CC BY
23
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.9: 658.5
Доктор техн. наук В.Я. СКОВОРОДИН (СПбГАУ, v.y.skovorodin.i@gmail.com) Аспирант Е.Е. ПУРШЕЛЬ (СПбГАУ, Purshel@mail.ru)
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ АНТИФРИКЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ВОССТАНОВЛЕННЫХ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ две В УСЛОВИЯХ
ХОЛОДНОЙ ОБКАТКИ
Гильза цилиндров, антифрикционная обработка, обкатка, приработка, механические потери, температура, шероховатость
Работоспособность восстановленных гильз цилиндров во многом определяется финишным процессом обработки рабочей поверхности.
В работе [1] показано, что одним из перспективных методов повышения качества восстановленных гильз является комбинированная отделочно- антифрикционная обработка рабочей поверхности. В качестве отделочной операции предлагается операция алмазного выглаживания в среде геомодификаторов трения. Это позволяет обеспечить необходимые параметры шероховатости поверхности и создать условия для получения на рабочей поверхности антифрикционных износостойких плёнок. Однако какие-либо данные исследований работоспособности гильз цилиндров, подвергнутых антифрикционной обработке, к настоящему времени отсутствуют [4].
Цель исследования - оценка эффективности применения финишной антифрикционной обработки восстановленных гильз цилиндров в условиях холодной обкатки.
Практика ремонта автотракторных двигателей показывает, что для обеспечения длительной безотказной работы сопряжений деталей необходима их приработка. По действующим стандартам и определениям технической литературы под приработкой понимают процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-механических свойств поверхностных слоев материала деталей сопряжения [2]. Приработка обеспечивается технологическим процессом обкатки.
Первым этапом процесса обкатки является холодная обкатка (без запуска двигателя, с приводом от постороннего источника). Процесс приработки характеризуется уменьшением работы трения, снижением температуры в контакте и уменьшении интенсивности изнашивания. На все эти факторы большое влияние оказывает микрогеометрия поверхностей трения. Окончанием приработки является переход характеристик поверхности от исходных (сформированных финишной обработкой рабочих поверхностей) к установившейся (равновесной) шероховатости [3].
Материалы, методы и объекты исследования. Процесс холодной обкатки сопряжения гильза - кольцо моделировался на стенде, разработанном в Санкт-Петербургском аграрном университете. Стенд состоит из станины, на которой расположены две платформы. На верхней платформе крепится гильза цилиндров. Нижняя платформа совершает возвратно-поступательные движения, на ней находится приспособление для крепления поршня. В поршне выполнено специальное углубление для заливки масла, которое через отверстия поступает в пару трения кольцо - гильза цилиндра.
Испытания проводились на режиме, рекомендованном в технической литературе для холодной обкатки двигателей после ремонта. В качестве смазки использовалось минеральное масло Лукойл SAE 15W40. Исследование процесса приработки сопряжения гильза -
поршневое кольцо в процессе обкатки проводилось на основе изменения механических потерь на трение, температуры в зоне трения и параметров шероховатости поверхности гильзы.
Механические потери на трение определялись по затратам электроэнергии на привод стенда. Для определения температуры в зоне трения в гильзе высверливались глухие технологические отверстия, позволяющие подвести контакт термопары к рабочей поверхности. Для измерения температуры применялась хромель-копелевая термопара ТХК и измеритель типа 2ТРМОА с классом точности 0,5°С.
Параметры шероховатости определялись прибором MITUTOYO " Surftest SJ-301". В качестве оценочных параметров шероховатости взяты параметры, регламентированные стандартами: ГОСТ 25142-82, ASME В46.1-1995, ISO 4287-199, DIN 4776. Все измерения проводились с трёхкратной повторностью.
В качестве испытуемых деталей использовались серийные гильзы цилиндров двигателей семейства Д-240. В первом варианте испытанию подвергалась гильза цилиндров из запасных частей. Во втором варианте испытывалась гильза, расточенная до ремонтного размера. Вместо хонингования в качестве финишной обработки проведена антифрикционная обработка алмазным выглаживанием в среде геомодификатора трения ТСК.
Результаты исследования. Состояние рабочей поверхности гильзы перед приработкой определяется технологией финишной обработки.
В табл. 1 приведены значения высотных параметров поверхности гильзы после финишной обработки разными способами.
Таблица 1. Значения высотных параметров рабочей поверхности гильзы после обработки разными способами
Параметр шероховатости Обозначение Среднее значение параметра после обработки, мкм
Растачиван ие Хонингован ие Антифрикцион ная обработка
Среднее отклонение профиля от средней линии Ra 1,48 0,61 0,31
Сумма средних высот наибольших выступов и впадин профиля Rz 8,85 5,50 2,95
Среднее квадратическое отклонение профиля Rq 1,82 0,90 0,47
Максимальная высота профиля Rt 11,09 8,76 4,49
Средняя высота наибольших выступов профиля Rp 3,76 1,56 0,75
Средняя глубина наибольших впадин профиля Rv 5,10 3,94 1,83
Отверстия гильз, поставляемых в запасные части, обрабатываются хонингованием. После хонингования шероховатость внутренней поверхности гильз должна соответствовать 9-му классу (Ra =0,32-0,16 мкм), однако измерение большого числа гильз, поставляемых в запасные части, показывает, что они соответствуют 8-му классу (Ra =0,63-0,32 мкм).
Восстановление рабочей поверхности гильзы выполнялось по технологии, разработанной ГОСНИТИ. Растачивание гильз до ремонтного размера производилось на вертикальном алмазно-расточном станке модели 278 за один проход при режиме: частота вращения шпинделя станка—112 об/мин, подача инструмента— 0,2 мм/об.
На рис. 1 показаны профили поверхности гильзы после обработки разными способами. Для удобства сравнения профилограммы приведены в одинаковом масштабе.
Рекомендуемый режим обеспечивает овальность и конусность расточенной поверхности не более 0,04-0,05 мм. После растачивания поверхность соответствует 6-му классу шероховатости (Ra =2,5-1,25 мкм).
Финишная антифрикционная обработка проводилась алмазным выглаживанием в среде геомодификатора ТСК. Режим обработки: диаметр алмазного шара 4 мм, скорость выглаживания 4,6 м/сек, 4 прохода с постепенным увеличением силы прижатия индентора 100, 200, 250, 300 Н. Применение финишной антифрикционной обработки на указанном режиме позволяет получить поверхность 9-го класса (Ra =0,32-0,16 мкм).
В процессе обкатки при трении в начальный период приработки участвует очень небольшое количество контактирующих между собой выступов, происходит интенсивное разрушение неровностей и их пластическое деформирование. В результате приработки происходит сглаживание неровностей и установление новых, отличных от первоначальных по форме и размерам.
Интенсивное деформирование и смятие выступов происходит до тех пор, пока неровности не примут такую форму и размеры, которые обеспечивают максимальную площадь фактического контакта. Эта шероховатость называется равновесной для данных условий работы сопряжения (давления, скорости скольжения, характеристики смазки и др.). Анализ данных исследований, выполненных И.А. Мишиным и проведённые измерения эксплуатационных шероховатостей гильз двигателя Д-240 показали, что средние значения параметров шероховатости имеют следующие значения: Ra=0,24 мкм, Rz= 1,2 мкм.
Растачивание
0,2 0,4 0,6 0,8 (mml 1,0
Хонингование
4,0
1.2,0 0,0 -2,0 -4,0 -6,0
(
„ 4,0
Л 2,0 0,0 -2,0 -4,0 -6,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 [тт] 1,0
Рис.1. Профиль поверхности гильз после различных видов обработки
0.0 0.2 0,4 0,6 0,8 [mm] 1.0
Антифрикционная обработка
В табл. 2 даны значения высотных параметров шероховатости поверхности гильзы после холодной обкатки в течение 2,5 часа.
В условиях холодной обкатки поверхность хонингованной гильзы не достигает параметров эксплуатационной шероховатости. В то же время шероховатость поверхности гильзы, подвергнутой антифрикционной обработке, практически приблизилась к значениям эксплуатационной шероховатости. На рис. 2 показаны профили поверхности гильз после холодной обкатки в течение 2,5 часа.
Таблица 2. Значения высотных параметров рабочей поверхности гильзы после холодной обкатки в течение 2-2,5 часа
Параметр шероховатости Обозначение Среднее значение параметра, мкм
Хонингова-ние Антифрикционная обработка
Среднее отклонение профиля от средней линии Яа 0,57 0,24
Сумма средних высот наибольших выступов и впадин профиля Яг 3,39 2,47
Среднее квадратическое отклонение профиля Яд 0,74 0,35
Максимальная высота профиля т 5,83 3,45
Средняя высота наибольших выступов профиля Яр 0,99 0,64
Средняя глубина наибольших впадин профиля Яу 2,40 1,84
Хонингов« жие
А л И /л.
V у 1Л1 Т Г \1 V ы /Г4
Т ' V V
1
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 [тт] 1,0
Антифрикционная обработка
4,0
Ё" 2,0 0,0 -2,0 40 -6,0
_ 4,0
Ж 2,0 0,0 -2,0 -4,0 -6,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 [тт] 1,0
Рис. 2. Профиль поверхности гильзы после обкатки в течение 2,5 часа
Как следует из ирофилограмм, после обкатки качество поверхности после антифрикционной обработки значительно лучше, чем у хонингованной гильзы.
Подробный анализ процесса формирования приработанной шероховатости можно сделать по изменению отдельных параметров шероховатости.
На графиках рис. 3 показано изменение в процессе обкатки параметров На, /¿г, Ш, и Ну рабочей поверхности гильзы цилиндров после хонингования и гильзы цилиндров после антифрикционной обработки.
Высотные характеристики выступов поверхности, которые участвуют в начальный период приработки, определяются параметрами Ка, Яг и Ш.
Из графиков рис. 3 следует, что высота неровностей по мере приработки снижается и достигает минимального установившегося значения.
Для гильзы с хонингованной поверхностью в течение обкатки значения параметров Яа, /¿г и Ш постепенно снижаются, однако стабилизации не происходит. Значения параметров в конце обкатки не достигают начальных значений для гильзы с поверхностью, подвергнутой антифрикционной обработке. Для гильзы с поверхностью, подвергнутой антифрикционной обработке, эти параметры также снижаются. Но так как значения параметров Яа, /¿г и Ш значительно ниже, их снижение проходит менее интенсивно и, что очень важно, процесс стабилизируется.
В процессе приработки происходит также изменение исходной структуры и физико-механических свойств поверхностных слоев. На поверхности трения образуются различные плёнки: плёнки окислов и химические соединения из окружающей среды, плёнки при избирательном переносе при трении и другие. В результате между трущимися поверхностями возникает так называемое третье тело - твёрдая смазка. Чем больше заполнение впадин твёрдой смазкой, тем меньше коэффициент трения.
На рис. 3 показано изменение глубины впадин (Rv) в процессе приработки поверхностей. При трении продукты изнашивания заполняют впадины. Для хонингованной гильзы процесс заполнения впадин идёт более интенсивно, чем для гильзы с антифрикционной обработкой. Это объясняется более высокой износостойкостью гильзы с антифрикционной обработкой.
По стандарту ISO 4287-1997 кроме исследованных выше параметров оценивается асимметрия и эксцесс функции распределения амплитуды профиля.
0,20
30 60 90 120 150 180 Время обкатки, мин.
Хонингование Антифрикционная обработка
30 60 90 120 150 Время обкатки, мин
180
2,1
5 1,8
^ 1,5 н
£ 1,2
го
ш
g 0,9 о
CL
^ 0,6
2,8
2
В
^ 2,6 а:
к 2,4
о о
S 2.2
со ' о
X
8. 2,0
а)
3
1,8
' ^ Хонингование ^ Антифрикционная обработка ■
0 30 60 90 120 150 180 0 30 60 90 120 150 180
Время обкатки, мин Время обкатки, мин
Хонингование " ^ Антифрикционная обработка
Рис. 3. Зависимость параметров профиля поверхности гильзы цилиндров от времени обкатки
Асимметрия - параметр, который характеризует форму функции распределения амплитуды. Асимметрия показывает изменения профиля относительно его средней линии. Эксцесс - параметр, учитывающий форму функции распределения амплитуды. Эксцесс представляет собой степень концентрации кривой амплитудного распределения вокруг средней линии, или, что то же самое, к числу пиков профиля.
Более высокой износостойкостью обладают поверхности, которые характеризуются отрицательным коэффициентом асимметрии и большим коэффициентом эксцесса.
В табл. 3 приведены значения коэффициентов асимметрии и эксцесса функции распределения амплитуды профиля поверхности гильз после холодной обкатки.
ТаблицаЗ. Коэффициенты асимметрии и эксцесса распределения амплитуды профиля поверхности гильзы после холодной обкатки
Вид финишной обработки поверхности гильзы Асимметрия амплитуды профиля Эксцесс амплитуды профиля
Хонингование -0,89 0,99
Антифрикционная обработка -1,63 4,67
Хонингование, после обкатки -1,91 4,94
Антифрикционная обработка, после обкатки -2,28 12,64
Отрицательная асимметрия характеризует поверхность с глубокими впадинами (резервуарами смазочного материала), что благоприятно сказывается на эксплуатационных трибологических характеристиках. Таким образом, антифрикционная обработка позволяет сформировать более износостойкую поверхность.
На рис. 4 показано распределение высот относительно средней линии профиля поверхности гильз цилиндров до и после обкатки.
Как следует из графиков, для гильзы с хонингованной поверхностью максимальная величина профиля после обкатки снизилась с 2,4 до 1,6 мкм. В то же время для гильзы, подвергнутой антифрикционной обработке, эта величина с 1 мкм уменьшилась до 0,3 мкм.
Сравнительный анализ распределений профиля поверхности гильз до и после обкатки представлен на рис. 5. Из графика видно, что антифрикционная обработка позволяет получить более ровную поверхность с очень небольшим отклонением от средней линии и исключить большие выступы.
Высота профиля, мкм
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Высота профиля, мкм
Рис. 4. Полигоны распределения величин отклонения профиля от средней линии рабочей поверхности гильз цилиндров до и после холодной обкатки в течение 160 минут
Хонингование
начальная чнгованик
обкатки
Антифр. обра начальная
Антифр. обработка -
после обкаткр
- после
>отка
1 1,5
Высота профиля, мкм
2,5
Рис. 5. Полигоны распределения величин отклонения профиля от средней линии гильз цилиндров с различной финишной обработкой до и после холодной обкатки в течение 160 минут
Высокую эффективность антифрикционной обработки показывают и другие параметры процесса приработки.
Динамика изменения температуры в зоне трения свидетельствует о процессах, происходящих в соединении, и служит объективным критерием оценки качества приработки. На рис. 6 приведена зависимость изменения температуры в зоне трения от времени обкатки.
1,8
3
о. 17
о» (в 1 с О О- -1-'0 X и
с 1 5
е; 5 '
0> и
Ь Р 1,4 о и о = 1 з
■г X
Е- и
5 11,2
11Д 1,0
-Хое
гМфрикционнаи обработка
ингование
40 80 120
Время оокаткн, мин.
160
Рис. 6. Изменение температуры в зоне трения сопряжения кольцо - гильза
в процессе приработки
В процессе испытаний через каждые 40 минут производились остановки стенда для определения шероховатости рабочей поверхности гильзы. За время остановки температура снижалась близко к первоначальной. Поэтому для приведения измерений к единой точке отсчёта использовался коэффициент отношения измеренных значений температур к значению температуры в начале каждого цикла испытаний [5].
Из графика видно, что во всех циклах испытаний при работе сопряжения с хонингованной поверхностью температура растёт более интенсивно по сравнению с поверхностью, подвергнутой антифрикционной обработке. Это объясняется более высокими выступами в точках контакта рабочих поверхностей деталей и более высоким коэффициентом трения. По мере процесса приработки температура снижается, что свидетельствует о снижении коэффициента трения и снижении интенсивности изнашивания деталей. Для гильзы с антифрикционной обработкой это проявляется в большей степени.
По мере приработки потери на трение уменьшаются, при стабилизации потерь на трение (при окончании формирования микрогеометрии поверхности трущихся деталей) мощность механических потерь становится постоянной, что свидетельствует об окончании приработки.
На рис. 7 показана зависимость мощности механических потерь в процессе приработки сопряжения кольцо - гильза от времени обкатки.
н
m
5,4 5,2
EL 5,0
8 4'8 g 4,6
u 4,4
I 4,2 п
J 4,0
~~ 3,8
Хон 1нгование
\
ч О Ани |фрикционь я обработке
V /ч . ..
0
40 80 120 160
Время обкатки, мин.
Рис. 7. Изменение мощности механических потерь в процессе приработки
сопряжения кольцо - гильза
Как следует из графика, после обкатки в течение 100-120 минут происходит стабилизация мощности механических потерь. При этом мощность механических потерь для гильзы с антифрикционной обработкой ниже, чем для хонингованной гильзы.
Выводы. Применение антифрикционной обработки отверстий гильз цилиндров алмазным выглаживанием в среде геомодификатора трения ТСК в качестве финишной операции при восстановлении работоспособности позволяет обеспечить параметры шероховатости рабочей поверхности существующим техническим рекомендациям. В процессе холодной обкатки формируются параметры поверхности, соответствующие равновесной эксплуатационной шероховатости. Финишная антифрикционная обработка рабочей поверхности гильз при их восстановлении более эффективна, чем обработка хонингованием.
Литература
1. Сковородни В.Я., Пуршель Е.Е. Исследование возможности формирования металлокерамических плёнок при финишной антифрикционной обработке гильз цилиндров геомодификаторами //Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2016. - № 42. - С. 333-340.
2. Современная трибология: Итоги и перспетивы / Отв. ред. К.В.Фролов. - М.: Издательство ЛКИ, 2008. - 480 с.
3. Сковородин В.Я., Панкрашев A.C. Финишная обработка гильз цилиндров ДВС с применением антифрикционных материалов //Труды всероссийского научно -исследовательского института ремонта и эксплуатации машинно - тракторного парка /-2010.-№ 105.- 140 с.
4. Дунаев A.B., Зуев В.В., Васильков Д.В. и др. Гипотезы механизмов действия ремонтно-восстановительных серпентиновых трибопрепаратов // Труды ГОСНИТИ. - 2013. - Т.112. -№2. - 210 с.
5. Ковалевская Ж.Г., Хатькова A.B., Белявская О.В. и др. Влияние нагрева на фазовые превращения в геомодификаторе трения на основе слоистого гидросиликата // Обработка металлов. - 2013. - № 1 (58). - 125 с.
Liter atur a
1. Skovorodin V. Ja., Purshel E.E. Issledovanie vozmojnosti formirovaniia metallokeramicheskih plenok pri finishnoi antifrikcionnoi obrabotke gilz cilindrov geomodifikatorami // Izvestie Sankt-Peterbyrgskogo gosydarstvennogo agrarnogo yniversiteta.
- 2016/-№ 42/-S. 333-340
2. Sovremenaia tribologiia: Itogi i percpektivi / Otv. red. K.V. Frolov. - M.: Izdatelstvo LKI, 2008.-480c.
3. Skovorodin V. Ja., Pankrashev A.S. Finishnaia obrabotka gilz cilindrov DVS s primeneniem antifrikcionnih materialov// Trudi vserosiiskogo - issledovatelskogo institute remonta i ekspluataciimashinno - traktornogo parka/ Redkol.: Chernoivanov V.I. [i dr.] - 2010. - №105.
- C.80-83.
4. Dunaev A.V., Zuev V.V., Vasilkov D.V. i dr. Gipotezi mehanizmov deistviia remontno -vosstanovitelnih serpenterovannih tribopreparatov// Trudi GOSNITI. - 2013. T.112. - №2. -s.134-142.
5. Kovalevskaia J.G. Hatkova A.V., Beliavskaia O.V. i dr. Vliianie nagreva na fazovie prevrasheniia v geomodifikatore treniia na osnove sloistogo gidrosilikata // Obrabotka metallov. - 2013. - №1 (58). - S 75-80.
УДК 582.79:57.033
Доктор техн. наук С.А. РАКУТЬКО (СПбГАУ, sergejl964@yandex.ru) Аспирант А.Н. ВАСЬКИН (СПбГАУ, vaskin69@mail.ru) Соискатель Е.Н. РАКУТЬКО (ИАЭП, elena.rakutko@mail.ru)
СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ БИЛАТЕРАЛЬНЫХ ПРИЗНАКОВ ЛИСТЬЕВ ПЕТРУШКИ (PETROSELINUM TUBEROSUM) ПРИ ВЫГОНКЕ ПОД РАЗЛИЧНЫМ СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ
Фитомониторинг, светокультура, спектр, флуктуирующая асимметрия
Энергия потока оптического излучения (ОИ) в области фотосинтетически активной радиации (ФАР) с длиной волны от 400 до 700 нм является основой обеспечения процессов фотосинтеза и получения полезной продукции в светокультуре, оказывая большое влияние на рост, развитие и физиологию растений. У растений под влиянием энергии ОИ наблюдается целый ряд физических эффектов, ведущих к регуляторным, адаптивным и другим процессам, вплоть до экспрессии генов. Единичные кванты ОИ, поглощаемые растительным организмом, запускают быстрые и хорошо заметные превращения морфофизиологического состояния растений. В целях обеспечения максимальной продуктивности выращиваемых растений при минимуме энергетических затрат применяют дополнительное облучение от искусственных источников света (ИС). При этом возможно широкое варьирование параметрами излучения: интенсивностью, продолжительностью, спектральным составом.
Стабильность развития растений проявляется во взаимодействии случайных событий в организме растения и их способности точно следовать программе, заложенной в генотипе, сопротивляясь воздействиям окружающей среды во время развития для формирования оптимального фенотипа. Недостаточное качество среды выращивания выражается в явлении нестабильности развития.
Наиболее ярким проявлением стабильности развития биообъекта на макроуровне является флуктуирующая асимметрия (ФА), заключающаяся в незначительных и случайных отклонениях параметров билатеральных (зеркальных) признаков. Уровень ФА является
