CC BY
11слабого экранирования. Тогда общий коэффициент магнитного экранирования многослойного комбинированного экрана при импульсных помехах согласно [2]:
S о6 - S1 S
1°2
(3)
то есть при импульсном воздействии, если не считаться с насыщением ферромагнитното слоя, общий коэффициент экранирования многослойного экрана не зависит от порядка расположения слоев, а определяется только их защитными свойствами. При этом надо помнить, что параметры импульсного поля, воздействующего на второй слой, существенно отличаются от параметров внешнего МЭМИ и определяются электрофизическими и конструктивными характеристиками первого слоя.
Выводы.
При создании многослойных экранов внутренние слои должны изготавливаться из немагнитных металлов для достижения максимального экранирующего действия и достижения минимальных потерь, вносимых в экранируемые узлы РЭА. Например, внешний слой из стали, а внутренний из меди. Это объясняется высокой отражательной способностью меди и поглощательной стали [4].
Применение диэлектрических прокладок или воздушных зазоров между слоями может существенно повысить эффективность экранирования, если их толщина существенно превышает толщину металлических слоев экрана. Такие экраны могут применяться при условии, что допускается некоторое увеличение их габаритов и массы.
При экранировании импульсного излучения не имеет значение порядок расположения слоев, и эффективность определяется только защитными свойствами металла.
Изготовление и применение для экранирования нескольких слоев требует дополнительных финансовых
затрат и удорожает стоимость изделия. Поэтому может применяться только при неэффективности других мер [4].
На частотах выше 10 МГц применение составных экранов не целесообразно, так как достаточно большая эффективность экранирования обеспечивается применением однородного материала, такого как медь, алюминий или латунь.
Список литературы
1. Винников В.В. Основы проектирования РЭС. Электромагнитная совместимость и конструирование экранов/ В.В.Винников - Санкт-Петербург: Северозападный технический университет, 2006. - 174 с.
2. Дж. Барнс Электронное конструирование. Методы борьбы с помехами: Перевод с английского/Дж. Барнс - Москва: Мир, 1990. - 237 с.
3. Кравченко В.И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи / В.И.Кравченко, Е.А.Болотов, Н.И.Летунова - Москва: Радио и связь, 1987. - 256 с.
4. Kramar V.A. Recommendations for reducing the negative effects of electromagnetic radiation on electronic equipment / V.A. Kramar, A.I. Kharlanov, D.V. Kuznetsov // proceedings of BHNS. - Sevastopol: BHNS - 2015 - № 1(17). - P. 48-59.
5. Kuznetsov D.V. Modeling of the effects of microwave electromagnetic radiation on the input circuit of shipboard electronic funds / D.V. Kuznetsov, A.I. Kharlanov, A.S. Mironova // Scientific Herald of the Eurasian Union of scientists. - Moscow: EUS - 2014 -No. 8. - P. 65-67.
6. Кучер Д.Б. Мощные электромагнитные излучения и сверхпроводящие защитные устройства/ Д.Б.Кучер - Севастополь: Ахтиар, 1997. - 188 с.
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ
ДИЗЕЛЕЙ
Леонтьев Лев Борисович
доктор техн. наук, профессор, Леонтьев Андрей Львович кандидат техн. наук, магистрант, Молоков Константин Александрович
кандидат техн. наук, доцент, Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток
INCREASED RELIABILITY CRANKSHAFTS SHIP MEDIUM-SPEED DIESELS Leontev Lev, Doctor of Engineering Sciences, Professor
Leontev Andrew, Candidate of Engineering Science, undergraduate, Molokov Konstantin, Сandidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Far Eastern Federal University, Vladivostok АННОТАЦИЯ
Показано, что основной причиной отказов коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей является абразивное изнашивание шеек вала вследствие наличия абразивных частиц в моторном масле, завышенных величин отклонений формы поверхностей шеек и масляных зазоров в сопряжении.
Для повышения надежности коленчатых валов предлагается ограничить величины отклонений формы шеек и масляного зазора, а также формировать тонкопленочные износостойкие покрытия на шейках вала путем применения металлосилоксана и композиций на его основе.
Ключевые слова: коленчатый вал; износ; отказ; покрытие.
ABSTRACT
It is shown that the main cause of failure crankshafts marine medium-speed diesels is abrasion necks of the shaft due to the presence of abrasive particles in the engine oil, inflated the deviations form the surface of pins and oil gaps in conjugation.
To improve the reliability of crankshafts proposed to limit the extent of deviation form the necks and the oil clearance, as well as wear-resistant thin film to form a metal-ceramic coating on the shaft journal by applying and compositions based on it.
Keywords: crankshaft; wear; denial; cover.
Надежность судовых дизелей в значительной степени зависит от надежности коленчатого вала. Использование тяжелых сортов топлива вызывает увеличение скорости изнашивания поверхностей трения трибоузла.
Цель работы - определение влияния износа шеек на отказы коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей (СОД) и разработка мероприятий по повышению их надежности. Принятие обоснованных мер по предотвращению внезапного отказа коленчатого вала позволяет обеспечить надежность и безопасность дизеля в целом.
Износы поверхностей трения коленчатого вала оказывают решающее влияние на его долговечность, работоспособность и возникновение аварийных ситуаций на двигателе.
Основными видами изнашивания шеек коленчатых валов являются [1]: абразивное, усталостное и окислительное, реже - изнашивание при заедании (адгезионное) и др.
Абразивный износ деталей ДВС происходит вследствие попадания твердых частиц загрязнений в слой жидкой смазки, разделяющей поверхности трения. С увеличением концентрации и размеров частиц в моторном масле растет износ шеек коленчатого вала. Такие элементы как алюминий и кремний поступают в циркуляционное масло следующим путем: А1 - это продукт износа поршней из алюминиевых сплавов, а также рамовых, мотылевых и головных подшипников скольжения; А1 и Si - попадают в масло с продуктами неполного сгорания топлива.
Количество механических примесей и продуктов износа в работающем масле СОД существенно зависит от вида топлива, на котором работает дизель — тяжелое или дистиллятное. При работе дизелей на тяжелых сортах топлива в моторном масле значительно больше механических примесей (в среднем 0,51-1,0%) по сравнению с моторным маслом двигателей, работающих на дистиллят-ном топливе (среднем 0,10-0,25%), а также алюминия (в 1,3 раза), кремния (в 1,7 раза). Наибольшее влияние на износ трибосопряжения «шейка коленчатого вала - вкладыш подшипника» оказывает величина содержания алюминия в работающем масле. Увеличение массы алюминия в работающем масле приводит к интенсификации изнашивания вкладышей подшипников и шеек коленчатого вала, что в свою очередь ведет к увеличению параметров шероховатости шеек, схватыванию и задирам [2].
Данные для анализа геометрических параметров охватывают результаты дефектации и ремонта 26 коленчатых валов 13 типов СОД (главных и вспомогательных) различных фирм-изготовителей (210 рамовых и 184 мотылевых шеек). На исследуемых двигателях шейки коленчатых валов имеют твердость в интервале от 164 НВ до 58 HRC, т.е. были проанализированы износы закаленных и незакаленных коленчатых валов.
Анализ геометрических параметров коленчатых валов, поступающих на восстановление, показал, что 93,8% рамовых шеек имеют величины износов не более
0,10 мм. Мотылевые шейки подвержены более интенсивному износу, только 79,1% шеек имеет величину износа не более 0,10 мм. Следует отметить значительный разброс величин износа рамовых и мотылевых шеек у большинства коленчатых валов. Риски и круговые царапины на шейках имеются у 100% коленчатых валов. Задиры шеек имеют до 33 % валов (от одной до 8 шеек, в среднем 2-3 шейки), наволакивание металла на шейки — менее 5% валов, пятна коррозии на шейках — до 10% валов, имеют деформацию — до 24% валов.
В результате изнашивания шеек образуются отклонения формы (овальность и конусообразность, реже — бочкообразность или седлообразность. Причем мотылевые шейки подвержены, как правило, более интенсивному изнашиванию. Установлено, что 11,3% рамовых и 31,1 % мотылевых шеек имеют овальность свыше 0,04 мм (предельно допустимая величина овальности для современных СОД с диаметром шеек 200 мм).
Мотылевые шейки, как правило, имеют отклонения формы от цилиндричности — конусообразность, которая может достигать 0,10 мм, реже седлообразность или бочкообразность, а по окружности принимают овальную форму. Рамовые шейки в результате износа приобретают овальную форму.
Наиболее опасны катастрофические виды изнашивания: заедание, задир и схватывание. При задире шеек или схватывании шеек с вкладышем, а также расплавлении антифрикционного слоя вкладышей, как правило, происходит деформация коленчатого вала, реже — поломка вала. Первопричиной катастрофических видов изнашивания является, как правило, износ шеек коленчатого вала, характеризующийся появлением отклонений формы и изменением размеров, а также образованием круговых рисок и царапин глубиной до 0,05 мм.
Следует отметить, что между величиной износа трибоузла и вероятностью возникновения изнашивания при заедании и последующего задира шеек коленчатого вала существует качественная связь в условиях трения полужидкостной и граничной смазок. Анализ влияния величин износа на вероятность задира шеек позволил установить, что износы рамовых и мотылевых шеек коленчатых валов оказывают существенное и примерно одинаковое влияние (рис. 1,а). Зависимость вероятности задира шеек от величины их износа описывается выражением = 0,958)
РИ = 50,5 - 49,35 • в~301Ш 3,3 3 ' , %. (1)
Для обеспечения вероятности не более 10% необходимо, чтобы износ шеек не превышал 0,05 мм. При величинах износа свыше 0,11 мм вероятность задира составляет 50%.
Наибольшую опасность для возникновения задира оказывает величина овальности шеек (рис. 1,б). При величине овальности 0,03 мм вероятность задира составляет уже 30%, а при величинах от 0,14 мм и больше — 100%.
Поэтому необходимо ограничивать овальность шеек для избежания задира и отказа коленчатого вала величинами 0,03-0,04 мм. Зависимость вероятности задира шеек от величины их овальности описывается выражением = 0,971)
РА = 181,6 + 45,81п( А)
%. (2)
3
% 1 ___ ___•— •
1
п < 1-
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 А, ММ
б
Рисунок 1. Зависимость вероятности отказов коленчатых валов из-за задира шеек от величин: а - износа шеек; б - овальности шеек, ■ - рамовые шейки, • - мотылевые
Установлено, что при задирах шеек коленчатые валы деформируются и появляются большие значения биения на рамовых шейках (до 0,5-0,7 мм) при допустимых 0,10-0,12 м. Возникновение деформаций коленчатых валов вследствие задира рамовых шеек наблюдается у 40% валов, при задире мотылевых шеек — у 60% валов.
Для повышения надежности и уменьшения вероятности аварий судовых СОД наиболее рационально проводить модифицирование шеек вала слоистыми силикатами или металлосилоксановым полимером [3] для получения металлокерамического покрытия, позволяющего избежать задира, снизить энергетический уровень контактного взаимодействия трущихся поверхностей и величину износа трибосопряжения «шейка вала - вкладыш».
Для определения оптимального состава материалов для модифицирования шеек коленчатых валов и обеспечения заданной долговечности были проведены триботехнические испытания. В качестве основного критерия оптимизации триботехнического состава была взята интенсивность изнашивания.
Модифицирование поверхности стального образца триботехническими материалами осуществляли фрикционным методом. Модифицирующий состав, состоящий из
минерального или органоминерального материала и масла, наносился на упрочняемую поверхность. В процессе упрочнения данная смесь подавалась в зону трения каждые 15-20 с капельным методом. Для модифицирования использовали следующие материалы: серпентинит (состав №1), алюмосиликат (состав №2), алюмосиликат, модифицированный полисахаридом и карбонатом магния (состав №3), металлосилоксан (состав №4), и композиции материалов: 50 % металлосилоксана + 50 % препарата «Ресурс» (состав №5), 50% алюмосиликата + 50% металлосилоксана (состав №6) и 50% металлосилоксана + 50% серпентинита (состав №7).
Так как шейки свыше 80% коленчатых валов СОД имеют твердость в диапазоне 201-230 НВ исследования проводили на стали 45 твердостью 212 НВ.
Триботехнические испытания проводили на универсальной машине модели УМТВК проводили по схеме "ролик - колодка" в условиях граничного трения при постоянной скорости скольжения 0,628 м/с. В качестве неподвижного образца использовались колодки, вырезанные из вкладыша типа <^М1еп^ег» («МШа» 33), который имеет регулярный микрорельеф в виде винтовой канавки
а
глубиной 16-40 мкм и шагом около 0,15 мм на всей поверхности трения, что обеспечивает высокую усталостную прочность и способность выдерживать высокие удельные нагрузки. Участки меньшей ширины (слой А^п6) воспринимают нагрузку, а участки большей ширины поглощают абразивные частицы.
Смазку пары трения осуществляли капельным способом (5-6 капель в минуту). Для смазки применялось работающее дизельное масло марки М-14-Д2(цл 30) ГОСТ 12337-84 с главного судового среднеоборотного дизеля (СОД), эксплуатировавшегося на тяжелых сортах топлива, так как при работе двигателя на тяжелых сортах топлива смазка содержит повышенное количество механических
Режимы
примесей. Величины значений характеристик работающего масла и содержание в нем продуктов износа и сгорания соответствовало примерно типичным средним значениям для СОД, эксплуатирующихся на тяжелых сортах топлива [2]: вязкость при 100 °С - 15,8 сСт, щелочное число - 20,3 мг КОН / г, механические примеси 1,5%, Fe -8,5 г/т, Al - 6,3 г/т, а - 2,6, г/т, Si - 6,3, г/т, Pb - 4,3, г/т, Sn - 12,1 г/т, ^ - 4,5 г/т.
Износ образцов определяли весовым способом на лабораторных весах с ценой деления 0,1 мг марки AUW 220D фирмы Shimadzu (Япония).
Нагрузку изменяли в соответствии с режимами, приведенными в таблице 1. Время испытаний каждой пары трения составляло 4 часа.
Таблица 1
пытаний
Нагрузка, Н 40 100 200 400
Время, ч: 0,5 0, 5 1,0 2,0
Выбранные режимы испытаний характерны для работы подшипников скольжения коленчатых валов СОД и соответствуют нагрузкам в моменты пуска и остановки двигателя, т. е. когда наблюдается режим трения при граничной смазке.
В результате сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал - вкладыш» при различных упрочняющих покрытиях установлено, что модифицирование стали позволяет снизить коэффициент трения после приработки сопряженных поверхностей (примерно через 45 минут после начала испытаний) и существенно уменьшить износ модифицированной стали и антифрикционного слоя вкладышей подшипников, при этом величины износов существенно зависят от состава модификатора.
Следует отметить, что приработка пары трения «вал - вкладыш» в условиях трения при граничной смазке происходит примерно в 2 раза быстрее в результате модифицирования поверхности стального образца любым материалом, причем алюмосиликат и металлосилоксан обеспечивают наиболее стабильный коэффициент трения. Наименьший коэффициент трения при граничной смазке обеспечивает модифицирование композициями 50% алюмосиликата + 50% металлосилоксана и 50% ме-таллосилоксана + 50% серпентинита.
Скорость изнашивания стального образца (рис. 2) уменьшается более чем в 2 раза при различных упрочня-
ющих покрытиях. Причем скорость изнашивания стального немодифицированного образца монотонно возрастает по мере увеличения нагрузки. Модифицирование алюмосиликатом позволяет получить покрытие, скорость изнашивания которого практически не зависит от нагрузки.
Максимальную износостойкость трибосопряжения при нагрузках до 200 Н обеспечивает состав №6 (повышение износостойкости по сравнению с немодифицирован-ным образцом достигает 8 раз). Максимальную износостойкость трибосопряжения при нагрузках свыше 200 Н обеспечивает состав №3 и при 400 Н состав №5 (повышение износостойкости по сравнению с немодифицирован-ным образцом достигает 10 раз).
Таким образом, для увеличения долговечности трибосопряжения «вал - вкладыш» шейки вала необходимо модифицировать следующими составами: 50% алюмосиликата + 50% металлосилоксана и алюмосиликатом, модифицированным полисахаридом и карбонатом магния, которые позволяют повысить износостойкость трибосопряжения от 8 до 10 раз в зависимости от нагрузки, снизить коэффициент трения и температуру в зоне трибоконтакта на больших нагрузках более чем в 2 раза, которые наиболее опасны вследствие создания условий для возникновения схватывания и задира.
40 80 120 160 200 240 280 320 360 Р, Н Рисунок 2. Зависимости скоростей изнашивания стального образца в условиях трения при граничной смазке от нагрузки и типа покрытия, полученного в результате модифицирования стали составом: 1 - №1; 2 - №6; 3 - №3; 4 - №7; 5 - №4; 6 - контрольный; 7 - №2; 8 - №5
Исследование с помощью рентгено-электронной спектроскопии позволило установить состав тонкопленочного покрытия на поверхности стали и на глубине до 100 нм. В зависимости от применяемого материала для модифицирования стали поверхностный слой имеет следующий состав (в атомных процентах):
- при упрочнении металлосилоксановым полимером: О = 46.6, C = 40.6, Fe = 9.3, Si = 2.0, N = 1.2, Ca = 0.4; после травления поверхности аргоном на глубине 100 нм: Fe = 34.2, O = 49.9, C = 14.6, N = 0.6, Ca = 0.7;
- при упрочнении алюмосиликатом, модифицированным металлосилоксаном: О = 43.2, C = 39.8, Al = 7.2, Fe = 4.5, Si = 2.4, N = 1.6, Ca = 1.0, Sn = 0.3, Pb = 0.1; после травления поверхности аргоном на глубине 100 нм: O = 45.5, Fe = 21.1, Al = 18.6, C = 10.6, Si = 2.9, Ca = 1.1, N = 0.5, Sn = 0.3, Pb = 0.1.
Таким образом, основной причиной отказов коленчатых валов СОД является абразивное изнашивание, в первую очередь мотылевых шеек коленчатого вала, которое обусловлено наличием абразивных частиц в моторном масле, завышенными величинами отклонений формы поверхностей шеек и масляных зазоров в сопряжении.
Очевидно, что задача повышения надежности коленчатых валов может быть решена следующими путями:
1) ужесточением величин отклонений формы шеек коленчатого вала и масляного зазора;
2) ограничением содержания механических примесей в моторном масле;
3) повышением износо- и задиростойкости путем формирования тонкопленочных износостойких ме-таллокерамических покрытий на шейках коленчатого вала.
Наиболее перспективными триботехническими материалами являются: металлосилоксан и композиции: 50% алюмосиликата + 50% металлосилоксана или металлосилоксан + препарат «Ресурс».
Исследование выполнено при поддержке ДВФУ, проект №14-08-03-8_и
Литература
1. Леонтьев Л. Б., Токликишвили А. Г. Причины отказов коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей и пути повышения их надежности // Вестник инженерной школы ДВФУ. 2012. № 3, с. 40-47.
2. Леонтьев Л.Б., Надежкин А.В., Макаров В.Н., Токликишвили А. Г. Анализ функционирования трибоси-стемы «шейка коленчатого вала - вкладыш подшипника - смазка» судовых среднеоборотных дизелей // Двигателестроение, 2013, № 2 (252). - С. 41-47.
3. Шапкин Н.П., Леонтьев Л.Б., Леонтьев А.Л., Шкура-тов А.Л. Органомодифицированные алюмосиликаты как геомодификаторы трения // Журнал прикладной химии. - 2012. - Т. 85, вып. 10. - С. 15701576.
ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В ПРИРОДООХРАННОМ ОБУСТРОЙСТВЕ
БАССЕЙНОВЫХ ГЕОСИСТЕМ
Бондаренко Владимир Леонидович
доктор технических наук, профессор, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт ФГБОУ ВПО
«Донской государственный аграрный университет» Лещенко Андрей Васильевич
кандидат технических наук, доцент, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт ФГБОУ ВПО
«Донской государственный аграрный университет» Меженский Владимир Иванович
кандидат технических наук, доцент, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт ФГБОУ ВПО
«Донской государственный аграрный университет»
THE NATURAL-ENGINEERING SYSTEMS IN ENVIRONMENTAL-PROTECTION FACILITIES OF BASIN GEOSYSTEMS Bondarenko Vladimir, Professor, Doctor of Technical Sciences, Novocherkassk Reclamation Engineering Institute FGBOU VPO "Donskoy State Agrarian University"
Leshchenko Andrey, Assistant Professor, Candidate of Technical Sciences, Novocherkassk Reclamation Engineering Institute FGBOU VPO, "Donskoy State Agrarian University"
Majensky Vladimir, Assistant Professor, Candidate of Technical Sciences, Novocherkassk Reclamation Engineering Institute FGBOU VPO, "Donskoy State Agrarian University" АННОТАЦИЯ
В статье рассматриваются методологические основы создания и функционирования природно-технических систем (ПТС)«Природная среда - Объект деятельности - Население» в природоохранном обустройстве локальных территорий бассейновых геосистем. Исходя из единства действий природы и хозяйственной деятельности по использованию водных ресурсов и защиты от негативного воздействия природных вод сформировано понятие ПТС, их классификация и принципы фундаментирования. THE SUMMARY
In this article considered methodological bases of creation and development of naturally-technical systems (NTS) «The Environment - Object of activity - The Population» in nature protection construction of local territories of river basin geosystems are considered. Proceeding from unity of actions of the nature and economic activities on use of water resources and protection
