CC BY
42
МЕХАНИКА И МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 629. 12. 037 (621. 357) Н.К. Санаев, В.П. Тынянский
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА НАНЕСЕНИЯ АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ ВТУЛКИ ЦИЛИНДРА ДВС
Описан процесс омеднения поверхности цилиндра двигателя внутреннего сгорания медной щеткой и иглохонингованием. Приведены технология, и необходимые условия для нанесения покрытия. По результатам спланированного полного факторного эксперимента предложены оптимальные режимы, с целью обеспечения высокого класса шероховатости.
Ключевые слова: двигатель; иглохонингование; антифрикционное покрытие; омеднение.
Анализ износов основных деталей ДВС свидетельствует о том, что наименьшей износостойкостью и надежностью обладают цилиндровые втулки и поршневые кольца. Повышенный износ цилиндровой втулки вызывает возрастание расхода масла, уменьшает компрессию и увеличивает угар. Твердость частиц нагара может возрастать до НВ 800 т.е. в 3-4 раза превышают твердость материала втулки, что в свою очередь вызывает значительный износ цилиндропоршневой группы.
Значительное снижение скоростей изнашивания основных деталей дизелей обеспечивается правильным выбором материала сопрягаемых деталей для конкретных условий работы, вида покрытия и термообработки, состояния поверхностных слоев и склонности сопрягаемых пар к приработке.
Учитывая это, материал цилиндровой втулки, работающий в условиях высоких температур и давлений, должен обладать высокой прочностью, коррозионной стойкостью и износостойкостью. Таким свойством обладает высококачественный чугун специального химсостава из которого изготавливаются втулки для дизелей типов Ч8,5/11 и Ч9,5/11. Химический состав чугуна приведен в табл. 1
1. Химический состав чугуна
С связка С общее Мп примеси
Р Сг N1 Б
0,6-0,9 2,7-3,1 1,5-1,9 0,8-1,2 0,3 <0,3 <0,5 <0,12
В целях снижения времени приработки и повышения износостойкости пары цилиндровая втулка - поршневое кольцо, предлагается покрыть поверхность втулки медью. Известно, что процесс приработки деталей облегчается в том случае, когда сопрягаемые поверхности элементов имеют разную твердость и многофазные структуры. При наличии в материале детали зернистой структуры (в частности - чугуна), износостойкость их меньше, чем у деталей с пластинчатой структурой.
Сущность процесса омеднения заключается в том, что при нанесении на чугунную поверхность тонкого слоя меди практически устраняется развитие усталостных разрушений, а за счет эффекта избирательного переноса происходит перенос металла в зоне контакта с одной контактирующей поверхности на другую и по существу ликвидирует износ на этапе приработки.
-\-
Покрытие рабочей поверхности втулки слоем меди производили с помощью
медной щётки на внутришлифовальном станке модели ЗА227. Заготовка устанавливалась в 3-х кулачковом патроне с применением разрезной втулки. Радиальное биение внутренней поверхности втулки цилиндров 085мм не превышало 0,02мм. Медная щетка закреплялась на оправке и устанавливалась в шпинделе задней бабки.
Щетка была изготовлена в виде алюминиевой кассеты, в которую было вставлено 8 пучков медной проволоки 0 0,5 мм. В каждом пучке было 219 штук проволоки длиной £=35 мм. Рабочая часть пучка (рабочий вылет) составляет 5=3мм. Регулирование частоты вращения щетки осуществляли с помощью шкивов клиноременной передачи. После нанесения слоя меди производили микрометрирование втулки.
Толщина покрытия медью определялась широко распространенным методом измерения масс [1]. Данный метод заключается во взвешивании наносимого материала (медной щетки) до и после покрытия, на аналитических весах. Данные по взвешиванию приводятся в табл. 2
2.Сводные данные по процессу омеднения
Модель станка Частота вращения щетки, об/мин Частота вращения втулки, об/мин Натяг на сторону 1;, мм Скорость продольной подачи Бп, м/мин Число двойных ходов стола плкх Шероховатость поверхностного слоя, ТА Общий вес щетки Р, до покрытия, г Общий вес щетки после покрытия Р, г Площадь покрываемой -с 2 поверхности, ^ см Толщина слоя медного покрытия, мкм
ЗА227 8000 950 0,1 2 2 0,63 843,732 427,04 427,04 14
Приведенные данные были получены при прижатии щетки к внутренней поверхности втулки с усилием Р=310 Н.
Результаты исследований показали, что операцию омеднения следует проводить после окончательного хонингования. В этом случае обеспечивается стабильность покрытия медью с величиной шероховатости равной Яа = 0,78 мкм. Общий расход меди при средней толщины покрытия Ьср = 14 мкм составляет 5,23 Г. Недостатком данной технологии покрытия является трудность обеспечения требуемой шероховатости по всей длине втулки из-за сравнительно малой жесткости шлифовальной бабки и втулки.
В связи с этим, дальнейшим развитием рассмотренного способа, было исследование предложенного авторами статьи способов - омеднение иглохонингованием и нанесение антифрикционного приработочного покрытия (ПАП).
Для реализации первого способа обеспечения требуемой шероховатости омедненного слоя, были изготовлены специальные хонинговальные бруски из медных проволок 0 0,32 мм. Подготовку поверхности под хонингование медными брусками также производили иглохонингованием, но с брусками выполненных виде металлических щеток, выполняющих функцию абразива. Бруски имели размеры 10*100 мм.
При исследовании процесса иглохонингования был использован метод математического планирования экспериментов. В задачу эксперимента входило установление оптимальных, с точки зрения обеспечения шероховатости, режимов омеднения: окружной скорости хона Уо, скорости возвратно - поступательного движения Уп и удельной силы Ру. Было сделано предположение, что зависимость шероховатости Яа поверхности от исследуемых факторов можно представить уравнением регрессии степенного вида
К =СУа - Ур -Р7
а ^у о у п 1 у
где Vо - окружная скорость хона, С - постоянная, Ру - удельная сила, Ra - шероховатость поверхности и V - скорость возвратно-поступательного движения (подача).
Применяемый полный факторный эксперимент позволяет раздельно оценить коэффициенты при линейных членах и эффектах взаимодействия. Для каждого фактора было выбрано число уровней и шаг варьирования, представленные в табл. 3
З.Уровень факторов и кодовые обозначения.
Уровни факторов обозначения Режим резания Кодовые обозначения
Vo м/мин Vп м/мин Ру Х1 Х2 Х3
Верхний +1 137,5 16 10 + + +
Основной 0 98,5 10,6 6,3 0 0 0
Интервал варьирования Д^ 39 5,4 3,7
Проведение опытов производим в соответствии с матрицей планирования, показанной в табл.4
4.Матрица планирования эксперимента
№ Режимы резания Кодовые обозначения Функции отклика
опыта Vo Vп Ру Хо Х1 Х2 Х3 Х1 Х1 Х2 Х1 Ra
м/мин м/мин Х2 Хэ Х3 Х2 Х3
1 59,5 5,2 10 + - - + + - - + 0,688
2 137,5 5,2 2,6 + + - - - - + + 0,228
3 59,5 16 2,6 + - + - - + - + 0,233
4 137,5 16 10 + + + + + + + + 0,129
5 59,5 5,2 2,6 + - - - + + + - 0,449
6 137,5 16 2,6 + + - + - + - - 0,515
7 59,5 5,2 10 + - + + - - + - 0,445
8 137,5 16 10 + + + - + - - - 0,347
9 98,5 10,6 6,3 + 0 0 0 0,460
10 98,5 10,6 6,3 + 0 0 0 0,391
11 98,5 10,6 6,3 + 0 0 0 0,415
12 98,5 10,6 6,3 + 0 0 0 0,295
На основании данных таблицы 4 были вычислены коэффициенты регрессии при линейных эффектах и эффектах взаимодействия.
После исключения коэффициентов при эффектах взаимодействии по величине дисперсии параметра оптимизации и результатов четырех опытов, в центре плана Sbi=0,00095 и доверительного интервала ДЬ^ = 0,0027, было получено уравнение регрессии вида ( 1- критерий Стьюдента )
У=0,2920-0,16125Х1-0,1775Х2+0,1575Х3
-\-
Дисперсный анализ показал, математическая модель адекватна. Оценка адекватности проводилась по критерию Фишера [2]. Для степеней свободы /=4 и /1=3 величина критерия Бт=9,1. Расчетная величина критерия Фишера Бр=1,75. Так как Бр< Бт, то линейная модель адекватна.
Таким образом, применение предлагаемой методики позволяет при сравнительно малом количестве опытов определить параметрическое уравнение наименьшей шероховатости при переменных значениях исследуемых факторов.
После подстановки кодированных значений факторов и потенцирования получили зависимость шероховатости поверхности от исследуемых факторов хонингования.
0.3310
66,68 ■ Ру
Ка = тт-0,4848 „0,2294 ' МКМ
0 п
Толщина омедненного слоя в этом случае находилась в пределах (20^25) мкм. Объяснение видится в том, что усилие прижатия восьмибрусковой хонингованной головки, составляет 1000 Н против 310 в предшествующем случае.
В результате проведённых моторных испытаний дизелей 4Ч8,5/11 с серийными втулками цилиндров (без омеднения зеркала цилиндра) и с втулками цилиндров, обработанными по приведённой технологии, было установлено, что длительность приработки сократилась на 22 % (с 60 до47 часов). Длительность приработки определялась путём измерения показателей рабочего процесса дизеля: удельного расхода топлива; удельного расхода масла; температуры выхлопных газов; температуры масла на выходе из дизеля, на режиме номинальной мощности, начиная с момента окончания сдаточных испытаний дизеля после сборки и до наступления стабилизации показателей рабочего процесса.
По анализу существующих методов снижения потерь на трение в ЦПГ дизеля и улучшения процесса приработки, наиболее известным является метод формирования регулярных микрорельефов на одной или более контактирующих поверхностях [3], что позволяет, при сравнительно невысокой трудоёмкости метода, получать достаточно хорошие результаты [4]. Более сложным, конструкционно и технологически, является метод плосковершинного хонингования зеркала цилиндровой втулки, на которое, после хонингования, наносится антифрикционное приработочное покрытие многокомпонентного состава: фторпласт - 9 %; графит- 76 %; олово - 10 %; медь - 5 %.
Технологический процесс хонингования втулок цилиндров проводится в следующей последовательности:
1-я операция - Черновое хонингование алмазными брусками зернистостью 160/125 мкм, частота вращения хонинговальной головки п = 100 об/мин, скорость возвратно-поступательного движения хонинговальной головки, УВ-П = 31 дв.х/мин, давление разжима хонинговальных брусков по манометру станка р =1,3 МПа. Смазочно-охлаждающая жидкость: керосин 70%, масло минеральное 30%
2-я операция - Получистовое хонингование алмазными брусками зернистостью 100/80 мкм, п = 100 об/мин. УВ-П = 31 дв.х/мин, р = 1,0 МПа. СОЖ керосин 70%, масло 30%.
3-я операция - Чистовое хонингование алмазными брусками зернистостью 80/60 мкм, п = 100 об/мин. УВ-П = 31 дв.х/мин, р = 0,4 МПа. СОЖ керосин 70%, масло 30%.
Угол скрещивания глубоких рисок влияет на величину удельного расхода масла на угар. Оптимальным является угол скрещивания от 43 ^ 55о, при угле скрещивания меньшем 43о возникает сухое трение, при угле скрещивания более 55о увеличивается расход масла на угар. Исходя, из этого подбирают соотношение скоростей возвратно-поступательного и возвратно-вращательного движений, по формуле ОС = arctg(Ув_п!УВр), V = ж/и/1000 где, с! - диаметр обрабатываемого отверстия, мм; п
Вестник ДГТУ. Технические науки. № 15, 2009. 4
- частота вращения хонинговальной головки мин-1. По паспортным данным станка модели СС60736 для получения сетки с углами скрещивания рисок 43 ^ 55о, необходимо обрабатывать зеркало цилиндра со следующими режимами: Ув-П = 24 - 31 дв.х/мин; п = 80 -100 мин'1.
4-я операция - Обезжиривание зеркала цилиндра струйным методом в моющей жидкости. Состав моющей жидкости: сода кальцинированная - 5 г/л; каустическая сода -30 г/л; технический нитрид натрия - 2 г/л. Температура раствора 40оС, давление распыла 0,4 МПа, время очистки 1 мин.
5-я операция - Полирование антифрикционными безалмазными брусками зеркала цилиндровой втулки без СОЖ. Связка брусков М5-15, п = 100 об/мин. VВ-п = 31 дв.х/мин, р = 0,3-0,4 МПа.
После обработки прирабочным и антифрикционными брусками на обработанной поверхности зеркала цилиндра образуется система микронеровностей, которая состоит из сравнительно глубоких впадин, оставшихся от хонингования алмазными брусками и площадок с собственной шероховатостью, образовавшихся после окончательного хонингования безалмазными брусками, после частичного срезания выступов исходного профиля и частичного заполнения рельефа антифрикционным материалом.
Для контроля параметров шероховатости и оценки параметров контактных профилей были использованы профилограф-профилометр модели 252 с графической регистрацией профиля. Выполнение измерений параметров шероховатости осуществлено в соответствии с инструкцией по использованию приборов со следующими увеличениями: модель профилографа-профилометра 252 / 201; вертикальное увеличение 5000| 10000; горизонтальное увеличение 200|200; скорость датчика 0,6| 1,0 мм/мин.
Для получения данных, которые можно было бы использовать для оценки результатов расчётных исследований были проведены испытания дизелей 4Ч9,5/11 номинальной мощностью N = 26 кВт, при частоте вращения коленчатого вала, п = 1800 об/мин. Согласно протоколу испытаний, средний удельный расход топлива у дизеля, укомплектованного цилиндровыми втулками с ПАП, составил, = 238 г/(кВт-ч), тогда как, средний удельный расход у дизеля с серийными деталями = 243 г/(кВт-ч).
Данные для расчета сил трения, присутствующих в ЦПГ: среднее эффективное давление рте = 0,561 МПа, индикаторная диаграмма рабочего процесса в табличной форме через каждые 5° п.к.в., результаты динамического расчёта, диаметр цилиндра
7) =0,95м, высота кольца Ик =2,5-10 Зм, средняя скорость поршня Ст = 6,6м/ С,
коэффициент динамической вязкости масла на рабочем двигателе (Т = 170 - 175°С)
Г} = 6-10 3Па ■ С, размер фаски кольца р = 0,3 • \§ъм, площадь поверхности
прилегания кольца м , площадь поверхности юбки поршня 7^ = 0,017 м ,
число цилиндров ъ = 4, ход поршня 8 = 0,11 м, потери мощности на трение в подшипниках
коленчатого вала N —1,825кВт, насосные потери N =1,42кВт, потери на
тр.к.в 75 I н.п ~ 1 \г
привод агрегатов и вспомогательных механизмов Ывспм =1,619кВт, среднее давление кольца от сил собственной упругости =18,177, РГ~РГ - разность давления в
пространстве над кольцом и под ним. По результатам расчёта масляный зазор между юбкой поршня и цилиндром опытной ЦПГ увеличивается (благодаря более правильной форме поршня в нагретом состоянии и снижению степени неравномерности деформаций) и имеет значение 0,05 мм (против 0,038 мм у ЦПГ из серийных деталей). Тогда сила трения юбки уменьшается и имеет значение 105,4 Н (для серийной ЦПГ - 126,6 Н). Сила трения колец опытного двигателя снижается и имеет значение 57,6 Н (у серийного двигателя 68,4 Н) вследствие наличия антифрикционного слоя на зеркале втулки.
Для решения вопроса об оценке влияния ПАП на мощность трения поршневых колец, необходимо проанализировать уравнение силы трения поршневого кольца [5],
Формула (2) состоит из 4-х частей, из которых составляющая 1 представляет собой постоянную величину, значение которой составляет 1,13 и видимо соответствует работе кольца по смазанной маслом цилиндровой втулке без ПАП.
Поскольку, суммарная сила трения всех колец поршня серийного дизеля равна =68,4// то следует, что при значении первого сомножителя в формуле (2) равном
1,13, значение произведения остальных сомножителей - 2, 3, и 4 будет 68,4/1,13 = 60,53 Н. Это значение останется тем же и для двигателя с опытной ЦПГ, сила трения которого может быть определена по формуле (1) - ЩОПрк =57,6 Н. Следовательно, новое значение 1-
го члена в (2), для опытной ЦПГ, 57,6/60,53 = 0,9516. Таким образом, формула (2) не может считаться универсальным средством для определения силы трения поршневых колец хоть и удовлетворяет ряду условий для большинства двигателей.
Применение метода нанесения многокомпонентного антифрикционного приработочного покрытия на зеркало цилиндра позволило, за счёт уменьшения силы трения в ЦПГ, увеличить механический КПД дизеля на 1,6%, что соответствует уменьшение удельного расхода топлива на 4-5 г/(кВт • ч) и уменьшить время приработки ЦПГ на 32 % (с 70 до 48 часов).
Проведённые исследования показали, что сравнительно несложные конструкторско-технологические методы могут дать достаточно хорошие результаты по улучшению условий приработки поршневых ДВС, в том числе по повышению их технического уровня в части снижения потерь мощности на преодоление сил трения, а, следовательно - повышения механического КПД, эффективного КПД и ресурса до очередной переборки. Данные конструкторские и технологические мероприятия могут быть использованы в разработках по проектированию новых и модернизации существующих двигателей, в том числе и в условиях небольших предприятий малого и среднего бизнеса.
Библиографический список:
1. Валитов А.М., Шилов Г.И. Приборы и методы контроля толщины покрытий. Справочное пособие Л., Машиностроение 1970, 120с.
2. Адлер Ю.П. и др. Планирование экспериментов при поиске оптимальных условий. М., наука, 1971, 283 с.
3. Шнейдер Г.Ю. Технология финишной обработки давлением: Справочник. СПб.: Политехника, 1998. 414 с.
4. Дорохов А.Ф. Уменьшение потерь мощности на преодоление сил трения в цилиндропоршневой группе ДВС / Двигателестроение, № 3. 1999. С. 18 - 21.
5. Шабшаевич Б.Э. Расчёт силы трения в цилиндропоршневой группе тракторного дизеля / Тракторы и сельхозмашины. 1973, № 12. С. 45 - 47
Вестник ДГТУ. Технические науки. № 15, 2009.
-\-
N.K. Sanaev, V.P. Tynianskiy,
The research of the method of drawing of an antifrictional covering of the plug of the cylinder of ice
The process of copper plating of the cylinder's surface of the engine of internal-combustion by copper brush and needle-honing is described. The technology and necessary conditions for drawing a covering are given. By results of a planned full factorial experiment, the optimum modes are offered with the purpose of maintenance of a high class of roughness.
Санаев Надир Кельбеханович (р. 1966) Декан факультета ОиБД Дагестанского государственного технического университета. Кандидат технических наук (1997). Окончил Дагестанский государственный университет (1990)
Основное научное направление: Повышение ресурса и надежности судовых
малоразмерных дизелей.
Автор более 40 научных публикаций
Тынянский Владимир Павлович (р. 1939) Доцент кафедры ТКиСАПР Дагестанского государственного технического университета. Кандидат технических наук (1979). Окончил Ленинградский корабельный институт (1969) Основное научное направление: Технология дизелестроения. Автор более 70 публикаций.
