CC BY
66
УДК 62-233.21:620 ББК 30.4:31.4
Е.П. ШАЛУНОВ, В.М. СМИРНОВ, А.В. ВОРОНИН
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ АВАРИЙНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Ключевые слова: атомная электростанция, аварийное энергоснабжение, дизель-генераторная установка, дизельный двигатель, подшипник скольжения, вкладыш подшипника, антифрикционный композиционный материал, интенсивность изнашивания.
Приводятся конкретные технические решения материаловедческого и конструк-торско-технологического характера, апробация которых показала их технологическую реализуемость и высокую техническую эффективность. Разработанные и изготовленные на их основе вкладыши подшипников коленчатого вала форсированного дизельного двигателя способны работать при удельных нагрузках на подшипники не менее 100 МПа и высоких температурах нагрева (до 200 С), обладая при этом значительно меньшей, чем импортные аналоги, интенсивностью изнашивания.
Автоматизированные дизель-генераторные установки (ДГУ) являются одной из важнейших частей системы безопасности реакторных установок атомных электростанций (АЭС). В случае возникновения режима полного обесточивания станции в результате аварии энергосистемы, в которую входит АЭС, эти независимые источники питания должны в течение не более 15 с подать переменный ток потребителям второй группы, к которой относятся все механизмы, обеспечивающие расхолаживание реактора после срабатывания его аварийной защиты1. Каждый канал на случай обесточивания АЭС имеет свою дизель-генераторную установку.
Дизель-генераторные установки для указанных целей комплектуются дизельными двигателями большой мощности - от 1000 кВт до 10000 кВт. В частности, для АЭС с реактором ВВЭР-440 мощность каждого дизеля ДГУ составляет 3500 кВт, а для АЭС с реактором ВВЭР-1000 дизель-генераторные установки комплектуются дизелями мощностью 5500 кВт каждый. Для отечественных автоматизированных ДГУ моделей АСД-5600 и АСД-6300 используются среднеоборотные (900... 1000 об./мин) дизельные двигатели модели 78Г18Д11Н23/2х30 полной мощностью 5880 кВт и модели 88Г18ДПН23/2х30 номинальной мощностью 6500 кВт. Эти дизели - тронковые, с противоположно движущимися поршнями, двумя рядами вертикально расположенных цилиндров, четырьмя коленчатыми валами. Они снабжены приводным газотурбонагнетателем, что позволяет без дополнительных энергозатрат обеспечить готовность дизеля к приему нагрузки в течение 15 с после получения команды на пуск.
Очевидно, что выход из строя дизельных двигателей и, соответственно, дизель-генераторных установок может привести к последствиям, аналогичным,
1 Руководящий документ. РД ЭО 0052-00. Дизель-генераторные установки атомных станций. Общие технические требования. М.: РОСЭНЕРГОАТОМ, 2000. 5 с.
например, тем, которые произошли в 2011 г. на японской АЭС «Фукусима-1», где из-за выхода из строя дизелей ДГУ, питавших систему охлаждения реактора, эта система перешла на питание от аварийных аккумуляторов, емкости которых были недостаточны, чтобы обеспечить интенсивное охлаждение реактора. Реактор стал перегреваться, что привело к повреждению тепловыделяющих элементов, частичному расплавлению уранового топлива и последующему взрыву [5].
В связи с изложенным выше к дизельным двигателям, находящимся в составе ДГУ для аварийного энергоснабжения систем безопасности АЭС, предъявляются особые требования по их надежности, которые постоянно ужесточа-ются2. Для их обеспечения многие российские двигателестроительные предприятия постоянно проводят модернизацию выпускаемых ими дизелей, однако часто для комплектации резервных ДГУ атомных электростанций применяются дизельные двигатели зарубежного производства. Например, АО «ЗВЕЗДА-ЭНЕРГЕТИКА» для систем нормальной эксплуатации и системы аварийного электроснабжения АЭС, относящихся к элементам 2-го и 3-го класса безопасности по НП-001-97, предлагает своим заказчикам решения на базе дизельных двигателей немецкой компании MTU Friedrichshafen GmbH единичной мощностью от 1500 кВт до 7800 кВт. Один из реализуемых в данный момент этим предприятием проектов - поставка шести резервных ДГУ «ЗВЕЗДА-6000ВС-MTU» для Нововоронежской АЭС-2 [8]. Для аварийного энергоснабжения систем безопасности строящейся в Калининградской области Балтийской АЭС также приобретены импортные (французской компании MAN Diesel & Turbo France) дизель-генераторные установки, каждая из которых способна генерировать около 6000 кВт [6].
Роль подшипников скольжения дизельных двигателей ДГУ в обеспечении безопасности АЭС. Для обеспечения требуемой надежности дизельных двигателей в составе ДГУ необходимы высокие ресурс и надежность их механизмов, узлов и деталей. С учетом того, что ресурс и надёжность двигателей внутреннего сгорания определяются прежде всего работоспособностью подшипников скольжения верхней головки шатуна и коленчатого вала и деталей цилиндро-поршневой группы3, вопрос о повышении работоспособности и ресурса подшипников дизельных двигателей ДГУ имеет особо важное значение.
Подтверждением этому могут служить внештатные ситуации (аномалии), которые возникали в 2009-2011 гг. на различных атомных электростанциях Франции. Исследованиями, проведенными с участием французского надзорного органа по ядерной безопасности ASN, было установлено, что причиной этих происшествий является аномально быстрый износ подшипников скольжения дизельных двигателей резервных ДГУ компании Wärtsilä, установленных при реакторах мощностью 900 МВт [2]. Эти подшипники так называемого 2-го по-
2 Руководящий документ. РД ЭО 0052-00. Дизель-генераторные установки атомных станций. Общие технические требования. М.: РОСЭНЕРГОАТОМ, 2000. 5 с.; Стандарт организации. СТО 1.1.1.01.001.0898-2012. Дизель-генераторное оборудование для атомных электростанций. Технические требования эксплуатирующей организации. М.: ОАО «Концерн Росэнергоатом», 2012. 31 с.
Методические указания. РД-50-662-88. Методы экспериментальной оценки фрикционной совместимости материалов трущихся сопряжений. М.: Изд-во стандартов, 1988. 30 с.
коления были разработаны и изготовлены ведущей в мире производителей подшипников скольжения австрийской компанией MIBA. Аномалии были классифицированы на семи французских атомных электростанциях в городах Бюже, Блейе, Шинон, Дампьер, Крюа, Сен-Лоран и Гравлин в качестве происшествия 1-го уровня по Международной шкале ядерных событий (INES), а на АЭС Три-кастен - 2-го уровня (были проблемы с несколькими дизелями ДГУ). В связи с высокой вероятностью возникновения аварийной ситуации в феврале 2011 г. на восьми атомных электростанциях Франции сотрудниками французского энергетического концерна Electricite de France была начата замена шатунных подшипников скольжения в дизельных двигателях 26 резервных ДГУ [2].
Аномально высокий износ подшипников дизельных двигателей резервных ДГУ, как полагают эксперты по ядерной безопасности, был не только в реакторах АЭС во Франции, но и на АЭС в Дайя-Бей (Китай) в 2008 г., на АЭС в Брунс-бюттеле (Германия) в 2009 г. и ряде других атомных электростанций [2].
Целью настоящей работы является создание высокоресурсных подшипников скольжения дизель-генераторных установок для аварийного энергоснабжения систем безопасности атомных электростанций на основе разработанных путей повышения их работоспособности и надежности.
Основные требования к разрабатываемым подшипникам скольжения для указанных целей могут быть сформулированы исходя из условий их эксплуатации в мощных, большей частью турбированных дизелях для резервных ДГУ атомных электростанций. Прежде всего, следует установить предельную для таких подшипников действующую на них удельную нагрузку (давление) pR, которая должна превышать, по крайней мере, в 3 раза реально действующую на них в дизеле максимальную удельную нагрузку pmax, т.е. осуществить тройное резервирование по несущей способности подшипников. При этом предельный линейный износ АН и интенсивность изнашивания 1Н подшипников в условиях их работы при таком давлении pR не должны превосходить значений этих параметров, заданных для работы подшипников при максимальном (штатном) давлении pmax. Если при испытаниях подшипников под удельной нагрузкой pR окажется, что значения АН и 1Н не выйдут за эти пределы, то появляется гарантия того, что при эксплуатации подшипников при штатных нагрузках не возникнет тех ситуаций с ними (аномально высокого износа), которые имели место на французских и других АЭС, причем, когда в большинстве случаев не происходило реальных аварийных ситуаций на АЭС вследствие их внешнего обесточивания.
Таким образом, новые подшипники скольжения должны обладать высокой прочностью и малой интенсивностью изнашивания при повышенной в 3 раза удельной нагрузке на них. Речь при этом может идти о давлении на подшипники pR от 80 МПа до 100 МПа и более, которое необходимо обеспечить во время их испытаний. Это является трудновыполнимой задачей, если учесть, что все российские производители выпускают подшипники скольжения, рассчитанные на эксплуатацию при максимальном давлении до 50 МПа.
Возможны также реальные аварийные ситуации, в результате которых нарушается гидродинамический режим работы подшипников, т.е. в зазоре между подшипником и шейкой вала не образуется масляный «клин», благода-
ря которому отсутствует непосредственный механическии контакт между этими элементами трибосопряжения. Так, из-за происшествия в декабре 1988 г. на блоке № 2 Ровенской АЭС (в бытность СССР) включились резервные дизель-генераторные установки, но автоматического включения масляной насосной станции, подающей под давлением масло в зазоры между подшипниками и шейками валов резервных ДГУ, сразу же не произошло, в результате чего был нарушен режим гидродинамической смазки подшипников генератора, резко поднялась их температура и баббитовая заливка подшипников разрушилась (оплавилась), что привело их к выходу из строя [4]. На основании температуры плавления баббитовой заливки подшипников можно предположить, что температура их нагрева достигала не менее 200оС. Поэтому материал антифрикционного слоя, воспринимающего в указанной ситуации всю нагрузку на подшипник, должен обладать высокой прочностью при температуре нагрева не менее 200°С, т.е. быть жаропрочным.
Поскольку материалы, применяемые в ДГУ и комплектующем оборудовании, не должны выделять ядовитых веществ, в подшипниках нельзя использовать также материалы, в частности, содержащие свинец баббиты и бронзы, которые до сих пор широко применяются в подшипниках скольжения отечественных ДВС, в том числе в дизелях4.
Технические решения, использованные при разработке новых подшипников скольжения. Для создания подшипников скольжения, способных работать при указанных выше удельной нагрузке и температуре нагрева, были использованы не только современные подходы к конструированию таких изделий, но и передовые технические решения как материаловедческого, так и технологического характера. Задачи материа-ловедческого характера были решены за счет использования для изготовления таких подшипников теплопрочных и антифрикционных материалов, в том числе композиционных материалов, в которых искусственно объединены пластичная металлическая матрица и высокопрочные, теплоустойчивые наполнители с низким коэффициентом трения. При таком сочетании фаз достигаются значительное повышение несущей способности материалов в трибосоп-ряжениях, высокая износостойкость, задиро-стойкость и стойкость против абразивного изнашивания [7, 9-11].
Разработанные подшипники скольжения в виде двух вкладышей являются тонкостенной конструкцией и состоят из нескольких слоев (рис. 1).
Рис. 1. Эскиз многослойного тонкостенного вкладыша подшипника скольжения: 1- несущий слой (основа);
2 - подшипниковый (антифрикционный) слой;
3 - промежуточный (барьерный) слой;
4 - приработочный слой; 5 - защитный слой
4 Стандарт организации. СТО 1.1.1.01.001.0898-2012. Дизель-генераторное оборудование для атомных электростанций. Технические требования эксплуатирующей организации. М.: ОАО «Концерн Росэнергоатом», 2012. 31 с.
В табл. 1 приведены материалы, из которых изготавливаются слои разработанных вкладышей подшипников, а также методы изготовления этих слоев.
Таблица 1
Материалы слоев подшипников коленчатого вала и технологические методы их изготовления
Наименование слоя Материал слоя Нормативно-технические документы Метод получения слоя
Несущий слой Дисперсно-упрочненный композиционный материал системы Си-А1-С-0 марки С 0/97 ДИСКОМ® ТУ 1479.002.130928192001 Горячая экструзия гранул
Подшипниковый (антифрикционный) слой Антифрикционный композиционный материал системы Си-Бп-А^е-МоБг-С ТТ 1479.001.940859882013 Горячее прессование по-рошково-гра-нульной смеси
Промежуточный (барьерный) слой N1 ГОСТ 5905-2004 Вакуумное ионно-плазменное напыление
Прирабо-точный слой внутренний Антифрикционный сплав системы А1-Бп-Си ГОСТ 14113-78
наружный Бп ГОСТ 860-75
Защитный слой Бп ГОСТ 860-75
В табл. 2 даны свойства материалов основных слоев вкладышей подшипников и прочность сцепления этих слоев между собой. В частности, с целью обеспечения несущей способности подшипников скольжения при удельных нагрузках на них, превосходящих 100 МПа, и температурах нагрева не менее 200оС основа (несущий слой) вкладышей изготавливается из разработанного в Чувашском госуниверситете и получаемого согласно ТУ 1479.002.13092819-2001 жаропрочного дисперсно-упрочненного композиционного материала (ДУКМ) системы Си-А1-С-О марки С0/97 ДИСКОМ® [12], который имеет, как следует из табл. 1, высокие прочностные характеристики (особенно при сжатии) при хорошей пластичности. Высокая температура рекристаллизации (820°С) этого материала не позволяет ему разупрочняться при температуре нагрева подшипника 200°С, а также во время технологических переделов при изготовлении биметаллической развертки, во время которых ДУКМ подвергается неоднократному нагреву в диапазоне температур 450-600°С. По этому параметру данный материал значительно превосходит все имеющиеся отечественные и зарубежные бронзы, в том числе и наиболее жаропрочные из них - алюминиевые [12]. Обладая хорошей пластичностью, он также позволяет производить гибку биметаллической развертки вкладыша подшипника в холодном состоянии.
Кроме того, материал обладает высокой теплопроводностью (92% от теплопроводности меди), что обеспечивает хороший отвод тепла от подшипника при его работе. Имея в 1,5 раза более высокий, чем у материала постели, коэффициент температурного линейного расширения, данный материал обеспечивает более плотную посадку («самозапрессовку») вкладышей в постели, предотвращая их от проворачивания, а также снижает вероятности возникновения явления фреттинг-коррозии.
Таблица 2
Основные свойства материалов основных слоев вкладышей подшипников
Наименование слоя Характеристика и ее размерность Значения при температуре, °С
20 200
Несущий слой Временное сопротивление при растяжении, МПа 420±11 290±13
Условный предел текучести при растяжении, МПа 370±11 250±17
Относительное удлинение, % 20±1 17±1
Предел прочности при сжатии, МПа 1839±63 1441±53
Условный предел текучести при сжатии, МПа 540±15 470±31
Относительная осадка до появления трещин, % 61±12 56±7
Твердость по Бринеллю, НВ 125±7 115±6
Твердость по Бринеллю после нагрева при 600оС в течение 2 ч 125±6 123±5
Модуль продольной (нормальной) упругости при растяжении, ГПа 109±8 100±4
Коэффициент температурного линейного расширения, х1061/°С 16,5 17,5
Предел выносливости на базе 10' циклов (в масле БАЕ 10Ш-40), МПа 115±6
Подшипниковый слой Временное сопротивление при растяжении, МПа 380±11 325±22
Условный предел текучести при растяжении, МПа 355±10 305±6
Относительное удлинение, % 6±1 7±2
Предел прочности при сжатии, МПа 720±18 801±29
Условный предел текучести при сжатии, МПа 379±11 329±35
Относительная осадка до появления трещин, % 32±3 46±7
Твердость по Бринеллю, НВ 125±7 120±6
Модуль продольной (нормальной) упругости при растяжении, ГПа 103±7 96±5
Коэффициент температурного линейного расширения, х1061/°С 17,5 18,1
Предел прочности при срезе, МПа 136±50 119±44
Интенсивность изнашивания (ртаг=100МПа, и=5 м/с, масло БАЕ 10Ш-40, сталь 40Х с 45 ШС, Т< 60°С), 10-11 мм/мм 1,9
Соединение слоев Прочность сцепления несущего слоя с подшипниковым слоем, МПа 110±8 90±10
Благодаря указанным выше свойствам медный ДУКМ марки С0/97 ДИСКОМ® используется в данном случае в качестве замены сталей, применяемых для изготовления несущего слоя вкладышей подшипников скольжения. Толщина этого слоя в зависимости от величины удельной нагрузки на подшипник и его диаметра составляет от 2,15 мм до 4,65 мм.
Для получения подшипникового (антифрикционного) слоя используется порошковая оловянная бронза, в которую добавлены в качестве наполнителя гранулы на основе меди, получаемые обработкой порошка меди с добавками легирующего элемента - порошкового алюминия, а также графита и дисульфида молибдена в высокоэнергетической шаровой мельнице атритторного типа в среде воздуха [7, 9-12]. Такие сильно нагартованные гранулы обладают высокой твердостью и благодаря наличию в них механосинтезированных в аттриторе термодинамически стабильных частиц оксида алюминия у-Л12О3 нанодисперсно-го (24-76 нм) уровня обеспечивают материалу повышенную температуру рекри-
сталлизации - 650°С. Введение твердой смазки в виде частиц графита и дисульфида молибдена МоБ2 обеспечивает этим гранулам помимо высокой твердости также высокие триботехнические свойства, а именно низкий коэффициент трения и высокую износостойкость. Как следует из табл. 2, интенсивность изнашивания образцов из этого материала при ступенчато возрастающем по 10 МПа до 100 МПа давлении и выдержке постоянного на каждой ступени давления в течение 15 мин составляет 1,9-10-11, при этом этот показатель для контртела из стали 40Х твердостью 42...45 НЯС на два порядка меньше [10]. Разработанный антифрикционный композиционный материал системы Си-Бп-А1-МоБ2-С-0 [7] (ТТ 1479.001.94085988-2013) наносится на несущий слой вкладыша с использованием технологий порошковой металлургии и диффузионной сварки. Прочность сцепления несущего слоя с подшипниковым слоем составляет 110 МПа при нормальной температуре и 90 МПа при температуре 200оС. Толщина подшипникового слоя для коренных и шатунных вкладышей подшипников скольжения составляет 0,3-0,4 мм.
Для предотвращения диффузии олова из внутреннего приработочного слоя в подшипниковый слой на него наносится вакуумным ионно-плазменным напылением барьерный слой из никеля ГОСТ 5905-2004. Толщина этого слоя для коренных и шатунных вкладышей является одинаковой и составляет 0,0010,002 мм.
В целях обеспечения благоприятного для шейки вала режима работы в условиях гидродинамической смазки применен материал системы А1-Бп-Си с 20% масс. олова и менее 1% масс. меди (ГОСТ 14113-78), который в качестве внутреннего приработочного слоя наносится на барьерный никелевый слой с использованием вакуумного ионно-плазменного напыления. При этом технологически должно быть обеспечено постепенное увеличение содержания олова по высоте слоя от нулевого до его конечного значения в материале. При недостатке смазки этот материал создает на шейке коленчатого вала защитную пленку из олова, которая уменьшает износ и предохраняет от схватывания и задиров. Толщина этого слоя для коренных и шатунных вкладышей является одинаковой и составляет 0,015-0,017 мм.
В целях гарантированного обеспечения наличия олова на поверхности внутреннего приработочного слоя на него вакуумным ионно-плазменным напылением наносится слой олова (ГОСТ 860-75) толщиной 0,001-0,002 мм.
Применение для создания приработочного слоя технологии вакуумного ионно-плазменного напыления обеспечивает получение на его поверхности не только увеличенного количества мягкой фазы (олова), но и легко изнашиваемого пористого микрорельефа, что ускоряет приработку трущейся пары. Для защиты от окисления и придания наиболее эстетичного вида весь вкладыш покрывается вакуумным ионно-плазменным напылением слоем олова (ГОСТ 860-75) толщиной 0,001-0,002 мм.
Как следует из изложенного выше, в разработанных вкладышах подшипников скольжения отсутствуют какие-либо экологически опасные химические элементы и соединения. На разработанные подшипники скольжения АО «Научно-исследовательский институт двигателей» выпустило ТУ 1479.001.11504778-2015 «Подшипники коленчатого вала».
Проверка технологической реализуемости предложенных технических решений. Для такой проверки был разработан комплект конструкторской документации на вкладыши шатунных и коренных подшипников коленчатого вала конкретного дизельного двигателя, в качестве которого был выбран мощный форсированный турбинированный дизель В92С2Ф. По разработанному технологическому процессу в производственных условиях трех российских предприятий в г. Тамбов и г. Йошкар-Ола, каждое из которых осуществляло выполнение определенных операций этого технологического процесса, были изготовлены партии комплектов опытных образцов указанных вкладышей подшипников коленчатого вала [11] (рис. 2).
При этом использовались отечественные технологическое оборудование, оснастка и приспособления, а также исходные, серийно выпускаемые материалы для изготовления самих вкладышей. Проведенный технический контроль показал, что все они изготовлены в полном соответствии с разработанной на них конструкторской документацией.
Проверка технической эффективности предложенных решений. В России пока отсутствуют дизельные двигатели, способные создать на подшипники скольжения удельную нагрузку (давление) от 80 МПа до 100 МПа и более, длительность действия которой в цикле поворота коленчатого вала (как правило, 720°) составляло бы значительную долю в этом цикле. В указанном выше дизеле В92С2Ф давление на шатунные подшипники достигает 103 МПа, но длительность его действия составляет совершенно малую долю в цикле.
В связи с этим для проверки технической эффективности предложенных решений были проведены испытания вкладышей подшипников не в составе дизельного двигателя, а на стенде. При этом были использованы рекомендации для проведения таких испытаний на модельных трибосопряжениях, изложенные в методических указаниях «РД-50-662-88. Методы экспериментальной оценки фрикционной совместимости материалов трущихся сопряжений» и «Программе и методике проведения приемочных испытаний опытных
Рис. 2. Представители комплекта верхних и нижних коренных (левый ряд) и шатунных (правый ряд) вкладышей подшипников коленчатого вала дизельного двигателя
образцов подшипников коленчатого вала. НИИД.304411.019 ПМ»5. Поскольку фактор износа подшипников скольжения является главенствующим и оказывающим решающее влияние на долговечность, работоспособность и возникновение аварийных ситуаций на двигателе (в частности, в 90% случаев причинами отказов вкладышей рамовых и мотылевых подшипников главных и вспомогательных среднеоборотных судовых дизелей является изнашивание антифрикционных слоев) [1], эти стендовые испытания представляли собой испытания элементов трибосопряжений на изнашиваемость.
Для проведения таких испытаний были также приобретены шатунные вкладыши ранее упомянутой австрийской компании MIBA (Miba Gleitlager Austria GmbH), используемые в 8-цилиндровых дизельных моторах моделей 3408 и 3408В судов, дизель-генераторных установок и прочей техники, преимущественно производства американской компании Caterpillar. Эти вкладыши имеют примерно одинаковые с разработанными вкладышами внутренний диаметр и ширину и также не содержат каких-либо экологически опасных химических элементов и соединений. Их несущий слой изготовлен из малоуглеродистой стали (типа стали 15), на которой находится подшипниковый слой из антифрикционного алюминиевого сплава системы Al-Sn-Cu-Mn. Далее находится барьерный слой из никеля и затем - приработочный слой тоже из антифрикционного алюминиевого сплава системы Al-Sn-Cu-Mn. Весь вкладыш покрыт тонким слоем олова. Из всех шатунных вкладышей были изготовлены модели подшипника (колодки), а в качестве контртела для них служили полированные (Ra = 0,2 мкм) ролики (модели шейки коленчатого вала) из закаленной стали 40Х с твердостью 51-54 НЯС.
Для проведения триботехнических испытаний модельных трибосопря-жений по схеме «колодка - ролик» использовалась усовершенствованная машина трения СМЦ-2, которая способна обеспечивать нагрузку на колодку до 20 кН при регулируемой частоте вращения вала [10].
В целях ускорения испытаний и создания более напряженных условий для элементов трибосопряжения частота вращения ролика составляла 2500 мин-1. Нагружение модельного трибосопряжения при данной частоте вращения ролика производили ступенчато, с плавно возрастающей со скоростью 0,03-0,09 МПа/с удельной нагрузкой на колодку, ведя наблюдение за показаниями момента трения и температуры колодки. Прирост нагрузки между ступенями нагружения составлял 20 МПа. Испытания на каждой ступени нагружения проводили до момента установившегося трения или прекращали, если температура подшипника превосходила 200°С и/или возникали признаки заедания трибосопряжения. По тем же причинам прекращали испытания во время подъема нагрузки. Смазывание и охлаждение трущихся поверхностей осуществлялись циркулирующим моторным маслом для турбированных
5 Методические указания. РД-50-662-88. Методы экспериментальной оценки фрикционной совместимости материалов трущихся сопряжений. М.: Изд-во стандартов, 1988. 30 с.; Программа и методики проведения приемочных испытаний опытных образцов подшипников коленчатого вала. НИИД.304411.019 ПМ. М.: АО «НИИД», 2015. 49 с.
дизелей М8ДМ ГОСТ 8581-78, которое подавалось в зону трения из термо-статируемой емкости при помощи электронасоса через масляный фильтр.
По построенной для каждого испытанного трибосопряжения диаграмме его нагружения определяли среднюю за цикл испытания удельную нагрузку на колодку рср. Исходя из частоты вращения ролика и его диаметра рассчитывали линейную скорость скольжения и колодки по ролику и, зная время испытания, находили пройденный путь скольжения Б. По результатам замеров толщины колодки до и после испытания определяли ее линейный износ АН и далее - интенсивность изнашивания колодки 1Н, которая определялась как 1Н = АН/Б.
Испытаниям были подвергнуты по 10 колодок из разработанных шатунных вкладышей и шатунных вкладышей фирмы М1ВА. Полученные результаты испытаний были подвергнуты усреднению. В табл. 3 приведены усредненные результаты испытаний.
Таблица 3
Сводные данные сравнительных испытаний моделей вкладышей подшипников скольжения
Параметры Модель вкладыша (колодка) шатунного подшипника
компании MIBA разработанного
Средняя за цикл испытания удельная нагрузка на колодку рср, МПа 62,79 61,12
Средняя максимально достигнутая при испытании удельная нагрузка на колодку рмах (предельно допустимая удельная нагрузка [р]), МПа 119 113
Скорость скольжения U, м/с 12,43 12,43
Средний линейный износ колодки Ah, мм 0,568 0,025
Средняя интенсивность изнашивания колодки Ih 54-10-10 3,84-10-10
Средняя за цикл испытания температура нагрева колодки Гср, °С 165 133
При этом использовались отечественные технологическое оборудование, оснастка и приспособления, а также исходные, серийно выпускаемые материалы для изготовления самих вкладышей. Проведенный технический контроль показал, что все они изготовлены в полном соответствии с разработанной на них конструкторской документацией.
Однако при этом средняя интенсивность изнашивания колодок 1Н из вкладышей указанной компании в 14 раз превышает интенсивность изнашивания колодок из разработанных вкладышей, что свидетельствует о недостаточной для указанных условий испытаний износостойкости импортных вкладышей.
Выводы. Предложенные пути повышения надежности подшипников скольжения дизель-генераторных установок для аварийного энергоснабжения систем безопасности атомных электростанций, изложенные в виде конкретных технических решений конструкционного, металловедческого и технологического характера, в результате проведенных их апробаций и испытаний моделей разработанных опытных образцов вкладышей подшипников скольжения подтвердили технологическую реализуемость и высокую техническую эффективность этих решений, что позволяет рекомендовать их к использованию при создании высоконадежных подшипников скольжения указанного назначения.
Литература
1. Андрусенко О.Е. Повышение надежности работы судовых среднеоборотных двигателей с учетом доминирующих факторов износа подшипников скольжения коленчатого вала: автореф. дис. ...канд. техн. наук. Н. Новгород, 2010. 32с.
2. Аномальный износ подшипников стал причиной нескольких происшествий на французских АЭС [Электронный ресурс]. URL: http://www.snr.com.ru/news/industry_news_f_2011_ 1_25.htm (дата обращения: 16.01.2016).
3. Белоконь К.Г., Никишин В.Н. Некоторые аспекты обеспечения надёжности подшипников коленчатого вала // Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров: материалы 77-й междунар. науч.-техн. конф. ААИ. М.: МАМИ, 2012. С. 195-207.
4. Инцидент на блоке № 2 Ровенской АЭС (СССР), связанный с самопроизвольным открытием главного предохранительного клапана компенсатора давления [Электронный ресурс]. URL.: http://rb.mchs.gov.ru/mchs/radiation_accidents/m_other_accidents/1988_god/Incident_na_ bloke_2_Rovenskoj_AJES_SSSR (дата обращения: 12.01.2016).
5. Куликов И.П. Почему взорвалась «Фукусима-1». Японскую АЭС подвел дизель [Электронный ресурс]. URL.: https://www.gazeta.ru/science/2011/03/12_a_3552917.shtml (дата обращения: 02.01.2016).
6. На строительную площадку Балтийской АЭС доставлена партия дизель-генераторов [Электронный ресурс]. URL.: http://www.seogan.ru/na-stroitelnuyu-ploshadku-baltiiyskoiy-aes-dostavlena-partiya-dizel-generatorov.html (дата обращения: 15.01.2016).
7. Пат. 2576740 РФ, МПК7 С22С902. Антифрикционный композиционный материал на основе порошковой меди / Шалунов Е.П., Смирнов В.М., Урянский И.П.; заявитель и патентообладатель Минпромторг РФ. № 2014134122/02; заявл. 19.08.2014; опубл. 10.03.2016. Бюл. № 7.
8. Решения для атомной промышленности [Электронный ресурс]. URL.: http://www.energostar.com/solutions/atomic_industry.php (дата обращения: 02.01.2016).
9. Смирнов В.М., Шалунов Е.П., Урянский И.П. Антифрикционный композиционный материал для тяжелонагруженных подшипников скольжения // Современные технологии в машиностроении и литейном производстве: материалы 1-й междунар. науч.-практ. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2015. С. 332-340.
10. Шалунов Е.П., Смирнов В.М., Урянский И.П. Износостойкие подшипники скольжения из наноструктурных материалов для мощных электродвигателей // Вестник Чувашского университета. 2015. № 1. С. 131-139.
11. Шалунов Е.П., Смирнов В.М., Воронин А.В. Разработка композиционных материалов на основе порошковой меди для тяжелонагруженных подшипников скольжения // Современные технологии в машиностроении и литейном производстве: материалы 2-й Междунар. науч.-практ. конф. Чебоксары: Чуваш. ун-т, 2016. С. 305-316.
12. Шалунов Е.П. Жаро- и износостойкие медные гранулированные композиционные материалы с механохимически синтезированными упрочняющими наночастицами ДИСКОМ® и высокоресурсная продукция из них // Нанотехника. 2007. № 1(9). С. 69-78.
ШАЛУНОВ ЕВГЕНИИ ПЕТРОВИЧ - кандидат технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения, научный руководитель Объединенной научно-исследовательской лаборатории качества, обрабатываемости и композиционных материалов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
СМИРНОВ ВАЛЕНТИН МИХАЙЛОВИЧ - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры технологии машиностроения, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
ВОРОНИН АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ - начальник отдела проектов, АО «Научно-исследовательский институт двигателей», Россия, Москва ([email protected]).
E. SHALUNOV, V. SMIRNOV, A. VORONIN WAYS TO IMPROVE THE RELIABILITY OF SLIDE BEARINGS DIESEL GENERATOR SETS FOR EMERGENCY POWER SUPPLY OF NUCLEAR POWER STATIONS SAFETY SYSTEMS Key words: nuclear power station, emergency power supply, diesel generator set, diesel engine, sliding bearing, bearing liner, antifriction composite material, wear intensity. The definite technical solutions of material science and design-technological nature which approbation showed their technological feasibility and high technical efficiency are given. The crankshaft bearings liners of the forced diesel engine developed and made on their basis are capable to work at specific loads of bearings not less than 100 MPas and high temperatures of heating (to 200°C), having at the same time considerably smaller wear intensity, than that of import analogs.
References
1. Andrusenko O.E. Povyshenie nadezhnosti raboty sudovykh sredneoborotnykh dvigatelei s uchetom dominiruyushchikh faktorov iznosa podshipnikov skol'zheniya kolenchatogo vala: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk [Improving the reliability of marine medium-speed diesel engines with consideration of the dominant factors of the wear of plain bearings crankshaft. Abstract of PhD thesis]. Nizhniy Novgorod, 2010, 32 p.
2. Anomal'nyi iznos podshipnikov stal prichinoi neskol'kikh proisshestvii na frantsuzskikh AES [Abnormal wear of bearings became the reason of several incidents on the French NPPs]. Available at: http://www.snr.com.ru/news/industry_news_f_2011_1_25.htm (Accessed 16 January 2016).
3. Belokon' K.G., Nikishin V.N. Nekotorye aspekty obespecheniya nadezhnosti podshipnikov kolenchatogo vala [Some aspects of ensuring reliability of bearings of a bent shaft]. Avtomobile- i trakto-rostroenie v Rossii: prioritety razvitiya ipodgotovka kadrov: materialy 77-i mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. AAI [Proc. of the 77th Int. Sci. and Tech. Conf. of the AAI «Car - and tractor construction in Russia: priorities of development and training]. Moscow, MAMI Publ., 2012, pp. 195-207.
4. Intsident na bloke № 2 Rovenskoi AES (SSSR), svyazannyi s samoproizvol'nym otkrytiem glavnogo predokhranitel'nogo klapana kompensatora davleniya [The incident on the block no. 2 of the Rivne NPP (USSR) connected with spontaneous opening of pressure-relief valve of the compensator bar of pressure]. Available at: http://rb.mchs.gov.ru/mchs/radiation_accidents/m_other_acci-dents/1988_god/Incident_na_bloke_2_Rovenskoj_AJES_SSSR (Accessed 12 January 2016).
5. Kulikov I.P. Pochemu vzorvalas' «Fukusima-1». Yaponskuyu AESpodvel dizel' [Why Fuku-shima-1 blew up. The Japanese NPP was brought by the diesel]. Available at: https://www.gazeta.ru/ science/2011/03/12_a_3552917.shtml (Accessed 02 January 2016).
6. Na stroitel'nuyu ploshchadku Baltiiskoi AES dostavlena partiya dizel'-generatorov [The batch of diesel generators is delivered to the building site of the Baltic NPP]. Available at: http://www.seogan.ru/na-stroitelnuyu-ploshadku-baltiiyskoiy-aes-dostavlena-partiya-dizel-generato-rov.html (Accessed 15 January 2016).
7. Shalunov E.P., Smirnov V.M., Uryanskii I.P. Antifriktsionnyi kompozitsionnyi material na osnoveporoshkovoi medi [The anti-friction composite material on the basis of powder copper]. Patent RF, no. 2576740, 2014.
8. Resheniya dlya atomnoi promyshlennosti [Decisions for the atomic industry]. Available at: http://www.energostar.com/solutions/atomic_industry.php (Accessed 02 January 2016).
9. Smirnov V.M., Shalunov E.P., Uryanskii I.P. Antifriktsionnyi kompozitsionnyi material dlya tyazhelonagruzhennykh podshipnikov skol'zheniya [The anti-friction composite material for heavy-duty sliding bearings]. Sovremennye tekhnologii v mashinostroenii i liteinom proizvodstve: materialy 1-i mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Proc. of the 1st Int. Sci. and Tech. Conf. «The current technologies in mechanical engineering and foundry production»]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 2015, pp. 332-340.
10. Shalunov E.P., Smirnov V.M., Uryanskii I.P. Iznosostoikiepodshipniki skol'zheniya iz nanostruk-turnykh materialov dlya moshchnykh elektrodvigatelei [Wear-resistant bearings from nanostructured materials for high-power motors]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2015, no. 1, pp. 131-139.
11. Shalunov E.P., Smirnov V.M., Voronin A.V. Razrabotka kompozitsionnykh materialov na osnove poroshkovoi medi dlya tyazhelonagruzhennykh podshipnikov skol'zheniya [The development of composite materials based on copper powder for heavy-duty sliding bearings]. Sovremennye tekh-nologii v mashinostroenii i liteinom proizvodstve: materialy 2-i mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Proc. of the 2nd Int. Sci. and Tech. Conf. «The current technologies in mechanical engineering and foundry production»]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 2016, pp. 305-316.
12. Shalunov E.P. Zharo- i iznosostoikie mednye granulirovannye kompozitsionnye materialy s mek-hanokhimicheski sintezirovannymi uprochnyayushchimi nanochastitsami DISKOM® i vysokoresursnaya produktsiya iz nikh [Heat - and wear-resistant copper granulated composite materials DISCOM® with reinforcing mechanochemically synthesized nanoparticles and high-life products from them]. Nanotekhnika [The Nanoequipment, 2007, no. 1 (9), pp. 69-78.
SHALUNOV EVGENY - Candidate of Technical Sciences, Professor of Mechanical Engineering Technology Department; Scientific Leader of the Joint Research and Development Laboratories of Composite Materials, their Technology and Quality, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
SMIRNOV VALENTIN - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of Mechanical Engineering Technology Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
VORONIN ALEXANDER - Head of Projects Department, JSC Research Institute of Engines, Russia, Moscow ([email protected]).
Ссылка на статью: Шалунов Е.П., Смирнов В.М., Воронин А.В. Пути повышения надежности подшипников скольжения дизель-генераторных установок для аварийного энергоснабжения систем безопасности атомных электростанций // Вестник Чувашского университета. - 2017. -№ 1. - С. 200-212.
