CC BY
27
УДК 621.332.3
С. В. МЯМЛИ (ДПТ), Д. М. БАРАНОВСЬКИЙ (КНУ ïm. М. Остроградського, Кременчук)
ВПЛИВ МОДИФ1КУВАННЯ ТРИБОСИСТЕМ ДИЗЕЛ1В СПЕЦ1АЛЬНОГО САМОХ1ДНОГО РУХОМОГО СКЛАДУ НА ШТЕНСИВШСТЬ ÏX ЗНОСУ
Теоретично доведено, що штенсивнють зносу трибосистем дизел1в спещального самохвдного рухомого складу зал1зниць при лазерному модиф1куванш буде зменшуватись при зростанш концентраци надлишко-вих вакансш у поверхневих шарах. При цьому буде спостертатись процес вакансшно-дислокацшного пере-повзання у сполучених поверхневих шарах трибосистем дизел1в, тобто пропкання процеав самооргашзацп. Останнього можна досягти при застосуванш дискретного лазерного модиф1кування робочих поверхонь трибосистем дизел1в з основним елементом вуглецем у виглад вуглекислого газу чи природного графпу з ню-б1ем.
Ключовi слова: спещальний самохщний рухомий склад зал1зниць, трибосистеми дизел1в, сполучеш пове-рхнев1 шари
Теоретически доказано, что интенсивность износа трибосистем дизелей специального самоходного подвижного состава железных дорог при лазерной модификации будет уменьшаться при росте концентрации избыточных вакансий в поверхностных слоях. При этом будет наблюдаться процесс вакансионно-дислокационного переползания в сопряжённых поверхностных слоях трибосистем дизелей, т.е. протекание процессов самоорганизации. Последнего можно достичь при применении дискретной лазерной модификации рабочих поверхностей трибосистем дизелей с основным элементом углеродом в виде углекислого газа или природного графита с ниобием.
Ключевые слова: специальный самоходный подвижной состав железных дорог, трибосистемы дизелей, сопряжённые поверхностные слои
It is proved in a theory that the wear intensity of tribosystem of diesels of the special-purpose self-propelled railway rolling stock at laser modification will diminish at growth of concentration of surplus vacancies in superficial layers. Thus there will be the process of crawling over the vacancies and dislocations in the adjacent superficial layers of diesel tribosystems, i.e. running the processes of self-organization. The latter can be achieved at application of discrete laser modification of working surfaces of diesel tribosystems with carbon as a basic element in the form of carbon dioxide or natural graphite with niobium.
Keywords: special-purpose self-propelled railway rolling stock, tribosystems of diesels, adjacent superficial layers
Вступ
Проблема тдвищення довговiчностi дизелiв спещального самохщного рухомого складу (ССРС) залiзниць е актуальною [1], оскшьки еди-не ршення ще! проблеми ще не обгрунтовано.
На довговiчнiсть дизелiв основний вплив здшснюе зносостшюсть !х вщповщальних трибосистем (ТС), якими виступають ТС цилiндро-поршнево! групи (ЦПГ) та кривошипно-шатунного мехашзму (КШМ) [2, 3].
Серед вщомих i ефективних способiв шд-вищення зносостiйкостi поверхонь тертя багато з них не застосовуються для змщнення сполу-чень ТС ЦПГ i КШМ з причини високо! вартос-тi та масштабного фактора. При виборi методу змщнення робочих поверхонь деталей ЦПГ i КШМ дизелiв потрiбно виходити з виробничо-го масштабу та враховувати техшко-економiчну доцiльнiсть цього змщнення. Тому, iснуючi методи тдвищення зносостшкосп по-
верхонь тертя не можуть бути застосоваш до дизелiв ССРС у повному обсязi.
У робот [4] запропоновано лазерне модифь кування вiдповiдальних ТС дизелiв та проведено теоретичне обгрунтування його доцшьносп. Проведемо аналiз дослiджень впливу лазерного модифшування на iнтенсивнiсть зносу ТС ди-зелiв ССРС.
Аналiз попереднiх дослiджень
Виходячи з теорш термодинамiки та еволю-ци систем Пригожина-Гленсдорфа, було теоретично встановлено [5], що для зменшення ште-нсивностi зношування ТС дизелiв ССРС залiз-ниць необхiдно забезпечити на !х контактую-чих поверхнях тертя протшання процесу самооргашзацп за рахунок градiентiв хiмiчних по-тенцiалiв та густини дислокацiй взаемодiючих матерiалiв.
Для протiкання процесу самооргашзацп без
© Мямлш С. В., Барановський Д. М., 2011
зносу потрiбно на одному з контактуючих тш довести структуру матерiалу до максимально! кшькост рухомих дислокацiй, тим самим зме-ншити кiлькiсть нерухомих. На вторинних структурах, якi можна заздалепдь утворити (ю-нуе багато методiв) або якi самi утворюються, повиннi утворюватися вiльнi мiсця - ваканси,
(
I=1А* £
п\ ТУ
аЯ
г =0
(
(кРу )2
для виходу рухомих дислокацш на поверхню цих вторинних структур [4]. При цьому, було отримано вираз для штенсивносп зношування ТС дизелiв ССРС з урахуванням залежност гу-стини рухомих дислокацш на поверхт матерiа-лу та параметрiв лазерного модифшування:
2 2тг2 2
X Чо Кп т
П2 т 2Ь\2 к02
1 - ^ 1п ^
ОЬ3 8,
1
ц
2 ;2;—; -
2ко
ц-1
1 + 4к(Х 2х
ТПк0-
Г и-!1!.:
4ко X
grad р
(1)
де Т - абсолютна температура; - хiмiчнi потенщали; р - потенщал щiльностi дислокацiй; X - теплопровщшсть; к - коефiцieнт тертя; Р - сила тиску в контакту п = йЫ / йУ - об'емна концентрацiя частинок; йУ - нескiнченно малий об'ем; I - iнтенсивнiсть зношування;
V - швидюсть ковзання; Азн - площа зносу;
Б* - коефщент квазщифузи;
та ря - середш за об'емом щiльностi нерухомих та рухомих дислокацш;
у, у - середнi швидкосп ковзання дис-
локацiй;
X, А - коефiцieнти температуропровiдностi i теплопровщносп;
г, Z - радiус i глибина зони впливу;
Кп - коефiцieнт поглинання;
V - оператор Гамшьтона; к0 - коефщент, к0 = 8/ й2;
й - ширина лазерно! дорiжки; Т - абсолютна температура; Ч0 - густина потужносп лазерного випромь нювання, що падае на поверхню матерiалу ТС; т - коефiцiент, т = а(1 + ц) /(1 - ц); а - коефщент температурного лiнiйного розширення;
ц - коефщент Пуассона;
Е - модуль Юнга.
Отриманий вираз вказуе на те, що при лазерному модифшуванш поверхонь ТС дизелiв ССРС можна досягти проходження процешв самооргашзаци у !х сполученнi i досягти зни-ження iнтенсивностi зносу.
Також, вщомо, що лазерне опромiнення приводить до утворення надлишкових вакансiй в матерiалi [5], якi в свою чергу приводять до виникнення поля напружень. Розподш таких вакансiй е нестшким. Вони рухаються в ство-реному додатковому полi напружень.
Метою роботи е уточнення впливу моди-фшування ТС дизелiв ССРС на штенсившсть !х зносу з урахуванням утворення вакансшного механiзму.
Результати дослщжень
Спробуемо отримати залежнiсть напружень вщ концентраци надлишкових вакансiй. Для цього використаемо найпростшу модель «об> рваних зв'язюв» [5], в яких враховуеться тшьки взаемодiя мiж сусiднiми атомами. В моделi роз-глянемо три кристатчт площини металу: /—1, i, 7+1.
При змiщеннi кристалiчних площин напру-ження в середнiй площиш можна оцiнити за виразом [5]:
Ъ = КСо(У+1 + У -1 - 2 Уi )■.
(2)
т0 = — ;1 ^1(а, р, у) - гшергеометрична фун-
кщя;
де Со - поверхнева щшьшсть атомiв в кристал> чнiй площиш;
К - жорстюсть одного зв'язку; Ух-1, Уъ у 1+1 - вщповщш змiщення площин кристалiчноl гратки.
Вважаючи, що наявнiсть вакансiй в однш з
2
площин приводять до зменшення зв язк1в м1ж щею площиною i сусщшми на одиницю, маемо:
а = К(С0 -С -С+1)(у.+1 -у.) +
+ К (Со - С - С-1)(у.-1 - у.), (3)
де С.-1 , С. , Сг-+1 - вщповщш roBepx^Bi концен-траци вакансiй в дослiджуваниx площинах.
Пiсля розкладу С.-1 i Oi+1 в ряд Тейлора i переходу до об'емних концeнтpацiй вакансш отримаемо вираз для напружень, обумовлених наявнiстю вакансiй у випадку неоднорщного 1х pозподiлу:
(
& = А'
С
, дС b--
дх
b2 д!с ^
4 дх2
(4)
де b - вщстань мiж кpисталiчними площинами металу;
( (
1 1 х т 1=~JTr Z a51
(kPv )) X
А - параметр, що характеризуе пpужнi властивостi матepiалу.
Потоки вакансш можна визначити через гpадiент густини дислокацiй у наближeнi ix од-ноpiдного pозподiлу:
(
grad р = -D
1 -
А'Су
kbT
дС
дх
(5)
Якщо функцiя концентраци вакансiй не зменшуеться, а зростае, то у випадку, коли ви-xiдна дифузiя менша нуля, то мае мюце умова:
А'уС > kbT .
(6)
Об'еднавши piвняння (1) та (5), отримаемо залежнють iнтeнсивностi зношування модиф> кованих ТС дизeлiв ССРС залiзниць лазерним випромшюванням:
2 2 тг2 2 X q К,гm
1 + ц „(3 „ 5 1
2—2i2^ 2 ; 2 П m b X k0
( 2,5kT e0 Y 13XylnXt ln—
1 --
Gb5
2 F
л
2;2;2; 4kolt,
2 k0
ц-1
1 + 4koXt 2x
ГГ 1 F (1 1 3 1 )
2 2 4koXt
1
2
v - р • v
gs Fs sg
\ , Л ^ 2
( - А'Су\дС
D
kbT
дх
(7)
Отриманий вираз (7) свщчить про наступне. Iнтенсивнiсть зносу ТС дизелiв ССРС при лазерному модифшуванш буде зменшуватись при зростанш концентраци надлишкових вакансiй у поверхневих шарах.
Для встановлення кшьюсних показниюв по-верхонь ТС дизелiв при модифшуванш з подачею вуглекислого газу та природного граф^у у зону лазерного опромшення були проведет експериментальт дослiдження.
Для модифiкування гшьз цилiндрiв дизелiв у режимi безперервного випромшювання на довжинi хвилi 10,6 мкм було використано мо-дершзований лазерний технологiчний модуль «Комета-2». Принципова технолопчна схема модифiкування наведена у робот [4].
Пiсля модифiкування поверхонь ТС дизелiв визначали розмiр блоюв моза!ки i величину м> кроспотворень реш^ки методом моментiв другого порядку.
Результати вимiрювань щiльностi дислока-цiй та розмiрiв блокiв кристашчно! гратки ча-вуну наведенi в табл. 1.
Значення щiльностi дислокацш, розмiру блокiв та мiкроспотворень кристатчно! гратки модифiкованих поверхонь ТС дизелiв мають
нeлiнiйнi залeжностi вiд peжимiв лазерного мо-дифiкування.
Таблиця 1
Характеристики поверхонь зразшв при лазерному модифшуванш
Поверхня ТС Концентра-цiя вакансш, х1014, м-2 Розтр блоюв, х10-5, м Щшьшсть дислокаций, х1014, м-2
Модифкована з введениям природного графггу (Р = = 1000 Вт; d = = 6 мм; v = 15 мм/с) 210 107 285
Модифкована з введенням вугле-кислого газу (Р = 800 Вт; d = 8 мм; v = 15 мм/с) 215 101 293
Використавши eкспepимeнтальнi данi, що отримаш у pоботi [4] при модифшуванш ТС дизeлiв, розрахуемо штенсивнють 1х зношування за виразом (7) та представимо результати у виглядi дiагpам (рис. 1, 2).
Порiвняемо теоретичш результати з практи- ССРС залiзниць, та узагальнимо !х у виглядi чними, що отриманi при експлуатацп дизелiв подовження ресурсу (рис. 3).
Впуск
Стиснення Робочий хщ Випуск
20' 18' 5 16'
0
х 14
х" 12-
1
I 103
I 8-_0
0 6-
1
I 4-
0
1
Ф 2-
х
0-
Впуск
Випуск
Рис. 1. Теоретична залежнють штенсивносп зношування ТС «гшьза цилшдр1в - компресшне кольце» дизеля ЯМЗ-238 Б при номшальних режимах робо-ти для р1зних такпв роботи при олив1 М10Г2К:
1 - базовий вар1ант; 2 - модиф1кованих з введениям вуглекислого газу у зону опромшення; 3 - модифжованих з подачею природного графпу у зону опромшення
Рис. 2. Теоретична залежнють штенсивносп зношування ТС «кол1нчастий вал - коршний вкладиш» дизеля ЯМЗ-238 Б при номшальних режимах роботи для р1зних такпв роботи при олив1 М10Г2К:
1 - базовий вар1ант; 2 - модифшованих з введенням
вуглекислого газу у зону опромшення; 3 - модифжованих з подачею природного графпу в зону опромшення
О
ЯМЗ-2Э6
ЯМЭ-238
ЯМЗ-2Э8
ЯМЗ-2Э8
Рис. 3. Подовження ресурсу ТС дизел1в ССРС зал1зниць «гшьза цилшдр1в - компресшне кольце» (а) та «колшчастий вал - коршний вкладиш» (б), модифшованих лазерним випром1нюванням:
1 - з подачею вуглекислого газу; 2 - з подачею природного графпу; 3 - теоретичне усереднене значення
Висновки
Застосування дискретного лазерного моди-фiкувания робочих поверхонь ТС дизелiв з ос-новним елементом вуглецем у виглядi вуглекислого газу та природного графпу забезпечуе протшання процесу вакансiйно-дислокацiйного мехашзму переповзання у сполучених поверх-невих шарах. Дослiдження доводять доцшь-шсть застосування лазерного модифiкувания, оскiльки ресурс дизелiв збiльшуеться до 40 %.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Барановський, Д. М. Проблема довгов1чносп дизел1в засоб1в транспорту [Текст] / Д. М. Барановський // Вюник Кременчуцького держ. поль техн. ун-ту 1м. М. Остроградського. - 2009. -Вип. 5/2009 (58), ч. 1. - С. 96-99.
2. Барановський, Д. М. Загальний пвдхщ до оцшки та прогнозування ресурсу дизел1в засоб1в транспорту [Текст] / Д. М. Барановський // Вос-
точно-Европейский журнал передовых технологий. - 2009. - № 4/10(40). - С. 49-52.
3. Барановський, Д. М. Прогнозування довгов1ч-носп, техшчного обслуговування та ремонту дизел1в за експлуатацшними характеристиками [Текст] / Д. М. Барановський // Вюник Кременчуцького держ. полггехн. ун-ту 1м. М. Остроградського. - 2010. - Вип. 2 (61). - С. 95-100.
4. Барановський, Д. М. Теоретичне обгрунтування зниження зносу трибосистем дизел1в при лазерному модиф1куванш [Текст] / Д. М. Баранов-ський // Проблемы машиностроения. - 2010. -№ 2. - С. 25-31.
5. Гленсдорф, П. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций [Текст] / П. Гленсдорф, И. Пригожин. - М.: Мир, 1973. -273 с.
Надшшла до редколегп 30.08.2010.
Прийнята до друку 06.09.2010.
25
20
I 15
10
5
0
