На правах рукописи
Рассказова Надежда Анатольевна
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ
АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ
ВКЛАДЫШЕЙ ПОДШИПНИКОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ
05.08.04 - Технология судостроения, судоремонта
и организация судостроительного производства
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владивосток – 2006
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Морской государственный университет имени адмирала Г.И. Невельского»
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Леонтьев Лев Борисович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Достовалов Виктор Александрович кандидат технических наук, профессор Тарасов Валентин Васильевич
Ведущая организация: Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук
Защита диссертации состоится « 27 » декабря 2006 г. в 14.00 часов в ауд. 241 на заседании диссертационного совета Д 223.005.01 в Морском государственном университете им. адм. Г.И. Невельского по адресу: 690059, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а, факс (4232) 41-49-68.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морского государственного университета им. адм. Г.И. Невельского.
Автореферат разослан «24» ноября 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А.Г. Резник
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современное развитие дизелестроения характеризуется повышением цилиндровой мощности за счет форсирования двигателя и использованием тяжелых сортов топлива, что приводит к возрастанию нагрузок, увеличению скорости изнашивания антифрикционных слоев вкладышей подшипников коленчатых валов, и, соответственно, к снижению срока их службы и необходимости частой замены во избежание возможных аварийных ситуаций.
Разнообразие конструктивных видов подшипников, находящихся в эксплуатации, значительные издержки вследствие их отказов определяют актуальность анализа условий эксплуатации, причин отказов, механизма изнашивания и надежности подшипников скольжения, необходимость разработки технологии их восстановления, позволяющей получить ресурс восстановленных деталей на уровне 80 % долговечности новых.
Проектирование технологического процесса восстановления вкладышей подшипников представляет собой сложный и трудоемкий процесс, так как необходимо учесть не только технологические возможности методов нанесения покрытий, трибологические и механические свойства антифрикционных сплавов, но и условия эксплуатации. Проектирование технологии восстановления вкладышей можно осуществить путем внедрения новых технологий восстановления деталей, автоматизации проектирования и совершенствования организации технологии ремонтного производства. Отсюда вытекает необходимость изыскания способа и выбора материала для плазменного напыления антифрикционного слоя вкладышей подшипников, обеспечивающих получение высококачественного соединения с требуемыми механическими и триботехническими свойствами напыленного покрытия, а также нахождения и исследования оптимальной области режимов нанесения покрытия.
В настоящее время накоплен значительный опыт успешного применения плазменного напыления при восстановлении и изготовлении вкладышей подшипников судовых дизелей. Процесс плазменного напыления характеризуется большим числом взаимосвязанных факторов, которые оказывают влияние на работоспособность покрытий в различных условиях, в том числе конструктивные элементы плазмотронов, определяющие электрические и энтальпийные характеристики плазменной дуги, плазмообразующий газ, способы подачи порошка.
Современные системы автоматизированного проектирования позволяют не только сократить срок внедрения новых технологий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество и надежность выпускаемой продукции, что, в конечном счете, определяет ее конкурентоспособность. Однако на сегодняшний день не имеется сведений об автоматизации проектирования процессов восстановления изношенных деталей.
Для реализации этого необходимо наличие информационной справочной базы, методики и алгоритмов проектирования технологии процессов восстановления элементов деталей.
Цель работы Повышение ресурса подшипников скольжения судовых дизелей путем разработки формализованного метода проектирования технологического процесса восстановления вкладышей подшипников на основе исследования влияния основных технологических параметров плазменного напыления на триботехнические и механические свойства антифрикционного покрытия.
Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
• исследовано влияние технологических параметров плазменного напыления на свойства антифрикционного покрытия на основе алюминий–олово;
• разработаны математические зависимости, описывающие технологические процессы восстановления вкладышей подшипников судовых дизелей методом плазменного напыления;
• разработан алгоритм восстановления вкладышей подшипников судовых дизелей на основе полученных математических зависимостей и взаимосвязей процессов восстановления;
• разработан способ получения антифрикционного покрытия на тонкостенных стальных вкладышах опор скольжения;
• адаптировано информационное обеспечение и алгоритм формирования свойств антифрикционных покрытий в процессе восстановления вкладышей подшипников в системе проектирования технологических процессов TechCard.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту 1. Методика упрощенного расчета толщины покрытия.
2. Математические зависимости влияния режима плазменного напыления на триботехнические и механические свойства антифрикционного покрытия.
3. Алгоритм формирования свойств антифрикционных покрытий в процессе восстановления вкладышей подшипников.
4. Способ получения антифрикционного покрытия на тонкостенных стальных вкладышах опор скольжения.
Научная новизна 1. Получены математические зависимости влияния режима плазменного напыления на триботехнические и механические свойства антифрикционного покрытия на алюминиевой основе.
2. Разработан способ получения антифрикционного покрытия на тонкостенные стальные вкладыши послойным плазменным напылением с раздельной подачей материалов, который позволил получить новые свойства антифрикционного покрытия.
3. Разработан алгоритм формирования свойств антифрикционных покрытий в процессе восстановления вкладышей подшипников.
4. Разработана методика упрощенного расчета толщины покрытия.
Практическая ценность и реализация работы 1. Партия восстановленных вкладышей подшипников коленчатого вала установлена на рефрежераторной установке ASW56-8-P-22-BC ПУС «Надежда» и имеет безотказную наработку свыше 7,5 тыс. ч.
2. Разработанные методика, алгоритмы и информационное обеспечение проектирования технологического процесса восстановления вкладышей подшипников реализованы в системе проектирования технологических процессов TechCard (НПП «ИНТЕРМЕХ», г. Минск, Республика Беларусь).
3. Разработаны методические указания по проведению практических занятий по дисциплине «Технологические методы восстановления и повышения износостойкости деталей машин».
4. Разработаны номограммы для определения угла наклона плазмотрона в зависимости от геометрических размеров вкладышей подшипников дизелей.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на: Пятой международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (октябрь 2003 г.); Дальневосточном региональном научном молодежном фестивале «Наука и молодежь – развитию морской отрасли» (ноябрь 2003 г.); Региональной научно-практической конференции «Море -2003» (ноябрь 2003 г.); конференциях «Меграбовские чтения»
(март 2004, 2005 г.г.) Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и в одном описании изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 135 наименований и 4 приложения. Работа содержит 10 таблиц и 26 рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отражена актуальность проведения исследований в области повышения ресурса службы вкладышей подшипников и в разработке перспективного метода восстановления антифрикционного слоя вкладышей подшипников среднеоборотных дизелей. Показана необходимость комплексного решения поставленной задачи, основными моментами которого являлись анализ условий работы и причин отказов вкладышей подшипников СОД, выбор способа восстановления антифрикционного покрытия вкладышей подшипников и выбор материала для плазменного напыления антифрикционного покрытия вкладышей подшипников.
Показана необходимость применения автоматизированных систем технологической подготовки производства при проектировании технологического процесса восстановления вкладышей подшипников.
В первой главе изложено состояние проблемы, сформулированы цель и основные задачи исследования, приведены сведения о причинах отказов и дефектах вкладышей подшипников скольжения среднеоборотных дизелей и направления развития информационных технологий для проектирования технологических процессов восстановления деталей.
При восстановлении деталей судового оборудования решаются следующие задачи:
1 – придания деталям и оборудованию в целом первоначальных эксплуатационных свойств, т. е. сохранения первоначальной надежности;
2 – повышения первоначальных эксплуатационных свойств деталей путем применения при восстановлении новейших технологий и материалов для увеличения конструкционной прочности, триботехнических свойств и улучшения других характеристик деталей.
Технологическое проектирование представляет собой сложный и не всегда последовательный процесс принятия решений по отдельным частным технологическим задачам. Причем по каждой задаче, за исключением задач расчетного характера, решение принимается в результате выбора из известных типовых решений с учетом комплекса заданных условий.
Множество частных технологических задач, последовательность решения которых возлагается на технолога при проектировании технологического процесса, можно разделить на две группы. В первую группу выделяются расчетные задачи. К ним относятся задачи по определению припусков на механическую обработку, операционных технологических размеров, режимов резания и т.д.
Решение данных задач сводится к выполнению расчетов по формулам, т.е. решение имеет формализованное описание, эти задачи легко решаются с использованием вычислительной техники.
Вторую группу составляют задачи, которые называются нерасчетными (выбор методов обработки, типа оборудования, вида инструмента, формирование состава технологических операций, и т.д.). Для этих задач ведется активный поиск формальных методов решения.
Существенный вклад в разработку методологии проектирования технологического процесса восстановления деталей сделан авторами В. И. Седых., В. Б. Хмелевской, Л. Б. Леонтьевым и др.
Во второй главе рассмотрены и подобраны методики получения математических зависимостей методом множественной регрессии, определения адгезионной и когезионной прочности напыленных покрытий, металлографических исследований и трибологических свойств покрытия.
Определение когезионной и адгезионной прочности проводили в условиях статического нагружения на разрывной машине УММ-5. Образцы для напыления изготавливали из стали 10 ГОСТ 1050-88.
Микрошлифы для исследования готовили по стандартной методике. Тонкие образцы запрессовывали в пластическую массу или другую нейтральную по отношению к образцам среду с использованием металлических колец. Полировали образцы на алмазных кругах, с целью одинакового воздействия на мягкую и твердую составляющую образцов. Исследование структуры металлов проводили на световом микроскопе МИМ-10, измерение твердости структурных составляющих – на приборе ПМТ-3. Микротвердость определяли при нагрузке 0,981 Н и 0,49 Н в соответствии с требованиями ГОСТ 9450-76.
Исследования триботехнических свойств напыленного покрытия проводили на машине трения СМЦ-2 по схеме «ролик-колодка». Напыленный слой наносился на колодку. Контротелом являлся ролик, изготовленный из стали ГОСТ 1050-88. Частота вращения ролика составляла 5 с-1 (300 мин –1). В процессе испытаний удельную нагрузку изменяли ступенчато от 2500 до 6000 Н.
Нагрузку схватывания и коэффициент трения определяли по моменту трения, массовый износ – взвешиванием на аналитических весах.
В третьей главе изложены: методика проектирования технологических процессов восстановления вкладышей, обоснование выбора материалов и способа восстановления антифрикционного покрытия вкладыша подшипника, оптимизация технологии плазменного напыления.
На основании исследования механических и триботехнических свойств антифрикционных материалов определены величины критериальных параметров антифрикционного материала в зависимости от нагруженности дизеля, влияние оборудования, способа подачи материала и параметров режима плазменного напыления на механические и триботехнические свойства покрытия, разработан типовой ТП восстановления вкладышей подшипников коленчатых валов СОД.
Ресурс вкладышей подшипников определяется усталостной прочностью и износостойкостью антифрикционного слоя. Исследования усталостной прочности напыленных алюминиевых сплавов подробно изучены В.Б. Хмелевской. Для определения степени влияния свойств материала, способа его нанесения и материала сопряженной детали на износ пары трения в условиях трения при граничной смазке и получения математических зависимостей была проведена математическая обработка с использованием метода множественной регрессии результатов триботехнических испытаний, выполненных В. Б. Хмелевской и в МГУ им. адм.
Г.И. Невельского, следующих групп материалов: баббита Б83, алюминиевых сплавов и бронз. В результате получены математические зависимости:
где И – суммарная величина износа пары трения, мм; Иа – величина износа антифрикционного покрытия, мм; Ис – величина износа сопряженной детали (стали), мм; kтр – коэффициент трения (определяется на машинах трения);
Uк – потенциал коррозии в мВ; Ик – кавитационный износ, г; НВ – твердость покрытия по Бринеллю.
Наибольшее влияние на износ сопряженных поверхностей трибоузла и сопряжения в целом оказывает коэффициент трения (рисунок. 1).
Даже незначительное увеличение коэффициента трения приводит к существенному возрастанию износа антифрикционного слоя и соответственно сопряжения, несколько меньшее влияние коэффициент трения оказывает на износ сопряженной детали (стали) ввиду ее значительно большей прочности.
Существенно меньшее влияние (в порядке убывания влияния) оказывают:
величина кавитационного износа, потенциал коррозии, твердость антифрикционного материала.
С помощью уравнений регрессии (1-3) можно осуществлять как выбор антифрикционного материала, его оптимального химического состава, так и метода его нанесения. Полученные модели также позволяют определять оптимальные триботехнические параметры антифрикционного слоя вкладышей, разрабатывать новые материалы и технологии их нанесения и упрочнения. Идеальным следует считать антифрикционный материал, имеющий следующие триботехнические и механические свойства: коэффициент трения в пределах 0,01– 0,02; нагрузка схватывания 3–4 кН; потенциал коррозии 5–8 мВ; кавитационный износ не более 0,02 г и количество циклов до разрушения не менее 10 106. Однако технологические возможности пока не позволяют получить материал с такими свойствами. Поэтому следует применять различные многослойные комбинации или изменять триботехнические и механические свойства по высоте слоя, например, при восстановлении вкладышей плазменным напылением основная часть слоя толщиной 0,3–0,45 мм может быть напылена сплавом АО6 с высокими механическими свойствами, а рабочая часть толщиной 0,02–0,06 мм — сплавом АО20 с высокими триботехническими свойствами (таблица 1).
Рисунок 1. - Влияние коэффициента трения антифрикционных материалов в парах со сталями 35, 45 на износ при граничной смазке (масло М14) в течение 12 ч при нагрузке 2 кН, скорость скольжения 0,66 м/с: 1 — сопряженной детали (стали);
2 — антифрикционного покрытия, 3 — суммарный износ трибозула При выборе материала следует исходить из того, что коэффициент трения в условиях граничной смазки должен быть минимальным, а усталостная прочность максимальна для обеспечения долговечности трибоузла. Оптимальным сочетанием указанных свойств, влияющих на надежность, обладают вкладыши, напыленные различными методами следующими материалами: баббит Б83 и сплавы АО20 и АО6. В зависимости от условий работы вкладышей (по критериям рm и 12,1 м/с) для обеспечения их надежной работы выбирают материал и метод его нанесения (таблица 1).
Для выявления влияния различных факторов на износ антифрикционных материалов и получения зависимостей на первом этапе исследований были взяты следующие факторы, которые могут оказывать существенное влияние: когезионная прочность напыленного покрытия, нагрузка схватывания, уровень остаточных напряжений, диаметр частиц напыляемого порошка, пористость покрытия, угол смачивания покрытия маслом, потенциал коррозии и коэффициент трения. Анализ факторов проводился отдельно для каждого сплава АО20 и АО6, так как ранее было установлено доминирующее влияние химического состава и коэффициента трения на износ антифрикционного покрытия. В результате обработки экспериментальных данных, полученных В. Б. Хмелевской и в МГУ им.
адм. Г.И. Невельского выявлены математические зависимости износа покрытия:
ИАО6 = 0,069 – 4,510–4к + 0,273kтр + 1,510–4Dч + 1,310–4 – 0,001П, (5) где И — величина износа антифрикционного покрытия, мм; к — когезионная прочность напыленного покрытия, МПа; kтр — коэффициент трения; Dч — средний диаметр напыляемых частиц, мкм; — угол смачивания покрытия маслом, град.; П — пористость покрытия, %.
Таблица 1 - Условия работы подшипника, основные критерии и рекомендуемые марки антифрикционных материалов Примечания. 1) * — условный предел выносливости дан для скорости скольжения 12,1 м/с; 2) ПН — плазменное напыление; ПП — приработочное покрытие.
Доминирующее влияние на износостойкость напыленных алюминиевых сплавов оказывает когезионная прочность покрытия. С увеличением когезионной прочности износ покрытия уменьшается, поэтому при нанесении покрытия необходимо выбирать оборудование и параметры режима, обеспечивающие наибольшую когезионную прочность. Особенность структуры напыленных покрытий состоит в том, что напыленный слой пористый и состоит из совокупности деформированных частиц. Сцепление частиц друг с другом характеризуется величиной когезионной прочности. Поскольку прочность тела напыленных частиц превышает прочность их сцепления, то прочность покрытия характеризуется когезионной прочностью. Более высокая износостойкость сплава АО20 в условиях трения при граничной смазке объясняется повышенным содержанием олова.
На основании проведенных исследований физико-механических и триботехнических свойств и металлографических особенностей покрытий можно сделать следующие выводы:
1) сплав АО20 обладает более высокой износостойкостью и триботехническими свойствами по сравнению со сплавом АО6 в условиях трения при граничной смазке;
2) наиболее широкие возможности в управлении износостойкостью напыленного покрытия на алюминиевой основе в условиях трения при граничной смазке обеспечивает формирование требуемой когезионной прочности;
3) с увеличением содержания олова в алюминиевом сплаве свыше 6 % уменьшаются величины механических свойств;
4) на износостойкость, твердость и коэффициент трения покрытия значительное влияние оказывает структура и фазовый состав покрытия. Структура покрытия в первую очередь зависит от энергетических параметров процесса (напряжения на дуге, силы тока и др.), вида плазмообразующего газа, конструктивных особенностей горелки и дистанции напыления.
Для увеличения предела выносливости сплава АО20 на основе проведенных исследований была разработана схема раздельной подачи сплава АО6 и олова в количестве 12–14 % в плазменную струю. Такая подача порошков обеспечивает равномерное распределение зерен олова в матрице сплава АО6 благодаря тому, что олово нерастворимо в алюминии. При этом механические свойства близки к свойствам АО6: предел выносливости возрастает на 10 МПа, когезионная прочность на 9 %, нагрузка схватывания на 13,3–16,7 % по сравнению со свойствами сплава АО20, а триботехнические — выше чем у сплава АО20 — коэффициент трения снижается на 12–20 %,.
В интервале к = 70–130 МПа между количеством циклов и когезионной прочностью существует прямо пропорциональная зависимость где Nц — количество циклов до появления трещин на поверхности трения в 106: при нагрузке 50 МПа для сплава АО6 и для смеси порошков АО6 + (12–14 %)Sn и 40 МПа — для сплава АО20.
Когезионная прочность покрытий зависит от напряжения на дуге и угла наклона плазмотрона:
Для управления технологическими параметрами процесса плазменного напыления сплавов на алюминиевой основе и обеспечения заданной долговечности (износостойкости и усталостной долговечности) удобно использовать зависимости, связывающие технологические параметры с эксплуатационными:
ИАО20 = 0,096 – 0,0003U – 0,00025 + 0,525kтр + 0,0001Dч, (9) ИАО6 = 0,121 – 0,00036U – 0,00028 + 0,273kтр + 0,00015Dч + На основании зависимостей (9–12) был разработан алгоритм для автоматизированного выбора оптимальной области параметров режима плазменного напыления вкладышей сплавами на алюминиевой основе в зависимости от диаметра и условий работы вкладыша. В качестве параметра оптимизации выбрана величина износа, которая должна быть минимальной.
Для увеличения предела выносливости сплава АО20 на основе проведенных исследований была разработана схема раздельной подачи сплава АО6 и олова в количестве 12–14 % в плазменную струю. Порошок сплава АО6 подается по двум трубкам, а олово по третьей (рисунок 2). Такая подача порошков обеспечивает равномерное распределение зерен олова в матрице сплава АО благодаря тому, что олово нерастворимо в алюминии. При этом механические свойства близки к свойствам АО6 — предел выносливости возрастает на 10 МПа, когезионная прочность на 9 %, а триботехнические — выше чем у сплава АО20 — коэффициент трения снижается на 12–20 %, нагрузка схватывания возрастает на 13,3–16,7 %.
Рисунок 2 - Устройство (а) и схема раздельной подачи присадочного материала (б): 1 — сопло плазмотрона, 2 — устройство для крепления трубок, подающих порошок в плазменную струю; 3 — держатель;
4 — шихтопровод для транспортирования порошка; 5 — медная трубка Анализ результатов исследований показал, что когезионная прочность напыленного слоя зависит как от оборудования, так и угла наклона плазмотрона.
(рисунок 3). Уменьшение угла наклона плазмотрона существенно снижает когезионную прочность вследствие уменьшения энергии удара о напыляемую поверхность и соответственно степени деформации напыляемых частиц. Кроме того, при уменьшении угла наклона увеличивается степень окисления частиц вследствие увеличения турбулизации плазменного потока у поверхности и подсоса воздуха. Наиболее высокие прочностные свойства покрытия получаются при напылении на установках с источником питания АПР-404 с плазмотронами ПН-21Р (плазмообразующий газ аргон) и С2В3 (плазмообразующий газ воздух).
Рисунок 3.. - Зависимость когезионной прочности покрытия от угла наклона плазмотрона при напылении порошком АО6+(12-14%Sn) на различных плазменных установках: 1 — УПУ-3Д с плазмотроном ПП-25; 2 — АПР-404 с плазмотроном ПНВ-1; 3 — Eu-80; 4 — АПР-404 с плазмотроном С2В3, 5 — АПР-404 с В результате исследований было установлено, что оптимальный угол наклона плазменной струи к напыляемой поверхности составляет 90°. При использовании плазмотронов марки С2В3 и ПН-21Р обеспечиваются наиболее высокие прочностные свойства, причем применение аргона в качестве плазмообразующего газа позволяет получить когезионную прочность примерно на 2– 5 % больше, чем при напылении на воздухе.
В четвертой главе приведен технологический процесс восстановления вкладышей подшипников среднеоборотных двигателей, прогнозирование ресурса вкладышей подшипников и оценка эффективности выбранного метода восстановления.
Для всех типов покрытий существенное значение имеет его толщина. Выбор толщины, в основном, определяется величиной износа восстанавливаемой детали.
Толщина покрытия должна обеспечить восстановление номинального размера детали. Для определения минимальной толщины наносимого покрытия в работе предлагается упрощенная формула, учитывающая общий припуск на механическую обработку; погрешность установки на первой операции обработки покрытия, глубину дефектного слоя покрытия после его нанесения, величину неровностей нанесенного слоя и величину пространственного отклонения расположения поверхности в результате деформации детали.
Для решения технологических задач, связанных с расчетом размеров наносимых слоев при восстановлении, предлагается схема поверхностного слоя (рисунок 4). Схема отражает наиболее характерные этапы восстановления: удаление дефектного слоя изношенной детали и отклонений формы поверхности под нанесение нового поверхностного слоя, нанесение покрытия и его механическую обработку, нанесение приработочного покрытия.
Рисунок 4 - Схема поверхностного слоя детали и этапы ее восстановления:
а – подготовка под нанесение покрытия; б – нанесение покрытия (слоя);
в – обработка покрытия и нанесение защитного или приработочного покрытия.
Поверхности: 1 – исходная новой детали; 2 – изношенной детали;
3 – после подготовки (механической обработки) под нанесение покрытия;
4 – положение поверхности 3 после наплавки в результате деформации детали;
5 – после нанесения промежуточного слоя; 6 – после нанесения основного (рабочего) слоя;
7 – после механической обработки; 8 – после нанесения защитного или приработочного покрытия Минимальная толщина наносимого покрытия определяется по формуле Иногда на готовую деталь наносят приработочные и защитные покрытия толщиной 2–3 мкм, которые в большинстве случаев не влияют на точность размера, т. к.
их величина значительно меньше, по сравнению с величиной допуска на размер.
Технологический процесс восстановления и изготовления вкладышей подшипников плазменным напылением осуществляется в следующей последовательности:
1. Мойку и обезжиривание вкладышей и заготовок производят с помощью моющих средств или органических растворителей.
2. Вкладыши, бывшие в эксплуатации, подвергают дефектации с целью определения целесообразности их восстановления. Для восстановления пригодны вкладыши, имеющие износ рабочей поверхности.
3. Протачивают внутреннюю поверхность вкладыша до «чистого» металла.
4. Для увеличения прочности сцепления покрытия с основой производят струйно-абразивную обработку напыляемой поверхности вкладышей. Режим обработки: давление воздуха 0,4–0,5 МПа (4–5 атм), диаметр сопла 5–7мм, расстояние от среза сопла до поверхности вкладыша 50–100 мм, угол наклона сопла к обрабатываемой поверхности детали 60–90°, время обработки 30–40 с.
Для струйно-абразивной обработки используется электрокорунд нормальный марок 12А, 15А зернистостью 1,0–1,5 мм.
5. Для нанесения покрытия используется плазменная установка УН-120 с источником АПР-404 и плазмотроном С2В3, блок порошковых дозаторов бункерно-тарельчатого и вибрационного типов. Напыление вкладышей производят в специальном приспособлении, устанавливаемом в патроне токарного станка (рисунок 5).
Рисунок 5 - Схема напыления внутренней поверхности вкладышей подшипников:
1 — токарный станок; 2 — патрон; 3 — приспособление; 4 — вкладыш подшипника;
Для напыления вкладышей используются следующие порошковые материалы: ПТ-Ю5Н — в качестве подслоя, сплав АО6 — в качестве основного слоя и (АО6 + 12–14 % Sn) — в качестве рабочего.
Сначала наносят покрытие порошком ПТЮ-5Н толщиной (0,05 ± 0,015) мм. Затем напыляют слой (за один проход) смесью порошков ПТЮ-5Н и АО6. Напыление основного слоя производят порошком сплава АО6, затем (АО6 + 12–14 % Sn) толщиной, обеспечивающей толщину рабочего слоя не более 0,05–0,08 мм после окончательной механической обработки и припуск на механическую обработку 0,1–0,15 мм.
Для напыления используются порошки фракции 40–80 мкм.
6. Производится предварительная механическая обработка напыленного покрытия до «чистого» металла и определяется толщина покрытия.
7. Производится ультразвуковой контроль для определения качества соединения покрытия с основой.
8. Окончательная механическая обработка.
9. Термическая обработка проводится после окончательной механической обработки с целью предотвращения коррозийного разрушения напыленного покрытия при попадании на него влаги.
10. Для получения приработочного покрытия на рабочей поверхности вкладышей наносится слой баббита Б83 или свинца толщиной 1–2 мкм методом ионно-плазменного напыления на установке ННВ-6.6-И1.
11. Контроль: визуальный контроль с помощью лупы на наличие трещин, капель металла, различия в цвете, указывающего на частичный местный перегрев. Вышеперечисленные дефекты не допускаются. Качество напыленного покрытия также определяется наличием адгезии, проверяемой ультразвуковым способом и выборочным разгибанием вкладышей.
Свойства антифрикционного покрытия определяются типом оборудования, режимом напыления и углом наклона плазмотрона к напыляемой поверхности.
Угол наклона плазмотрона зависит от геометрических размеров вкладыша (типа дизеля).
Плазмотрон должен быть установлен относительно напыляемой поверхности таким образом, чтобы его сопло было удалено на расстояние 80-120 мм.
При расстоянии менее 80 мм до напыляемой поверхности когезионная прочность значительно уменьшается, что приводит снижению долговечности напыляемого покрытия.
Исследования показали, что наибольшее значение когезионной прочности наблюдается, когда угол между осью сопла плазмотрона и напыляемой поверхностью равен 90° (рисунок 6 а). Такое расположение возможно только тогда, когда выполняется следующее условие:
где Dвн – внутренний диаметр подшипника; L – длина плазмотрона; S1 – расстояние от напыляемой поверхности до сопла плазмотрона (80–120 мм); S2 – расстояние от тыльной части плазмотрона до внутренней поверхности подшипника.
В случае, когда D < (L+ S1+ S2), необходимо определить значение угла наклона плазмотрона при напылении самой отдаленной внутренней части вкладыша (рисунке 6 б). При такой схеме расположения плазмотрона в процессе напыления необходимо учитывать расстояние S1, диаметр плазмотрона dпл, ширину подшипника B и внутренний диаметр подшипника D. Для расчетов были взяты два типа плазмотронов: ПП-25 (малогабаритный, плазмообразующий газ Ar + 10%N2) и С2В (крупногабаритный плазмотрон, плазмообразующий газ – воздух.).
Угол наклона плазмотрона к напыляемой поверхности можно найти из следующего выражения:
D - внутренний диаметр вкладыша подшипника; В – ширина вкладыша; r радиус пятна напыления (для расчетов взято 4 мм); С1 – гипотенуза прямоугольного треугольника.
Рисунок 6 - Схема напыления вкладыша подшипника скольжения:
а - при угле наклона плазмотрона 90° б - при угле наклона плазмотрона менее 90° 1 –подшипник скольжения; 2 – плазмотрон; 3 – приспособление Для автоматизированного выбора марки материала и типа плазмотрона при формировании свойств антифрикционных покрытий вкладышей подшипников конкретных типов дизелей разработан алгоритм (рисунок 7).
Алгоритм можно условно разделить на три части:
– выбор материала для напыления;
– расчет угла наклона плазмотрона и нахождение значений когезионной прочности к;
– выбор марки плазмотрона по когезионной прочности к.
Исходными данными алгоритма являются: внутренний диаметр подшипника скольжения Dвн,, его ширина В и удельная нагрузка Pm, которые определяются маркой дизеля и его паспортными данными.
По результатам теоретических и прикладных исследований, а также в целях оперативной оценки влияния угла наклона плазмотрона С2В3 на когезионную прочность покрытия были разработаны две номограммы (для дистанции напыления 80 мм номограмма приведена на рисунке 8.
Рисунок 7 – Алгоритм формирования свойств антифрикционных покрытий в процессе восстановления вкладышей подшипников B, мм Рисунок 8 – Зависимость угла наклона плазматрона и когезионной прочности покрытия от геометрических размеров вкладыша подшипника при L=80 мм (“Р” – рамовый, “М” – мотылевый)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе, на основании выполненных исследований, получены следующие основные научные результаты и выводы:1. Вкладыши подшипников среднеоборотных дизелей ремонтопригодны, так как вкладыши с износом антифрикционного слоя могут быть восстановлены при наличии технологического процесса, обеспечивающего требуемую их надежность.
2. Установлено, что ресурс трибосопряжения «коленчатый вал – подшипник скольжения» определяется триботехническими и механическими свойствами антифрикционного покрытия на вкладыше подшипника. Наибольшее влияние на износ трибосопряжения оказывает коэффициент трения. Увеличение коэффициента трения приводит, в первую очередь, к существенному возрастанию износа антифрикционного слоя вкладыша, несколько меньшее влияние коэффициент трения оказывает на износ шеек коленчатого вала. Существенно меньшее влияние на износ трибосопряжения оказывают (в порядке убывания): кавитационная износостойкость, потенциал коррозии, твердость антифрикционного материала.
3. Установлено, что плазменное напыление антифрикционного покрытия на вкладыши подшипников позволяет получить более высокие триботехнические и механические свойства антифрикционного покрытия по сравнению с другими методами (литье, плакирование, гальваника). Наиболее высокими триботехническими свойствами обладают покрытия, напыленные сплавами Б83 и АО20, механическими свойствами – сплав АО6.
4. Разработан способ получения антифрикционного покрытия на тонкостенных стальных вкладышах опор скольжения, заключающийся в раздельной подаче сплава АО6 и олова, что позволяет получить триботехнические свойства лучше чем у сплава АО20, а механические свойства на уровне сплава АО6.
5. Получены математические зависимости триботехнических и механических свойств антифрикционного покрытия от режима напыления, позволяющие на формальной основе разрабатывать технологические процессы восстановления вкладышей подшипников.
6. Установлено, что износостойкость и усталостная прочность напыленного сплава на основе Al–Sn в наибольшей степени зависит от когезионной прочности покрытия, которая зависит от технологических параметров.
7. Разработан алгоритм формирования свойств антифрикционных покрытий в процессе восстановления вкладышей подшипников, позволивший автоматизировать процесс выбора материала и оборудования для напыления.
8. На основании проведенных исследований построены номограммы зависимостей угла наклона плазмотрона и соответствующей ему когезионной прочности от геометрических размеров вкладышей подшипников.
9. Разработан технологический процесс восстановления антифрикционного покрытия вкладышей СОД, позволяющий учитывать условия эксплуатации дизеля.
Реализация разработанного технологического процесса восстановления вкладышей подшипников для судовладельцев способен дать существенный экономический эффект, так как применение плазменного напыления порошком АО6 + (12– 14%)Sn позволяет увеличить ресурс вкладышей с 22 до 33 тыс. ч., при этом стоимость восстановленных деталей меньше вновь изготовленных на 30–40%.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
публикации изданий из перечня ВАК 1. Леонтьев, Л.Б. Восстановление и изготовление вкладышей подшипников судовых дизелей: проблемы и перспективы / Л.Б. Леонтьев, С.В Бровченко, Н.А. Митюк, В.Б. Хмелевская // Транспортное дело России. – Москва, 2004. - №2.
- С. 67 – 72. (40% соискателя) публикации других изданий 2. Леонтьев Л.Б., Митюк Н.А. [Электронный ресурс] «Исследовано в России», 126, 1198-1205, 2006. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/126.pdf (50% соискателя) 3. Митюк Н.А. Концепция разработки интегрированной системы проектирования технологий восстановления деталей судового оборудования / Н.А. Митюк // Сборник докладов 51-ой регион. науч.-техн. конференции творческой молодежи «Наука делает мир лучшим». – Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2003. – С. (100% соискателя) 4. Леонтьев, Л.Б. Определение толщины покрытия и припусков на механическую обработку при восстановлении и упрочнении деталей судового оборудования / Л.Б. Леонтьев, Н.А. Митюк // Проблемы транспорта Дальнего Востока.
Мат-лы пятой междунар. науч.-практич. Конф. 1-3 октября 2003 г. – Владивосток:
ДВО Российской Академии транспорта, 2003. – С. 451. (50% соискателя) 5. Митюк Н.А. Обзор отечественных систем автоматизации проектирования технологических процессов / Н.А. Митюк // Вестн. Морского государственного университета. Серия: Судостроение и судоремонт. – Владивосток: Морск. гос. унта – 2005. - №7. – С. 25 – 27. (100% соискателя) 6. Митюк Н.А. Концепция разработки системы автоматизированного проектирования единичного технологического процесса восстановления деталей судового оборудования / Н.А. Митюк // Техническая эксплуатация флота – пути совершенствования. Мат-лы регион. науч.-практич. конф. 25-27 ноября 2003 г. – Владивосток: Мор. гос. ун-т им. адм. Г.И. Невельского, 2003. – С. 124- (100% соискателя) 7. Приоритет по заявке на изобретение «Способ получения антифрикционного покрытия на тонкостенных стальных вкладышах опор скольжения»
№2006122095/11 (023995), МПК F16C 33/04, 33/06, 33/14. от 20.06.06 г. / Авторы и заявители Л.Б. Леонтьев, Н.А. Рассказова, В.Б. Хмелевская (40% соискателя)
«