CC BY
82
УДК 620.1
Повышение качества поверхностных слоев деталей компрессоров методом металлоплакирования
Андрей Петрович Голубев, к.т.н., доцент, каф. «Общетехнические и естественнонаучные дисциплины», e-mail: [email protected]
Олег Петрович Голубев, к.т.н., доцент, каф. сервиса, e-mail: [email protected] Михаил Николаевич Буткевич, д.т.н., проф., каф. сервиса, e-mail: [email protected] ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Рассмотрены реальные процессы приработки трущихся поверхностей деталей компрессора; показано, что период приработки характеризуется рядом последовательных этапов; предложены модели технологической и эксплуатационной обкатки; обосновано применение методов металлоплакирования для повышения показателей качества компрессора.
The authors considered the real processes of break-in of the rubbing surfaces of parts of compressor, in which the break-in period is characterized by a number of successive stages. The article presented the models of technological and operational running, justified the application of methods of metal protection for increasing the indicators of compressor quality.
Ключевые слова: процесс приработки, компрессор, металлоплакирование.
Keywords: break-in process, a compressor, metal protection.
В условиях непрерывного расширения номенклатуры, усложнения и необходимости повышения конкурентоспособности отечественной продукции значительное внимание уделяется вопросам улучшения ее потребительских свойств и технических характеристик.
Широкое применение в различных отраслях находят машины и оборудование с использованием пар трения различного назначения. Эффективность их работы определяет техническое состояние машин и оборудования в целом.
Исследованиями установлено, что тяжелый режим работы трущихся деталей делает малоэффективными традиционные методы увеличения их срока службы. Необходимо применение новых материалов и методов, основанных на современных представлениях о процессах фрикционного взаимодействия.
Особенности процессов фрикционного взаимодействия двух твердых поверхностей трения наиболее полно описываются молекулярно-механической (или адгезионно- деформационной) теорией трения и изнашивания И.В. Крагельского [1]. Эта теория распространяется на абразивное, усталостное изнашивание и изнашивание при заедании и, по данным В.И. Милованова [3], приемлема для малых холодильных компрессоров.
Внешне трение рассматривается как процесс, при котором взаимодействие твердых деталей локализовано в тончайших поверхностных и приповерхностных слоях.
Изнашивание поверхностных неровностей зависит от нормальной нагрузки, скорости относительного перемещения и геометрии контакта. Контакты подразделяются на упругие, пластические и микрорезание. Критерием определения характера контакта служит отношение глубины внедрения к радиусу отдельных неровностей.
Поверхностный слой детали по своему строению неоднороден. Граничный слой состоит из адсорбированной пленки газов, влаги и смазочноохлаждающей жидкости. Слой окислов образуется в результате диффузии кислорода воздуха в металл поверхностного слоя. В нем возникают твердые химические соединения БеО, Бе203 и Б304. В результате упругих и пластических деформаций формируется зона наклепа. Процессы, происходящие при фрикционном взаимодействии деталей, описываются трибологическими моделями. Главными компонентами моделей являются поверхностные слои деталей, разделенные слоем смазочного материала, оказывающего значительное воздействие на трибологический контакт.
Процесс приработки поверхностей деталей поршневых компрессоров определяется следующими основными факторами: характером и скоростью относительного движения сопрягаемых поверхностей; величинами и характером рабочих нагрузок, действующих на сопряжение; геометрическими параметрами сопряжений; тепловым режимом работы; компонентами смазочной среды и ее физико-химическими свойствами; величиной зазора в сопряжении и коэффициентом трения.
Приработка компрессора
Технологическая обкатка
Обкатка
механизма
движения
компрессора
Эксплуатационная обкатка
Обкатка Обкатка Обкатка при Обкатка при
механизма механизма испытании испытании
при испытании при испытании холодильного холодильника
компрессора компрессора агрегата
в кожухе
Приработка у потребителя
Нор-
мальная
эксплу-
атация
Наработка компрессора
/?НГ=С0П8І
рвс=с°г^
П=0
Смазочное
масло
Воздух
Г,,=еоп8й
раб
=1
/^г=СОП§1 Рнг=СОТ1й1 Т^соп^ РНГХС01151
Рвс^со1Ы РБС=соі^ /э^сот^ РБС.*со1^ /^СОП^
П^сош! Пгсога^ П^еош! П^сош1 П^сого!
Смазочное Смазочное Смазочное Смазочное Смазочное
масло масло масло масло масло
Воздух Воздух Хладагент Хладагент Хладагент
Ты =сопй1 7м *сот1 Гс^сош1 Т^СОШ^ Т^сог^
г Й=1 раб Г =1 раб Г 6=1 ^ раб ^ г ,=1 раб ^ ь раб
Рис. 1. Этапы приработки компрессора: Рнг - давление нагнетания; Рвс - давление всасывания; П - нагрузка на поршень; Тм -температура масла; граб - коэффициент рабочего времени; Тс - температура смеси масло- хладагент
Реальный процесс приработки трущихся деталей компрессора имеет сложную структуру. Период приработки можно разделить на ряд последовательных этапов (рис. 1).
На первом этапе осуществляется обкатка только механизма движения компрессора. Вся подводимая к коленчатому валу мощность расходуется на преодоление сил сопротивления движению и электрические потери в обмотке ротора. При работе без нагрузки компрессор имеет максимально возможную частоту вращения и, соответственно, скорость перемещения трущихся деталей относительно друг друга.
В качестве смазочного материала используется неосушенное масло с постоянной температурой, которое способствует удалению из сопряжений компрессора механических частиц и загрязнений, оставшихся от предыдущих технологических операций.
Далее, на втором этапе, на компрессор устанавливается клапанная группа, а его нагнетательная и всасывающая трубки подключаются к магистралям осушенного сжатого воздуха с давлением соответственно Рнг = 7,85 • 105 Па и Рвс = 1,96 • 105 Па. При таком противодавлении компрессор работает до установившегося значения потребляемой мощности. Температура масла поддерживается постоянной в пределах (27 ± 2) °С.
За один оборот коленчатого вала нагрузка на поршень и силы, действующие на сопрягаемые де-
тали компрессора, значительно изменяются по абсолютной величине и по направлению. При движении поршня от нижней мертвой точки к верхней в цилиндре происходит сжатие и нагнетание воздуха. При перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней в цилиндре осуществляется обратное расширение воздуха от давления нагнетания до давления всасывания и часть затраченной ранее мощности возвращается на вал компрессора. Процесс всасывания из-за наличия газодинамических потерь протекает при давлении несколько ниже, чем во всасывающем трубопроводе.
Следующий, третий этап приработки обусловлен тем, что компрессор устанавливается в герметичный кожух и происходит изменение рабочих нагрузок, действующих на сопряжения, температурного уровня деталей и смазывающего масла. Давление всасывания компрессора соответствует значению 0,98 • 105 Па, а давление нагнетания - 7,85 • 105 Па.
В конце данного этапа приработки измеряются параметры компрессора при установившемся значении потребляемой мощности. В этом случае температура трущихся деталей и смазочного масла повышается на 40-50 °С. Рост температуры приводит к уменьшению вязкости смазочного масла. Нагрузка на сопрягаемые поверхности, как отмечалось ранее, также имеет переменный характер.
Четвертый этап приработки деталей компрессора происходит при его работе в составе агрегата
Рис. 2. Трибологическая модель сопряжений компрессора при работе в среде «смазочная среда - воздух»
на стендовых испытаниях последнего. Агрегат заправляется определенной дозой хладагента, который, растворяясь в масле, изменяет вязкость масло- хладоновой смеси.
На данном этапе давления нагнетания и всасывания постоянно изменяются и зависят от целого ряда конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. В момент включения компрессора величины Рнг и Рвс равны друг другу. При дальнейшей работе компрессора давление конденсации резко повышается, а давление кипения снижается. С достижением установившегося режима тепловой нагрузки перепад рабочих давлений уменьшается и стабилизируется на определенном уровне.
Температура деталей механизма движения, цилиндро-поршневой и клапанных групп, холодильного агента внутри кожуха и полостей газового тракта, масло-хладоновой смеси также изменяется в течение всего периода стендовых испытаний.
Следующий, пятый этап приработки вызван изменением численных значений факторов внешнего воздействия: давления нагнетания и всасывания, рабочих нагрузок на поверхности деталей, концентрации и температуры масло-хладоновой смеси и т.д. Компрессор работает в составе холодильного агрегата при стендовых испытаниях холодильника в непрерывном режиме. В этом случае изменяются тепловые нагрузки на испарители холодильной и морозильной камер, а также на воздушный конденсатор естественного теплообмена.
Процесс приработки деталей герметичного компрессора заканчивается при эксплуатации холодильника у потребителя. Длительность процесса составляет несколько тысяч часов. Характер изменения факторов воздействия зависит от задаваемых температур воздуха в камерах, температуры и влажности окружающего воздуха, тепловой нагрузки и других особенностей эксплуатации холодильника.
Наиболее характерной особенностью данного этапа является работа компрессора в режиме «пуск» - «остановка». При достижении заданных температур воздуха в камерах контакты терморегулятора размыкаются и подача тока к асинхронному однофазному электродвигателю прекращается. Происходит выравнивание давлений на стороне всасывания и нагнетания компрессора. В момент остановки компрессора угловая скорость вращения коленчатого вала падает, и смазка в сопряжения подается в недостаточном количестве. Это приводит к полусухому и граничному видам трения при повторном пуске механизма движения.
Процесс приработки деталей компрессора, исходя из выявленных характерных этапов приработки, можно описать двумя моделями.
Первая модель включает в себя поверхностные слои двух контактирующих деталей, смазочный материал и воздух (рис. 2). Она соответствует процессу приработки деталей в период технологической обкатки.
Вторая модель представлена на рис. 3. Особенность ее заключается в том, что она учитывает рас-
Рис. 3. Трибологическая модель сопряжений компрессора при работе в среде «смазочное масло - хладагент»
творение холодильного агента в масле и взаимодействие образованной смеси с поверхностными слоями деталей холодильного агрегата (ПСЗ). Данная модель описывает процесс приработки деталей компрессора в условиях эксплуатационной обкатки.
В качестве входных параметров используются критерии, дающие представление о физико- механических и геометрических свойствах поверхностных слоев. Применительно к трибросопряжениям компрессоров целесообразно учитывать макро- и микрогеометрические формы отклонения поверхности, микротвердость и остаточные напряжения.
Внешнее воздействие на трибологическую модель осуществляется через совокупность изменяющихся, описанных выше параметров нагружения, смазки и т. д.
Параметры выхода определяются как реакция системы на внешнее воздействие вследствие трибологических процессов. Основными параметрами выхода являются величины износа, момента и температуры трения.
Между параметрами выхода, входа и внешнего воздействия системы существует обратная связь. Например, при изнашивании деталей уменьшается фактическая нагрузка и изменяется шероховатость поверхности.
Основными факторами, влияющими на сложные механико-физические процессы, протекающие в зоне контакта сопрягаемых поверхностей, являются давления в этой зоне, скорость скольжения, физико-
механические свойства трущихся поверхностей, температура и свойства внешней среды и др.
Повышение давления в местах трения приводит к высоким контактным температурам. Значительное изменение рабочих температур в цилиндре компрессора вызывает изменение структуры поверхностных слоев деталей. Ограниченная теплопроводность и теплопередача вещества при непрерывном выделении энергии в процессе трения твердых тел приводит к повышению средней температуры поверхностного слоя. Р.М. Матвиевский [2] отмечает наличие в режимах смешанного и граничного трения определенной критической температуры смазочного материала на рабочих поверхностях. При превышении некоторой величины теплонагруженности фрикционного контакта наблюдается дезориентация молекул смазочного материала и происходит разрушение граничных смазочных слоев.
На пятнах контакта в результате высокой местной концентрации энергии протекают химические, трибохимические, физические и трибофизические процессы [5]. В результате в тонких слоях происходит изменение химического состояния вещества. Под действием сжимающей силы на пятнах контакта образуются адгезионные связи. При скольжении тел эти связи непрерывно разрушаются и деформируются вновь. В области действия высоких контактных давлений, касательных усилий, микроперемещений, температур и про-
скальзывания значительно меняются свойства поверхностных слоев. В результате свойства исходного материала меняются настолько, что можно говорить об образовании новых поверхностных структур.
Разрушение поверхностных слоев деталей проявляется в возникновении частиц износа определенных размеров, формы и химического состава. Состав и размеры частиц износа зависят от условий трения и механизма разрушения.
Непосредственному контакту и адгезионному сцеплению металла препятствуют оксидные пленки на поверхности металлов и разная ориентация кристаллических зерен после поверхностной обработки деталей. Идеально чистая, свободная от оксидных пленок и слоев абсорбционных молекул газов, воды и жирных веществ ювенильная поверхность может быть создана в особых условиях глубокого вакуума. В реальных условиях работы трибосопряжения данная поверхность образуется на доли секунд в момент возникновения микротрения. Растворению пленки способствует применение ПАВ.
Действие ПАВ приводит к появлению двух конкурирующих процессов: с одной стороны, оно уменьшает износостойкость вследствие эффекта Рибендера, а с другой - повышает ее вследствие уменьшения силового воздействия между трущимися телами. И в зависимости от того, какой из указанных процессов будет преобладать при добавке ПАВ в смазочный материал в виде присадок или образования их в процессе работы механизма, может происходить или увеличение или уменьшение интенсивности изнашивания.
На этапах технологической обкатки (которой соответствует первая модель) в условиях граничного трения при взаимодействии поверхностных слоев металла деталей компрессора со смазкой ХФ осуществляется механизм физической адсорбции, вызываемой силами Ван-дер-Ваальса с малой энергией связи.
В условиях эксплуатационной обкатки, описываемых второй трибологической моделью, осуществляется развитие механизма взаимодействия сопрягаемых деталей и образование в поверхностных слоях новых вторичных структур. В этом процессе важную роль играет химическая адсорбция, которая определяется материалом деталей, газовой средой и режимом скольжения.
В начальный период фрикционного взаимодействия деталей происходит микрогеометриче-ская приработка. Затем интенсивность изнашива-
ния снижается, поверхности деталей упрочняются, уменьшаются потери на трение. Одновременно устраняются отклонения от правильной геометрической формы деталей, возникшие при механической обработке деталей, а также от правильного взаимного положения деталей (параллельность, перпендикулярность, соосность), образовавшиеся при сборке механизма движения.
Нерастворимые загрязнения, циркулирующие в маслопроточной системе обкаточных стендов, представляют собой продукты окисления рабочей жидкости, а также продукты изнашивания трущихся деталей в виде частиц, оставшихся после технологических процессов изготовления отдельных деталей.
Попадающие в зазоры твердые частицы могут оказывать заклинивающее действие на детали. При этом усилие относительного схватывания деталей будет возрастать как в результате одностороннего прижатия поверхностей, так и в результате их царапания находящимися между ними частицами.
При разрушении очага схватывания на более прочной поверхности образуется нарост из материала, вырванного с поверхности сопрягаемой детали. Если размер нароста превышает зазор между поверхностями, то детали будут заклиниваться. При этом усилие заклинивания определяется прочностью образовавшегося нароста и действующими в сопряжениях нагрузками.
Наличие на поверхности деталей компрессора, работающих в условиях циклических и знакопеременных нагрузок, отдельных дефектов и неровностей в виде образовавшихся рисок приводит к микроскопическим нарушениям сплошности основного металла поверхностного слоя. Это способствует разрыхлению и повышению концентрации напряжений поверхности.
В процессе приработки скорость изнашивания и перенос материала уменьшаются до определенных значений. Как правило, на практике стремятся к тому, чтобы после приработки перенос материала был минимальным. В то же время перенос материала как раз становится необходимым для достижения идеального рабочего состояния поверхностей.
При анализе процесса приработки сопряжений компрессора нельзя ограничиваться образованием только оптимальной шероховатости, необходимо учитывать одновременное действие всех сложных физико-химических процессов.
В настоящее время установлено несколько групп процессов, происходящих в холодильном агрегате, которые снижают износ трущихся деталей компрессора, а в отдельных случаях приводят к практической безызносности пар трения [4].
Во-первых, при старении (окислении) смазывающего масла в результате химических реакций образуются ПАВ и растворимые в масле медьсодержащие соединения. На поверхностях трения компрессора и продуктах износа эти соединения адсорбируются и медь восстанавливается. Образовавшиеся в результате реакций обмена железосодержащие соединения, являясь ПАВ, улучшают режим работы пар трения, снижают силы трения и способствуют улучшению диспергирования продуктов износа. Мелкие частицы износа, покрытые медью, способны удерживаться в зазоре трибо-сопряжения и вместе с восстанавливаемой медью формируют защитную металлическую пленку.
Во-вторых, при разложении холодильного агента или при его взаимодействии с водой образуется соляная кислота. В результате взаимодействия ее с медными частями холодильного агрегата образуется хлорид меди, который в виде мелко-дисперсивных частиц во взвешенном состоянии с маслом попадает в зону трения. При фрикционном контакте происходит обнажение неокисленных поверхностей и восстановление на них меди.
В-третьих, холодильный агент хорошо растворим в масле и всегда присутствует в зоне трения. Выделяющийся из него при трении свободный хлор, взаимодействуя с поверхностями трущихся деталей, образует хлориды железа. В результате осуществляется химическое модифицирование поверхностей трения.
В-четвертых, из продуктов разложения холодильного агента Я12 при формировании защитных металлических пленок образуются фторуглероди-стые полимерные пленки, снижающие потери на трение.
Следует отметить, что схватывание и перенос меди осуществляется при сравнительно набольших контактных давлениях и не сопровождается значительными повреждениями поверхности основного металла.
Процесс образования «безызносной» пары трения довольно длителен. Используемые в настоящее время технологические процессы изготовления компрессоров не обеспечивают условий для формирования защитной пленки в период обкатки, а в первый период эксплуатации сервовит-ная пленка не достигает качественного динамиче-
ски стабильного состояния. В период приработки трущихся деталей компрессора это приводит к повышенному износу с образованием рисок, задиров и других дефектов поверхностей.
Проведенные исследования показали, что необходимые условия для формирования трущихся поверхностей с высокими антифрикционными свойствами можно обеспечить на каждом этапе работы машин и механизмов путем использования методов, основанных на применении технологий металлопла-кирования:
• на этапе изготовления - методом финишной безабразивной обработки в металлоплакирующих средах;
• на этапе технологической обкатки - применением металлоплакирующих обкаточных сред. При этом следует стремиться осуществлять
формирование защитного покрытия деталей компрессоров, близкого по своей структуре к образующемуся в условиях «безызносности».
В процессе изучения механизма «безызнос-ности» компрессора на основе образующихся при работе медьсодержащих органических соединений была разработана медьсодержащая маслорастворимая присадка, которую перспективно применить в процессе обкатки механизма движения герметичного компрессора.
По всей видимости, смазочная композиция, кроме плакирующей пленки металла на поверхностях трения, должна создавать надежный защитный адсорбционный слой с полимерной структурой, которая обладает пониженным сопротивлением сдвигу (снижение прочности на сдвиг при трении).
В зонах фактических пятен контакта поверхностей деталей возникают значительные температуры и давления. При таких условиях компоненты обкаточной среды подвергаются химическим превращениям, идет перестройка химических связей и замена одних связей другими. В результате на поверхностях трения формируется дополнительная металлорганическая пленка.
Механизм ее образования следующий. В начальный период приработки под воздействием механического фактора происходит обнажение ювенильных поверхностей. Кислота, входящая в качестве одного из компонентов в состав смазочной композиции, в процессе трения высвобождается на пятнах фактического контакта и тем самым способствует снятию окисных пленок. В зонах контакта ионы хлора смазочной среды образуют при взаимодействии с металлом хлориды железа. По мере разрушения хлоридов железа на ювенильной
поверхности основного металла деталей происходит металлоплакирование меди, и в дальнейшем формируется защитная пленка с низким сопротивлением сдвигу, толщина которой, в зависимости от условий, - от мономолекулярной до нескольких микрометров.
Теоретической предпосылкой для применение ПАВ при ускорении приработки служит их способность облегчать пластифицирование поверхностных слоев деталей за счет адсорбционного понижения прочности металла (эффекта Ребиндера). Однако ПАВ в чистом виде при высоких температурах обладают пониженной адсорбционной прочностью. Их упорядоченно ориентированный слой на поверхностях трения разрушается, что приводит к образованию металлического контакта и схватыванию.
Вследствие этого более эффективными для интенсификации приработки следует считать химически активные вещества, которые не только обладают поверхностно-активным свойствами, но и осуществляют на сопрягаемые поверхности химическое воздействие. При их применении в начальный период приработки наблюдается облегчение пластического течения поверхностных слоев металла и ускоряется образование защитных пленок.
Исходя из особенностей конструкции и условий эксплуатации компрессоров, в состав смазочной среды, используемой на этапе технологической обкатки компрессоров, целесообразно дополнительно ввести компоненты, обеспечивающие ускорение режима металлоплакирования: медьсодержащую присадку и соляную кислоту.
В составы для финишной безабразивной обработки деталей компрессора в целях снижения механических потерь на трение и уменьшения времени приработки механизмов целесообразно дополнительно вводить поверхностно-активные фторорганические соединения, способные поли-меризоваться на рабочих поверхностях.
Предложенный комплекс мероприятий позволил снизить процент брака на выходном контроле компрессоров по критерию «заниженной объемной производительности» с 3,05 до 2,39 %, а по критерию «завышенный момент проворачивания коленчатого вала» с 2,96 до 2,6 %.
На основании результатов выполненного комплекса исследований было рекомендовано начать производственное внедрение разработанного метода обкатки компрессоров на КМПО. Экономический эффект превысил 3 млн руб.
ЛИТЕРАТУРА
1. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение. 1977.
2. Матвиевский Р.М., Лашхи В.Л., Буяновский И.А. и др. Смазочные материалы: Антифрикционные и противоиз-носные свойства. Методы испытаний: Справочник. М.: Машиностроение. 1989.
3. Милованов В. И. Долговечность малых холодильных компрессоров. М.: ВО Агропромиздат. 1991.
4. Прокопенко А. К. и др. Повышение срока службы деталей машин и инструмента металлоплакированием. М.: ИИЦ МГУДТ. 2010.
5. Гаркунов Д. Н., Мельников Э. Л., Гаврилюк В. С. Триботехника: Учеб. пособие. М.: КНОРУС. 2011.
Поступила12.12.2011 г.
