Обоснование угла наклона вставки при биметаллизации поверхности гильзы цилиндров Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.431

ОБОСНОВАНИЕ УГЛА НАКЛОНА ВСТАВКИ ПРИ БИМЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРОВ

И. Р. Салахутдинов, инженер; А. Л. Хохлов, канд. техн. наук, доцент; А. А. Глущенко, ст. преподаватель

ФГОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия» т. 8-927-273-19-90, е-таП: сЬос!оу.73@таП. ги

Проведены исследования по обоснованию угла наклона вставки при биметаллизации внутренней поверхности гильзы с целью снижения износа. Установлено, что рациональный угол наклона вставки из меди марки М1 находится в интервале 15...20°. Это обеспечивает снижение износа гильз цилиндров до 2,6 раза, интенсивность изнашивания на 48.93 %, момента трения на 14,7 %.

Ключевые слова: биметаллизация, угол наклона, вставка, износ.

Широкое использование в последние годы интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур привело к увеличению нагрузок на двигатели, в результате чего наработка на отказ уменьшилась в 1,7...3,5 раза, а затраты на ремонт двигателей сельскохозяйственных машин выросли в 2,3 раза. При этом до 44 % затрат приходится на восстановление гильз цилиндров. Одной из причин быстрого изнашивания гильз цилиндров является не только увеличение нагрузочного режима, но и то, что при их изготовлении не обеспечивается высокая износостойкость рабочих поверхностей.

Современные условия экономического развития требуют создания двигателей, обладающих повышенным ресурсом. Одним из основных факторов, снижающих ресурс двигателей, является износ трущихся сопряжений. Увеличение ресурса неразрывно связано с созданием узлов трения, обладающих высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения.

Одной из причин возникновения износа является нарушение условий пластического оттеснения материала одной из трущихся поверхностей. Под воздействием нагрузки увеличивается глубина внедрения микронеровностей поверхности, что приводит к переходу от упругой к пластической деформации и далее к микрорезанию или задиру (переход внешнего трения при контакте двух тел во внутреннее). Условие прекращения обтекания, соответствующее переходу внешнего трения во внутреннее, описывается выражением [1]:

И 1Г 2г^1

* * 2 IіУ

(1)

где И - глубина внедрения, мкм; Я - радиус сферического индентора (внедрившейся по-

верхности), мкм; т - прочность на срез адгезионной связи, МПа; а$ - предел текучести материала, МПа.

Как видно из приведённого соотношения, для осуществления внешнего трения необходимо, чтобы прочность на сдвиг тонкого поверхностного слоя была бы меньше прочности основного материала. Чем она меньше, тем далее отодвигается порог внешнего трения. Важным фактором, влияющим на данный процесс, является различие между прочностью адгезионной связи и прочностью нижележащих слоев. Если адгезионная связь менее прочна, чем нижележащий слой, то имеет место положительный градиент механических свойств по глубине, т. е. [1]

^ > о (2)

ёг

где ах - разрушающее напряжение в направлении плоскости касания, МПа;

г - координата, перпендикулярная к плоскости касания, мкм.

При этом условии имеет место внешнее трение. Таким образом, для снижения износа и образования положительного градиента необходимо уменьшить прочность тонкого поверхностного слоя. Это можно сделать следующими методами:

- адсорбционным или хемосорбцион-ным уменьшением прочности на сдвиг тонкого поверхностного слоя;

- введением тонкого слоя постороннего вещества, имеющего меньшее сопротивление на сдвиг, чем основное тело, т. е. смазку;

- введением металлов, имеющих низкое сопротивление на сдвиг.

При этом желательно, чтобы пониженная прочность этого слоя сохранялась в широком диапазоне температур и давлений.

52 Технические науки

Наиболее перспективным направлением по снижению износа является биметаллизация трущихся поверхностей цветными металлами. При трении пленка биметалли-зированного покрытия, вступая в адгезионное взаимодействие, защищает от схватывания лежащую под ней поверхность. Для биметаллизации поверхностей трибоузлов используют медь, латунь, олово и другие сплавы, обладающие более низкой прочностью на сдвиг, чем сталь и чугун. Однако в настоящее время данный метод является дорогостоящим и трудоемким. Поэтому более доступным и экономически целесообразным является метод введения в трущиеся поверхности вставок из цветного металла. Вставки имеют определенную ширину, глубину и угол наклона к направлению относительной скорости перемещения трущихся поверхностей. Для осуществления данного метода и определения его эффективности по снижению трения необходимо установить количество вводимого металла и угол наклона биметаллизированной вставки к направлению вектора относительной скорости перемещения поверхностей. Если количество металла (весовое или процент-

ное) можно рассчитать, то вопрос по определению угла наклона биметаллизированной вставки остается открытым [2].

Для определения рационального угла наклона биметаллизированной вставки проводились исследования по изменению массы, момента трения, а также способности биметаллизированых образцов обеспечивать при стационарном режиме работы приемлемо малые и стабильные значения сил трения, интенсивности износа и вероятности заедания в заданном диапазоне рабочих давлений, скоростей и температур, а также обеспечивать посредством изменения физико-механических свойств покрытий, возможно большее увеличение этого диапазона за короткое время.

Сравнительные лабораторные испытания были проведены на машине трения 2070 СМТ-1 по стандартной методике [3, 4].

Для исследования износостойкости материалов с различным углом наклона вставки из цветного металла (меди М1) по схеме «ролик - колодка» были изготовлены образцы (рис. 1).

Колодка изготовлена из стали 40Х, из кольца с наружным диаметром 70 мм, внут-

Рис. 1. Общий вид колодки и ролика

Нива Поволжья № 4 (17) ноябрь 2010 53

839 3 2 £ 3 2 Ё В Е

II!■25226!

0123456789 10

Рис. 2. Образцы со вставками цветного металла

ренний диаметр шлифован под размер ролика. На трущейся поверхности колодки вырезалась канавка глубиной 2,0 мм овального сечения с наклоном к ширине образца. Исследовались образцы с углом наклона канавки к широкой стороне образца 1 (0°), 2 (5°), 3 (10°), 4 (15°), 5 (20°), 6 (25°), 7 (30°), 8 (35°), 9 (40°), 10 (45°), которые были наплавлены с помощью ручной аргонодуговой пайки медью марки М1 ГОСТ 859-78 (рис. 2).

Режимы наплавки: напряжение дуги -60 В, сила сварочного тока - 60А, диаметр проволоки - 1,5 мм, подача проволоки ручная. После наплавки поверхность трения колодки обрабатывалась шлифованием. Размеры колодки: радиус вогнутой поверхности - 25 мм, радиус выпуклой поверхности - 35 мм, ширина - 10 мм, длина - 24,5±1 мм (рис.2). Контртелом во время испытаний служили ролики, изготовленные из чугуна СЧ 24-44 ГОСТ 141285. Размеры роликов: наружный диаметр -50 мм, внутренний диаметр - 16 мм, ширина - 12 мм. Чугунные образцы имели

твердость НВ 240, что соответствует твердости зеркала гильз цилиндров ДВС. Шероховатость рабочей поверхности Ра ролика и колодки соответственно была 0,63 и 0,32 мкм, что соответствует техническим требованиям на капитальный ремонт двигателей УМЗ. Для определения нагрузки и момента трения во время испытаний в статическом режиме определялась зависимость нагрузки от величины линейного сжатия пружины и зависимость перемещения пера графопостроителя от момента трения. Жесткость пружины нагрузки определялась на приборе КИ-040-ГОСНИТИ.

Испытания проводились в течение 3 ч при частоте вращения ролика 420 мин-1. Смазка пары трения осуществлялась погружением ролика в масляную ванну объемом 60 см3 на глубину 3 мм. Для смазки использовали масла марки М-8В БАБ 20W-20, АР1 СВ/Эй ТУ - 0253 - 052 - 04001396 -

02. Образцы испытывались с нагрузкой 815

Н, которую прикладывали ступенями по 135 Н с интервалом 0,5 ч [3, 4].

'6 • 7 — X— 8 □ 9 10

Рис. 3. Зависимость момента трения от времени приработки

54 Технические науки

Антифрикционные свойства материалов оценивали по величине момента трения, который определялся по диаграмме, вычерчиваемой графопостроителем машины трения. Изменение температуры масла во время испытаний регистрировали цифровым мультиметром М - 890 С.

Во время испытаний на начальном этапе наблюдается повышение момента трения практически у всех образцов. Это объясняется тем, что сопряжённые детали изнашиваются весьма быстро, так как происходит приработка трущихся поверхностей. В этот период нагрузка воспринимается преимущественно выступами, причём удельные давления достигают максимальных значений. В результате нарушаются гидродинамические условия смазки. После приработки сопряжённых поверхностей скорость их изнашивания стабилизируется или возрастает незначительно вследствие сглаживания неровностей на трущихся поверхностях и снижения удельных давлений (рис. 3).

Наилучшие показатели момента трения наблюдаются у образцов 4, 5, 6, имеющих угол 15, 20 и 25 град. У этих образцов раньше других заканчивается период приработки, стабилизация происходит через 20 минут после начала испытаний. У сплошного образца момент трения в течение всего времени эксперимента повышается. Эти же показатели подтверждаются зависимостью температуры колодки от времени приработки (рис. 4).

Степень износа определялась по разнице веса образцов до и после испытаний. После проведения испытаний на машине трения колодки промывали в бензине Б-70 ГОСТ 2084-77, высушивали в вытяжном шкафу и взвешивали. Взвешивание иссле-

0 --- — 1 ■ ■ 2 ---- - 3 — 4 ■ 5 Т’ мин

—*—6 • 7 —И—8 —В—9 —Д — 10

Рис. 4. Зависимость температуры колодки от времени приработки

дуемых колодок производилось на весах WA-31 «Zaktady МесИашк Ргесугэдпер с точностью измерения 0,1 х10-3 г. Средний износ определяли по трём взвешиваниям каждого образца:

О^0^0-»/ (3)

где О], О2, О3 - вес образца при трехкратном взвешивании, мг.

На основании результатов исследований получено уравнение регрессии:

У = 0,1761 - 0,0119X1 + 5,4526Е - 5Х2 + 0,0002Х2 -

- 3,6756Е - 7Х1Х2 + 1,7927Е - 8Х22, (4)

где У - износ образцов, мг; - угол на-

клона вставки, град.; Х2 - нагрузка в трибо-узле, Н.

Рис. 5. Поверхность отклика от взаимодействия наклона вставки и нагрузки в трибоузле

Нива Поволжья № 4 (17) ноябрь 2010 55

Результаты исследований показали, что образцы с биметаллизированной поверхностью трения, имеют меньший износ, чем сплошной образец (рис. 5). Интенсивность изнашивания изменяется в зависимости от угла наклона канавки к ширине образца.

Наименьшую интенсивность изнашивания имеют образцы с углом наклона 15° и 20° (рис. 5, 6). Максимальное значение интенсивности изнашивания наблюдается у образцов с углом наклона вставки 0° и 5°.

Рис. 6. Двухмерное сечение, характеризующее степень износа образцов от угла наклона вставки и давления в трибоузле

Результаты проведенных испытаний свидетельствуют о том, что для гильз ци-

линдров при угле подъёма вставки из меди М1 менее 15° поршневые кольца будут проходить зону канавок с ударом, а при угле подъёма более 45° увеличится заброс масла в камеру сгорания двигателя. Таким образом, рациональный угол наклона вставки из меди М1 находится в интервале 15...20°, что обеспечивает снижение износа до 2,6 раза, интенсивность изнашивания на 48.93 % и момента трения на 14,7 %.

Литература

1. Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комбалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

2. Симдянкин, А. А. Контактно-силовое взаимодействие деталей цилиндро-порш-невой группы / А. А. Симдянкин. - Саратов: ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2003. - 42 с.

3. Методы экспериментальной оценки фрикционной совместимости материалов трущихся сопряжений РД 50-662-88 / Государственный комитет СССР по стандартам. - М.: Издательство стандартов, 1988.

- 8 с.

4. Машина для испытаний материалов на трение и износ. Заводское обозначение 2070 МСТ-1: Инструкция по эксплуатации / Союзточмашприбор; Завод испытательных приборов. - Иваново, 1987. - 38 с.

УДК б31.31

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ НОВОГО ОРУДИЯ ДЛЯ МЕЛКОЙ ПОЧВОЗАЩИТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

Н. М. Соколов, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник

ГНУ НИИСХ Юго-Востока, т. (8452) 4б-17-72, E-mail: [email protected]

Приведены результаты исследований основных агротехнических и энергетических показателей противоэрозионного орудия для мелкой обработки почвы к трактору класса 3.

Ключевые слова: мелкая обработка почвы, ресурсосбережение, противоэрозионное орудие, гребне-стерневые кулисы, дисковые рабочие органы, агротехническая оценка.

Основным резервом ресурсосбережения при возделывании полевых культур является способ основной обработки почвы. На долю этого энергоёмкого процесса приходится до 40 % от всех затрат.

Поэтому в последние годы в производстве широко применяют мелкие, ресурсосберегающие обработки почвы. Их выполняют почвообрабатывающими орудиями типа КПШ-5. Это позволяет повысить про-

изводительность агрегатов на основной обработке в 2,0.2,5 раза и значительно снизить расход ГСМ. Однако в отдельные годы при таких обработках на склоновых агроландшафтах Поволжья формируется значительный сток талых вод и эрозионные процессы. В итоге с каждого гектара пашни теряется 35.200 м3 воды и 3.50 т почвы. В связи с этим для повышения про-тивоэрозионной устойчивости мелких об-

SB Технические науки