CC BY
8Пятая международная научно-техническая конференция
УДК 62-144:621.43
Р.М. Трибунская
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Объектом исследования является анализ факторов влияния на надежность и долговечность поршневых колец судовых двигателей внутреннего сгорания, а также методов повышения их ресурса. Рассматривается многофункциональное легирование, обеспечивающее достаточно высокую прочность металлической основы колец, что способствует повышению надежности.
Ключевые слова: упрочнение, адгезионное разрушение, реверсивное трение, структура матрицы, полигональные карбиды, плотность дислокаций, легирующие элементы.
R.M. Tribunskaya
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
ON ISSUE OF IMPROVING PISTON RINGS RELIABILITY OF MARINE INTERNAL
COMBUSTION ENGINES
The object of the study is the analysis of factors influencing the reliability and durability of piston rings of marine internal combustion engines, as well as methods for increasing their service life. Multifunctional alloying providing sufficiently high strength of the rings metal base that increases reliability is considered.
Key words: hardening, adhesive fracture, reversible friction, matrix structure, polygonal carbides, dislocation density, alloying elements.
Периодичность технического обслуживания цилиндропоршневой группы определяется ресурсом поршневых колец. Ресурс поршневых колец большинства типов малооборотных дизелей достаточно высок: отказы колец возникают при наработке их от 4 до 7 тыс. ч (см. таблицу). Однако наблюдаются случаи отказа при наработке колец менее 3 тыс. ч (двигатели K8Z70/120E и др.) Поршневое кольцо изнашивается по рабочей поверхности, соприкасающейся со втулкой цилиндра, и по торцевым плоскостям, соприкасающимся с верхней и нижней поверхностями канавки поршня.
Надежность поршневых колец судовых двигателей внутреннего сгорания складывается из следующих критериев: микроструктура сплава, технология изготовления, упрочняющая обработка, геометрические параметры [1, 2].
Поршневые кольца работают в условиях реверсивного трения, высокой тепловой и механической напряженности при воздействии абразивной и агрессивной сред, масляном голодании, способствующих разрыву защитных разделяющих пленок, и изнашиваются в основном вследствие адгезионного разрушения [3].
Поверхностный слой должен иметь верхние разрыхленные объемы металла с положительным градиентом механических свойств и достаточно твердые нижележащие слои, способные сопротивляться пластическому деформированию.
Продукты сгорания топлива в цилиндре способствуют ускорению усталостно-коррозионных процессов. Вследствие чего при фрикционном воздействии поверхностные слои ослабляются и охрупчиваются.
Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития
В настоящее время разработаны технологические процессы и оборудование, позволяющие упрочнять поверхности колец. Но первостепенное значение в повышении надежности и долговечности поршневых колец СДВС остается за качеством исходного сплава.
Наработка до отказа поршневых колец малооборотных дизелей
Марка дизеля
Наработка до отказа, тыс. ч
Компрессионные
Маслосъемные
Фирма «MAN» K8Z57/80E K6Z57/80C K6Z57/80A K6Z70/120A K8Z70/120E
4,8-5,4 6,0-6,3 6,0-6,7 4,0-4,3 2,6-3,1
9,1-9,6 7,2
7.8
4.9 6,0-6,2
Проведенные комплексные исследования оценки свойств материалов, применяемых для колец поршневых, показали, что специальные чугуны с ферритокарбидной основой, имеющей равномерно распределенные в матрице полигональные или тригональные карбиды, характеризуются несколько большей износостойкостью.
На основании многолетних исследований серого и высокопрочного чугуна, применяемых для колец поршневых СДВС, установлено, что основное влияние на интенсивность изнашивания и механические свойства чугуна оказывает характер микроструктуры: количество, размеры, форма и степень разобщенности графитовых включений, что является своеобразным индикатором строения чугуна. Структурно свободный феррит вокруг графитовых включений не должен превышать 8-10% (П85), т. к. активизирует схватывание при трении [4].
Микроанализ поверхностных слоев поршневых колец показывает, что пластическая деформация повышает процессы диффузии и массопереноса. Увеличение плотности дислокаций и других точечных дефектов способствует массопереносу таких легирующих элементов, как медь, никель, хром, которые повышают свойства вторичных структур. Эти элементы образуют карбиды и упрочняют феррит, что эффективно повышает сопротивление деформированию, препятствуя развитию деформационных процессов [5].
Таким образом, подбор оптимального состава основных легирующих элементов (хрома, никеля, молибдена, ванадия, меди) при оптимальном содержании в чугуне (С = Si) позволит получить микроструктуру чугуна, обеспечивающую при граничном трении защиту поверхности от интенсивного разрушения, вызываемого схватыванием, усталостью и абразивным воздействием. Наибольший эффект дает комплексное модифицирование силикобарием, силикокальцием и редкоземельными металлами. В этом случае достигается высокая однородность перлитной металлической основы: П, Пд0,3, Пд0,5. Графитовые включения приобретают пластинчатую форму со сравнительно небольшой длиной и равномерным неориентированным их расположением в матрице чугуна. Такая структура обладает хорошей геометрической приспособляемостью, удовлетворяет правилу положительного градиента сдвигового сопротивления и имеет минимальные значения износа.
Литература
1. Белов О.А. Оценка безопасности эксплуатации судовых энергетических установок // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2017. - № 42. - С. 6-10.
2. Белов О.А. Аналитический обзор факторов эффективной эксплуатации морского транспорта // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - Ч. 1. - С. 5-9.
3. Кондратьев Н.Н. Отказы и дефекты судовых дизелей. - М.: Транспорт, 1985. - 152 с.
4. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. - М.: Машиностроение, 1966. - 450 с.
5. Асташкевич Б.М., Ларин Т.В. Детали цилиндропоршневой группы // Трение, изнашивание и смазка. Т. 2. - М.: Машиностроение, 1979. - 385 с.
