CC BY
29
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2012. № 1 (10)
технические науки
УДК 621.893
Л.Б. Леонтьев, А.Л. Леонтьев, А.Г. Токликишвили
ЛЕОНТЬЕВ ЛЕВ БОРИСОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет).Е-таП: [email protected] ЛЕОНТЬЕВ АНДРЕЙ ЛЬВОВИЧ - начальник отдела (Газпром инвест Восток, Владивосток).
ТОКЛИКИШВИЛИ АНТОНИНА ГРИГОРЬЕВНА - магистрант кафедры сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СМАЗКИ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ
Приведены триботехнические характеристики пар трения хромированных деталей после обработки их минералами при температуре подогрева топлива до 100 °С. Модифицирование поверхности плунжера после его хромирования минералами приводит к уменьшению коэффициента трения, к снижению энергетического уровня контактного взаимодействия и скорости изнашивания трибосопряжения при увеличении температуры смазки. Показана высокая эффективность применения минералов для получения износостойких покрытий на поверхностях трения деталей. Ключевые слова: плунжерная пара, износостойкость, минералы, технология.
The lubricant's temperature effect on the tribological properties of the wear-resistant covers. Lev
B.Leontyev, AndreyL. Leontyev, Antonina G. Toklikishvili (Far-Eastern Federal University, Vladivostok).
The tribological characteristics of friction pairs of the chrome devices after their treatment of minerals at the temperature of heating fuels to 100 ° C are shows in the paper. Surface modification of the plunger after the minerals chromium leads to a decrease in the coefficient of friction, to lower energy level of contact interaction and the rate of wear of friction units with lubricant's increasing temperature lubricant. The high efficiency of minerals to produce wear-resistant covers on the friction surfaces of the parts. Keywords: Plunger pair, wear capability, minerals, technology.
Прецизионные детали топливной аппаратуры являются одними из наиболее ответственных и наименее долговечных узлов топливной аппаратуры судовых дизелей. Они работают в чрезвычайно сложных условиях вибрации, высоких и переменных давлений, повышенных температур. При эксплуатации дизелей происходит износ прецизионных пар: «плунжер - втулка» топливного насоса и «игла-корпус распылителя» форсунки. Износ этих деталей приводит к увеличению зазоров в сопряжении, и как следствие - к увеличению протечек топлива и повышенному его расходу.
Основной причиной отказов плунжерных пар ТНВД судовых дизелей является потеря гидроплотности вследствие увеличения зазора между плунжером и втулкой из-за
© Леонтьев Л.Б., Леонтьев А.Л., Токликишвили А.Г., 2012
абразивного изнашивания сопряженных поверхностей трения, а также эрозионного и коррозионного изнашивания (судовые двигатели работают на тяжелом топливе, которое содержит механические примеси, имеющие высокую твердость (например, окислы кремния и алю-миния).Некоторые прецизионные детали топливной аппаратуры судовых дизелей требуют замены при наработке менее 50% заданного ресурса.
Для восстановления изношенных плунжерных пар ТНВД судовых дизелей наиболее широкое применение нашел метод гальванического хромирования, однако хром в условиях трения при наличии абразива в топливе не обеспечивает требуемую их долговечность [2]. Для повышения ресурса плунжерных пар, восстановленных хромированием, перспективно применять минеральные материалы для модифицирования поверхностей трения. Ранее проведенные исследования [2] позволили установить, что наилучшие триботехнические свойства для пар трения обеспечиваются после модифицирования гальванического хрома следующими минеральными и органоминеральными композициями:
1) 90% серпентинита + 10% силиката, модифицированного полисахаридом;
2) 90% серпентинита + 10% силиката.
Для исследований применяли серпентинит, имеющий брутто-формулу Mg•Fe08•Al04•Si2 1O9•H2O•(CaSiO3)09, брутто-формула силиката природного происхождения Mg•Fe08•Al04•Si21O 9•H2O•(CaSiO3)09, брутто-формула полисахарида С604Н7КН2)п.
Модифицирование поверхности трения минеральными и органоминеральными материалами осуществляли фрикционным методом (неподвижный индентор из серого перлитного чугуна диаметром 45 мм прижимался к вращающимся образцу или упрочняемой детали). Модифицирующий состав, состоящий из минерального или органоминерального материала и дизельного топлива наносился на упрочняемую поверхность. В процессе упрочнения данная смесь подавалась в зону трения каждые 15-20 с - капельным методом.
Для триботехнических испытаний образцы изготавливали из стали ХВГ в форме роликов диаметром 45 мм, шириной 10 мм, часть образцов покрывали хромовым покрытием толщиной 12-15 мкм. Перед проведением испытаний образцы полировали алмазной пастой до Ra = 0,063 мкм. Испытания на универсальной машине модели УМТВК проводили по схеме «ролик-ролик» в условиях граничного трения при постоянной скорости скольжения 0,628 м/с. В качестве неподвижного образца использовался ролик из стали ХВГ твердостью 60-61 НКС. Испытания проводили с искусственным загрязнителем в смазке. В качестве искусственного загрязнителя использовалась кварцевая пыль дисперсностью 1-5 мкм. Концентрация загрязнителя в топливе составляла 1%. Для смазки применялось дизельное топливо марки Л-0,5 по ГОСТ 305-82. Смазку пары трения осуществляли капельным способом (50-55 капель в минуту).
Судовые двигатели, как правило, работают на тяжелых сортах топлива, которые предварительно подогревают для обеспечения вязкости не более 4° ВУ [1]. Температура подогрева большинства применяемых топлив в зависимости от марки и, соответственно, вязкости находится в интервале 60-100 °С. Современные судовые двигатели могут работать на тяжелых сортах топлива, имеющих вязкость не более 23,7° ВУ при 50 °С (например, топливо ИФ0-180) и вязкостью не более 4,7° ВУ при 100 °С (ИФ0-380), температура подогрева которых составляет, соответственно, 110-120 °С (ИФ0-180) и 140-150 °С (ИФ0-380).
Для определения влияния температуры смазки на триботехнические свойства пары трения сталь ХВГ-износостойкое покрытие были проведены ускоренные испытания в течение 1 ч при нагрузке 500 Н. Результаты испытаний представлены в таблице.
Для избежания задира пары трения при высоких температурах в качестве смазки использовали смесь дизельного топлива с маслом М12В вязкостью 12 мм2/с (2,02° ВУ). Для подогрева смазочного топлива до заданной температуры установка для триботехнических испытаний была доукомплектована нагревателем топлива.
Триботехнические свойства износостойких покрытий при различных температурах подогрева
топлива
Пара трения Параметры Температура предварительного нагрева смазки, °С
20 40 60 80 100
ХВГ-хром Скорость изнашивания покрытия, мг/ч 1,4 1,4 1,5 1,6 1,7
Скорость изнашивания стали ХВГ, мг/ч 5,8 6,5 7,2 8,0 8,7
Коэффициент трения 0,160 0,160 0,157 0,166 0,171
Температура в зоне три-боконтакта (максимальная), °С 98 110 119 132 146
ХВГ- хром, модифицированный композицией №1 Скорость изнашивания покрытия, мг/ч 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
Скорость изнашивания стали ХВГ, мг/ч 2,0 1,6 1,2 1,2 1,4
Коэффициент трения 0,120 0,128 0,137 0,137 0,140
Температура в зоне три-боконтакта (максимальная), °С 82 99 112 126 139
ХВГ- хром, модифицированный композицией №2 Скорость изнашивания покрытия, мг/ч 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4
Скорость изнашивания стали ХВГ, мг/ч 2,1 1,8 1,6 1,6 1,6
Коэффициент трения 0,137 0,142 0,149 0,149 0,157
Температура в зоне три-боконтакта (максимальная), °С 87 02 114 128 140
Перед испытаниями образец с покрытием также нагревался до температуры смазки. В качестве базовой была взята пара трения ХВГ-хром. Испытания позволили установить, что с увеличением температуры подогрева топлива и образца происходит рост скорости изнашивания стали ХВГ (Уи = 0,03625 мг/°С), при этом скорость изнашивания покрытия хрома возрастает незначительно. Коэффициент трения при нагреве топлива до 60 °С остается постоянным, дальнейшее увеличение температуры приводит к его возрастанию. Температура в зоне трибоконтак-та плавно увеличивается по мере роста температуры подогрева топлива.
Модифицирование поверхности хрома минеральными и органоминеральными материалами позволяет во всем диапазоне температур подогрева топлива снизить величины коэффициентов трения и температуры в зоне трибоконтакта. Скорость изнашивания покрытия или уменьшается с увеличением температуры подогрева (композиции № 2, 3) или остается постоянной (композиция №1). При этом скорость изнашивания сопряженного образца из стали ХВГ по мере роста температуры снижается. Наибольшую износостойкость во всем диапазоне температур подогрева топлива обеспечивает композиционное покрытие - хром, упроч-
ненный составом: 90% серпентинита + 10% силиката, модифицированного полисахаридом. При температуре топлива 20 °С износостойкость сопряжения с хромом, модифицированным композицией № 1, превышает износостойкость сопряжения хром-сталь ХВГ в 3,27 раза: при температуре подогрева 40 °С - в 4,39 раза; 60 °С - 6,21; 80 °С - в 6,86, при 100 °С -в 6,5 раза.
Анализ результатов триботехнических свойств износостойких покрытий при различных температурах подогрева топлива показал, что модифицирование поверхности хрома минеральными и органоминеральными материалами позволяет во всем диапазоне температур подогрева топлива повысить износостойкость сопряжения, снизить величины коэффициентов трения и температуры в зоне трибоконтакта. Причем по мере увеличения температуры подогрева топлива эффект от модифицирования хрома возрастает. Наиболее высокими триботехническими свойствами обладает композиционное покрытие — хром, упрочненный следующим составом: 90% серпентинита + 10% силиката, модифицированного полисахаридом.
Следует отметить, что модифицирование хрома позволяет устранить резкие колебания величины коэффициента трения в процессе триботехнических испытаний. Наличие модифицированного слоя хрома в паре трения позволяет стабилизировать коэффициент трения, который плавно уменьшается по мере роста величины температуры в зоне трибоконтакта.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности применения для условий трения, характерных для прецизионных деталей топливной аппаратуры (плунжерная пара, игла-корпус распылителя форсунки) судовых дизелей, композиционных износостойких покрытий. Модифицирование подвижной поверхности узла трения геоматериалами, модифицированными полисахаридом, приводит к существенному уменьшению параметров шероховатости и коэффициента трения, как следствие - к снижению энергетического уровня контактного взаимодействия трущихся поверхностей и величины износа трибосопряжения. Все эти положительные изменения триботехнических характеристик сопряжения позволяют говорить о перспективности использования данной технологии для повышения долговечности прецизионных деталей топливной аппаратуры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Большаков В.Ф., Гинзбург Л. Г. Подготовка топлив и масел в судовых дизельных установках. Л.: Судостроение, 1978. 152 с.
2. Леонтьев Л. Б. Технологическое обеспечение надежности судового оборудования. Владивосток: Морской гос. ун-т, 2009. 544 с.
3. Леонтьев, Л. Б., Шапкин Н.П., Леонтьев А.Л. Формирование износостойких покрытий на прецизионных узлах трения // Металлообработка. 2011. № 3. С. 14-17.
