CC BY
53
УДК 621.891
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ МИКРОТВЕРДОСТИ И ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕНИЯ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ ПРИ ИХ РАБОТЕ НА ДВИГАТЕЛЕ
А.П. Любченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ, А.К. Олейник, к.т.н., ГП «Завод им. Малышева», В.И. Мощенок, к.т.н., ХНАДУ, Е.В. Чуйкова, инженер, Е.А. Нестеренко, ассистент, ХНАДУ
Аннотация. Исследовано изменение микротвердости характеристик трения и изнашивания, а также задиростойкости рабочих поверхностей поршневых колец при их изготовлении и работе на двигателе. Полученные результаты могут быть использованы в практике двигателестроения при разработке мероприятий по улучшению обкатки двигателей.
Ключевые слова: микротвердость, трение, поршневое кольцо, приработка, электролитическое хромовое покрытие, приработочное покрытие.
Введение
Основной тенденцией развития современного двигателестроения является экономичность, экологическая безопасность и долговечность выпускаемой продукции [1, 2, 3]. Наибольшие потери на трение в двигателях внутреннего сгорания приходятся на цилин-дро-поршневую группу (больше половины всех потерь на трение [3]). Поэтому одной из наиболее актуальных задач является снижение трения и износа в сопряжениях гильз цилиндров с поршнями и поршневыми кольцами. В настоящей работе рассматривается изменение свойств рабочих поверхностей и характеристик трения и изнашивания хромированных поршневых колец тепловозных дизельных двигателей типа 10Д100. Исследовано изменение микротвердости, антифрикционных характеристик, задиростойкости и износостойкости материалов поршневых колец на различных этапах их изготовления и приработки в двигателе.
Анализ публикаций
Поршневые кольца (ПК) двигателей внутреннего сгорания подвержены различным механизмам изнашивания в зависимости от расположения их по высоте поршня, условий работы двигателя и смазки. Исследование структуры приповерхностных слоев рабочих
поверхностей ПК показало наличие слоя вторичных структур (ВС), предохраняющих основной материал от интенсивных видов разрушения в процессе работы [4]. Образованию слоя ВС способствует диффузия элементов окружающей среды, смазки, топлива, контактирующего материала гильзы, а также микропластическая деформация и повышенные температуры при трении [4, 5].
Характерной особенностью слоя ВС хромированных поршневых колец является ультрадисперсное (аморфизированное) бездислокационное строение рабочего слоя, при этом возникновение и скопление дислокаций происходит во внутренних объемах поверхностей трения, в которых металл имеет поликристаллическое строение [4]. При последующей работе ПК во внутренних объемах происходят химические реакции основного материала ПК с элементами окружающей среды, диффундирующими через слой ВС -преимущественно с углеродом, кислородом, водородом и разрушение по усталостному механизму изнашивания. Анализ явлений, происходящих при трении ПК, показывает, что снижению интенсивности их изнашивания во многом может способствовать уменьшение интенсивности диффузионных процессов при трении. Снижению скорости диффузии нежелательных элементов может способствовать насыщение рабочей поверх-
ности другими элементами или их соединениями, а также нанесение защитных покрытий. В настоящей работе рассмотрено изменение микротвердости и триботехнических характеристик электролитически хромированных ПК с приработочным покры-тием на основе меди при работе их на двигателе.
Цель и постановка задачи
Целью работы является исследование изменения состояния рабочих поверхностей ПК, нагрузочной способности, износостойкости и антифрикционных характеристик при их изготовлении и работе в процессе заводской обкатки тепловозного дизельного двигателя.
Материалы и методики исследований
Для оценки изменения триботехнических показателей рабочих поверхностей ПК в процессе их изготовления и работы при заводской обкатке проводили испытания неработавших ПК и проработавших на двигателе 10Д100 различное время в условиях заводской обкатки. Неработавшие ПК испытывали на различных этапах изготовления - с подготовкой поверхности после нанесения гальванического хромового покрытия, до нанесения приработочного покрытия и окончательно изготовленные ПК с приработочным покрытием Сu-MoS2. Испытывали следующие варианты колец:
1 - кольцо, хромированное недополирован-ное (остатки неровностей в виде «глобулей» на рабочей поверхности);
2 - кольцо хромированное полированное;
3 - кольцо, хромированное полированное с приработочным покрытием Сu-MoS2;
4 - верхнее компрессионное кольцо, проработавшее на двигателе 5 ч;
5 - второе компрессионное кольцо, проработавшее на двигателе 5 ч;
6 - верхнее компрессионное кольцо, проработавшее на двигателе 24 ч.
Поршневые кольца, работавшие на двигателе, снимали с поршней и из них изготавливали образцы для исследований и испытаний с сохранением их рабочих поверхностей. В
качестве контртел использовали образцы в виде «дисков» диаметром 50 мм и высотой 12 мм, изготовленные из серого легированного чугуна (СЧ ХНМД) гильзы цилиндра дизеля 10Д100. Рабочие поверхности «дисков» фосфатировали в растворе соли МАЖЕФ в соответствие с технологией обработки рабочих поверхностей гильз цилиндров тепловозных дизелей на ГП «Завод им. Малышева».
Испытания по определению триботехнических характеристик исследованных сопряжений проводили на машинах трения 2070 СМТ-2 и СМЦ-2 при скорости скольжения 1,3 м/с. Смазывание осуществляли маслом М14В2, проработавшим на двигателе 50 часов, по методу окунания. Перед началом испытаний масло нагревали до температуры 150 °С, в процессе испытаний температура масла автоматически поддерживалась на уровне 150±5°С. Испытания по определению износостойкости проводили при общей нагрузке 0,6 кН в течение 2 часов. Испытания по определению задиростойкости, а также определения коэффициентов трения проводили при ступенчатом нагружении. Нагруже-ние на каждой ступени по 0,2 кН производили с интервалом 30 с. Измерения микротвердости проводили на приборе ПМТ-3 -при нагрузке 50 Г. Величину износа определяли весовым методом на аналитических весах ВЛА-200 с точностью 0,1 мГ.
Результаты испытаний
Результаты измерения микротвердости рабочих поверхностей и испытаний на изнашивание представлены в табл. 1. Измерения микротвердости показали, что в процессе работы может происходить некоторое разупрочнение электролитического хромового покрытия ПК. Особенно это характерно для верхнего компрессионного ПК, испытывающего повышенные температурные нагрузки. Последующее повышение микротвердости после работы на двигателе в течение 24 часов может быть связано с образованием вторичных защитных структур и насыщением электролитического хрома углеродом из продуктов сгорания топлива и смазки, что подтверждается результатами исследований, приведенными в работах [5, 6]. Образованием вторичных карбидов хрома на рабочей поверхности ПК можно объяснить некоторое
Таблица 1 Результаты испытаний образцов поршневых колец на изнашивание
* В ячейке таблицы без значения коэффициента трения стрелкой указано начало задирообразования до выхода на нагрузку указанной ступени.
Материал и состояние ПК Микро твердость, кГ/мм2 Износ кольца, Г Износ «диска», Г Коэффициент трения
Хромированное полированное 875 0,0007 0,0029 0,087
Хромированное + Сu-MoS2 875 0,0008 0,0010 0,072
Первое кольцо, проработавшее 5 ч 650 0,0006 0,0020 0,072
Второе кольцо, проработавшее 5 ч 880 0,0003 0,0025 0,072
Первое кольцо, проработавшее 24 ч 780 0,0003 0,0032 0,082
Таблица 2 Значения коэффициентов трения и нагрузок задирообразований при испытании образцов
поршневых колец
Материал Коэффициент трения при наг рузке Р, кН
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
Хромированное недополированное Т *
Хромированное полированное 0,078 0,077 0,082 0,077 0,074 т
Хромированное + Сu-MoS2 0,062 0,062 0,057 0,058 0,059 0,059 т
Первое кольцо, работавшее 5 ч 0,092 0,077 0,067 0,073 0,065 0,064 0,062 0,060 0,057 0,063 т
Второе кольцо работавшее 5 ч 0,092 0,085 0,072 0,070 0,068 0,060 0,056 т
Первое кольцо, работавшее 24 ч 0,077 0,077 0,077 0,077 0,074 0,072 0,066 0,064 0,062 0,060
повышение изнашивающей способности по отношению к контртелу в сравнении полированным неработавшим ПК.
Испытания по определению износостойкости недополированных поршневых колец провести не удалось, поскольку уже вначале на-гружения этих образцов ПК происходили интенсивные задирообразования с разрушением рабочих поверхностей.
Анализ результатов испытаний неработав-ших ПК с приработочным покрытием в сравнении с остальными исследованными ПК показывает, что износ образцов ПК с прирабо-точным покрытием более высокий, но при этом уменьшается износ сопрягаемого образца гильзового чугуна. Такое соотношение величин износа благоприятно для протекания процессов приработки при обкатке двигателей, поскольку при этом исправляются отклонения в макрогеометрии и достигается необходимая газовая плотность. Значения ко-
эффициентов трения определены в конце испытаний.
Результаты испытаний по определению зади-ростойкости образцов поршневых колец и значений коэффициентов трения при ступенчатом нагружении приведены в табл. 2.
Испытания показали, что задирообразование при работе образцов недополированного поршневого кольца происходило уже вначале испытаний, при нагружении первой ступени, что может свидетельствовать о недопустимости отклонений в технологии по этой операции.
Приработочное покрытие в значительной мере снижает коэффициент трения и несколько повышает нагрузку задирообразо-вания. Испытания образцов колец, работавших на двигателе, показали, что в процессе работы хромированных колец их задиростой-кость повышается, это, очевидно, связано с
изменением состояния рабочих поверхностей. Образцы колец, проработавших 5 ч, показали несколько худшие результаты по за-диростойкости, чем образцы кольца, проработавшего 24 ч. В то же время все работавшие кольца имеют более высокие нагрузки задирообразования, чем неработавшие, несмотря на тот факт, что при испытаниях работавших колец выбирались характерные участки, на которых приработочное покрытие было частично изношено.
Наиболее стабильные низкие значения коэффициентов трения в широком диапазоне нагрузок (0,2 - 0,8 кН), а также отсутствие задирообразований получены при испыта-ни-ях образцов поршневого кольца работавшего 24 часа. Это может объясняться формированием стабильных вторичных защитных структур поверхностей трения, что должно благоприятно сказываться на работе деталей двигателя в эксплуатации при повышении рабочих нагрузок.
Выводы
Проведенные исследования и испытания показали, что в процессе приработки и работы хромированных поршневых колец происходит формирование вторичных структур рабочего слоя с повышенным уровнем задиро-стойкости и износостойкости.
Изменение микротвердости верхних компрессионных поршневых колец может характеризовать некоторое разупрочнение при приближении двигателя к выходу на номинальную мощность и последующее упрочнение при дальнейшей работе с образованием вторичных защитных структур.
Действие приработочного покрытия заключается в повышении нагрузок задирообразования и в изменении соотношений интенсивности изнашивания между поршневыми кольцами и гильзой цилиндров.
Полученные результаты по повышенной склонности к задирообразованию недополи-
рованного хромового покрытия свидетельствуют о недопустимости отклонений в технологии изготовления поршневых колец по этой операции.
Результаты настоящей работы были использованы при разработке мероприятий по ликвидации задиров сопряжения: гильза -поршневое кольцо тепловозных дизельных двигателей.
Литература
1. Чайнов Н.Ф. Проблемы и перспективы
поршневого двигателестроения в России // Двигателестроение. - 2001. - №4. -C. 46 - 47.
2. Лиерат Ф. Развитие машиностроения на ру-
беже XXI столетия. Человек в зоне взаимодействия техники и организации // Информационные технологии: Наука, техника, технология, образование, здо-ровье / Сб. научн. трудов ХГПУ. - Харьков. -
1998. - Вып. 6. - С.142 - 152.
3. Двигатели внутреннего сгорания (тепло-
возные дизели и газотурбинные установки) / Симсон А.Э., Хомич А.З., Куриц А.А. и др. - М.: Транспорт, 1980. - 389 с.
4. Костецкий Б.И., Носовский И.Г., Караулов
А.К. и др. Поверхностная прочность материалов при трении / Под общ. ред. Б.И. Костецкого. - К.: Техника, 1976. -296 с.
5. Громов Э.О., Соколов А.Д., Паули И.В. и
др. Формирование структуры поршневых колец в процессе эксплуатации // Трение и износ. - 1988 (9). - №4. - С. 647 - 652.
6. Венцель С.В. Применение смазочных масел
в двигателях внутреннего сгорания. - М.: Химия, 1979. - 240 с.
Рецензент: В.К. Лобанов, профессор, д.т.н., НТУ «ХПИ».
Статья поступила в редакцию 12 августа 2008 г.
