CC BY
38
УДК 620.179.15:681.3
ПРИМЕНЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТОМОГРАФИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИЧИНЫ ЗАКЛИНИВАНИЯ ЦИЛИНДРА ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Е.А. Дронов, В.И. Барахов, В.Н. Самочкин
Показаны возможности рентгеновской вычислительной томографии на примере определения причин заклинивания цилиндра дизельного двигателя АК «Туламаш-завод». Намечены пути их устранения с применением томографирования в процессе отработки его конструкции и технологии изготовления
Ключевые слова: цилиндр дизельного двигателя, качество изготовления, рентгеновская вычислительная томография.
Постоянное повышение конкурентоспособности отечественных изделий машиностроения требует от предприятий проведения значительного объема работ по повышению качества выпускаемой продукции и снижению ее себестоимости. Вильям Эдвардс Деминг [1], совершивший японское экономическое чудо, говорил, что «вложения в техническое перевооружение, новейшие технологии, направленные на повышение качества изделий, приводят к снижению их себестоимости за счет снижения трудоемкости изготовления и брака, сокращения количества отходов, переделывания, устранения неисправностей по рекламациям и т.п.» Одним из направлений работ по повышению качества, надежности, срока службы изделий машиностроения является применение рентгеновской вычислительной томографии (РВТ).
В системе глубоких знаний Деминга, состоящей из четырех частей, во второй части говорится о том, что знание об отклонениях включает выявление причин отклонений, приводящих к браку, и знание допустимых диапазонов изменения характеристик изделия, обеспечивающих требуемое качество. Применение РВТ для исследования параметров внутренней структуры материалов ответственных деталей и узлов изделий позволяет определить эти допустимые диапазоны.
Рентгеновская вычислительная томография дает возможность получить информацию о внутренней структуре изучаемого объекта, не нарушая его целостности. При этом решается задача восстановления изображений по проекциям, которые образуются при сканировании (многократном просвечивании) фиксированного сечения объекта. После сканирования и восстановления изображения по проекциям образуется матрица коэффициентов линейного ослабления (ЛКО) рентгеновских лучей материалом объекта по их ходу. Матрица ЛКО ограничивает зону интереса, которая разбивается на элементарные ячейки с размерами, задаваемыми оператором. Каждой элементарной ячейке соответствует свой ЛКО. Длину ячейки определяет
толщина слоя сканирования (8Ь), размеры в плоскости зоны интереса -зумфактором. Коэффициент линейного ослабления имеет высокую
степень корреляции с плотностью материала при коэффициенте корреляции, близким к единице. Поэтому матрицы ЛКО преобразовываются в матрицы плотностей. По шкале Хаусфилда ЛКО воды равно нулю, ЛКО воздуха - 1000. Отсюда перевод ЛКО в плотность для элементарной ячейки Ру осуществляется по формуле
-5
Ру = (1 + кх^), г/см ,
где к - коэффициент пропорциональности, зависящий от режима обработки данных, химического состава материала, энергии излучения.
Рассмотрим возможности применения томографии на примере определения основной причины заклинивания цилиндра дизельного двигателя внутренним диаметром 95,5 мм (рис. 1). Он являются высоконагружен-ными элементами конструкции, работающими в динамическом, высокотемпературном, усталостном режимах. При этом должен быть размероста-бильным для исключения заклинивания. В этих условиях работоспособность цилиндра определяется в основном структурными неоднородностя-ми чугуна, из которого он изготавливается. Применительно к нему РВТ может выявить все структурные неоднородности в любом сечении, оценить влияние технологических приемов и конструктивных доработок на распределение макро и микро неоднородностей, исследовать изменение плотностных параметров внутренней структуры материала в процессе испытаний и эксплуатации. Не нарушая целостности деталей, томография может позволить вести отбраковку деталей по показателям дефектности, определив предварительно зависимость их работоспособности от дефектности для различных условий работы.
С целью отработки технологии литья, оптимизации режимов искусственного старения на этапе НИОКР для устранения основных причин возможного заклинивания малогабаритных дизельных двигателей в процессе проведения испытаний сделана попытка исследовать разноплот-ность его чугунного цилиндра с применением промышленного томографа ВТ-600ХА «ПРОМИНТРО». Томографировался цилиндр, который на холостых оборотах вел себя штатно, а в рабочем режиме заклинил поршень.
Томография разбивает рассматриваемое сечение исследуемого цилиндра на элементарные ячейки с размерами 0,2 х 0,2 х 2 мм, где толщина слоя сканирования или рентгеновского луча 2 мм, и для каждой ячейки определяет плотность материала. Фрагмент матрицы плотностей элементарных ячеек показан на рис. 2. Томограммы представляют собой матрицы плотностей элементарных ячеек трансформированные с помощью специальной программы в уровни серого. Для подчеркивания контрастов принято шесть уровней серого, которые приведены в левом верхнем углу приведенных ниже рисунков.
Рис. 1. Цилиндр дизельного двигателя, его чертеж и рентгенограмма
Томограммы сечения 1 между двумя верхними ребрами, характеризующего зону самых высоких внутреннего давления и температуры, заклинившего цилиндра (рис. 1), приведены на рис. 3 и 4. Именно в этой зоне цилиндра возникают при работе дизельного двигателя самые большие деформации и перемещения его стенок. Обработка полученной матрицы плотностей дала возможность определить весь диапазон изменения значимых плотностей элементарных ячеек от 7,00 до 7,48 г/см . Он разбит на два интервала. Первый интервал малых плотностей от 7,00 до 7,25 г/см . Томограмма исследованного сечения для него приведена на рис. 2. Второй интервал больших плотностей от 7,25 до 7,48 г/см . Для него томограмма этого же сечения изображена на рис. 4. Как видно из томограмм рис. 3 и 4, в исследованном сечении 1 имеет место существенная не симметричность распределения плотности по кольцу. Это и явилось причиной заклинивания.
Томограмма сечения 2, расположенного между двумя нижними ребрами, показала, что распределение плотности в этой зоне имеет относительно симметричный характер.
Для подтверждения гипотезы о том, что цилиндры с существенной не симметричностью распределения плотности по кольцу критического сечения, где действуют самое высокое внутреннее давление и температура, могут появляться довольно часто была протомографирована его заготовка, полученная литьем по выплавляемым моделям. Томограмма сечения 3 приведена на рис. 4. На томограмме сечения 3 заготовки цилиндра, соответствующего зоне самого высокого давления температуры, наблюдается значительная разноплотность левой и правой частей этого сечения. При
41
обработке внутренней поверхности заготовки толщина стенки сечения уменьшится на 2,25 мм. У заготовки она 10 мм у готового цилиндра 7,75 мм. Как видно из рис. 5, разноплотность внутренней структуры у готового цилиндра в критической зоне будет такая же, как у заготовки.
7212 7407 7476 7479 7445 7395 7353 7338 7339
7414 7500 7513 7478 7418 7354 7309 7292 7295
7513 7538 7516 7459 7386 7320 7280 7268 7272
7532 7530 7496 7431 7357 7302 7274 7266 7271
7508 7499 7459 7395 7335 7293 7275 7270 7267
7471 7454 7408 7354 7309 7280 7266 7257 7249
7431 7403 7357 7312 7282 7259 7248 7236 7227
7395 7360 7319 7285 7261 7246 7238 7231 7225
7368 7334 7300 7274 7259 7253 7253 7249 7244
7352 7316 7288 7273 7271 7276 7279 7275 7268
7339 7302 7277 7276 7285 7297 7302 7297 7288
7329 7291 7272 7276 7292 7309 7319 7317 7300
7323 7295 7277 7280 7296 7317 7330 7322 7293
7330 7311 7295 7291 7301 7317 7321 7301 7258
7343 7333 7314 7300 7296 7296 7289 7258 7211
7358 7345 7318 7290 7271 7261 7246 7215 7178
7361 7338 7297 7257 7233 7223 7211 7189 7168
7343 7302 7251 7212 7195 7194 7191 7185 7183
7297 7246 7199 7173 7172 7182 7191 7202 7222
7242 7194 7161 7154 7166 7186 7210 7242 7279
7197 7163 7147 7156 7176 7206 7245 7293 7331
7169 7153 7155 7173 7200 7236 7285 7334 7355
7157 7161 7181 7207 7230 7265 7309 7344 7339
7169 7191 7219 7240 7252 7273 7303 7315 7291
7211 7238 7253 7253 7251 7258 7267 7261 7238
7263 7276 7263 7242 7229 7230 7225 7214 7214
7300 7285 7250 7217 7204 7200 7197 7203 7233
7304 7269 7225 7196 7185 7183 7195 7231 7286
7286 7243 7204 7182 7177 7187 7223 7280 7346
7253 7216 7190 7180 7187 7214 7266 7331 7389
7216 7191 7182 7192 7217 7257 7309 7364 7408
7186 7171 7182 7215 7260 7305 7345 7381 7400
7160 7154 7181 7238 7304 7352 7378 7387 7376
7136 7140 7187 7263 7340 7387 7399 7382 7334
7124 7146 7207 7291 7361 7395 7389 7350 7255
7144 7182 7250 7317 7360 7367 7340 7267 7110
7199 7250 7300 7334 7336 7313 7254 7128 6866
Рис. 2. Фрагмент матрицы плотностей элементарных ячеек внутренней структуры цилиндра (кг/м3)
Зафиксированная с помощью томографирования не симметричная разноплотность внутренней структуры чугуна цилиндра дизельного двигателя является основной причиной его заклинивания. Объясняется это следующим. Основными показателями, характеризующими деформации цилиндра во время его работы являются: модули упругости (Е) коэффициент
42
ты линейного расширения чугуна (а), коэффициент теплопроводности (X), удельная теплоемкость (С). Эти физико-механические характеристики функции плотности материала. При этом модуль упругости и коэффициенты линейного расширения чугуна зависят еще и от температуры, изменяющейся во времени по толщине стенки цилиндра.
□ 7000 units
□ 7050 units
□ 7100 units
■ 7150 units
■ 7200 units
■ 7250 units
Рис. 3. Томограмма сечения 1 заклинившего цилиндра для плотностей от 7,00 до 7,25 г/см3
□ 7280 units
□ 7347 units
■ 7Л\ 3 units
■ 7480 units
J
Рис. 4. Томограмма сечения 1 заклинившего цилиндра АК для интервала самых больших плотностей от 7,28 до 7,48 г/см
43
□ ИЮмс
□ 1ЬпЙ5
□ бэгй.иг115
■ 7[1ЙЙ|пИэ
■ 7140ип«Е * 7250 ип^
Рис. 5. Томограмма сечения 3 заготовки цилиндра для интервала самых малых плотностей от 6,761 до 7,250 г/см3
Получены следующие корреляционные зависимости для модуля упругости, коэффициента линейного расширения, теплопроводности, удельной теплоемкости, линейной усадки для серых чугунов :
Е = 1,833-1014 - 7,736• 1010 ■ р +10863875- р2 -507,247• р3 г = 0.999,
2 3
где Е - модуль упругости в н /м ; р - плотность серого чугун в кг/м ;
а = -2,6 • 10-5 + 5 10-9 • р г = 1 - коэффициент корреляции где а - коэффициент линейного расширения в °С-1 при 20 - 200 °С;
1 = -5,738• 104 + 24,08• р -0,003358- р2 +1,558• 10-7 • р3 г = 0.999, где X - коэффициент теплопроводности в Вт /(м*К) при 20 °С;
С = 2,783 • 105 -115,9 • р + 0,01609• р2 - 7,428 • 10-7 • р3 г = 0,999; где С - удельная теплоемкость в кДж /(кг °С) при 20 - 200 °С;
е = 503,35 • 104 - 0,21515 • р + 3,063 • 10-5 • р2 -1,4493 • 10-9 • р3 - г = 0,98, где е - линейная усадка в %.
В результате исследуем чугунный цилиндр, у которого каждая элементарная ячейка внутренней структуры материала имеет свой модуль упругости, коэффициент линейного расширения, коэффициент теплопроводности, удельную теплопроводность, линейную усадку. Диапазон измене-
Технология производства систем и комплексов
2
ния модуля упругости от 0,0006 до 0,00145 Н/мм , диапазон изменения коэффициента линейного расширения от 0,000008 до 0,000011 °С-1. Распределение этих показателей по внутренней структуре материала полностью повторяет распределение плотности, полученное нами с помощью томо-графирования. С применением приведенных корреляционных зависимостей и томографических данных по плотности элементарных ячеек получено, что для заклинившего цилиндра у них модуль упругости может отличаться в 1,6 раз, коэффициент линейного расширения и коэффициент теплопроводности в 1,28 раза, удельная теплоемкость в 1,18 раза. Поэтому зафиксированная с применением томографии не симметричная разноплот-ность внутренней структуры чугуна цилиндра (рис. 3 - 5) приводит к не симметричным деформациям его стенок при действии внутреннего давления и температуры - основная причина заклинивания двигателя.
По результатам проведенных томографических исследований можно наметить следующие направления работ с применением томографа по существенному улучшению качества заготовок, оптизации параметров технологических процессов цилиндров дизельных двигателей и устранению причин заклинивания при его работе:
1. По оптимизации конструкции цилиндра.
1.1. Совместить элементарные ячейки томографической матрицы плотностей с элементами программы Л№У8, которая позволяет производить расчеты деформаций и перемещений стенок цилиндра при действии рабочих внутреннего давления и температуры при циклических нагрузках. Такое совмещение позволит для любой конструкции цилиндра определить допустимую не симметричность разноплотности применяемого чугуна, обеспечивающую работоспособность двигателя, а также выбрать оптимальный вариант конструкции цилиндра.
1.2. Для обеспечения требуемой точности расчетов с примением программы Л№У8 необходимо определить для применяемого чугуна изменение исходных данные расчетов (модуль упругости, коэффициент линейного расширения, теплофизические характеристики) в зависимости от температуры.
2. По заготовке.
2.1. Доработать литьевой канал (расширить) и с помощью томографирования заготовок определить улучшение (ухудшение) параметров разброса плотностей элементарных ячеек исследуемых сечений и оптимизировать его диаметр и форму.
2.2. С помощью томографирования подтвердить (или отклонить), что верхнее самое нагруженной сечение имеет явно выраженную не симметричность распределение плотности по кольцу. Если результат
45
подтвердится, провести с применением томографии работу по литью в форму, повернутую на 180°, или в удлинненную в верхней части форму. В этом случае самое нагруженное сечение будет иметь симметричное распределение плотности по толщине стенки.
2.3. Получить заготовку центробежным литьем, томографировать ее и сравнить с томограммами имеющихся заготовок, полученных применяемым литьем по выплавляемым моделям. Обработать результаты и решить вопрос о выборе оптимального метода изготовления заготовки.
2.4. С помощью томографии определить, что может дать термоста-тирование форм перед их заливкой.
2.5.Технология получения заготовок позволяет заливать последовательно 40 - 44 формы. С применением томографии необходимо определить, чем отличаются распределения плотности по сечениям цилиндра у заготовок первой и последней форм и внести при необходимости изменения в техпроцесс литья.
3. Оптимизация параметров технологических процессов изготовления цилиндра
3.1. С помощью томографирования оптимизировать режимы искусственного старения цилиндра (исходная температура, скорость ее подъема, конечная температура, время выдержки, конечная температура после остывания вместе с печью), снимающего на 30 % внутренние напряжения в чугуне.
Таким образом, на примере определения с применением томографии основной причины заклинивания цилиндра дизельного двигателя показана возможность оптимизиции конструкций, параметров технологических процессов изготовления заготовок и готовых деталей. За счет этого можно существенно повысить качество выпускаемых изделий и их конкурентоспособность.
Список литературы
1. Генри Нив. Организация как система. Принципы построения устойчивого бизнеса Эдвардса Деминга = The Deming Dimension. - М.: Аль-пина Паблишер, 2011. - 370 с.
Дронов Евгений Анатольевич, канд. экон наук, доц., генеральный директор, sekretar@,tulamash. ru. Россия, Тула, ПО ««Туламашзавод»,
Барахов Владимир Иванович, канд. техн. наук, ведущий специалист, potmz2@,tulamash.ru. Россия, Тула, ПО ««Туламашзавод»,
Самочкин Владимир Николаевич, д-р экон. наук, проф., исполнительный директор, samochkin@,tulamash.ru. Россия, Тула, ПО ««Туламашзавод»
46
USE OF X-RAY COMPUTING TOMOGRAPHY FOR IDENTIFICATION OF DIESEL ENGINE CYLINDER STICKING CAUSE
E.A. Dronov, V.I. Barakhov, V.N. Samochkin
Capabilities of X-ray computing tomography are illustrated in the article by example of identification of Tulamashzavod diesel engine sticking causes. Submitted here are remedies with use of X-ray tomography in the process of design and development of diesel engine and its manufacturing technology.
Key words: diesel engine cylinder, quality of manufacture, X-ray computing tomography.
Dronov Evgeny Anatolyevich, candidate of economics sciences, docent, director general, sekretaratulamash.ru, Russia, Tula, PC "Tulamashzavod",
Barakhov Vladimir Ivanovich, candidate of technical sciences, key specialist, potmz2a tulamash.ru, Russia, Tula, PC "Tulamashzavod",
Samochkin Vladimir Nikolayevich, doctor of economics sciences, professor, director, samochkina tulamash.ru, Russia, Tula, "Tulamashzavod"
УДК 621.792
АППАРАТНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ПАТРОНОВ СТРЕЛКОВОГО ОРУЖИЯ
О.Г. Клинков, Е.Е. Швалева
Выбраны аппаратно-технические решения технологии герметизации патронов стрелкового оружия анаэробными герметиками. Проведен сравнительный анализ существующих герметиков. Проработана технология УФ-отверждения анаэробных герметиков посредством введения фотоинициирующей добавки в рецептуру герметика. Успешно проведен ряд испытаний, подтверждающих перспективность выбранной и разработанной технологии.
Ключевые слова: герметизация патронов, технология герметизации, анаэробный герметик, УФ-отверждение, фотоинициирующая добавка.
Производство патронов стрелкового оружия в настоящее время осуществляется на высокопроизводительных автоматических линиях. Процесс герметизация патронов является неотъемлемой технологической частью всего производства. Основная цель процесса герметизации состоит в предотвращении проникновения влаги внутрь капсюля и патрона, что может вызвать коррозию и осечку при стрельбе.
47
