из строя баббитовых подшипников в моменты пуска/останова энергетических установок.
2.1.2. Сплавы на медной основе
Из достаточно большого количества сплавов на медной основе в качестве антифрикционных обычно используются бронзы (оловянные и безоловянные) и латуни. Имеют высокую температуру плавления и по сравнению с баббитами обладают лучшими механическими характеристиками при нормальной и при повышенной температурах.
Оловянные бронзы характеризуются высокой прочностью, хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью, значительной упругостью и высоким сопротивлением усталости, способны выдерживать большие ударные нагрузки. Бронзы легируют фосфором, свинцом, никелем, цинком, железом и другими элементами. Безоловянные бронзы по свойствам не только не уступают, но иногда и превосходят оловянные бронзы. Бронзы применяются как в условиях жидкостного трения при смазке минеральными маслами, так и граничного трения с использованием пластичных смазок.
Латуни (сплавы меди с цинком и другими металлами) в качестве антифрикционных материалов употребляются в меньшей степени, чем бронзы.
2.1.3. Сплавы на алюминиевой основе
Алюминиевые подшипниковые сплавы обладают достаточным сопротивлением усталости, коррозионной стойкостью в маслах, имеют хорошие антифрикционные свойства и сопротивление задиру. Эти качества во многом определили тенденцию замены ими антифрикционных сплавов на свинцовой и оловянной основе. По сравнению с баббитами пластичные алюминиевые сплавы обладают лучшей теплопроводностью и механическими свойствами при повышенных температурах; они значительно дешевле, но хуже прирабатываются, не так хорошо поглощают твёрдые частицы и сильнее изнашивают сопряжённый стальной вал.
2.1.4. Сплавы на цинковой основе
Цинковые сплавы известны уже давно, но в качестве антифрикционных не получили достаточно широкого распространения. Вместе с тем они обладают рядом ценных свойств, дающих возможность использовать их в определенных случаях взамен бронз и баббитов.
Сплавы на цинковой основе, обладая низкой температурой плавления (ок. 400 °С), в большей степени, чем бронзы и алюминиевые сплавы, но в меньшей, чем баббиты, размягчаются с нагревом, благодаря чему легче прирабатываются. По этой причине подшипники из цинковых сплавов меньше изнашивают сопряженные поверхности цапф при попадании абразивных частиц. Частицы абразивов легче внедряются в трущуюся поверхность, благодаря чему в меньшей степени повреждают цапфу за счет микрорезания. Цинковые сплавы являются весьма технологичными при изготовлении как монометаллических, так и биметаллических трущихся деталей.
юббита. Баббит смазкой мине-хтагодаря хоро-рения, высоких фатковременно онные свойства ляющей сплава но го слоя, обес-гний смазочной ,), снижающего-му разрушению тны выходы из их установок.
естве антифрик-латуни. Имеют лучшими меха-гтурах.
пей апастично-I сопротивлени-онзы легируют и Безоловянные >дят оловянные и смазке мине-|ных смазок, антифрикцион-
»противлением гифрикционные или тенденцию юве. По сравне-й теплопровод-они значитель-рдые частицы и
юнных не полу-вют рядом цен-случаях взамен
плавления (ок. в меньшей, чем ааются. По этой )пряженные поте легче внедря-5реждают цапфу 1ными при изго-.-талей.
2.2. Неметаллические подшипниковые материалы
К группе неметаллических антифрикционных материалов относятся в основном сплавы на полимерной основе, как термопластичные, так и термореактивные полимеры. Термопласты (фторопласты, полиамиды, полиформальдегид др.) используются как в чистом виде, так и в виде матрицы антифрикционных композиционных материалов. Термореактивные полимеры (эпоксидные, фенольные и пр.) применяются только в виде матрицы композиционных материалов.
2.2.1. Полиамиды
Полиамиды широко применяются для изготовления подшипников в судостроении и других областях промышленности, что объясняется освоенностью производства, недефицитностью сырья, хорошей технологичностью, относительно высокими антифрикционными, механическими и демпфирующими характеристиками. Полиамиды бывают алифатическими и ароматическими, в зависимости от того, какими радикалами связаны амидные группы. Алифатические полиамиды (капролон) применяются как в виде монолитных втулок, так и в виде тонкого покрытия (до 1 мм), нанесенного на металлическую основу подшипника, что повышает допустимую нагрузку. Для некоторых подшипников из полиамидов свойственно почти полное отсутствие изнашивания сопряжённого стального вала. Подшипники из полиамидов применяются при смазке маслом, водой, редко - без смазки. Влажная среда оказывает пластифицирующее действие на полиамиды, повышает их эластичность и одновременно снижает механическую прочность, твердость и модуль упругости. Повышение температуры способствует повышению эластичности, снижает прочность и модуль упругости. В процессе длительной эксплуатации даже при условии незначительных нагрузок они могут работать при температуре не выше 100 °С. Полиамиды обладают высоким температурным коэффициентом линейного расширения, склонны к деструкции под воздействием повышенных температур, ультрафиолетовых лучей, кислорода, озона и др.
Ароматические полиамиды (фенилон) обладают повышенной теплостойкостью, выдерживают при трении более высокие нагрузки, чем алифатические. Изделия из фе-нилона могут эксплуатироваться при температурах до 250 °С. В условиях сухого трения имеют достаточно высокие коэффициенты трения (0,24-0,45). Наполнение повышает антифрикционные и теплофизические характеристики полиамидов, однако снижает их ударостойкость и ухудшает технологичность обработки. Недостатками ароматических полиамидов являются: низкие теплопроводность и теплостойкость, высокий температурный коэффициент линейного расширения и значительное водопоглошение, [19].
2.2.2. Фторопласты
Среди известных антифрикционных термопластичных полимеров политетрафторэтилен (ПТФЭ) и его сополимеры получили наибольшее распространение. Низкие значения коэффициентов трения (0,2-0,02 в зависимости от нагрузки), теплостойкость. водостойкость и химическая стойкость более высокие, чем у остальных полимерных материалов, способствовали широкому применению фторопласта в узлах трения. Вместе с тем недостатки, характерные для антифрикционных термопластов, проявляются у ПТФЭ наиболее ярко: низкие прочность и теплопроводность, высокий коэффициент термического расширения, склонность к ползучести, зависимость коэффициента трения от скорости скольжения. Это является причиной того, что ненапол-ненный ПТФЭ применяется для подшипников очень ограниченно. Чаще всего ПТФЭ используется в виде матрицы, наполнителя или модификатора, входя в состав различных композиционных материалов.
ПТФЭ - кристаллический полимер белого цвета, известный также под названиями фторлон-4(Д), фторопласт-4 (РФ), тефлон (США), сорефлон (Франция), полифлон
79
(Япония), альгафлон (Италия), гостафлон (Германия), флюон (Великобритания). Температура начала его плавления составляет 327 °С. Изделия из ПТФЭ могут эксплуатироваться при температурах до 260 °С. Он не горюч, в интервале рабочих температур не растворяется ни в одном растворителе, не реагирует даже с высококонцентрированными кислотами и щелочами. Биологически безвреден.
Твердость шейки вала и шероховатость его поверхности оказывают большое влияние на антифрикционность пары трения металл - фторопласт. Наилучшими материалами для вала являются стали, твердость которых после термообработки составляет не менее 42 - 48 НЯС, [19]. Фторопласт - мягкий материал, поэтому даже незначительные дефекты обработки поверхности вала приводят к его повышенному изнашиванию. Для повышения срока службы подшипника параметр шероховатости шейки вала Яа должен быть равен 0,2-0,4 мкм.
С введением в зону трения смазывающих жидкостей антифрикционные свойства пары трения фторопласт - металл повышаются. Коэффициент трения при смазывании водой и другими химическими средами снижается по сравнению с коэффициентом трения без смазки в 10 раз.
Добавление в ПТФЭ различных наполнителей позволяет улучшить его рабочие характеристики и расширить область применения. Наполнителями служат металлические порошки (бронза, никель, медь), минеральные порошки (тальк, ситалл, стекловолокно) и твердые смазки (графит, дисульфид молибдена и др.)
2.2.3. Полиэтилены
Полиэтилен - один из самых дешевых и технологичных пластиков. По своим антифрикционным характеристикам, водостойкости, способности работать в условиях сухого трения и при смазке водой полиэтилен превосходит многие другие полимеры и приближается к ПТФЭ, выгодно отличаясь от него своей технологичностью.
К недостаткам полиэтилена относятся недостаточная механическая прочность, ползучесть, образование трещин при нахождении длительное время в напряженном состоянии, низкая рабочая температура (до 100 °С), старение под действием солнечного света и высокая горючесть.
2.2.4. Полиформальдегид
Полиформальдегид характеризуют высокие механические характеристики, водостойкость, стабильность размеров, возможность эксплуатации в широком интервале температур. Полимер характеризуется также высоким пределом усталостной прочности, низкой ползучестью при температурах до 80 °С, имеет относительно высокие антифрикционные характеристики, превосходя поликарбонаты и полиамиды. Недостатками материала являются ухудшение механических свойств под действием ультрафиолетового излучение, невозможность длительной эксплуатации уже при температурах выше 100 °С.
2.2.5 Полиимиды
Полиимиды - твердые вещества преимущественно аморфной структуры. Обладают высокими физико-механическими свойствами в интервале температур от -200 до 250 (275) °С, высокой стабильностью размеров и низкой ползучестью, износостойкостью, стойкостью к действию органических растворителей, кислот, масел, устойчивостью к ультрафиолетовому излучению. Дорогостоящий и нетехнологичный материал, рекомендуемый к применению в случаях, когда невозможно применение других материалов (условия сухого трения при температурах более 200 °С).
Изменение структуры поверхности скольжения вследствие восстановления ее геометрических размеров газотермическим напылением поднимает вопрос о выборе наиболее подходящего материала ответной детали вала - вкладыша ПСК. Представ-
ритания). Тем-иогут эксплуа-ючих темпера-ококонцентри-
вают большое «лучшими ма-аботки состав-иу даже незна-иенному изна-ватости шейки
иные свойства ри смазывании ээффициентом
"ь его рабочие «ат металличе-■апл. стеклово-
. По своим ан-iTb в условиях ие полимеры и тью.
:ая прочность, напряженном твием солнеч-
5ИСТИКИ, волоком интервале стной прочно-;льно высокие миды. Недос-:йствием ульт-же при темпе-
луры. Облада-тур от -200 до износостойко-ел, устойчиво-ный материал, ше других ма-
гановления ее ггрос о выборе CK. Представ-
ляет интерес изучение работы напыленных покрытий вала в паре с фторопластом-4. об опыте применения которого в узлах трения с поверхностями валов, восстановленными ГТНП. известно достаточно мало. Однако, как было упомянуто выше, помимо уникальных антифрикционных свойств фторопласт характеризует и ряд недостатков, затрудняющих его эффективное применение в подшипниках скольжения.
Устранить эти недостатки можно с помощью альтернативных материалов - конструкций эластичных металлопластмассовых (ЭМП) опор скольжения с антифрикционным покрытием из фторопласта-4 на базе упругодемпфирующего материала (ме-таплорезины). Поверхность трения ЭМП опор характеризуется высокими антифрикционными и электроизоляционными свойствами. Особая геометрия их поверхности в сочетании с контролируемой жесткостью металлической основы, способствует возникновению гидродинамического трения в подшипниках с момента пуска машины, в результате чего снижаются контактные давления в зоне трения в период пуска. ЭМП опоры менее восприимчивы к точности установки подшипника и отклонениям от ци-линдричности вала, вследствие чего способны обеспечить более равномерное распределение давлений по поверхности трения, повышая несущую способность и долговечность опор. Применение ЭМП подшипников позволяет повысить надежность агрегатов. исключая заклинивание и повреждение шейки вала в случае прекращении поступления смазки; снизить уровень шума в подшипниках.
В ЭМП подшипниках скольжения при определенных условиях (удельные нагрузки до 3,0 МПа) возможно создание режима жидкостного трения при смазке водой. [15]. Известно, что сочетание определенных конструктивных решений узла вал - ПСК и условий эксплуатации может способствовать реализации режима избирательного переноса при трении, [4].
Металлофторопластовые подшипники зарекомендовали себя, доказав свою работоспособность в оригинальных узлах трения. Сведений же о работе ЭМП подшипников в паре с шейками валов, восстановленными газотермическим напылением, достаточно мало. Однако к настоящему моменту определенный положительный опыт эксплуатации данной пары трения уже имеется. Учебно-научно-производственным центром "Судоремонт" (руководитель к.т.н. Корнев А.Б., ответственный исполнитель к.т.н. Березин Е.К.), начиная с 2002 г., проводятся опытно-экспериментальные работы по оценке работоспособности напыленных шеек роторов дутьевых вентиляторов энергоблоков Костромской ГРЭС. С 2006 г. роторы этих агрегатов работают в паре с металлофторопластовыми подшипниками.
Заключение
Каждому из методов, применяемых в настоящее время для восстановления шеек валов, присущи определенные недостатки, ограничивающие его применение. Существенными недостатками большинства применяемых в настоящее время технологий восстановления шеек крупногабаритных валов являются их низкая производительность, вредное воздействие на здоровье рабочего персонала и экологию, высокая стоимость оборудования и большое энергопотребление. Эти проблемы могут быть решены применением интенсивно развивающегося метода высокоскоростного газопламенного напыления.
Для устранения недостатков, присущих газотермическим покрытиям, необходимо провести разработку научных основ технологии восстановления поверхностей скольжения валов газопламенным напылением, которая включала бы в себя подбор материалов с повышенной износостойкостью. Необходимо учитывать, что при восстановлении валов напылением изменяется химсостав и структура поверхности, что отражается на условиях работы трибосопряжения "вал - ПСК". Наличие пор в покрытии обуславливает увеличении механической составляющей силы трения, поэтому в задачу разработки
81
основ технологии восстановления вала включается вопрос подбора оптимального материала ПСК, который должен обеспечить эффективную работу в паре с более твердым пористым покрытием шейки вала, с минимальной скоростью изнашивания деталей сопряжения и максимальной предельной нагрузкой на подшипник до задира.
Также представляет интерес рассмотреть возможность применения в качестве подшипника скольжения эластичных металлопластмассовых опор скольжения. В настоящее время имеются некоторые положительные результаты их практического применения, однако не исследованы возможности работы ЭМП в широком диапазоне скоростей скольжения, нагрузки и смазочной среды. Выполнение экспериментальных работ в данном направлении будет способствовать расширению областей применения технологии ремонта тяжелонагруженных деталей типа вал методом газопламенного напыления и ЭМП опор скольжения с антифрикционным покрытием из фторопласта - 4.
Список литературы
[1] Балтср М.А. Упрочнение деталей машин. - М: Машиностроение. 1978.
[2] Балякин O.K. Технология судоремонта. - М.: Транспорт, 1963. - 123 с.
[3] Водзинский P.E. и др. Плазменно-дуговое напыление износостойких покрытий на чугунные и стальные изделия типа вала // Сварочное производство. - 1990. - № 11. - С. 5—7.
[4] Воронков Б.Д. Подшипники сухого трения. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленинг. отд-ние, 1979.-224 с.
[5] ДИМЕТ технология "наращивания" металлов в ремонте металлических деталей // РИТМ. -2008. - № 38. - С. 22.
[6] Зяблов O.K. Применение лазерной технологии при ремонте коленчатых валов судовых двигателей // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Нижний Новгород, 2000. - 20 с.
[7] Корнев А.Б., Березин Е.К., Глебова М.А.. Опыт применения газотермических покрытий при ремонте узлов трения крупногабаритного энергетического оборудования // Компрессорная техника и пневматика. - 2002. - № 11. - С. 24-29.
[8] Кудрявцев Н.Т. Электролитические покрытия металлами. - М.:. Изд-во «Химия», 1979.
[9] Лазерное и эрозионное упрочнение материалов / B.C. Коваленко, А.Д. Верхотуров, Л.Ф. Головко, И.А. Подчерняева. - М.: Наука, 1986.
[10] Лопырев Н.К., Немков П.П., Сумеркин Ю.В. Технология судоремонта. - М.: Транспорт, 1981.- 192 с.
[11] Методы исследований материалов: Структура, свойства и процессы нанессния неорганических покрытий / Тушинский Л.И. [и др.] - М.: Мир, 2004. - 384 с.
[12] Молодцов Н.С. Восстановление изношенных деталей судовых механизмов. - М.: Транспорт, 1988,- 182 с.
[13] Молодык Н.В., Зенкин A.C. Восстановление деталей машин: Справочник. - М.: Машиностроение, 1989. - 480 е.: ил.
[14] Находкин В.М., Черепашенец Р.Г. Технология ремонта тягового подвижного состава: Учеб. для техникумов железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт. 1998. - 461 с.
[15] Пат. РФ 2186225. Турбогенератор / Байбородов Ю.И., Инцин Ю.А., Милютин Н.П. и др. -опубл. 27.07.2002
[16] Плетнев Д.В. , Брусенцова В.Н. Основы технологии износостойких и антифрикционных покрытий. - М.: Машиностроение, 1968.
[17] Разработка технологического процесса и оборудования для восстановления коленчатых валов двигателей КАМАЗ-740 / М.У. Иминов // Соверш. Технол. Обслуж. и рем-та автомоб-й / Каз. н.-и. и проект, ин-т автомоб. трансп. - Алма-ата. - 1990. - С. 44—49.
[18] Рекомендации по восстановлению изношенных деталей машин хромированием и железне-нием. - М.: Россельхозиздат, 1976.
[19] Рубин М.Б., Бахарева В.Е. Подшипники в судовой технике: Справочник. - Л.: Судостроение, 1987.-344 е., ил.
[20] Спиридонов Ю.Н., Рукавишников Н.Ф. Ремонт судовых дизелей. - 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Транспорт, 1989. - С. 288.
[21] Способ лазерной наплавки. A.c. № 1107424. СССР.
гимального мате-с более твердым •ания деталей софа.
я в качестве под-кения. В настоя-¡еского примене-пазоне скоростей гальных работ в ¿е нения техноло-нного напыления та-4.
>ытий на чугунные 5-7.
Л.: Машинострое-
геталей // РИТМ. -
алов судовых дви-технических наук.
:ких покрытий при компрессорная тех-
Симия», 1979. А.Д. Верхотуров,
. - М.: Транспорт,
хения неорганиче-
змов. - М.: Транс -
их. - М.: Машино-
движного состава: -461 с.
люгин Н.П. и др. -
антифрикционных
пения коленчатых рем-та автомоб-й /
»ванием и железне-
к. - Л.: Судострое-
зл. перераб. и доп.
[22] Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Книга 1. Под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина - М.: Машиностроение, 1978. - С. 222.
[23] Ульман И.Е. и др. Восстановительная наплавка коленчатых валов дизельных двигателей // Сварочное производство. - 1982. - № 5. - С. 34-35.
[24] Харламов Ю.А. Газотермическое напыление покрытий и экологичность производства, эксплуатации и ремонта машин // Тяжелое машиностроение - 2000. - № 2.
[25] Черноиванов В.И., Андреев В.П. Восстановление деталей сельскохозяйственных машин. -М.: Колос, 1983.
THE ANALYSIS OF RECONDITIONING METHODS FOR MOUNTING SEATS OF SLIDING SUPPORTS OF LARGE-SIZED SHAFTS IN POWER PLANTS
I. P. Mordvinkin, F. F. Repin, V. V. Glebov
Comparison made between modern reconditioning techniques for supporting surfaces of large-sized shafts in engines and other power-generation units. The prospects of the techniques are evaluated. Or. the basis of the analysis of antifrictional materials used a constructive approach to the shell for the bearings in shafts restored by thermal spray proccss is offered.
УДК 629.12-8:502.7
В. С. Панов, аспирант.
А. С. Курников, д. т. н., профессор, ВГАВТ.
603950 Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ токсичности ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В данной работе рассматриваются мероприятия с помощью которых становится возможным снизить количество вредных выбросов, выделяемых поршневыми двигателями в процессе работы с отработавшими газами.
Введение
Говоря о поршневых двигателях, прежде всего имеют ввиду двигатели внутреннего сгорания (ДВС), которые на сегодняшний день занимают лидирующие позиции во всех областях энергетики и транспорта. Значительная часть железнодорожного, морского и речного транспорта и практически весь автомобильный транспорт приводится в действие поршневыми ДВС с воспламенением от сжатия или с принудительным воспламенением от искры. Не секрет, что отработавшие газы (ОГ) ДВС являются основными загрязнителями атмосферы планеты.
Загрязнение атмосферного воздуха в результате работы ДВС обусловлено тремя основными источниками: системой выпуска ОГ, системой смазывания и вентиляции картера, системой питания. На долю ОГ приходится наибольшая часть вредных веществ (70...80 %), выделяемых в процессе работы двигателя. Камера сгорания двигателя - это своеобразный химический реактор, синтезирующий вредные вещества, которые затем поступают в атмосферу. Даже нейтральный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания двигателя, превращается в токсичные окислы. В ОГ содержится более 200 различных химических соединений, из них около 150 - производные углеводородов, прямо обязанные своим появлением неполному сгоранию топлива. В на-
83
