CC BY
124
УДК 621.879.45.004 Ю. Е. Ежов,
канд. техн. наук, доцент, СПГУВК;
Л. И. Погодаев,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
А. А. Кузьмин,
канд. техн. наук, профессор, СПГУВК
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВЕДУЩИХ ДЕТАЛЕЙ РАБОЧИХ УСТРОЙСТВ
СУДОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ФЛОТА
RISING THE DURABILITI OF ESSENTIAL PARTS OF TECHNICAL WATERCRAFTS FUNCTIONAL MACHINERY
В статье рассмотрены вопросы, связанные с надежностью деталей основных рабочих устройств дноуглубительных земснарядов, грунтовых насосов, черпаковой цепи и прочего, подвергающихся интенсивному комплексному изнашиванию в неоднородных рабочих средах.
Повышение надежности деталей главных двигателей внутреннего сгорания на земснарядах представлено как часть общей проблемы повышения эффективности эксплуатации судов технического флота.
Отмечена целесообразность защиты поверхности деталей от изнашивания наплавкой износостойкими материалами, газотермическими покрытиями, а также пленками, образующимися на поверхностях деталей в результате использования смазочных композиций с реметаллизантами.
The article reviews the problem of durability of essential functional machinery parts of dredge ships, soil pumps, scoop chain, and other equipment that is exposed to intense complex wear in heterogeneous working environments.
Rising the durability of parts of dredge machines’ main internal combustion engines is reviewed here as a component of the general problem of rising the effectiveness of technical watercrafts maintenance.
The article highlights the practicality of the part’s surface protection from abrasion by welding with wear-resistant material, gas and thermal coating, as well as by film, formed as a result of use of re-metalizer lubricants.
Ключевые слова: технология восстановления, земснаряды, наплавочные материалы, энергетический критерий, гидроабразивное изнашивание, прогнозирование долговечности.
Key words: strengthening technology, dredger, braze welding materials, energetic criterion, hydro-abrasive wear, durability forecast.
ИЕТАЛИ рабочих устройств дноуглубительных снарядов-землесосов (з/с) и многочерпа-ковых земмашин (з/м), а также гидроперегружателей подвергаются в процессе эксплуатации весьма интенсивному изнашиванию [1; 5, с. 72-76; 6; 10, с. 166-171].
У землесосных снарядов гидроабразивному изнашиванию (ГАИ) подвергаются грунтовые насосы (рабочие колеса, облицовки корпуса, уплотнения, входные патрубки, крышки), а также детали механических разрыхлителей грунта. Скорость изнашивания элементов рабочих колес з/с в ряде случае достигает 0,1 мм/ч и более (при неоптимальных режимах работы з/с).
В зависимости от скорости смеси, крупности и формы твердых частиц грунта, содержащихся в двухфазной среде, ГАИ и поверхностное разрушение обтекаемых деталей может иметь несколько разновидностей: шлифующее воздействие среды, содержащей мелкий абразив; царапающее воздействие остроугольных абразивных частиц; ударно-абразивное воздействие потока, содержащего крупные включения гальки и гравия, и пр. Часто наблюдается изнашивание деталей от совместного воздействия твердых частиц и гидродинамической кавитации. При
Выпуск 4
¡Выпуск 4
этом интенсивность изнашивания стальных деталей может увеличиться в несколько раз [4, с. 53-60; 6].
У многочерпаковых з/м наибольший износ наблюдается у деталей шарнирного соединения черпаковой цепи, черпаков, соединительных звеньев и элементов нижнего барабана. В большинстве случаев детали подвергаются истиранию, коррозии и схватыванию сопряженных поверхностей при трении без смазки в присутствии абразивных частиц при высоких удельных давлениях и ударах [5; 6].
Самоходные з/с и з/м оснащены энергетическими установками, в состав которых входят судовые двигатели внутреннего сгорания (СДВС), ведущие детали которых, в свою очередь, также подвергаются различным видам изнашивания. В частности, наружные водоохлаждаемые поверхности цилиндровых втулок (ЦВ) дизелей подвергаются эрозии при вибрационной кавитации [2; 7; 8], а внутренние, так называемые зеркальные поверхности изнашиваются в результате контакта с деталями цилиндропоршневой группы (ЦПГ) в сложных условиях трения скольжения при возвратно-поступательном движении поршня [3, с. 56-64; 7; 11, с. 35-44].
Таким образом, для ответственных деталей рабочих устройств и главных двигателей земснарядов преобладающими являются следующие виды изнашивания:
1) гидроабразивное: детали грунтовых насосов; трубы и шарнирные (шаровые) соединения плавучих рефулеров длиной до одного километра;
2) абразивное: в абразивной массе (черпаки, соединительные звенья, нижние барабаны, фрезерные разрыхлители); при трении в присутствии абразивных частиц (шарнирные соединения черпаковой цепи);
3) кавитационное: рабочие колеса грунтовых насосов; водоохлаждаемые поверхности ЦВ и блоков цилиндров ДВС;
4) усталостное и окислительное — при трении скольжения, часто с заеданием: «зеркало» ЦВ; опоры скольжения валовой линии ДВС.
Более подробная схема, характеризующая разновидности изнашивания рабочих устройств з/с, особенности моделирования надежности (износостойкости и ресурса) ведущих деталей, а также способы их упрочнения и восстановления, представлена в табл. 1.
В связи с рассматриваемой общей проблемой надежности рабочих устройств судов технического флота важно отметить, что в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций (СПГУВК), проводились и выполняются в настоящее время комплексные исследования по оценке влияния функциональных покрытий и защитных пленок на работоспособность деталей при кавитационной эрозии, трении скольжения, фреттинг-коррозии и других видах контактного взаимодействия.
Очевидно, что материалы (составы) покрытий и способы их нанесения (осаждения) на поверхности деталей очень разнообразны. Весьма распространенными являются технологии: наплавки и газотермического напыления широчайшего круга материалов, гальванопокрытий, высокотемпературного синтеза, различного рода обмазок и т. д. Все эти технологии нанесения покрытий можно назвать активными или первичными, в отличие от вторичных технологий (процессов), когда покрытия в виде пленок высаживаются из различного рода технологических сред в процессе эксплуатации машин и механизмов, например из смазочных материалов на поверхностях трибосопряжений в виде металлоплакирующих антифрикционных и восстанавливающих субстанций.
Значительный интерес представляют различные способы обработки покрытий в процессе нанесения или после него, например ультразвуковая, механоэлектрическая и химико-термическая (ХТО) обработка плазменных покрытий, а также их пропитка твердеющими составами для заполнения пор.
Таблица 1
Разновидности изнашивания и способы упрочнения и восстановления деталей рабочих устройств судов технического флота
№ п/п Объекты исследований
1 Землесосные снаряды. Многочерпаковые земмашины
2 Рабочие устройства механизмов и машин (РУ)
2.1. Грунтовые насосы (ГН) 2.2. Черпаковые цепи (ЧЦ) 2.3. Судовые энергоустановки (СЭУ)
3 Быстроизнашивающиеся детали
3.1. Рабочие колеса (РК): облицовки, крышки насосов 3.2. Черпаковые пальцы (ЧП): втулки, кольца 3.3. Цилиндровые втулки ДВС (ЦВ): поршневые кольца (ПК), подшипники скольжения (ПС)
4 Преобладающий вид изнашивания
4.1. Гидроабразивное изнашивание (ГАИ) 4.2. Истирание при высоких давлениях, ударах и при абразивной прослойке в трибосопряжениях 4.3. Износ при трении скольжения (ИТС) ЦВ, ПК и ПС коленвала. Гидроэрозия наружной поверхности ЦВ
5 Сопутствующие виды изнашивания
5.1. Гидроэрозия (кавитационная эрозия) 5.2. Схватывание (заедание) поверхностей деталей в трибосопряжениях: абразивная эрозия 5.3. Гидроэрозия (ГЭ) деталей в системе охлаждения ДВС
6 Модели надежности (изнашивания)
7 Структурно-энергетические модели надежности материалов и РУ (СЭМН)
7.1. СЭМН при ГАИ 7.2. СЭМН материалов при трении скольжения с заеданием
деталей грунтовых насосов 7.3. ИТС без смазки 7.4. ИТС при использовании смазочных композиций (СК) (масло с добавками)
8 Множественные корреляционные зависимости ИТС ЦВ ДВС
9 СЭМН материалов и покрытий в жидких средах
9.1. При гидродинамиче ской кавитации и эрозии РК — 9.2. При вибрационной кавитации и эрозии ЦВ
Выпуск 4
¡Выпуск 4
Таблица 1 (Окончание)
10
Способы повышения надежности деталей РУ
10.1
10.1.1. Для РК: замена углеродистой стали 25Л на легированную
10.1.2. Новые наплавочные материалы
10.1.3. Для ЧП: замена кованых пальцев на литые из стали Г13 с хромом, ванадием и титаном
10.1.4. Для деталей ЦПГ дизелей: новые СК с функциональными добавками
10.2
Упрочнение деталей
10.2.1. Термообработка РК из новой легированной стали: электронаплавка
10.2.2. Электролизное борирование ЧП в расплаве буры
10.2.3. Наплавка износостойкими материалами
10.2.4. Электролизное борирование ЦВ
10.2.5. Газотермические покрытия (ГТП) ЦВ с обеих сторон
10.2.6. ГТП подшипников коленвалов
10.2.7. Сульфоцианирование поршневых колец ДВС
10.3
Восстановление деталей
10.3.1. Наплавка РК. Двухслойные покрытия
10.3.2. Нижний слой — наплавка; верхний — синтетическое покрытие
10.3.3. Низ прежний; верх — ГТП (самофлюс)
10.3.4. ГТП изношенных мест ПС на поверхностях трения
11
Расчетно-экспериментальные методы
11.1. Прогнозирование надежности по энергетическому критерию Ж
ІЕ.
11.2. Прогнозирование надежности по аккумуляционному периоду накопления
повреждений тЛ
11.3. Согласование комплекса: грунтопровод-насос-двигатель для землесосов
11.4. Для ЦВ: оптимизация свойств ГТП
11.5. Расчет долговечности ЦВ при гидроэрозии
В процессе исследований методов нанесения различных покрытий и пленок, выполненных представителями научной школы трибологического направления СПГУВК, были получены следующие результаты.
1. Установлено, что работоспособность (надежность) газотермических покрытий и различного рода защитных пленок в трибосопряжениях в зависимости от их структуры и комплекса физико-механических, трибологических, противоизносных и других достаточно важных характеристик удовлетворительно моделируется и рассчитывается при любых видах контактного взаи-
модействия деталей, а также при динамическом воздействии на них неоднородных жидких и газообразных сред (потоков) на основании структурно-энергетического подхода [3; 8; 9].
Впервые созданные на синергетических принципах структурно-энергетические модели надежности компактных, а также пористых материалов и покрытий с единых позиций позволяют описать процессы самоорганизации диссипативных структур в различных условиях внешнего воздействия. При этом учитывается напряженно-деформированное состояние и неоднородность структуры, особенности масштабных переходов, фазовых превращений и предельная энергоемкость, когда происходит разрушение деформируемых сред при распространении в них волн упругих и пластических деформаций [7; 9; 10].
Структурно-энергетический подход позволил разработать эффективную методологию, позволяющую выявлять: физические модели разнообразных процессов разрушения компактных и пористых материалов (покрытий), важнейшие общие и частные зависимости, определяющие их надежность, и в итоге — работоспособность деталей [7; 10; 12].
Практическая значимость изложенного выше научного подхода заключается в открывающихся широких возможностях разработки конкретных методик расчета остаточного ресурса, долговечности и ремонтопригодности ответственных деталей с покрытиями и с защитными пленками в различных отраслях народного хозяйства: в двигателестроении, на транспорте, в оборонной промышленности и т. д.
Предложен новый параметр надежности компактных материалов, пористых покрытий и наплавок, представленный энергетическим критерием — критической плотностью потока мощности деформации, а также аккумуляционным периодом накопления повреждений при поверхностной усталости материалов и критической скоростью динамического нагружения [6; 9; 10; 12].
2. Разработан состав плакирующего концентрата, добавляемого в смазочные материалы и образующего на поверхностях трения наноструктурные металло-минералокерамические защитные пленки, снижающие потери мощности на трение, восстанавливающие сопряженные детали до номинальных размеров, переводя процессы трения и изнашивания в режимы, близкие к оптимальным по энергозатратам и к безызносности. Новый плакирующий концентрат содержит базовое масло и добавки в виде гидросиликата магния (серпентинита), тонкодисперсного порошка оловянистой бронзы, жирных карбоновых кислот и маслорастворимых диалкилдитиофосфатов металлов [13].
3. Разработан оптимальный химический состав и технология плазменного напыления антифрикционного покрытия на основе алюминия (АО16, 5М1,5) на тонкостенные вкладыши подшипников скольжения коленчатых валов судовых двигателей внутреннего сгорания [14].
4. Решена проблема предотвращения эрозии водоохлаждаемых поверхностей цилиндровых втулок судовых двигателей внутреннего сгорания за счет нанесения армированного стекложгутом эпоксипласта — теплоизоляционного эрозионно стойкого покрытия, позволяющего не только защитить наружную поверхность втулок от эрозии при вибрационной кавитации, но и сэкономить до 6 % топлива и смазки за счет оптимизации теплового режима работы двигателей, имеющих пониженную температуру охлаждающей воды на 10-25 °С ниже оптимальной [8; 11].
5. Выявлена высокая эффективность химико-термической обработки деталей из стали и чугуна с плазменно-напыленными покрытиями. В частности, газовая сульфонитроцементация детали из стали 45 с покрытием ПГ-19М-01 толщиной 1,0 мм и общей пористостью ~ 8 % привела к возникновению напряжений сжатия в покрытии, примерно в 2~2,5 раза превышающих его когезионную прочность. При этом адгезия покрытия к основе увеличилась примерно на порядок за счет заполнения дефектов переходной зоны продуктами сульфонитроцементации, в частности сульфидами меди. В стали под пористым покрытием сформировалась высокотвердая карбонитридная зона глубиной примерно 30 мкм, как и при сульфоцианировании детали без покрытия. Таким образом, химико-термическая обработка деталей с пористыми плазменными покрытиями позволяет примерно на два порядка увеличить общую толщину упрочненного слоя [9].
Выпуск 4
¡Выпуск 4
6. Разработана ресурсосберегающая технология автоматической наплавки стальных деталей порошковой проволокой ПП-Нп-10Х15Н2Т модулированным током с частотой модуляции: 0;
1,0; 1,7 и 2,4 с-1. Полученные зависимости стойкости наплавок от уровня остаточных напряжений второго рода, плотности дислокаций, размера первичного зерна аустенита и микротвердости при гидро- и гидроабразивной эрозии подтвердили справедливость основных положений структурноэнергетической теории изнашивания материалов. За счет измельчения зерна, повышения микротвердости и уровня остаточных напряжений сжатия в металле, наплавленном при оптимальной частоте модуляции тока, кавитационно-эрозионная стойкость деталей возрастает в 1,5-2 раза, уменьшается количество дефектов и выравнивается поверхность наплавки, снижая интенсивность гидроабразивного изнашивания за счет устранения вихреобразования при обтекании препятствий в виде наплавленных валиков. При наплавке деталей модулированным током, за счет периодического отключения последнего, можно сэкономить до 30 % электроэнергии [12].
7. Разработаны расчетные методы прогнозирования, позволяющие оперативно выполнить расчет долговечности деталей, подвергающихся в процессе эксплуатации: интенсивной кавитационной эрозии (судовые гребные винты, водоохлаждаемые поверхности цилиндровых втулок и блоков ДВС); гидроабразивному изнашиванию (детали грунтовых насосов землесосных снарядов и гидроперегружателей); комплексному эрозионному воздействию: высокотемпературных потоков газов, твердых и жидких частиц сажи и шлаков, натрий-ванадиевой коррозии, ударно-абразивному изнашиванию и другим внешним разрушающим воздействиям (выпускные клапаны дизельных двигателей, работающие на тяжелых сортах топлива). Некоторые результаты практического внедрения научных разработок конкретизированы в табл. 2.
Результаты моделирования надежности рабочих устройств судов технического флота, накопленные данные лабораторных и натурных испытаний материалов и покрытий на износостойкость позволяют составить совокупность и алгоритмическую последовательность решения частных задач, предопределяющих успех решения общей задачи — повышения надежности рабочих устройств судов технического флота.
1«:
Результаты практического внедрения научных разработок
№ п/п Наименование детали Материал, структура и твердость штатных деталей Напряжение и деформации, виды изнашивания Мероприятия
в детали (конструкции) на макро-уровне на поверхности деталей при различных масштабных уровнях материал (технология, структура, твердость) эффективность
1 Кованые пальцы черпаковой цепи земма-шин Сталь Г13, аусте-нит, НВ 207...220 (исходная) Изгиб и сжатие от макронагрузок в цепи Сжатие, сдвиг, растяжение при абразивном воздействии и схватывании на макроуровне Литые пальцы из сталей: ПЗХЗЛ, Г13Ф2Л и Г13ТЛ; аустенит + карбиды, НВ 220...240 (исходная) Снижение макродеформаций в первый период работы. Повышение износостойкости в 2-3 раза за счет уменьшения зазоров в цепи и присутствия в аустенитной основе карбидов хрома, ванадия и титана. Перевод изнашивания с макро- на мезоуровень
2 Пластины и цевки пластинчатых цепей шлюзовых механизмов гидросооружений Сталь 25 (прокат) — пластина: Сталь 50 (прокат) — цевка; НВ 187...207, улучшение То же Сжатие, сдвиг, растяжение при интенсивном схватывании на макроуровне Поверхностная закалка пластины и цевки при нагреве ТВЧ. Сульфо-нитроцементация + поверхностная закалка (ТВЧ), мартенсит. НЯС 52 ..56 Предотвращение больших пластических деформаций трущихся поверхностей и схватывания 1-го рода. Перевод работы узла трения с макро-на мезо- и микромасштабные уровни малоинтенсивного окислительного изнашивания (то же и для деталей шарниров черпаковой цепи з/с)
3 Быстроизна-шивающиеся детали грунтовых насосов дноуглубительных снарядов Сталь 25Л, феррит + перлит, НВ 170...180 Растяжение от центробежных сил, от воздействия грунте смеси и ударов крупных фракций грунта Гидроабразивное и кавитационное изнашивание на макро- и мезомасштабных уровнях Сталь 30Х4Г2МТЛ, троостосорбит, НУ 420...450, термообработка: нормализация Компромиссное решение: повышение твердости и долговечности в 2-2,5 раза за счет «мягкой» термообработки, обеспечивающей надежность детали при макронагружении и позволяющей производить обработку резанием
а
0 Выпуск 4
Таблица 2 (іОкончание)
4 Судовые гребные винты Сталь 25Л, феррит + перлит, НВ 170...180 Изгиб и сжатие от воздействия среды; удары о посторонние предметы Коррозионно- механическое, кавитационное изнашивание Нержавеющая сталь 06Х14Г2ДРЛ Феррит + мартенсит; термообработка: нормализация и высокий отпуск; НУ 220 Компромиссное решение: обеспечение требуемой прочности и вязкости разрушения на макроуровне при высокой коррозионной стойкости и повышенной долговечности в жидких средах на мезоструктурном уровне
5 Опоры скольжения коленвала двигателя типа 48НФД Трехслойные антифрикционные покрытия фирмы "МіЬа”; основа (сталь 10) — БрС-30, (А06) — гальванический N1 — баббит Изгиб и сжатие от воздействия коленчатого ВЯЛЯ Заедание и абразивное воздействие; окислительное изнашивание Плазменное покрытие (однослойное) А016М (8п 16%, Си 0,8-1,5 % А1 — остальное) Компромиссное решение: обеспечение требуемой циклической вязкости и когезионной прочности на макроуровне при установленном оптимальном содержании олова для достаточной антифрикционности и долговечности на микро- и мезоуровнях
6 Цилиндровые втулки ДВС со стороны охлаждения водой Серый чугун, сталь 38ХМЮА НУ: 180-200 и 300-330 соответственно Динамический изгиб от ударов поршня при вибрациях стенки Эрозия при вибрационной кавитации, коррозионное изнашивание Композиционное покрытие — стеклоэпо-ксипластик Устранение кавитационной эрозии втулки, увеличение ресурса, экономия топлива и масла до 9-10 %, уменьшение износа «зеркала» на 20-30 %
7 Трибосоп-ряжения машин и механизмов Моторные, трансмиссионные и другие масла, пластичные смазки Сжатие, сдвиг(в «третьем теле» и на поверхности деталей) Адгезионное, абразивное изнашивание; фреттинг — коррозия, питтинг эрозия Новые СК на любой смазке с добавками реметаллизантов и геомодификаторов трения («Ресурс») Снижение потерь мощности на трение, восстановление изношенных поверхностей деталей, снижение расхода топлива и масла (в ДВС), увеличение ресурса
университета
водных
коммуникаций
Список литературы
1. Борщевский Ю. Т. Повышение эффективности землесосных снарядов / Ю. Т. Борщевский,
Л. И. Погодаев. — Киев: Бущвельник, 1974. — 274 с.
2. Борщевский Ю. Т. Повышение кавитационной стойкости двигателей внутреннего сгорания / Ю. Т. Борщевский, Л. И. Погодаев. — Киев: Вища шк., 1980. — 208 с.
3. ГолубевН. Ф. Методические основы прогнозирования износостойкости цилиндровых втулок двигателей внутреннего сгорания / Ю. Т. Борщевский, Л. И. Погодаев // Проблемы машиностроения и надежности машин / РАН. — 1997. — № 5.
4. Ежов Ю. Е. Выбор и испытания наплавочных материалов для деталей грунтовых насосов: сб. науч. тр. / Ю. Е. Ежов // Судостроение и судоремонт. — Л.: ЛИВТ, 1990. — Вып. 3.
5. Ежов Ю. Е. Восстановление деталей земснарядов износостойкими наплавками / Ю. Е. Ежов, Л. И. Погодаев, Ю. В. Фролов // материалы XII Междунар. конф. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. — Ч. 1. — С. 72-76.
6. Погодаев Л. И. Режимы работы и долговечность, деталей, земснарядов / Л. И. Погодаев, Н. В. Лукин. — М.: Транспорт, 1990. — 192 с.
7. Погодаев Л. И. Теория и практика прогнозирования износостойкости и долговечности материалов и деталей машин / Л. И. Погодаев, Н. Ф. Голубев. — СПб.: СПГУВК, 1997. — 415 с.
8. Погодаев Л. И. Эрозия материалов и судовых технических средств в неоднородных жидких и газообразных средах / Л. И. Погодаев, А. А. Кузьмин. — СПб.: СПГУВК, 2004. — 237 с.
9. Погодаев Л. И. Структурно-энергетические модели износостойкости покрытий (ГТП) / Л. И. Погодаев, А. А. Кузьмин. — СПб.: СПГУВК, 2005. — 208 с.
10. Погодаев Л. И. Оценка относительной износостойкости высоколегированных наплавочных материалов по энергетическому критерию для защиты деталей грунтовых насосов от гидроабразивного изнашивания / Л. И. Погодаев, Ю. Е. Ежов, А. А. Кузьмин // Ресурсосберегающие технологии ремонта деталей машин: материалы XII Междунар. науч.-практ. конф. — СПб.: Изд-во Политех. ун-та, 2010.
11. Погодаев Л. И. Результаты статистического анализа опытных данных о надежности цилиндровых втулок двигателей 8ЧР24/36 / Л. И. Погодаев, Ю. Е. Ежов, В. В. Усачев // Трение и смазка в машинах и механизмах. — 2011. — № 11.
12. Погодаев Л. И. Структурно-энергетические модели надежности материалов и деталей машин / Л. И. Погодаев, А. А. Кузьмин. — СПб.: Академия транспорта РФ, 2006. — 587 с.
13. Пат. 2247768 РФ, МПК С1 ОМ 163/00. Минерало-металлокерамическая плакирующая смазочная композиция для трибосопряжений машин и механизмов (металлоплакирующий концентрат) / Погодаев Л. И., Кузьмин В. Н. Приоритет от 23.01.03.
14. Пат. 99026620 РФ, МПК 6С 29С 4/08. Материал для напыления антифрикционного покрытия / Погодаев Л. И., Хмелевская В. Б., Абрамов Г. А.; ВНИИПИ Госкомитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ России, 1996.
а
Выпуск 4
