CC BY
86
ВЕСТНИК«
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ......
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА^
6. Hudjakov, S. A. "Posledstvija otkaza shatunnogo podshipnika glavnogo dizelja t/h «Prof. Barabanov»." VestnikMGU. Serija: Sudostroenie i sudoremont 25 (2008): 52-54.
7. Manicyn, V. V. Tehnologija remonta sudov rybopromyslovogo flota. M.: Kolos, 2009.
8. Kompleksnaja sistema tehnicheskogo obsluzhivanija i remonta sudov. Osnovnoe rukovodstvo. RD 31.20.50 -87. M.: V/O «Mortehinformreklama», 1988.
9. Sobolenko, A. N., and D. K. Glazuk. "Improvement of efficiency and fail-safety of marine engines by means of their operators' simulator training." Fisheries 1 (2014): 12-14.
10. Sobolenko, Anatoliy Nickolaevich, Yuriy Alekseevich Korneychuk, and Dmitry Konstantinovich Glazyk. "Summary of the operation practice of marine engine-room simulators." Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine Engineering and Technologies 2 (2016): 59-69.
_ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Маницын Владимир Викторович —
кандидат технических наук, доцент.
Дальневосточный государственный технический
рыбохозяйственный университет
Соболенко Анатолий Николаевич —
доктор технических наук, профессор.
Морской государственный университет
им. адм. Г. И. Невельского
sobolenko_a@mail. ги
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Manitsin Vladimir Victorovich — PhD, associate professor. Far Eastern State Technical Fishery University [email protected] Sobolenko Anatoly Nikolayevich — Dr. of Technical Sciences, professor. Marine State University named after G.I.Nevelskoy [email protected]
Статья поступила в редакцию 15 сентября 2016 г.
Э01: 10.21821/2309-5180-2016-8-6-155-168 УДК 621.43-242:004.62:621.436:629.5
И. И. Кулешов, В. М. Ходаковский
ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОРШНЕВЫХ КАНАВОК ГОЛОВОК ПОРШНЕЙ СУДОВЫХ МАЛООБОРОТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Задачей данной работы являлось повышение работоспособности поршневых канавок головок поршней судовых малооборотных дизелей. В настоящее время существующие технологии восстановления поршневых канавок головок поршней не обеспечивают необходимую их долговечность. Наиболее перспективной технологией является технология восстановления канавок путём установки противоизносных колец. Однако данная технология нуждается в дальнейшем совершенствовании, так как долговечность головок поршней, восстановленных данным способом, не превышает 16 тыс. ч. Практически, единственным способом упрочнения данных колец является лазерная обработка. К существенному недостатку лазерного упрочнения без оплавления поверхности можно отнести низкую глубину зоны лазерного воздействия, которая достигает 0,3 мм. В свою очередь, существенным достоинством лазерной обработки является отсутствие какого-либо коробления детали вследствие небольших глубин термического влияния. Перспективным способом упрочнения рабочей поверхности противоизносных колец является способ лазерного упрочнения с оплавлением поверхности, так как, используя данный способ, можно значительно увеличить глубину упрочнённого слоя.
В работе исследовалось влияние лазерного упрочнения с оплавлением поверхности чугунного проти-воизносного кольца на твёрдость зоны лазерного воздействия, так как в настоящее время нет детальных исследований закономерности изменения глубины и структуры зоны лазерного воздействия в зависимости от изменения параметров лазерной обработки. В результате проведённого экспериментального исследования было выявлено, что при лазерном упрочнении с оплавлением поверхности глубина зоны лазерного воздействия достигает 1 мм, что значительно больше, чем при лазерном упрочнении без оплавления
а.
J55
поверхности. Выведены формулы для расчёта глубины лазерного воздействия для чугунов в зависимости от плотности полезной мощности и скорости перемещения лазерного луча.
Ключевые слова: повышение работоспособности головок поршней, поршневая канавка, противоиз-носное кольцо, лазерное упрочнение с оплавлением, лазерное упрочнение чугунных деталей.
Введение
Эффективный срок службы головок поршней (ГП) малооборотных дизелей (МОД) при достижении максимального износа верхней канавки ГП, равного 1,0 - 1,5 мм для дизелей МАН К2 70/120А и К2 70/120Е, составляет около 15 тыс. ч, после чего производится замена головки поршня [1]. По некоторым сведениям, средняя высота канавки поршня увеличивается на 0,01 мм за 1 тыс. ч работы [2]. Следует отметить, что при увеличении общего износа торца канавки происходит увеличение степени изнашивания к периферии канавки. В работе [3] приводится анализ износа опорной поверхности поршневой канавки, и необходимо отметить то, что скорость изнашивания кольца в два раза меньше, чем канавки. Проведённый авторами работы анализ путём замера величины износа кольца дизеля МАН показал, что при величине износа кольца 0,2 мм износ канавки составил 0,4 - 0,5 мм. Также отмечено, что верхние кольца имеют блестящую полоску по всей длине нижней опорной поверхности кольца, что является следствием прогиба кольца в поперечном сечении в результате давления газов и деформации перемычек ГП. В итоге наблюдается выраженный износ торца опорной поверхности поршневой канавки ГП.
В настоящее время существуют способы, которые позволяют восстановить первоначальную геометрию поршневой канавки. К основным способам можно отнести следующие:
- скос кромок опорных поверхностей канавки ГП с дальнейшей их наплавкой;
- выборка канавок на станке с дальнейшей наплавкой выбранного участка и проточкой новых канавок;
- хромирование канавок;
- установка сменных чугунных противоизносных колец (ПИК) (иногда с поверхностной закалкой) [4].
Недостатками способов, которые включают в себя наплавку износостойкими материалами, являются:
- относительно невысокая технологичность при довольно высоких трудозатратах;
- сравнительно низкое качество и недостаточная долговечность полученных канавок, что приводит к преждевременному выходу из строя поршневых колец (ПК);
- высокая стоимость (может достигать 50 % стоимости детали, а наработка до отказа ГП варьируется в пределах 5 - 9 тыс. ч);
- при наплавке канавок стальных ГП требуется общий отжиг головки (так как возможно изменение структуры материала детали в самом напряжённом месте головки, и только общий отжиг, который не всегда возможен, может восстановить нужную структуру) [1].
К недостаткам способа хромирования поршневых канавок можно отнести:
- неравномерный износ хромированных канавок по образующей;
- наличие трещин в перемычках;
- если величина износа превышает возможную толщину хромового покрытия (0,25 мм), то перед хромированием необходимо производить наращивание поверхности;
- высокая стоимость [5].
Наиболее простым способом восстановления поршневых канавок является способ установки чугунных ПИК. Технологический процесс установки ПИК заключается в проточке ручьёв для их установки и дальнейшей установке колец в ручей.
Преимуществами восстановления канавок ГП способом установки ПИК являются:
- простота установки ПИК;
- низкая стоимость;
- довольно высокая технологичность, так как при износе ПИК его замену представляется возможным произвести судовому экипажу.
Данный способ также имеет свои недостатки, к которым можно отнести:
- потерю плотности посадки через 10 - 12 тыс. ч наработки [2];
- невысокую прочность материала ПИК в сравнении с материалом поршня.
В научно-исследовательской работе «Работоспособность деталей ЦПГ двигателей «В&^> 874 УТ 2BF-160 т/х типа «Пула», руководителем которой является Г. С. Щукин [6], авторы приводят данные о наработке и отказах основных деталей ЦПГ. В частности приводятся данные о наработке до отказа поршней судовых МОД «B&W» 874 УТ 2BF-160, в головке которых были установлены ПИК. ГП были выполнены из стали специальной ТУ 24-4-01-071-65, ПИК — из чугуна СЧ20 ГОСТ 1412-79. Авторами обследовались четыре судна типа «Пула». Общее количество цилиндров — 32; на поршне — пять компрессионных колец, одно маслосъёмное; также в ГП завальцовано пять ПИК. Проведённые эксплуатационные испытания показали, что средняя наработка ГП до отказа вследствие поломок ПИК составила 16 тыс. ч при коэффициенте вариации 0,4. По окончании проведения исследования наработка дизелей варьировалась от 39,9 до 50,0 тыс. ч. В период исследования произошло суммарно 107 отказов ГП вследствие поломок ПИК. Авторами отмечено, что поломки ПИК происходили вследствие увеличения зазора в местах их вальцовки в ГП.
Для того чтобы ПИК наиболее плотно прилегало к нижней поверхности канавки ГП, были разработаны такие методы установки ПИК, как:
- проточка под одинаковым углом торцевых перемычек и ПИК, затем — точечная приварка ПИК к головке поршня [7];
- закрепление ПИК в проточенном для него ручье, когда кольцо фиксируется от горизонтального перемещения посредством металлической проставки [8].
Путём установки ПИК способом закатки металлической проставки максимально снижается возможность их поломки. Практика показала, что данный способ позволяет значительно увеличить их срок службы. ПИК, установленные таким способом компанией ООО НТК «АЛЬКОР КО ЛТД», были монтированы на шесть головок поршней главного двигателя (ГД) НА^НШ 6LUS40 т/х Seatiger в 2004 г. Восстановленные ГП отработали в ГД без происшествий, сколов и разрушений, а также не наблюдался повышенный износ ПК. Следует иметь в виду и то, что устанавливаемое по технологии [8] ПИК также проходит лазерное упрочнение с оплавлением верхней опорной поверхности. После того как данные поршни отработали 6 тыс. ч, была проведена их ревизия, в процессе которой определено, что ПК ГП находится в работоспособном состоянии, зазоры не превышают предельно-допустимые значения. В результате было принято решение оставить данные поршни на второй срок. Также по данной технологии компанией было восстановлено 12 ГП ГД биЕС 37LA т/х «Айс Бриз» и «Айс Стрим». Наработка поршней, восстановленных таким способом, составила 10 тыс. ч, после чего был произведён их осмотр. Во время работы происшествий и аварий ГД не было, сколов или разрушений отремонтированных канавок поршней не наблюдалось, повышенного износа ПК также не наблюдалось.
ПИК МОД, как правило, изготовляются из чугуна СЧ20, СЧ25, СЧ 30 (ГОСТ 1412-85) [9].
В свою очередь, в процессе работы ПК, совершая вращение в канавках со скоростью 0,1 -1,0 м/с [1] а также поступательные движения вследствие перекладки поршня в верхней мёртвой точке (ВМТ) и нижней мёртвой точке (НМТ), так же, как и канавку ГП, изнашивают ПИК. Следствием этого является приобретение ПИК некоторой конусообразности [3]. Следовательно, возникает необходимость в упрочнении верхней опорной и торцевой поверхности ПИК.
Существуют следующие способы упрочнения рабочих поверхностей противоизносных колец:
- плазменная наплавка противоизносных колец из углеродистых сталей [5];
- лазерное упрочнение чугунных колец без оплавления поверхности [10];
- лазерное упрочнение чугунных ПИК с оплавлением поверхности [11].
ВаВЕСТНИК
~ ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
К недостаткам упрочнения ПИК путём плазменной наплавкой можно отнести низкую технологичность, наличие коробления детали, необходимость проведения термообработки, из-за чего необходимо изготавливать заготовку большего размера с последующей её механической обработкой.
К существенному недостатку лазерного упрочнения без оплавления поверхности можно отнести низкую глубину зоны лазерного воздействия, которая достигает 0,3 мм [12] - [14]. В свою очередь существенным достоинством лазерной обработки является отсутствие какого-либо коробления детали вследствие небольших глубин термического влияния.
Определение влияния параметров лазерного упрочнения на глубину зоны лазерного воздействия
Задачей данной работы являлось определение влияния лазерного упрочнения с оплавлением поверхности чугунного ПИК на твёрдость зоны лазерного воздействия, так как в настоящее время нет детальных исследований закономерности изменения глубины и структуры ЗЛВ в зависимости от изменения параметров лазерной обработки. Исследовалась структура серого перлитного чугуна после лазерного упрочнения с оплавлением поверхности. Так как ПИК — это деталь, работающая на износ, то данное исследование даёт возможность определить оптимальные параметры лазерной обработки с оплавлением поверхности.
Лазерное упрочнение с оплавлением поверхности проводили на установке «Комета-2». Режимы лазерного упрочнения:
- мощность излучения — 0,9 - 1,2 кВт;
- диаметр лазерного луча — 2,5 мм;
- скорость перемещения луча — 0,01 - 0,04 м/с.
Металлографическое исследование проводилось на микроскопе Leica DM4000 M при увеличениях от х50 до ><1000 до травления и после травления в 4 %-м растворе азотной кислоты в спирте. Измерение твёрдости проводилось на микротвердомере МНТ-10 при нагрузке 150 Н и увеличении в ><500.
Исследования исходной структуры чугуна по графиту и металлической основе (по ГОСТ 3443-87) показали:
ПГ пластинчатый (рис. 1) (пластинчатая прямолинейная) ПГр1 (равномерное) ПГд350 (250 - 500 мкм) ПГ6 (5 - 8 %)
Графит Форма ПГф1 Распределение Размер Количество
Металлическая основа (рис. Вид структуры Содержание перлита Дисперсность перлита
перлит пластинчатый Пт1
П (от 98 %)
Пд0,5 (0,3 - 0,8 мкм)
ВЕСТНИК«
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА VH
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА^
й ••• .а,^ г
S Щ V
i» ' «t»
к ¿T^r
'i
Рис. 2. Микроструктура металлической основы чугуна, ><500
Фосфидная эвтектика (рис. 3): Строение
Распределение Размер ячеек сетки Площадь включений
ФЭ4 (тройная игольчатая + ФЭ5 (тройная с пластинками цементита) ФЭр2 (разорванная сетка) ФЭд650 (500 - 750 мкм) ФЭп2000 (до 2000 мкм)
шщ
И". '-VIFViSr- •'! Ш .4 . ■ VkSAy"-«»
Щ ,
!ШУй
ir? ■ - ' ^
Рис. 3. Строение фосфидной эвтектики, ><500
Результаты определения структуры: структура серого чугуна с равномерно распределенными включениями пластинчатого графита прямолинейной формы, длина отдельного включения 250 - 500 мкм; металлическая основа: перлит пластинчатый в количестве от 98 % с межпластинчатым расстоянием 0,3 - 0,8 мкм; фосфидная эвтектика тройная игольчатого строения и с пластинками цементита в виде разорванной сетки, диаметр ячеек сетки до 650 мкм:
ПГф1-ПГр1-ПГд350-ПГ6-Пт1-П-Пд0,5-ФЭ4-ФЭр2-ФЭд650-ФЭп2000.
Микроструктура чугуна в исходном состоянии показана на рис. 4.
J59|
Рис. 4. Микроструктура чугуна в исходном состоянии, ><200
Твёрдость металлической основы сравнительно невысока и составляет 397,3 НУ до травления и 310,79 НУ после травления. Твёрдость фосфидной эвтектики варьируется от 600 до 822 НУ, среднее значение 708 НУ.
После лазерной обработки с оплавлением поверхности в структуре металла образуются:
- зона оплавления;
- зона термического влияния (ЗТВ).
Общий вид зоны лазерного воздействия, полученной в режиме оплавления, показан на рис. 5.
Рис. 5. Общий вид зоны оплавления, х50
Размеры зоны лазерного воздействия: общая глубина зоны лазерного воздействия глубина зоны оплавления глубина ЗТВ
ширина зоны лазерного воздействия ширина зоны оплавления
- 525 мкм;
- 75,6 мкм;
- 450 - 480 мкм;
- 2425 мкм;
- 1663 мкм.
Зона оплавления получается при закалке из жидкого состояния.
Структура зоны оплавления состоит из мелких дендритов аустенита, выросших при кристаллизации расплавленного металла и окруженных дисперсным ледебуритом. Главные оси ден-дритов ориентированы в сторону отвода тепла, т. е. к кромке дорожки оплавления.
Неоднородность зоны оплавления обусловлена кратковременностью лазерного воздействия, не позволяющего получать однородный по составу (прежде всего по углероду) жидкий раствор в расплавленном объеме. Этому способствует и неодновременное расплавление участков гетерогенной структуры. Графит обладает большой теплопроводностью, особенно в нагретом состоянии [15], кроме того, графит — практически абсолютно черное тело, что способствует поглощению лазерного излучения. Тепло легко проникает по пластинкам графита и вызывает расплавление металлической основы вокруг пластинок графита (эффект контактного плавления). Расплавление металлической основы эвтектоидного состава запаздывает, а кристаллизация ее начинается раньше. Главным фактором, определяющим конечную структуру этого слоя, является количество растворенного графита за время оплавления [16].
Микротвердость зоны оплавления со структурой ледебурит + аустенит — 684 НУ-756 НУ. В зоне оплавления присутствуют участки со структурой мартенсит + аустенит остаточный, их микротвердость 545-585 НУ.
Отличительной особенностью строения ЗЛВ чугунов является неровная линия плавления между ЗО и ЗТВ, что обусловлено эффектом контактного плавления. Вследствие разных размеров графитных включений расплавленные объемы в разной степени насыщаются углеродом, что приводит к формированию различных структур после затвердевания: ледебурита, микротвердость которого 8400 Н/мм2; ледебурита с ячейками аустенита — 6150 ... 7 330 Н/мм2; мартенсита — 6000 ... 6500 Н/мм2;
мартенсита и остаточного аустенита — 5450 ... 5880 Н/мм2 (в зоне оплавления).
ВЕСТНИКш
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ШЦ^
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА,
Микроструктура на границе между зоной оплавления и зоной термического влияния показана на рис. 6.
Рис. 6. Микроструктура на границе между ЗО и ЗТВ, х500
При лазерной обработке поверхности серого чугуна с оплавлением поверхности в зоне термического влияния происходит:
- распад аустенита (металлической основы чугуна);
- превращения перлитографитной составляющей чугуна, связанные с эффектом контактного плавления или только растворения графита в аустените (рис. 7);
- подплавления в местах залегания фосфидной эвтектики (рис. 8).
Рис. 8. Подплавление в местах залегания фосфидной эвтектики в ЗТВ: а — х1000; б — х500, х1,5
ВаВЕСТНИК
~ ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
Высокая скорость нагрева вызывает значительный перегрев, а высокая скорость охлаждения приводит к разной степени насыщения матрицы углеродом из включений графита. В результате нагрева этой зоны выше критической точки Ас1 (температур порядка 1147 °С) перлитная основа превращается в аустенит, а потом происходит ее быстрое охлаждение. Степень переохлаждения аустенита определяет механизм и кинетику превращения, а, следовательно, и структуру продуктов превращения [17].
Насыщение расплава из полурастворенной частицы графита при последующем охлаждении приводит к образованию области со структурой белого чугуна, микротвердость которой находится в интервале 810 ... 1022 НУ (рис. 7, 9).
Рис. 9. Микроструктура вокруг включений графита в ЗТВ, ><1000
еа
[162]
Светлые области на периферии таких участков образованы в результате диффузии углерода из расплава в металлическую основу чугуна, что приводит к формированию в них структуры мартенсита и остаточного аустенита с невысокой микротвердостью 470-645 НУ. По мере удаления от включений графита происходит уменьшение микротвердости за счет уменьшения диффузии углерода в металлическую основу и уменьшения его содержания в кристаллической решетке мартенсита. На участках с температурой, меньшей эвтектической, происходит лишь диффузия углерода из графита в аустенит и образование после охлаждения двухслойных — мартенситной и ау-стенитной — оторочек, толщина которых уменьшается с увеличением глубины залегания графита вплоть до полного исчезновения [18].
Металлическая основа чугуна в зоне термического влияния темно-серого цвета, она закалена на мартенсит с средней микротвердостью 584 НУ.
Микротвердость участков, на которых произошло подплавление ФЭ и произошли структурные превращения, колеблется в пределах 574-1021 НУ. На тех участках, где образовался мартенсит + аустенит остаточный, микротвердость — 574-734 НУ, а где ледебурит + мартенсит + аустенит остаточный — 901-1021 НУ.
В нижней части ЗТВ включения ФЭ (тройная игольчатая) осталась без изменения (в ней не произошло превращений), но микротвердость её колеблется в пределах 950-1042 НУ.
Обсуждение основных результатов
По результатам эксперимента были построены математические модели зависимости ожидаемой глубины зоны лазерного воздействия от принятых факторов технологического процесса лазерного упрочнения. В качестве независимых переменных принимались: плотность полезной мощности лазерного излучения (д), скорость перемещения лазерного луча (у). В качестве отклика (зависимой переменной) принималась глубина ЗЛВ, измеренная в двух местах.
Факторы, их уровни и интервалы варьирования, выбранные на основании априорной информации и предварительных экспериментов, приведены в табл. 1. Результаты эксперимента приведены в табл. 2. Обработка результатов эксперимента проводилась для равномерного дублирования опытов.
ВЕСТНИК|
'АЛА С. О. МА
Таблица 1
Факторы, уровни и интервалы варьирования
Фактор Кодовое обозначение Вариант Уровни факторов Интервал варьирования
+1 0 -1
Плотность полезной мощности д, Вт/мм2 х1 1 180 160 140 20
2 193 173 153 20
Скорость перемещения лазерного луча у, м/с Х2 1 0,03 0,02 0,01 0,01
2 0,04 0,03 0,02 0,01
По данным параллельных опытов проводился расчёт построчных дисперсий и проверялась гипотеза однородности дисперсий по критерию Кохрена. Поскольку выполнялось условие ^табл =0,6798 > Срасч = 0,415; 0,423, то ряд дисперсий считался однородным.
Таблица 2
Результаты измерения глубины ЗЛВ
Матрица планирования Глубина зоны лазерного воздействия для исследуемых чугунов, мкм
Номер У У2
опыта х1 Х2 Вариант
1 2 1 2
1 + + 0,863 0,825 0,850 0,769
2 - + 0,613 0,613 0,506 0,506
3 + - 1,025 0,919 0,944 0,875
4 - - 0,860 0,816 0,763 0,706
Рассчитывались коэффициенты регрессии и проверялась их статистическая значимость. Статистически значимыми признавались коэффициенты, абсолютная величина которых равна или больше доверительного интервала. В данном случае это линейные коэффициенты Ь , Ь1, и Ь Коэффициенты парного взаимодействия Ь статистически незначимы, поэтому из математической модели исключались.
Таким образом, в результате полного факторного эксперимента 22 для исследуемого чугуна были получены уравнения регрессии для глубины ЗЛВ в кодированном виде:
у1 = 0,803 + 0,117 х1 - 0,095 х2; (1)
у2 = 0,754 + 0,093 х1 - 0,075 х2. (2)
Адекватность моделей проверялась по критерию Фишера. При уровне значимости а=0,05 табличное значение критерия Фишера F г = 3,84. Поскольку F г = 3,84 > F = 2,229; 1,44,
11 1 табл 7 J табл 7 рас 7 777
то принималась гипотеза об адекватности моделей. Результаты регрессионного анализа приведены в табл. 3.
Гш|
Таблица 3
Результаты регрессионного анализа уравнений для глубины ЗЛВ
Расчётные величины Результаты расчёта
1 2
Коэффициенты регрессии: Ь0 0,803 0,117 -0,095 0 0,754 0,093 -0,075 0
Доверительный интервал ±ДЬ( 0,068 0,069
Критерий Кохрена О: табличный расчётный 0,6798
0,415 0,423
Дисперсия адекватности S2 7,688 • 10-3 5,151 • 10-3
Дисперсия воспроизводимости эксперимента S2y 8,944 • 10-4 8,944 • 10-4
Критерий Фишера F: табличный расчётный 3,84
2,229 1,44
са
П65
Поскольку линейные части полиномов адекватны, следовательно, глубину зоны лазерного воздействия для каждого чугуна с достаточной точностью можно аппроксимировать уравнениями степенного вида. В результате перехода от кодированных значений к натуральным по формулам для случая, когда плотность полезной мощности изменяется от 140 до 180 Вт/мм2:
_ д -160 ; _ V - 0,02
Хл --; Х2 --,
1 20 0,01
получили
А1 = 0,057 + 0,00585д - 9,5у, а когда плотность полезной мощности изменяется от 153 до 193 Вт/мм2:
_ £-173. _ V - 0,03
Х2 . Х2 ,
2 20 2 0,01
получили
н2 = 0,175 + 0,0047д - 7,5У.
Эти формулы позволяют рассчитывать глубину зоны лазерного воздействия для чугунов при различной плотности полезной мощности и скорости перемещения лазерного луча.
Заключительная часть
В результате проведения эксперимента были определены параметры лазерного упрочнения с оплавлением поверхности, выведены формулы для расчёта глубины лазерного воздействия для чугунов в зависимости от плотности полезной мощности и скорости перемещения лазерного луча. Определена максимальная глубина упрочнённой зоны в зависимости от плотности полезной мощности и скорости перемещения лазерного луча, которая приведена на рис. 9 и 10, и достигает 1 мм.
ВЕСТНИК«
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ......
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА,
б)
Рис. 10. Геометрическая интерпретация математической модели (1) в кодированной форме (а)
и линии одного уровня (б) для этой модели
б)
Рис. 10. Геометрическая интерпретация математической модели (2) в кодированной форме (а)
и линии одного уровня (б) для этой модели
Выводы
1. Существующие способы восстановления канавок ГП СДВС не обеспечивают достаточную долговечность, а также являются трудоёмкими и нетехнологичными. ы
а
2. Наиболее простой в исполнении, и также перспективной технологией восстановления ка- « навок является установление чугунных ПИК, твёрдость рабочей поверхности которых, в свою 4 очередь, влияет на их работоспособность. Следовательно, вследствие особенностей материала 00 ПИК возникает необходимость в их упрочнении.
3. Практически единственной технологией упрочнения рабочей поверхности ПИК без её коробления служит лазерная обработка.
4. Лазерное упрочнение принципиально можно разделить на упрочнение без оплавления поверхности и с оплавлением.
5. Упрочнение рабочей поверхности детали позволяет укрепить её на глубину до 0,3 мм, что на практике является, зачастую, недостаточным.
ВЫВЕСТИ И К
~ ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
6. Опытным путём установлено, что лазерное упрочнение с оплавлением рабочей поверхности чугунной детали характеризуется большей глубиной ЗЛВ (до 1 мм) в сравнении с лазерной обработкой без оплавления поверхности. Также установлены оптимальные параметры глубины лазерного упрочнения с оплавлением в зависимости от плотности мощности и скорости перемещения лазерного луча.
7. Для внедрения лазерного упрочнения рабочей поверхности ПИК требуется дальнейшее совершенствование технологии обработки, целью которой будет являться:
- установление рациональных режимов лазерного упрочнения с оплавлением поверхности, в том числе выявление влияния режимов лазерного упрочнения с оплавлением поверхности на количество остаточного аустенита в микроструктуре металла;
- разработка технологий для повышения твёрдости упрочнённой поверхности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
еа
Пб6
1. Кривощеков В. Е. Восстановление изношенных деталей судовых дизелей. Обзор зарубежного опыта фирмы DMI / В. Е. Кривощеков, В. И. Фадеев. — М.: Транспорт, 1994. — 33 с.
2. Возницкий И. В. Двигатели модельного ряда МС 50-98. Конструкция, эксплуатация и техническое обслуживание / И. В. Возницкий. — СПб.: Моркнига, 2008. — 260 с.
3. Слободянюк И. М. Влияние износа сопряженных деталей ЦПГ на долговечность судовых дизелей после ремонта / И. М. Слободянюк, Н. С. Молодцов, В. Н. Голобородько // Судовые энергетические установки. — 2010. — № 26. — С. 136-144.
4. Хмелевская В. Б. Повышение надежности судового оборудования технологическими методами: в 3 т. / В. Б. Хмелевская, Л. Б. Леонтьев. — Владивосток: Дальнаука, 2003.
5. Апчел В. Н. Повышение долговечности головок поршней судовых дизелей путем упрочнения плазменной наплавкой при ремонте / В. Н. Апчел, И. М. Слободянюк, Н. С. Молодцов // Судовые энергетические установки. — 2014. — № 34. — С. 175-182.
6. Щукин Г. С. Работоспособность деталей цилиндро-поршневой группы двигателей «Бурмейстер и Вайн» 874 VT 2BF-160 т/х типа «Пула» в ДВМП / Отчёт о НИР; ДВВИМУ, рук. Г. С. Щукин. — ХДТ-18/79; № ГР 01840087847; инв. № 0284,0092476. — Владивосток, 1984. — 78 с.
7. Пат. 1734976 Российская федерация. МПК В 23 Р 6/00. Способ восстановления канавок под компрессионные кольца поршней / В. И. Дегтярь, Е. Г. Киперник, Л. А. Морозов, И. М. Слободянюк; заяв. и па-тентообл. Южный научно-исследовательский проектно-конструкторский институт морского флота. — За-явл. 02.11.1989. Опубл. 23.05.1992, Бюл. № 19. — 4 с.
8. Пат. 1817512 Российская федерация. МПК 6 F 02 F 3/00, F 16 J 9/00. Поршень двигателя внутреннего сгорания / Г. В. Загинайло, М. С. Дальман, В. И. Лапшин, В. А. Блинов, М. В. Флорианская; заяв. и па-тентообл. Дальневосточное высшее инженерное морское училище им. адм. Г. И. Невельского. — Опубл. 10.09.1995, Бюл. № 25. — 4 с.
9. Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания: в 2 т. / И. В. Возницкий, А. С. Пунда. — М: Моркнига, 2007. — Т. 1. — 284 с.
10. Матвеев Ю. И. Особенности лазерной обработки поршневых колец судовых среднеоборотных дизелей / Ю. И. Матвеев, С. С. Казаков // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2010. — № 2. — С. 34-38.
11. Пат. 2008488 Российская Федерация. МПК F 02 F 3/00, F 16 J 9/00. Поршень двигателя внутреннего сгорания / И. О. Мечейко, В. М. Ходаковский; заяв. и патентообл. Дальневосточная государственная морская академия им. адм. Г. И. Невельского. — Заявл. 01.07.91. Опубл. 28.02.94. — 3 с.
12. Григорьянц А. Г. Методы поверхностной лазерной обработки / А. Г. Григорьянц, А. Н. Сафонов. — М.: Высш. шк., 1987. — 191 с.
13. Матвеев Ю. И. Формирование структур серого чугуна в зоне лазерного воздействия / Ю. И. Матвеев, С. С. Казаков // Вестник НГИЭИ. — 2011. — Т. 2. — № 1 (2). — С. 41-53.
14. Ходаковский В. М. Исследование влияния режима лазерной обработки на глубину и структуру упрочнённой зоны чугунных деталей судовых ДВС / В. М. Ходаковский, Е. П. Патенкова, И. И. Кулешов // Вестник Морского государственного университета. — 2016. — № 74. — С. 28-36.
ВЕСТНИК«
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ......
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА^
15. Свойства конструкционных материалов на основе углерода / под ред. В. П. Соседова. — М.: Металлургия, 1975. — 336 с.
16. Крапошин В. С. Влияние остаточного аустенита на свойства сталей и чугунов после поверхностного оплавления / В. С. Крапошин // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1994. — № 2. — С. 2-5.
17. Арзамасов Б. И. Материаловедение / Б. И. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов [и др.] / под ред. Б. И. Арзамасова. — М.: Машиностроение, 1986. — 384 с.
18. Сафонов А. Н. Особенности лазерной закалки поверхности графитизированных сталей и чугунов / А. Н. Сафонов // Вестник машиностроения. — 1999. — № 4. — С. 22-26.
IMPROVING THE OPERABILITY OF THE PISTON'S CROWNS RINGS GROOVES OF LOW SPEED PROPULSION MARINE DIESEL ENGINE
The aim of the article was improving the operability of the pistons crown's rings grooves of low speed propulsion marine diesel engine. Currently exists methods for the restoration ofthe pistons crown's rings grooves do not provide the necessary durability. The most promising method is the method of the recovery grooves by installing antiwear rings. However, this method needs further improvement because piston's crowns durability recovered by this method does not exceed 16 000 h. In practice, the only method is to harden antiwear rings is a laser hardening. Among the significant disadvantages of the laser hardening without melting of the surface can be attributed the low depth of the laser action zone, which reaches 0,3 mm. In turn, a significant advantage of the laser treatment is the absence of any warpage due to the small quantity depth of thermal influence.
A promising method of hardening the working surface of antiwear rings is a laser hardening method with melting because, by using this method, may significantly increase the depth of the hardened layer.
The influence of laser hardening with melting surface of the cast-iron antiwear ring of the laser treated area, as there is currently no detailed studies ofpatterns of change and the depth of laser action zone structure depending on changes in the laser treatment parameters.
As a result experimental investigation it found that laser hardening with melting the surface the depth of influence zone up to 1 mm, which is considerably more than the laser hardening without melting the surface. The formulas for calculating the depth of the laser effects for cast irons, depending on the density of useful power and speed of laser beam
Keywords: improving the operability of the piston's crowns, ring groove, antiwear ring, laser hardening with melting, laser hardening of cast iron parts.
REFERENCES
1. Krivoshhekov, V. E., and V. I. Fadeev. Vosstanovlenie iznoshennyh detalej sudovyh dizelej. Obzor zarubezhnogo opytafirmy DMI. M.: Transport, 1994.
2. Voznickij, I. V. Dvigateli modelnogo rjada MC 50-98. Konstrukcija, jekspluatacija i tehnicheskoe obsluzhivanie. SPb.: Morkniga, 2008.
3. Slobodjanjuk, I. M., N. S. Molodcov, and V. N. Goloborodko. "Vlijanie iznosa soprjazhennyh detalej CPG na dolgovechnost sudovyh dizelej posle remonta." Sudovye jenergeticheskie ustanovki 26 (2010): 136-144.
4. Hmelevskaja, V. B., and L. B. Leontev. Povyshenie nadezhnosti sudovogo oborudovanija tehnologicheskimi metodami: v 3 t. Vladivostok: Dalnauka, 2003.
5. Apchel, V. N., I. M. Slobodjanjuk, and N. S. Molodcov. "Povyshenie dolgovechnosti golovok porshnej sudovyh dizelej putem uprochnenija plazmennoj naplavkoj pri remonte." Sudovye jenergeticheskie ustanovki 34 (2014): 175-182.
6. Shhukin, G. S. Rabotosposobnost detalej cilindro-porshnevoj gruppy dvigatelej «Bur-mejster i Vajn» 874 VT 2BF-160 t/h tipa «Pula» v DVMP. Research report. Vladivostok, 1984.
7. Degtjar, V. I., E. G. Kipernik, L. A. Morozov, and I. M. Slobodjanjuk. RU 1734976 U1, IPC B 23 P 6/00. Sposob vosstanovlenija kanavok pod kompressionnye kolca porshnej. Russian Federation, assignee. Publ. 23 May 1992.
8. Zaginajlo, G. V., M. S. Dalman, V. I. Lapshin, V. A. Blinov, and M. V. Florianskaja. RU 1817512 U1, IPC 6 F 02 F 3/00, F 16 J 9/00. Porshen dvigatelja vnutrennego sgoranija. Russian Federation, assignee. Publ. 10 Sept. 1995.
ВЫВЕСТИ И К
~ ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
9. Voznickij, I. V., and A. S. Punda. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoranija. M: Morkniga, 2007. Vol. 1.
10. Matveev, Yury Ivanovich, and Sergey Sergeevich Kazakov. "Features of laser processing of piston rings of ship medium-reverse diesel." Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine Engineering and Technologies 2 (2010): 34-38.
11. Mechejko, I. O., and V. M. Hodakovskij. RU 2008488 U1, IPC F 02 F 3/00, F 16 J 9/00. Porshen dvigatelja vnutrennego sgoranija. Russian Federation, assignee. Publ. 28 Feb. 1994.
12. Grigorjanc, A. G., and A. N. Safonov. Metodypoverhnostnoj lazernoj obrabotki. M.: Vyssh. shk., 1987.
13. Matveev, Y. I., and S. S. Kazakov. "Formation of structures of grey pig-iron in the zone of laser influence." Bulletin NGII 2.1(2) (2011): 41-53.
14. Hodakovskij, V. M., E. P. Patenkova, and I. I. Kuleshov. "Issledovanie vlijanija rezhima lazernoj obrabotki na glubinu i strukturu uprochnjonnoj zony chugunnyh detalej sudovyh DVS." Vestnik Morskogo gosudarstvennogo universiteta 74 (2016): 28-36.
15. Sosedov, V. P., editor. Svojstva konstrukcionnyh materialov na osnove ugleroda. M.: Metallurgija, 1975.
16. Kraposhin, V. S. "Effect of retained austenite on the properties of steels and irons after surface melting." Metal Science and Heat Treatment 2 (1994): 2-5.
17. Arzamasov, B. I., I. I. Sidorin, G. F. Kosolapov, et al. Materialovedenie. Edited by B. I. Arzamasov. M.: Mashinostroenie, 1986.
18. Safonov, A. N. "Osobennosti lazernoj zakalki poverhnosti grafitizirovannyh stalej i chugunov." Russian Engineering Research 4 (1999): 22-26.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Кулешов Игорь Игоревич — аспирант. Научный руководитель: Ходаковский Владимир Михайлович. МГУ им. адм. Г. И. Невельского igor-igorevich. [email protected] Владимир Михайлович Ходаковский — кандидат технических наук, доцент. МГУ им. адм. Г. И. Невельского [email protected]
Kuleshov Igor Igorevich — postgraduate. Supervisor:
Khodakovsky Vladimir Mikhailovich.
Maritime State University named after G. I. Nevelskoy
Khodakovsky Vladimir Mikhailovich —
PhD, associate professor.
Maritime State University named after G. I. Nevelskoy
Статья поступила в редакцию 25 октября 2016 г.
