CC BY
33
а б
Рис. 9. Электронная микроскопия деформационной субструктуры приповерхностного слоя образца железа, подвергнутого
протягиванию:
а - светлое поле, б - темное поле
Авторы статьи выражают благодарность к.т. н. С. В. Соханю , к.т.н. С.Е. Шейкину , к.т.н. А. Д. Криц-кому , к.т.н. В. В. Возному , инж. В. В. Мельниченко,
инж. С. Ф. Студенцу за разработку и отладку рассмотренных выше автоматизированных рабочих мест.
Одержано 12.06.2007
Розглянуто висок технологи механообробки, як розроблет в 1НМ НАН Украши. Показан спецiально cmeopeHi автоматизованi робочi мiсця для остаточного вiдпрацьовування розроблюваних високих технологш.
High technologies of machining which are developed in ISM of NAS of Ukraine are considered. Specially created automated workplaces for final treatment of developed high technologies are shown.
УДК 620.178.1.002.237
В. И. Кубич, д-р техн. наук Л. И. Ивщенко Национальный технический университет, г. Запорожье
К МЕТОДИКЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ПЕРЕНОСА В ТРИБОСОПРЯЖЕНИИ «ШЕЙКА-ПОКРЫТИЕ-ВКЛАДЫШ» ДВС
Рассмотрена актуальность реализации избирательного переноса в трибосопряжении «шейка-вкладыш » посредством применения медьсодержащего покрытия на поверхности шеек коленчатых валов двигателей. Сформулирована цель исследования, определены решаемые задачи, обозначены пути их решения, для чего обоснована значимость критериев оценки триботехнических характеристик и структурных параметров покрытия в исследуемом трибосопряжении.
Актуальность
Снижение долговечности двигателей после капитального ремонта можно объяснить недостаточной износостойкостью восстановленных шеек коленчатых валов. Средний ресурс указанных деталей составляет (25-30 %) от ресурса новых [1, 2].
Существенное увеличение износостойкости коренных и шатунных шеек коленчатых валов в процессе их восстановления и поддержание установившегося износа в сопряжении с вкладышами в процессе эксплуатации двигателей на наиминимальнейшем уровне позволит значительно повысить ресурс трибосопряже-
ния «шейка-вкладыш». Реализацию данной задачи следует рассматривать как решение проблемы повышения долговечности двигателей при их ремонте.
В процессе эксплуатации шейки коленчатых валов подвергаются различным видам изнашивания. Вследствие этого для увеличения долговечности шеек целесообразно принять такие методы повышения износостойкости, которые позволили бы формировать на поверхности трения антифрикционные покрытия, препятствующие разрушению деталей в результате комплексного воздействия ряда факторов: исходной неравномерности структурных параметров материалов дета-
© В. И. Кубич, Л. И. Ивщенко, 2007
134
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕС1В В МЕТАЛУРПТ ТА МАШИНОБУДУВАНН1
лей, адгезионного, усталостного, абразивного изнашивания, циклического нагружения.
Анализ возможных методов повышения износостойкости, основанных на формировании износостойких поверхностных слоев, показал, что наиболее перспективной является группа методов, создающая условия для реализации избирательного переноса (ИП) в сопряжении «шейка-вкладыш». Формирование сервовитной пленки в зоне фрикционного контакта, характеризующее процесс ИП, обуславливает существенное повышение износостойкости рассматриваемого сопряжения, работающего в условиях граничной смазки. Из существующих способов реализации ИП наиболее перспективным является финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО), в результате которой на обрабатываемой поверхности формируется антифрикционное покрытие на медной основе.
Для получения медьсодержащего покрытия на ремонтопригодных деталях двигателей разработан способ фрикционно-механического нанесения антифрикционного покрытия, который может быть использован в трибосопряжении «шейка-вкладыш». Данный способ предполагает применение в качестве антифрикционного материала оловянистую бронзу БрОФ 4-0,25, а в качестве наиболее эффективной поверхностно-активной среды - среду на галлиевой основе (ва -88 %, 1п-10 %, Си-2 %) [3].
Однако достоверные данные о реализации ИП именно в трибосопряжении «шейка-покрытие-вкладыш» двигателей отсутствуют, поскольку:
- глицериновая среда, реализующая ИП в сопряжениях «вал-втулка», при наличии медьсодержащих
компонентов при температуре свыше 65 °С в зонах контакта не пригодна, т. к. диапазон температур в рассматриваемом сопряжении «шейка-вкладыш» составляет 120-180 ° С ;
- нет конкретных моделей и представлений о процессах, происходящих в структурах материалов деталей при их контактном взаимодействии в галлиево-индиевой среде совместно с поверхностно-активными веществами смазочной композиции в условиях изменения несущей способности последней в отношении реализации ИП;
- получаемые медьсодержащие покрытия являются только таковыми - носителями медьсодержащей структуры, с присущими им в той или иной степени антифрикционными, противоизностными, противоза-дирными свойствами.
Реализация ИП в рассматриваемом трибосопряже-нии возможна лишь при комплексном подходе к оценке триботехнических и структурных критериев материалов сопрягаемых деталей.
Постановка цели и решаемых задач
Целью настоящей работы является определение значимости предположения о характере проявления ИП - объективное подтверждение или же опроверже-
ние с последующей разработкой научнообоснованных рекомендаций по использованию износостойких покрытий для повышения долговечности ремонтопригодных деталей сопряжения «шейка-вкладыш».
Достижение поставленной цели обусловлено решением следующих основных задач:
- исследование механизма взаимодействия трибо-покрытия шейки вала с компонентами антифрикционного слоя вкладышей;
- моделирование процесса изнашивания покрытия в зависимости от исходной неравномерности структурных параметров восстанавливаемых деталей сопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» в условиях неравномерности изнашивания коренных и шатунных шеек двигателей;
- моделирование возможности проявления структурно-фазовых превращений, свойственных ИП, в отношении устойчивости смазочного слоя в сопряжении «шейка-покрытие-вкладыш» на различных режимах работы двигателей;
- разработка технологических средств (физической модели) для экспериментально-теоретического исследования закономерностей изменения триботехничес-ких параметров износостойких покрытий;
- разработка организационно-технологических рекомендаций по введению в эксплуатацию и непосредственному использованию отремонтированных двигателей с применением метода ФАБО для повышения ресурса деталей, лимитирующих ресурс двигателя в целом.
Пути решения поставленных задач
Для решения приведенных задач предлагается следующее.
Применить комплексный подход в рассмотрении критериев оценки триботехнических характеристик трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» совместно со структурными параметрами, характеризующими структурные превращения, свойственные явлению ИП, к которым следует отнести:
- интенсивность изнашивания;
- коэффициент трения;
- физическое уширение рентгеновских линий в ;
- период кристаллической решетки а ;
- концентрацию легирующих элементов Сэл.
Принять во внимание факт трехмерного динамического нагружения трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш», при котором деформационные зоны покрытия будут обуславливать характер протекания избирательного переноса в сопряжении [4]. В соответствии с фактом модернизировать технологическое оборудование машины трения СМЦ-2 для проведения лабораторных экспериментов по схеме « вал-втулка» с учетом смены типов трения и нагружения. Для получения более достоверных результатов целесообразно использовать торговые марки масел, рекомендованных для каждого типа двигателя, и образцы, изготовленные:
- для вала - из реально восстановленных шеек коленчатых валов (чугунных - ВЧ 50, СЧ75, стальных -сталь 45, 50), имеющих исходную неравномерность структурных параметров;
- для втулки - из промышленных ремонтных вкладышей определенных составов антифрикционного покрытия (АМО1-20, АМО2-15, АМО1-40).
Рассмотреть степень влияния термомеханических и микроадгезионных факторов, обуславливающих процессы формирования «сервовитной» пленки в зоне контакта трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш», т. к. их составляющие обеспечивают тангенциальную прочность адгезиоонной связи (тп1) медьсодержащего покрытия на поверхности шейки вала, а также формирующуюся адгезионную связь (тп2) структуры, переносимой на поверхность антифрикционного материала вкладыша, в результате контактного взаимодействия.
Условие же достаточного пребывания медьсодержащего покрытия с последующим формированием «сервовитной пленки» в зоне фрикционного взаимодействия трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» можно выразить следующим соотношением:
тп1 _тп2 >
(1)
При этом возможность переноса указанной структуры на сопряженную с ней поверхность, в частности антифрикционный слой вкладыша, будет основываться на условии перехода от пластического оттеснения при разрушении фрикционных связей к резанию [5]:
Я ( 2т ^ ^шах > 05 1 _ ^ 1п1
(2)
где Яшах - максимальная высота единичной неровности, мкм; г - радиус округления единичной неровности, мкм; тп1 - тангенциальная составляющая прочности адгезионной связи, МПа; стт - предел текучести материала, МПа.
Определить вид математической модели изнашивания сопряжения «шейка-покрытие-вкладыш», для чего в качестве факторов, определяющих микроадгезионные свойства и шероховатость трибопокрытия шейки, принять тангенциальную адгезионную прочность тп и толщину покрытия 5 , а также параметр шероховатости Яа. К факторам, определяющим условия трения, отнести номинальное давление ра, фактор времени /и, скорость скольжения V в фрикционном контакте шейки и вкладыша. Коэффициент трения / -как параметр молекулярного взаимодействия тел.
Тогда общий вид функциональной зависимости износостойкости И1-2 сопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» от перечисленных факторов может быть представлен следующим образом [6]:
И1-2 = В
\р1 (о \Р2 ( я \Рз
ра
{п J
V Яа J
• /в
(3)
где В, Р1_4 - постоянные коэффициенты, определяемые в результате проведения экспериментальных исследований, как и значения переменных: тп , 5 , Яа,
/п/
Безразмерные комплексы уравнения (3) имеют определенный физический смысл. Первый комплекс характеризует относительную тангенциальную адгезионную прочность, второй комплекс численно равен линейному износу покрытия на пути трения в 1 м в течении 1 с, третий комплекс характеризует относительную толщину покрытия.
Значимость критериев оценки триботехничес-ких характеристик и структурных параметров покрытия
Долговечность рассматриваемого трибосопряже-ния лимитирована предельным состоянием, которому соответствует максимально допустимый зазор между шейкой и вкладышем коленчатого вала, зависящий от изменения линейных размеров элементов трибосоп-ряжения в результате изнашивания [7].
Интенсивность изнашивания элементов трибосоп-ряжения по пути трения определится из отношения
-1 • +--2 •
¡к =■
Р1
Р2
ь
(4)
тр
где А 01,2 - масса изношенного элемента: А 01-вкладыша, А 02 - шеек, кг; Р1, Р2 - плотности изна-
шиваемого материала, кг/ м3; ^1,2 - площадь поверх-
2
ности трения: вкладышаи шейки АТ2, м ; Ьтр -длина пути трения, на котором произошло изнашивание, м.
Для сравнительной оценки триботехнических свойств материалов используется такой показатель, как относительная износостойкость [8], определяющий отношение интенсивности изнашивания одного материала к интенсивности изнашивания другого в одинаковых условиях. При этом один из материалов принимается за эталон. В связи с этим относительную износостойкость трибосопряжения, элемент которого подвергался нанесению медьсодержащего компонента, можно оценить формулой
И
¡к
1,2
1-2
¡к1,2°
(5)
где И1_ 2° - относительная износостойкость трибосоп-ряжения; ¡к1, 2 - интенсивность изнашивания трибо-
х
п
4
Г
ст
Т
о
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕС1В В МЕТАЛУРГ1Т ТА МАШИНОБУДУВАНН1
сопряжения, элементы которого не подвергались нанесению покрытия; //¡1,2° - интенсивность изнашивания трибосопряжения, элементы которого подвергались нанесению покрытия.
В условиях проявления избирательного переноса износ контактирующих поверхностей деталей отсутствует как таковой или же предельно мал. Исходя из этого, приспосабливаемость поверхностных слоев к условиям работы происходит без потери определенного количества массы материала сопряженных деталей.
Медьсодержащее покрытие на поверхности шеек коленчатого вала как способ изначального увеличения площади фактического контакта с его последующим влиянием на изменение физико-механических свойств упругодеформированных слоев, в идеальном варианте в соответствии с (4) обусловит предельно малое значение интенсивности изнашивания.
Более того, в условиях континуального трения целесообразно рассматривать также вопрос и об изнашивании (возобновлении) в процессе контактного взаимодействия так называемой сервовитной пленки. В данном случае - источником предлагается использовать медьсодержащее покрытие на поверхности как шеек валов, так и в составе антифрикционного слоя вкладыша на принципе явления диффузии и самоди-фузии атомов компонентов материалов сопряженных деталей.
Закономерность значительного снижения интенсивности изнашивания будет проявляться в постоянстве массы пленочного образования с характерными специфическими свойствами
f=0,021в33,3 • Рш •1 'ф0 •НВ + 0,14
V • Я • К • п
(7)
^1-2 = к (пц + т2),
(6)
где тЬ2 - масса наносимого медьсодержащего покрытия на шейку вала, кг; т1 - масса пленочного образования на поверхности медьсодержащего покрытия шейки вала, кг; т2 - масса пленочного образования на поверхности вкладыша, кг; к - коэффициент, определяющий степень потери массы пленки от выхода в смазочную среду легирующих компонентов.
Полученная интенсивность изнашивания
/¡12 = 10 12 -10 10 трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» наряду с эталонной интенсивностью из-
нашивания /к1,2° = 10 10 -10 8 трибосопряжения «шейка-вкладыш» обусловит проявление в нем ИП.
Коэффициент трения, как критерий механических потерь при трении, позволяет определить: степень нагруженности поверхностей трибосопряжения; характер проявления несущей способности смазочного слоя, состояние упруго-деформируемых поверхностных слоев материалов деталей, что в целом обусловливает проявление безызносности и долговечность узла трения.
Коэффициент трения между шейкой коленчатого вала и подшипником определяется отношением [9]
-8
где НВ - твердость менее твердого материала (подшипника) по Бринеллю; рш - среднее удельное давление на шейке вала, МПа; 1 - длина шейки вала, м; V - кине-
2
матическая вязкость масла, мм /с; ф0 - угол сопряжения поверхностей; Япр - приведенный радиус кривизны поверхности трения, в данном случае равен радиусу шейки вала, м; Епр = 2К1 Е2 / (К1+К2) - приведенный модуль упругости материалов шейки коленчатого вала и подшипника; п - частота вращения коленчатого вала, об/мин.
Исходя из полученного выражения, коэффициент трения в зонах контактного взаимодействия медьсодержащего покрытия шейки с антифрикционным материалом вкладыша будет определяться величиной удельного давления по углу сопряжения при изменении частоты вращения коленчатого вала при заданных физико-механических свойствах сопряженных поверхностей через модифицированные трением слои медьсодержащего покрытия.
Полученный порядок величины коэффициента трения, свойственный гидродинамической смазке: 0,0010,005, в исследуемом трибосопряжении «шейка-покрытие-вкладыш» позволит обусловить проявление в нем ИП.
Исследуемое трибосопряжение «шейка-покрытие-вкладыш» содержит модифицированное в результате ФАБО медьсодержащее компонентное покрытие с достаточным уровнем пластифицирования.
В процессе контактного взаимодействия покрытия шейки с антифрикционным материалом вкладыша в тончайших слоях как в условиях гидродинамического нагружения, так и нарушения несущей способности смазочного слоя будет иметь место дальнейшее развитие пластической деформации.
Кроме того, пластическое деформирование антифрикционного материала вкладыша через переносимый слой модифицированной структуры покрытия шейки вала повлечет за собой зарождение, размножение, перераспределение дефектов кристаллической решетки, прежде всего дислокаций и самого материала вкладыша.
Число дислокаций и в покрытии шейки вала и образовавшейся структуре вкладыша можно приблизительно оценить по параметру в (Ьк1) - физической ширине линий на рентгенограммах образцов, подвергнутых лабораторным испытаниям [10].
Таким образом, характер изменения физического уширения рентгеновских линий по глубине исследуемых поверхностей шейки вала и вкладыша позволит дать объективную оценку возможности снижения поверхностного потенциального барьера движущимся дислокациям в структурах материалов. То есть в зонах контакта поверхностей трибосопряжения «шейка-
покрытие-вкладыш» в процессе трения не будет происходить накопления повреждений, приводящих к разрушению поверхностей. Последнее обусловит резкое снижение интенсивности изнашивания, что характерно для проявления избирательного переноса.
Оценивая характер изменения периода кристаллической решетки а пленки, формирующейся на контактных поверхностях исследуемых шейки вала и вкладыша, можно получить достоверные данные о величине плотности вакансий и их распределению по глубине образцов.
Важным представляется количество вакансий в пленке как на поверхности шейки вала, так и на поверхности антифрикционного сплава вкладыша, поскольку исследованию подлежит и структура медьсодержащего покрытия и структура переносимого в результате контактного взаимодействия состава и границы их раздела с основным материалом образцов.
Таким образом, характер изменения периода кристаллической решетки а поверхностных слоев трибо-сопряжения «шейка-покрытие-вкладыш», модифицированных в результате контактного взаимодействия позволит дать обьектвную оценку величине и распределению плотности вакансий. Высокая же плотность вакансий в пленке меди исследуемого сопряжения является фактором проявления в нем избирательного переноса.
Оценка величины периода кристаллической решетки твердых растворов, образующихся в зоне контактного взаимодействия рассматриваемого сопряжения, позволит проанализировать особенности диффузии легирующих элементов и примесных элементов сплава, т. е. концентрации таковых.
Период решетки для оловянистых бронз выражается соотношением [10]
aCuSn =aCu + 0,011Csi^ (8)
где Csn - содержание атомов олова, %.
Исходя и этого, концентрацию легирующих элементов как в модифицированном покрытии, основу которого составляет оловянистая бронза БрОФ4-0,25, галлий, индий, так и в антифрикционном сплаве вкладыша, основу которого составляет алюминий, олово, медь, и др. можно определить по изменению периодов их кристаллических решеток.
Наличие же кинетики совокупности диффузионных потоков легирующих элементов в исследуемых поверхностях обусловит формирование определенной структуры и свойств поверхностного слоя в трибосоп-ряжении «шейка-покрытие-вкладыш», что в свою очередь предопределит характер проявления избирательного переноса.
Вывод
Предлагаемая методика комплексного подхода в оценке рассмотренных триботехнических критериев, структурных параметров медьсодержащего покрытия на основании факторов, определяющих процесс формирования из него сервовитной пленки в трибосопря-жении «шейка-покрытие-вкладыш», а также критериального уравнения математического описания изнашивания исследуемого сопряжения, позволит объективно судить о характере проявления в нем избирательного переноса. Это дает возможность как выбирать состав покрытия шеек валов для сопряжения с вкладышами, так и управлять процессами контактного взаимодействия в нем.
Перечень ссылок
1. Комбалов В. С. Оценка триботехнических свойств в контактирующих поверхностях. - М.: Наука, 1983. -130 с.
2. Яркин В. Р. Повышение износостойкости трибосопряжения «гильза-поршневое кольцо» при ремонте двигателей военной автомобильной техники : Дисс. на со-иск. уч. степ. канд. тех. наук. - РВВАИУ,1996. - 296 с.
3. Колчаев А. М., Степанов В. Б. Способ фрикционно-ме-ханического нанесения антифрикционного покрытия. Патент РФ № 2060300. 1996.
4. Белов П.М. Двигатели армейских машин. - М.: Воениз-дат, ч.1. 1971. - С. 511.
5. Крагельский И. В. и др. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.
6. Евдокимов Ю. А. и др. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа / Ю. А. Евдокимов, В. И. Колесников, А. И. Тетерин. - М.:, 1980. - 228 с.
7. Куксенова Л. И. и др. Методы испытаний на трение и износ. - М.: Интермет инжиниринг, 2001. - 152 с.
8. Трение, изнашивание, смазка. Термины и определения.-М.: Издательство стандартов, 1988. -20 с.
Одержано 24.05.2007
Розглянуто актуальнiсть реалiзацii вибiркового переносу в трибоз'еднанш «шийка-вкладень» через використання покриття, котре метить Midb, на поверхнi шийок колiнчастих валiв двигутв. Сформульовано мету до^джень, визначенi завдання, що вирiшуються, наведенi шляхи Их вирiшення, для чого обтрунтовано значення критерИв оцiнки триботехнiчних характеристик i структурних параметрiв покриття у трибоз 'еднант, що до^джуеться.
The urgency of electoral carry implementation in tribocoupling «journal-insert» on means of application of copper containing on a surface ofjournals of engines crankshafts is reviewed. The purpose of research is formulated, the solved problems are determined, the routes of their solution are indicated, for what the significance of criterion of an estimation of the tribotechnical characteristics and structural parameters of cover(coating) in investigated(studied) trubojoints is justified.
