CC BY
577
8. The new shipyard may appear at Kronshtadt. URL: http://www.regnum.ru/news/fd-nw/1178966.
html
9. Investments into modernization of two shipbuilding yards in Primosky Cray. URL: http://www. navy.ru/news/vpk/index.php?ELEMENT_ID=41562
10. Venkov V. V. Development of commercial shipbuilding within USC. URL: http://www.korabel.ru
11. Severnoye Design Bureau in cooperation with France based company GTT starts up with design of gascarrier. URL: http://spkb.air.spb.ru/news/news/2009/04/07/gazovoz/
УДК 621.892:621.436 Ю. Н. Цветков,
д-р. техн. наук, проф., СПГУВК;
В. М. Тарасов,
канд. техн. наук., ст. науч. сотр., ООО «ВМПАВТО»
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИЗЕЛЕЙ НАНЕСЕНИЕМ НА ПОРШНИ ТВЕРДОГО СМАЗОЧНОГО ПОКРЫТИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО ДИСУЛЬФИД МОЛИБДЕНА
INFLUENCE OF PISTON SKIRT COATING CONTAINING MOLYBDENUM DISULPHIDE ON THE EFFICIENCY OF DIESEL ENGINE
Изложены результаты двух серий экспериментов на дизельном стенде. В первой серии оценивалась эффективность работы двигателя с поршнями без покрытия, а во второй — с твердым смазочным покрытием, содержащим дисульфид молибдена, нанесенным на тронки поршней. Твердое смазочное покрытие снижает удельный эффективный расход топлива, примерно на 5 % при работе дизеля на 75 % от номинальной мощности, а износ поршневых колец в среднем в 2 раза.
The results of two series of experiments on a diesel engine are presented. The first series was carried out using the pistons without a coating, whereas the second one involved testing the diesel with the piston skirts coated with organic-bondedfilm containing molybdenum disulphide. The bondedfilm lubricant decreases the specific fuel consumption by 5 % in working at 75 % of power rating, and the wear of piston rings decreases 2 times.
Ключевые слова: твердое смазочное покрытие, поршень, дизель, износ, удельный эффективный расход топлива
Key words: bondedfilm lubricant, piston, diesel, wear, specific fuel consumption
Введение
Твердые смазочные материалы со слоистой структурой широко используются в узлах сухого трения, а также в качестве добавок к пластичным и жидким смазочным материалам. Не менее важным является их использование в составе твердых смазочных покрытий (ТСП). Такие покрытия применяют в узлах трения с жесткими условиями работы с точки зрения температур, наличия агрессивных сред, вакуума и т. п. Твердые смазочные покрытия наносят в том числе и на юбки (тронки)
поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Обычно твердые смазочные покрытия состоят из наполнителя (пигмента) — дисперсного порошка твердого смазочного материала — и связующего [1-3]. В качестве наполнителя в твердых смазочных покрытиях чаще всего используется графит или дисульфид молибдена (Мо82) [1-3], а в качестве связующего — термореактивные смолы. Однако, несмотря на широкое распространение практики нанесения ТСП на поршни ДВС, в литературе очень мало конкретной информации о поло-
жительных и отрицательных свойствах ТСП, нанесенных на поршни. Отчасти это объясняется тем, что эта область до сих пор относится к одной из самых закрытых, так как ТСП широко применяются в военной и космической технике. Кроме того, в последнее время многие коммерческие производственные фирмы занимаются выпуском и продажей различных составов для нанесения ТСП и, естественно, по разным причинам не хотят делиться подробной информацией об их свойствах. Отсутствие же подробных сведений о влиянии ТСП, например, на составляющие КПД ДВС не позволяет судить о механизме действия ТСП, а значит, обоснованно предлагать новые составы для нанесения на поверхности трения деталей двигателей.
Цель работы: произвести комплексную оценку влияния ТСП, содержащего дисульфид молибдена, на эффективность работы дизеля.
1. ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ
Испытания ТСП проводили на поршнях двухцилиндрового дизеля воздушного охлаждения Д120 (2Ч10, 5/12). Поршни были изготовлены из алюминиевого сплава АК12М2МгН (АЛ25).
а
Юбку каждого поршня перед нанесением покрытия зачищали с помощью дисковой проволочной щетки. Этот метод имеет преимущество перед пескоструйной очисткой в том, что на зачищаемой поверхности не остаются шаржированные частицы абразива, которые могут стать причиной увеличения износа пары трения. Щетка была изготовлена из стальной латунированной проволоки, имела диаметр 100 мм. Стальная ось, имеющаяся в щетке, служила для крепления ее в патроне сверлильного станка. Частоту вращения шпинделя станка устанавливали равной 2580 об/мин и аккуратно, держа поршень в руках, зачищали юбку до появления на ней ровного металлического блеска (рис. 1, а).
Для нанесения покрытия применяли состав, состоящий из порошка дисульфида молибдена со средним размером частиц около 1,5 мкм, замешанного в связующем — фенол-формальдегидной смоле резольного типа.
Покрытие наносили пульверизатором под давлением сжатого воздуха 0,3 МПа, в два слоя. Перед нанесением в состав добавляли изопропиловый спирт для повышения его жидкотекучести. Расстояние от среза сопла до поверхности поршня составляло примерно 20...25 см. После нанесения каждого слоя, покрытие сушили в течение 20 мин при ком-
б
Рис. 1. Вид поршня после зачистки юбки проволочной щеткой (а) и после нанесения на юбку покрытия (б)
натнои температуре на спокойном воздухе. После нанесения второго слоя для термостабилизации покрытия поршни выдерживали в печи при температуре 150 °С в течение 1,5 ч. Качество нанесенного покрытия оценивалось по внешнему виду, степени отверждения и толщине. Состояние поверхности определялось визуально: покрытие было сплошным и равномерным без механических повреждений. Степень отверждения оценивалась пробой на смываемость протиранием вручную десятью поступательными движениями прижатой к покрытию и смоченной в растворителе № 646 хлопчатобумажной тканью. Покрытие выдержало испытание: ткань не потемнела, покрытие не смылось и не отслоилось. Поршень с нанесенным покрытием показан на рис. 1, б.
Измерения диаметров поршня у низа тронка показали, что толщина покрытия в среднем составила 0,010 мм, а диаметр поршня с покрытием уменьшился примерно на
0,015 мм по сравнению с диаметром поршня в исходном состоянии (до зачистки поверхности и нанесения ТСП). Очевидно, что покрытие не компенсировало уменьшение диаметра поршня вследствие абразивного воздействия проволочной щетки.
2. МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ
Испытания проводили на стенде ООО «ВМПАВТО» с использованием моторного масла Лукойл Супер SAE15W-40 API CF-4/SG Mineral.
Основа стенда — двухцилиндровый дизель воздушного охлаждения Д120 (2Ч10, 5/12). Для испытаний брали приработанные цилиндры и поршневые кольца.
В процессе испытаний проводили измерения расхода топлива, регистрировали индикаторные диаграммы дизеля и темпера-
туры стенок цилиндров и выхлопных газов. Во время испытаний поддерживали постоянными: частоту вращения коленчатого вала дизеля (1600±15 об/мин), температуру масла в картере (90±2 оС), воздуха, обдуваемого цилиндры (30±2 оС), и воздуха, подаваемого в двигатель (30±2 оС). Индикаторный и механический КПД рассчитывали методом сопоставления индикаторной и эффективной мощности дизеля [4]. Дополнительно для оценки механических потерь и давления в конце цикла сжатия проводили испытания методом проворачивания коленчатого вала с помощью электродвигателя, перекрыв подачу топлива в дизель [4].
Эксперименты проводили в две серии: сначала с использованием поршней без покрытия, а затем — с твердым смазочным покрытием. Каждая серия состояла из пяти двухчасовых циклов, которые были одинаковыми для каждой серии. Циклы состояли из отрезков испытаний на долевых мощностях, равных 25, 50 и 75 % от номинальной мощности дизеля и проворачивания коленчатого вала дизеля с помощью электродвигателя. После каждой серии дизель частично разбирали, снимали кольца с поршней, тщательно их промывали с применением растворителя, сушили и взвешивали на аналитических весах с точностью
0,1 мг и определяли износ колец по потерям их массы.
Л/, Вт
Рис. 2. Зависимость эффективного КПД и удельного эффективного расхода топлива от эффективной мощности двигателя
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИИ
После проведения испытаний поршней с ТСП дизель разобрали и визуально осмотрели покрытие. На покрытии не было обнаружено нарушений сплошности. Поверхность его осталась ровной, а цвет — равномерным темно-серым.
Обработка результатов экспериментов показала существенное (почти на 10 % на долевом режиме 75 %) увеличение эффективного КПД ДВС (рис. 2), что в свою очередь привело к снижению на 5 % удельного расхода топлива на указанном режиме. Причем замечено, что экономия топлива тем больше, чем ближе режим работы по мощности к номинальному: если на долевой мощности, равной 25 %, снижение удельного расхода топлива составило более 1 %, то на мощности 50 % — более 2 %, на 75 % — более 5 %.
Как видно из рис. 3, увеличение эффективного КПД, который представляет собой произведение индикаторного и механического КПД, произошло из-за увеличения индикаторного КПД, тогда как механический КПД даже несколько снизился (в среднем на 1 %). Снижение механического КПД подтверждается также и результатами экспериментов на проворачивание коленчатого вала дизеля с помощью электродвигателя.
Как видно из рис.
4, механические потери в дизеле, определенные таким образом, возросли в среднем на 5 %.
Известно, что на индикаторное КПД влияет множество факторов [5]: теплообмен со стенками цилиндров,
полнота сгорания топлива, переменность массы рабочего тела и др. В нашем случае существенное повышение индикаторного КПД
0,501
п-
0,45-
0,40-
(рис. 3) произошло, вероятнее всего, за счет снижения потерь тепла при горении топлива на теплоотвод в поршень, так как коэффициент теплопроводности полимерного связующего ТСП на порядок ниже, чем у силумина, из которого изготовлены поршни дизеля Д120.
Что касается механического КПД, то причины его снижения могут быть самыми разными: анализ трения ТСП сильно осложняется действием связующего. Однако по всей видимости именно присутствие ТСП на поршнях явилось причиной снижения механического КПД, а не возможное изменение зазоров или геометрии поршня при нанесении покрытия. Как видно из сравнения рис. 3 и 4, при работе в моторном режиме (рис. 3) снижение механического КПД составляет в среднем (по всем режимам) не более 2 %, тогда как при проворачивании (рис. 4) мощность механических потерь при нанесении ТСП возросла в среднем (по исследуемому температурному диапазону) на 4 %. Такое несоответствие вызвано тем, что при проворачивании от постороннего источника энергии, когда горение топлива отсутствует, трение поршневых колец значительно ниже [4], и в общих механических потерях возрастает относительная доля трения юбки поршня
0,8
п
[т
0,7
0,6
0,5
4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
Л/, Вт
е’
Рис. 3. Зависимость индикаторного и механического КПД от эффективной мощности двигателя
вмгЛ
Рис. 4. Зависимость мощности механических потерь от температуры стенки цилиндров при проворачивании коленчатого вала дизеля при помощи электродвигателя
о поверхность цилиндров. Это подтверждает предположение, что именно присутствие ТСП на юбках поршней привело к некоторому снижению механического КПД.
Для окончательного вывода о влиянии связующего были проведены испытания покрытий на машине трения ИИ 5018. Схема испытаний: неподвижная колодка по вращающемуся ролику диаметром 50 мм. Материал ролика — серый чугун. Материал колод-
ки — силумин. Смазочный материал — масло базовое селективной очистки М-11. Смазывание — погружением части ролика в ванночку с маслом. Избыток масла снимался сальником, прижатым к ролику. Частота вращения ролика — 200 об/мин. Нагрузка на колодку — 300 Н.
Опыты проводили с применением колодок без покрытия, колодок с покрытием в виде одного связующего и колодок с ТСП по составу, аналогичному испытанному на поршнях. Нагрузка на колодку была выбрана по предварительно построенной диаграмме Герси-Штрибека [3] таким образом, чтобы обеспечить смешанный режим смазки как наиболее вероятный при трении тронка поршня о поверхность цилиндра. Из таблицы, представленной ниже, видно, что колодка, покрытая связующим, имеет коэффициент трения почти в 2 раза выше, чем колодка без покрытия. Добавка порошка Мо82 нейтрализовала отрицательное влияние связующего на трение, но не полностью.
Таблица 1
Результаты испытаний на машине трения
Вид покрытия Коэффициент трения Оценка СКВО
Без покрытия 0,013 0,001
Покрытие из связующего (без добавок Мо82) 0,024 0,001
Твердое смазочное покрытие (связующее + Мо82) 0,014 0,001
Снижение удельного расхода топлива привело к существенному снижению температур при работе на долевых мощностях, близких к номинальной как стенок цилиндров — в районах максимальной скорости движения поршня более чем на 20 оС, так и выхлопных газов (рис. 5).
Снижение цикловой подачи топлива привело к снижению содержания монооксида углерода в выхлопе ДВС почти в 3 раза, за счет более полного сгорания топлива, тогда как содержание оксидов азота осталось почти на том же уровне (рис. 6).
ута>!
°с
2501
200
150
л——поршни без ТСП; ~ф~ —поршни с покрытием
Ф
выхг?
Ол
500
400
300
200
1001—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—г
4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
Рис. 5. Зависимости температуры стенки цилиндров в районе максимальной скорости поршня и температуры выхлопных газов от эффективной мощности двигателя
как следствие, уменьшение зазоров. Однако результаты измерений диаметров поршней (см. п. 1) в плоскости качания шатуна позволяют сделать предположение, что при обработке юбок поршней проволочной щеткой был снят слой металла, толщина которого оказалась больше толщины нанесенного покрытия. Таким образом, диаметры
поршней с покрытием оказались несколько меньше диаметров исходных (без покрытия) поршней.
СО, %
0,5
0,43
1ЧОх, рр
1000
800
600
400
200
Без покрытия
С покрытием
Без покрытия
С покрытием
Рис. 6. Влияние покрытия на содержание СО и МОх в выхлопных газах дизеля
Эксперименты показали некоторое увеличение удельного расхода топлива при нанесении на поршни ТСП: 2,83 против 3,44 г/(кВт-ч). Это согласуется с графиком, приведенным на рис. 7, из которого следует, что давление в конце такта сжатия в экспериментах с поршнями с ТСП оказалось на 1,5 % ниже, чем в случае применения поршней без ТСП, т. е. герметичность пространства камеры сжатия в экспериментах с нанесенным на поршни ТСП оказалась ниже. Этот факт, казалось бы, находится в противоречии с тем, что при нанесении ТСП происходит некоторое «наращивание» диаметра поршня и,
Очень важный результат проведенных исследований — доказательство того, что ТСП на юбке поршней существенно (в среднем в 2 раза) снижает износ поршневых колец (рис. 8), хотя этот вывод до экспериментов казался далеко не очевидным. Что особенно ценно, этот вывод подтвердился на всех компрессионных кольцах двух поршней. Полученный результат позволяет утверждать, что при трении поршня о стенки цилиндра имеет место перенос частиц дисульфида молибдена из ТСП поршня на поверхность цилиндра, что в свою очередь ведет к снижению износа колец и по всей видимости — износа цилиндров.
Ро
МПа
4,8
4,7-
4,6-
4,5
4,44
4,3
4,2-|
4,1
4,0
-а----поршни без ТСП;
-ф— — поршни с покрытием
_ФЦ2
АА
Ф
ф Ф (1Ф ®“Ф"
Ф
Ф
' 100 110 120 130 140
Т , °С
Рис. 7. Зависимость давления в конце сжатия от температуры стенки цилиндров
каторного КПД, вследствие снижения теплоотвода в материал поршня.
3. Снижение удельного расхода топлива при нанесении на поршни ТСП ведет к существенному снижению температуры деталей ЦПГ и выхлопных газов.
4. Снижение удельного расхода топлива при нанесении на поршни ТСП ведет к 3-кратному снижению содержания монооксида углерода СО в выхлопных газах, тогда как для оксидов азота МОх отмечено незначительное (примерно на 15 %) увеличение концентрации.
б
Верхнее
□ Поршни без покрытия □ Поршни без покрытия
□ Поршни с покрытием — О О . 12 Ж 14, □ Поршни с покрытием
8
22.5
Второе
Верхнее
Третье
Второе
Третье
а
Рис. 8. Влияние покрытия на износ поршневых колец поршня первого (а) и второго (б) цилиндра
Выводы
1. ТСП, содержащее дисульфид молибдена, при нанесении на юбки поршней дизельного двигателя существенно снижает удельный расход топлива, и тем больше, чем ближе режим работы дизеля к номинальному. При работе на долевых мощностях, превышающих 75 %, экономия топлива превышает 5 %.
2. Экономия топлива при нанесении ТСП происходит за счет резкого увеличения инди-
5. Применение ТСП ведет к снижению износа поршневых колец в среднем в 2 раза, что подтверждает гипотезу о переносе дисульфида молибдена из ТСП на поверхность трения цилиндров и, как следствие, влияние перенесенных чешуек Мо82 на процесс изнашивания поршневых колец.
Список литературы
1. Вайнштейн В. Э., Трояновская Г. И. Сухие смазки и самосмазывающиеся материалы. — М.: Машиностроение, 1968.
2. Брейтуэйт Е. Р. Твердые смазочные материалы и антифрикционные покрытия. — М.: Химия, 1967.
3. Landsdown A. R. Lubrication. — Oxford; N. Y.: Pergamon Press, 1982.
4. Стефановский Б. С., Скобцев Е. А., Корси Е. К. и др. Испытания двигателей внутреннего сгорания. — М.: Машиностроение, 1972.
5. Лебедев О. Н., Сомов В. А., Калашников С. А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов. — М.: Транспорт, — 1990.
УДК 621.3.049 Лю Чжао Цзюнь,
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОШКОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРИПОЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПАЙКИ АНТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ RESEARCH OF POWDERS OG HIGH-TEMPERATURE SOLDER FOR TECHNOLOGIES OF THE SOLDERING OF ANTENNA DESIGNS
Приведены результаты исследования фракционного состава порошковых припоев для высокотемпературной пайки антенных конструкций из алюминиевых сплавов. Обоснованы процедуры нормализации отечественного припоя на основе порошка Нетрамм-12.
Results of research of fractional structure of powder solders for a high-temperature soldering of antenna designs from aluminium alloys are resulted. Procedures of normalisation of domestic solder on the basis of a powder of Netramm 12 are proved.
Ключевые слова: порошковый припой, высокотемпературная пайка, антенные конструкции
Key words: powder solder, high- temperature soldering, antenna designs
ФГОУ ВПО «Государственный университет аэрокосмического приборостроения»
НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ существует устойчивый интерес к переходу от пайки сложнопрофильных волно-
сплава АКД12-2С (ТУ 48-0106-66-88) — 30-40;
— флюс — 30-40;
— порошок алюминиево-кремниевого
водных конструкций в солевых ваннах к ресурсосберегающей технологии высокотемпературной пайки в электропечах.
Установить более конкретные значения для компонентов пасты ППС-600, а также рецептуру органической связки по имеющимся данным невозможно, поставки пасты практически не производятся, организации, располагающие учтенными экземплярами ТУ ИМАВ 017-001, неизвестны.
— связка органическая — остальное.
В действующем отраслевом стандарте
[1] допускается применение высокотемпературной печной пайки с использованием пасты ППС-600 (паста припойная силуминовая, температура пайки 600 °С).
Паста ППС-600 имеет следующий состав (в массовых долях) [2]:
Одним из основных компонентов высокотемпературных припойных паст для пайки
