CC BY
43
УДК 621.438
ПІДВИЩЕННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ ДИЗЕЛІВ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ ОПТИМАЛЬНОЇ МІКРОГЕОМЕТРІЇ ТРИБОСИСТЕМИ «ГІЛЬЗА-КІЛЬЦЕ»
Д.М. Барановський, доцент, Кременчуцький державний університет імені Михайла Остроградського
Анотація. Приведено результати теоретичних і експериментальних досліджень впливу лазерного випромінювання на оптимальну мікрогеометрію поверхонь трибосистеми «гільза -кільце» дизелів. Показано, що регулюванням режимів обробки лазерного випромінювання можна досягти необхідної мікрогеометрії для прискорення процесів припрацювання дизелів.
Ключові слова: оптимальна мікрогеометрія, трибосистема, дизелі, лазерне випромінювання, довговічність.
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДИЗЕЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОПТИМАЛЬНОЙ МИКРОГЕОМЕТРИИ ТРИБОСИСТЕМЫ
«ГИЛЬЗА-КОЛЬЦО»
Д.Н. Барановский, доцент, Кременчугский государственный университет
имени Михаила Остроградского
Аннотация. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния лазерного излучения на оптимальную микрогеометрию поверхностей трибосистемы «гильза - кольцо» дизелей. Показано, что регулированием режимов обработки лазерного излучения можно достичь необходимой микрогеометрии для ускорения процессов приработки дизелей.
Ключевые слова: оптимальная микрогеометрия, трибосистема, дизели, лазерное излучение, долговечность.
RISE OF LONGEVITY OF DIESELS WITH APPLICATION OF OPTIMUM MICROGEOMETRY OF «SHELL-RING» TRIBOSYSTEMS
D. Baranovskiy, Associate Professor, Kremenchug State University after Michael Ostrogradsky
Abstract. The results of theoretical and experimental researches of influencing of laser radiation on optimum microgeometry of diesels «shell - ring» tribosystems. It is shown that by adjusting of the modes of treatment of laser radiation it is possible to attain necessary microgeometry for acceleration of diesels burn in processes.
Key words: optimum mikrogeometric, tribosystem, diesels, laser radiation, longevity.
Вступ
Для кожного сполучення і властивих йому умов тертя існує визначена оптимальна контурна площа контактування, що представляє собою сукупність плям контакту, оптимально розташованих на номінальній площі. Така
система плям контакту задається відповідними методами геометричного і міцнісного розрахунку, виходячи з досвіду експлуатації агрегату, і забезпечується технологічними шляхами на операціях механічної обробки, притирання й обкатування. Шорсткість поверхонь тертя також має оптимальні значення.
Оптимальні значення контурної площі і шорсткості для конкретних пар тертя знаходяться експериментальним шляхом. У зв’язку з наявністю похибок обробки і зборки остаточне досягнення оптимальних значень контурної площі і шорсткості можливо, як правило, шляхом застосування спеціальних заходів
і у процесі припрацювання трибосистем (ТС). Для прискорення процесу припрацю-вання використовуються спеціальні заходи, такі як притирання вільним абразивом.
Аналіз технологічних методів, призначених для отримання оптимальної шорсткості поверхонь дизелів
Опір зносу поверхонь ТС багато в чому залежить від остаточної (фінішної) технології обробки. Для втулок і гільз циліндрів залежно від умов експлуатації і параметрів двигуна визначено оптимальні параметри вихідної шорсткості поверхні тертя, за якої інтенсивність зношування буде мінімальною. Встановлено [1], що від фінішної обробки деталей дизелів залежить не тільки первісна, але і наступна інтенсивність зношування при експлуатації.
Найбільш розповсюдженим методом фінішної обробки гільз циліндрів дизелів є хонін-гування робочої поверхні, що забезпечує необхідні параметри шорсткості і напрямок мікронерівностей до осі циліндра. Залежно від умов тертя, в гільзі циліндрів вихідна шорсткість переходить в експлуатаційну, яка може бути вище, нижче чи близькою до вихідної.
При хонінгуванні поверхня гільз циліндрів насичується абразивними частками через знос хона. У процесі роботи дизеля ці частки приводять до прискореного зносу контртіла -кілець і поршня, які в початковий момент експлуатації становлять 5...15 % від величини граничного зносу і різко знижують загальний ресурс.
Тому дуже корисною виявилася розробка технології безабразивної обробки поверхонь тертя. До такої технології відноситься фінішна антифрикційна безабразивна обробка (ФАБО), що дозволяє зменшити початкові зноси гільз циліндрів і кілець і, тим самим, підняти ресурс дизеля. Спосіб ФАБО був запропонований Д.Н. Гаркуновим і В.Н. Ло-зовським [2]. Шорсткість поверхонь після
ФАБО дещо зменшується (Яа <2,5 мкм). Деталі перед ФАБО шліфують, розгортають, хонінгують.
Практично ФАБО гільз циліндрів проводять на токарському верстаті за допомогою спеціального пристрою, основним елементом якого є латунні прутки, що притискаються до оброблюваної поверхні, і тертьові по ній у процесі обробки [2].
Перевага ФАБО в порівнянні з іншими фінішними операціями полягає в тому, що метод є надзвичайно простим, не вимагає складного устаткування і надає сталевій чи чавунній поверхні високих антифрикційних властивостей. При ФАБО чавунна поверхня гільз циліндрів дизелів перетворюється у бронзову, а коефіцієнт тертя знижується у 1,5 раза.
До недоліків ФАБО слід віднести малу товщину зміцненого шару і відсутність позитивного ефекту при тривалій експлуатації. За даними Ф.Х. Бурумкулова й А.Г. Андрєєвої, тривалість дії покриття становить близько
2 годин. Ця обробка може впливати на процеси припрацювання, а не на ресурс дизеля в цілому.
3 метою підвищення експлуатаційних властивостей та економічності тракторних і комбайнових дизелів Інститут надтвердих матеріалів АН України разом з ПО «Київтрак-тородеталь» розробив триботехнологічний метод формування зносостійкої поверхні гільз циліндрів дизелів шляхом керування мікрогеометрією і структурою поверхневих шарів деталей нанесенням на поверхні тертя твердомастильних покриттів [2].
Розроблений метод дозволяє не тільки поліпшити характеристики припрацювання дизелів (виключити припалення поршневих кілець, задирки гільз і поршнів, знизити витрату оливи на чад), але і збільшити моторесурс дизелів.
Алмазне вигладжування робочих поверхонь має малу глибину зміцненого шару, що для втулок і гільз циліндрів робить спосіб мало-перспективним.
Вплив лазерного випромінювання на матеріал зумовлює не тільки структурні зміни [3], але й зміни параметрів шорсткості оброблюваної поверхні. Величина шорсткості, перед-
усім, залежить від режимів лазерної обробки і в першу чергу від тих, при яких спостерігається оплавлення поверхні.
Теоретичне обґрунтування оптимальної мікрогеометрії гільз циліндрів
Згідно роботи [4], границю витривалості зразків залежно від мікрогеометрії можна визначити за виразом:
GT = f. —max,
(1)
де р - питоме навантаження; Ятах - максимальна висота профілю нерівностей; / - коефіцієнт тертя.
Відповідно до роботи [3], при використанні лазерної обробки на неперервному режимі опромінення можна встановити стаціонарне поле напружень
(2)
( o ) aqoKn EyJnko F f 1 2 , 2
^(r '°'œ)=~mVr~ 4 2;2’-k"r
де X - коефіцієнт теплопровідності; г - радіус зони впливу; Кп - коефіцієнт поглинання;
к0- коефіцієнт, к0 = 8/С2; С - ширина лазерної доріжки; д0 - густина потужності лазерного випромінювання, що падає на поверхню матеріалу; V - швидкість сканування;
^1(а, в, у) - гіпергеометрична функція; Е -модуль Юнга.
Якщо прирівняти останні вирази, то мікроге-ометрію при лазерному впливі на неперервному режимі можна описати
R paqp кпE F
^ax 2U0Vf 2 1
1
2;-ko r2
(З)
Оскільки найбільшого припрацювання в дизелях зазнають гільзи циліндрів та виходячи
з того, що сьогодні широкого розповсюдження набули дизелі сімейства ЯМЗ, то, відповідно до цього, побудовано графічні залежності висоти мікронерівностей від густини потужності лазерного випромінювання (рис. 1).
Густина потужності, х108, Вт/м2
Рис. 1. Теоретична залежність висоти мікро-нерівностей поверхні чавуну СЧ-12 від густини потужності лазерного випромінювання за швидкості: 1-5 мм/с; 2 - 10 мм/с; 3 - 15 мм/с; 4 - 20 мм/с; 5 -25 мм/с
Експериментальні дослідження мікрогеометрії трибосистеми «гільза - кільце»
Експериментальні дослідження показують, що при лазерній обробці з оплавленням поверхні суттєво змінюється топографія робочих поверхонь. Змінюючи характер нанесення лазерних доріжок і площу зміцненої зони, можна керувати технічними властивостями ТС «гільза - кільце», підвищуючи ресурс дизелів у цілому. Якщо густина потужності лазерного випромінювання не досягає свого критичного значення, тобто не спостерігається оплавлення, і узгоджена зі швидкістю обробки деталі, то спостерігається зміна мікрорельєфу. Результати досліджень наведено на рис. 2.
Густина потужності, х108, Вт/м2
Рис. 2. Експериментальна залежність висоти мікронерівностей робочої поверхні гільз циліндрів дизелів ЯМЗ-238 від густини потужності лазерного випромінювання за швидкості: 1 - 5 мм/с; 2 - 10 мм/с; 3 - 15 мм/с; 4 - 20 мм/с; 5 - 25 мм/с
Експериментальні дослідження залежності мікрогеометрії робочих поверхонь гільз циліндрів дизелів ЯМЗ-238 від впливу лазерного випромінювання (рис. 2) доводять доцільність застосування цього методу для підвищення довговічності дизелів. Тим самим вони добре узгоджуються з теоретичними розрахунками, що отримані відповідно до виразу (3). Розбіжність між теоретичними та експериментальними дослідженнями складає всього 2.. .7 %.
Висновки
Проведений аналіз щодо впливу мікрогео-метрії робочих поверхонь ТС «гільза - кільце» на довговічність дизелів вказує на необхідність проведення заходів перед початком їх експлуатації.
Одним із ефективних методів, який може забезпечити оптимальну мікрогеометрію ТС «гільза - кільце» дизелів, є лазерне випромінювання.
Теоретично обґрунтовано та експериментально доведено доцільність застосування лазерної обробки гільз циліндрів дизелів для створення оптимальної мікрогеометрії на робочих поверхнях та прискорення процесів припрацювання вирішальних ТС і подальшого досягнення низької інтенсивності їх зношування. При цьому можна очікувати підвищення ресурсу дизелів на 25.40 %.
Література
1. Самсонов Г.В. Физическое материало-
ведение карбидов / Г.В. Самсонов, Г.М. Упадхая, В.С. Нешпор. - К. : Наукова думка, 1974. - 454 с.
2. Лошак М. Г. Прочность и долговечность
твёрдых сплавов / М. Г. Лошак. - К. : Наукова думка, 1984. - 328 с.
3. Барановський Д.М. Теоретичні переду-
мови підвищення надійності системи «контактна підвіска - струмоприймач» / Д.М. Барановський // Проблеми трибології. - 2007. - №2. - С. 67-70.
4. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в
машиностроении / Б.И. Костецкий. - К. : Техника, 1970. - 396 с.
5. Воздействие лазерного излучения на ма-
териалы / Р.В. Арутюнян, В.Ю. Баронов и др. - М. : Наука, 1989. - 367 с.
6. Гаркунов Д.Н. Триботехника. Износ и
безызносность / Д.Н. Гаркунов. - М. : Машиностроение, 2001. - 616 с.
7. Горячева И.Г. Механизм формирования
шероховатости в процессе приработки / И. Г. Горячева, М. Н. Добычин // Трение и износ. - 1982. - Т. 3. - № 4. - С. 632642.
8. Гуляев А.П. Металловедение / А.П. Гу-
ляев. - М. : Металлургия, 1978. - 647 с.
9. Дьюри У. Лазерная технология и анализ
материалов / У. Дьюри. - М. : Мир, 1986.
10. Криштал М.А. О вкладе диффузионных
процессов в перераспределение вещества в твердом теле под воздействием лазерного излучения / М.А. Криштал, Н.Н. Захаров, А.Н. Кокора // Физика и химия обработки материалов. - 1976. -№ 4.- С. 25-28.
11. Крылов К. И. Применение лазеров в ма-
шиностроении и приборостроении / К.И. Крылов. - М. : Машиностроение, 1978.
12. Лазерное и электроэрозионное упрочне-
ние материалов / В. С. Коваленко, А.Д. Верхотуров, Л.Ф. Головко, И.А. Под-черняева / отв. ред. П. Н. Родин; АН СССР, Дальневост. научн. центр, ин-т химии. - М. : Наука, 1986. - 275 с.
13. Лазерная и электроннолучевая обработка
материалов: Справочник / Н.Н. Рыка-лин, А. А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. - М. : Машиностроение, 1985. - 495 с.
Рецензент: Ф.І. Абрамчук, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 16 квітня 2010 р.
