Содержание к диссертации
Введение
1 Проблема повышения ресурса трибосопряжения «поршневое кольцо - втулка цилиндра». Цель и задачи исследований 10
1.1 Состояние вопроса. Общая схема исследований 10
1.2 Функции поршневых компрессионных колец. Особенности условий работы кольцевого уплотнения 14
1.3 Особенности процессов изнашивания и нарушения работоспособности деталей цилиндро-поршневой группы судовых среднеоборотных дизелей 18
1.4 Анализ способов упрочнения рабочей поверхности поршневых компрессионных колец 25
1.5 Материалы и износостойкие покрытия для поршневых колец дизелей 30
1.6 Выводы, постановка задач исследований 34
2 Исследование материалов и покрытий поршневых компрессионных колец судовых среднеоборотных дизелей ..., 36
2.1 Микроструктура, механические свойства и химический состав покрытий поршневых колец 36
2.2 Сравнительные триботехнические испытания материалов и покрытий поршневых компрессионных колец судовых среднеоборотных дизелей 46
2.2.1 Методика триботехнических испытаний 46
2.2.2 Коэффициент трения 49
2.2.3 Износостойкость 57
2.2.4 Стойкость к задиру 64
2.3 Обобщение и анализ результатов испытаний. Выбор материалов покрытия поршневых компрессионных колец 66
2.4 Выводы по 2 главе 70
3 Оптимизация режимов напыления сталь-бронзового псевдосплава на рабочую поверхность поршневых компрессионных колец 72
3.1 Общие положения. Выбор факторов и параметров оптимизации .„.72
3.2 Планирование эксперимента 77
3.3 Методики проведения исследований и обработки экспериментальных данных 79
3.4 Анализ регрессионных уравнений. Оптимальные режимы нанесения псевдосплава 60С2 +Бр.КМц-3-1 86
4 Разработка технологии изготовления поршневых компрессионных колец с износостойким покрытием 96
4.1 Основные этапы технологической подготовки производства 96
4.2 Особенности технологического процесса изготовления поршневых колец с использованием электродуговой металлизации сталь-бронзовых псевдосплавов 99
4.3 Влияние химико-термической обработки на свойства сталь-бронзовых псевдосплавов 103
Заключение 111
Список библиографических источников 113
Приложения . 127
- Функции поршневых компрессионных колец. Особенности условий работы кольцевого уплотнения
- Сравнительные триботехнические испытания материалов и покрытий поршневых компрессионных колец судовых среднеоборотных дизелей
- Методики проведения исследований и обработки экспериментальных данных
- Особенности технологического процесса изготовления поршневых колец с использованием электродуговой металлизации сталь-бронзовых псевдосплавов
Введение к работе
Актуальность работы. В системе водного транспорта перед судоремонтными предприятиями стоят задачи повышения качества, сокращения сроков ремонта судового оборудования, изготовления сменно-запасных частей в необходимом количестве, снижение затрат на сырье, энергию и материалы.
Существующая тенденция переоборудования судов речного флота для работы в условиях прибрежного морского плавания требует высокой надежности их эксплуатации в течение длительного периода времени, что в значительной степени определяется техническим состоянием главных и вспомогательных дизелей.
В свою очередь, опыт эксплуатации судовых дизелей показывает, что сроки проведения текущих и средних ремонтов, экономичная и надежная работа двигателей определяются техническим состоянием деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ). Эти детали, особенно поршневые компрессионные кольца (ПКК) и втулки цилиндров, работают в экстремальных условиях граничного и сухого трения, высоких температур, значительной механической и тепловой напряженности, при воздействии агрессивной среды. В результате ресурс серийно выпускаемых в настоящее время запасных деталей оказывается ниже нормативных значений, что вынуждает исследователей изыскивать пути, методы и технологии, способствующие решению актуальной проблемы - повышению действительного ресурса трибосопряжения «ПКК - втулка цилиндра». Решение подобной задачи невозможно без комплексного подхода, учитывающего современные достижения трибологии, материаловедения, теории и практики ремонтного производства.
Фундаментальные и прикладные проблемы трибологии и триботехники рассматриваются в работах Э.Д. Брауна, Н.А. Буше, Д.Н. Гаркунова, Ю.Н. Дроздова, И.В, Крагельского, Л.И. Погодаева, А.А. Полякова, А.В, Чичинадзе и других.
Труды известных ученых В.М. Кряжкова, Ю.Г. Кулика, М.А. Масино, ИА. Мишина, М,К. Овсянникова, А.П. Семёнова, Ю.В. Сумеркина, М.М. Тененбаума, Ю.Н. Цветкова, В.И. Чернова, В.А. Шадричева посвящены проблемам повышения эффективности ремонтного производства.
Вопросы теории и практики повышения работоспособности деталей машин освещены в работах В.М. Андрияхина, А.В. Асташкевича, О.А. Борчевского, B.C. Горобца, Н.Ф. Голубева, А.П. Ермакова, Ю.Е. Ежова, А.В. Криулина, А.Я. Кулика, В.В. Кудинова, В.А. Скуднова, А.Д. Соколова, Н.С. Молодцова, А.П. Пимошенко, В.Б. Хмелевской,
Большое внимание деталям ЦПГ судовых, тепловозных и автомобильных двигателей в своих работах уделяют А.В. Астащкевич, Б.Я. Гинцбург, Ю.И. Матвеев, P.M. Петриченко, Л.И. Погодаев, А.Н. Устинов, К. Энглиш.
Весь объем фундаментальных и прикладных работ, выполненных в данных областях, позволил разработать, практически и научно обосновать массу современных ресурсосберегающих технологий и решений, направленных, в конечном итоге, на повышение работоспособности пары трения «ПКК - втулка цилиндра».
Однако на предприятиях Министерства транспорта РФ большинство этих решений и технологий до сих пор не востребованы и запасные детали к судовым дизелям и сейчас выпускаются по технологиям 70-х годов. Это обусловлено, прежде всего, сложившейся на сегодняшний
день в России экономической ситуацией, когда предприятия не готовы вкладывать средства в освоение и внедрение новых технологий.
Следовательно, актуальной в настоящее время становятся задачи разработки и внедрения на судоремонтных предприятиях эффективных и доступных технологий с малым сроком окупаемости, позволяющей в то же время увеличить сроки проведения межремонтных периодов судов.
В качестве главных на судах речного и смешанного «река-море» плавания используются судовые среднеоборотные двигатели (СОД). Они, в конечном итоге, и определяют провозную способность речного транспорта.
Целью работы является разработка промышленной технологии изготовления ПКК с износостойким покрытием, обеспечивающей повышение ресурса деталей ЦПГ СОД.
Для достижения поставленной цели решались задачи:
Установить причины выбраковки деталей ЦПГ СОД, проанализировать условия их работы и особенности протекания процессов изнашивания.
Обобщив опыт передовых отечественных и зарубежных двигате-лестроительных предприятий, и проведя аналитический обзор работ, посвященных вопросам повышения износостойкости трибосопряжений, обосновать метод повышения износостойкости рабочих поверхностей ПКК СОД.
На основании исследований выбрать материалы покрытий, обладающие высокими эксплуатационными характеристиками.
Провести оптимизацию режимов нанесения покрытий.
Определить влияние химико-термической обработки (ХТО) на свойства покрытий.
6 На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработать и внедрить на предприятиях водного транспорта ресурсосберегающие технологии с использованием метода электродуговой металлизации (ЭДМ).
Научная новизна работы заключается в следующем:
Обоснована целесообразность применения ЭДМ для повышения работоспособности деталей ЦПГ. Впервые предложено покрытие для ПКК судовых СОД, представляющее собой псевдосплав «сталь-бронза» с высокими триботехническими и адгезионными характеристиками.
Разработаны обобщенные критерии для оценки работоспособности и выбора материалов и покрытий деталей, работающих в условиях трения.
Получены регрессионные уравнения, связывающие технологические режимы нанесения сталь-бронзовых псевдосплавов с их адгезионными и триботехническими характеристиками, определены оптимальные режимы послойного формирования псевдо сплавов на рабочую поверхность ПКК.
Доказано положительное влияние химико-термической обработки (ХТО) на триботехнические характеристики сталь-бронзовых псевдосплавов.
На защиту выносятся:
Результаты исследования микроструктуры, химического состава и механических характеристик сталь-бронзовых псевдосплавов, полученных методом ЭДМ..
Результаты сравнительных триботехнических испытаний материалов и покрытий ПКК СОД и обоснование материала покрытия с высокими эксплуатационными характеристиками.
Оптимизация режимов нанесения сталь-бронзовых псевдосплавов на рабочие поверхности деталей машин.
Технологический процесс изготовления ПКК с износостойким покрытием.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработан технологический процесс изготовления ПКК СОД с износостойким покрытием, на ООО «Метмаш» (ранее - ОАО «Завод Нижегородский Теплоход») изготовлена опытная партия поршневых колец.
Определены оптимальные режимы нанесения сталь-бронзовых псевдосплавов на рабочую поверхность деталей, изготовленных из серого чугуна.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров-механиков.
Внедрение результатов диссертационной работы в производство позволит увеличить сроки межремонтных периодов, повысить экономичность и надежность эксплуатации судовых дизелей, сократить потребность в запасных деталях ЦПГ СОД.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных оборудования и методик исследований, значительным объемом экспериментальных данных. При обработке и анализе данных использовались методы корреляционно-регрессионного и математического анализа, привлекался аппарат математической теории планирования эксперимента.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции, посвященной 35-летнему юбилею кафедры «Автомобильный транспорт»
(Н. Новгород, 1998); научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (Н. Новгород, 2003); III Международной конференции «Энергодиагностика и Condition Monitoring» (Н. Новгород, 2000); VII Нижегородской сессии молодых ученых (Дзержинск, 2002); VIII Нижегородской сессии молодых ученых (Дзержинск, 2003); VII Всероссийской молодежной научной конференции «Королевские чтения» (Самара, 2003).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 5 приложений. Основной текст диссертации изложен на 112 с машинописного текста, в том числе 26 рисунков и 13 таблиц. Список библиографических источников включает 145 наименований.
Функции поршневых компрессионных колец. Особенности условий работы кольцевого уплотнения
Основная функция ПКК - создание, совместно с поршнем, уплотнения, которое обеспечивало бы изоляцию объемов камеры сгорания и подпоршневого пространства [35, 59, 104, 133].
Кольцевое уплотнение представляет собой «лабиринтное уплотнение с пружинящими промежуточными звеньями» [133]. Как в любом лабиринтном уплотнении, утечки газов через кольца неизбежны - важно свести их к минимуму. При величинах утечек, превышающих некоторый «допустимый предел» [133] неизбежно ухудшение качества протекания рабочего процесса и, как следствие этого [4, 57, 58, 87, 122, 142]: снижение мощности и повышение расхода топлива; ухудшение запуска двигателя; увеличение расхода масла; коксование масла и пригорание колец в канавках поршня; повышенный износ колец и втулок цилиндров; перегрев деталей ЦПГ; усиление нагаро- и лакоотложения и т.д.
Следующая, не менее важная, функция ПКК - передача теплоты от поршня к втулке цилиндра. В связи с увеличением агрегатных и цилиндровых мощностей, ростом степени форсирования современных дизелей проблема снижения тепловой напряженности деталей ЦПГ является особенно актуальной. Известно [23, 42, 89], что 50...80% теплоты, воспринимаемой поршнем, отводится именно компрессионными кольцами. При этом до 30% отводимого тепла приходится на первое кольцо [130]. При масляном охлаждении поршней тепловая напряженность ПКК несколько ниже — большая часть отводимого тепла приходится на охлаждающее масло.
Выполнение компрессионными кольцами своих функций возможно лишь при наличии плотного прилегания кольца к втулке цилиндров (радиальное прилегание) и одного из его торцов к торцу канавки поршня (осевое прилегание).
Радиальное прилегание обеспечивается силой собственной упругости и давлением газов в заколечном объеме. Осевое прилегание кольца к канавке поршня происходит за счет сил инерции и давления газов. В зависимости от направления движения поршня и распределения давлений
в закол ечных объемах осевое прилегания может происходить попеременно по нижнему или верхнему торцам кольца [43, 118, 133].
Кроме сил собственной упругости, давления газов и сил инерции, на кольцо действуют силы трения [35,43, 133], величина которых весьма значительна, и именно потери на трение в ЦПГ составляют большую часть механических потерь в дизеле-до 60...70% [118, 140].
Соотношение сил, действующих на поршневые кольца, может существенным образом меняться, вследствие чего перемещение кольца не является строго шюскопараллельным. Известно, например, что поршень совершает движения, которые принято называть «опрокидыванием». Из-за этого кольца будут перемещаться в направлении поперек поршня [133]. Неравномерный износ «зеркала» цилиндра по диаметру, несимметричное распределение радиальных давлений приводит к медленному «проворачиванию» колец в канавках. Вследствие неравномерного распределения температур, диаметр втулки цилиндра в верхней части становиться больше, чем в нижней, из-за чего поршневое кольцо «дышит» и это движение имеет и радиальную и тангециальную составляющие [133].
Кольцо совершает также дополнительные перемещения вследствие неизбежных неточностей относительной установки (несоосностей) втулки, поршня и т.д.
В определенном диапазоне частот вращения коленчатого вала иногда наблюдается явление вибрации поршневых колец в осевом и радиальном направлениях (вибрация типа «флаттер»). Явление вибрации сопровождается падением мощности, увеличением пропуска газов. Длительная эксплуатация дизеля в таком режиме может привести к поломкам колец и задиру втулки цилиндров. В работе [133] явление вибрации рассматривается как резонансное, связанное с представлением кольца как колебательной системы. Иная гипотеза возникновения радиальной вибрации — несоответствие гидродинамической подъемной силы и силы трения кольца о поверхность канавки [72, 86, 116]. Некоторые авторы утверждают, что колебания имеют гидродинамический характер и практически не связаны с собственными колебаниями кольца как свободной механической системы [118]. В целом следует отметить, что явление вибрации в силу своей сложной природы изучено недостаточно и может явиться предметом отдельного исследования.
Существенное влияние на работу кольцевого уплотнения оказывает слой смазочного масла на поверхности втулки цилиндра. Температура и количество масла является одним из основных факторов, оказывающих влияние как на силу трения, так и на условия теплоотвода от поршня к втулке цилиндров [60, 71, 105, 106, 130].
При увеличении толщины масляной пленки увеличивается термическое сопротивление масляного клина в зазоре "кольцо — «зеркало» цилиндра" [89, 122], что приводит к ухудшению условий теплоотвода; но с другой стороны — уменьшается работа сил трения и износ деталей Ці 11 . Расчеты, выполненные в работах [60, 71, 105, 106, 118, 130] показывают, что на такте «сжатие — расширение» оптимальной является толщина пленки порядка 1...3 мкм, а по мере уменьшения перепада давлений в цилиндре двигателя это значение увеличивается до нескольких десятков микрометров. Оптимальной считается пленка толщиной 3... 5 мкм, равномерно распределенная по всей поверхности втулки. Такой слой обеспечивает приемлемые величины угара масла и высокую интенсивность теплоотвода от поршня через поршневые кольца [118]. Таким образом, функции ІЖК весьма многообразны, они подвергаются воздействию большого количества действующих сил и соверша
Сравнительные триботехнические испытания материалов и покрытий поршневых компрессионных колец судовых среднеоборотных дизелей
В соответствии с общей схемой исследований (см. рисунок 1.1), второй этап предполагает проведение сравнительных испытаний материалов и покрытий ПКК СОД.
Сравнительные испытания проводились на машине трения 2070СМТ-1 по схеме нагружения «диск - колодка» (рисунок 2.6). Размеры образцов приведены на рисунке 2.7.
Подвижные образцы (диски) изготавливались из материала цилиндровых втулок судового двигателя 6(8) ЧРН 32/48 (серый чугун СЧ 25 ГОСТ 1412-85), а неподвижные образцы (колодки) - из материала поршневых колец — серый чугун СПЧФ.
На внутреннюю поверхность колодок наносились покрытия в соответствии с п. 2.1. Поверхность диска, непосредственно находящаяся в контакте с колодкой, шлифовалась до шероховатости Ra = 0,63.,,0,8 мкм на специальной оправке. Механическая обработка колодок осуществлялась точением до Ra 51,25... 1,6мкм. Контроль качества обработки ис следуемых поверхностей трения проводился на профилографе-профилометре 201.
Дополнительно испытывались материалы поршневых колец -СПЧФ (сульфо цианирование, ООО «Метмаш») и поршневое кольцо с гальваническим хромированием (ОАО «РУМО»).
Площадь контакта колодки с диском составляла 140 мм . В зону трения подавалось дизельное масло М10В2 (ГОСТ 8581-78). Подача масла в зону трения (капель в минуту) устанавливалась численно равной площади поверхности трения нижнего подвижного образца (в мм2) в соответствии с ГОСТ 23.224-86 «Методы оценки износостойкости восстановленных изделий».
Перед началом испытаний образцы прирабатывались в течение 6 ч при скорости скольжения 1,05 м/с (400 мин"1). В начале процесса приработки удельная нагрузка принималась равной 3,6 МПа и постепенно увеличивалась до 10 МПа. Повышение нагрузки осуществлялось плавно, не допуская резкого увеличения момента трения. Момент трения фиксировался с помощью индукционного датчика и регистрировался электронным потенциометром КСП—4.
Сравнительные испытания проводились в три этапа. Определялись: 1) коэффициенты трения исследуемых материалов при работе в паре с материалом цилиндровой втулки; 2) износостойкость материалов кольца и цилиндровой втулки; 3) стойкость материалов и покрытий поршневых колец к задиру.
На всех этапах испытаний определяли коэффициент трения, который рассчитывается по формуле: где Мтр — момент трения на вращающемся валу, Н-м; Р - нагрузка, Н; D - диаметр диска, м. Значение коэффициента трения определялось по формуле (2.1) при скоростях скольжения 0,05; ОД6; 0,26; 0,52; 0,79; 1,05; 1,57; 2,09 и 2,62 м/с (что соответствовало частоте вращения нижнего образца 20; 60; 100; 200; 300; 400; 600; 800; 1000 мин"1) и дискретно изменяющейся удельной нагрузке 0,71; 1,43; 2,14; 2,86; 3,57; 4,29; 5; 5,71; 6,43; 7,14; 7,86; 8,57; 9,29; 10; 10,71; 11,43; 12,14; 12,86; 13,57; 14,29 МПа (100; 200;... 1900; 2000 Н соответственно). Результаты экспериментов представлены на рисунках 2.8. Экспериментальные точки представлены в полулогарифмических координатах / = F[\g(P- V)], (Р — удельная нагрузка, МПа; V — скорость скольжения, м/с). При триботехнических исследованиях пар трения важно оценить характер изменения коэффициента трения/в зависимости от нагрузки и скорости скольжения.
Для базовой пары («СЧ 25 - СПЧФ», рисунок 2.8 - а) при всех исследуемых скоростях с увеличением удельного давления до 5...7МПа коэффициент трения уменьшается, затем наблюдается некоторая его стабилизация, а с дальнейшим увеличением нагрузки - рост до значений свыше 0,09. Рассматривая влияние скорости скольжения на изменение коэффициента трения в пределах скоростей 0,05...0,79 м/с можно наблюдать эквидистантный сдвиг кривой f = F(P) В сторону уменьшения /. Однако при V 0,79 м/с наблюдается «подъем» кривой в сторону больших значений коэффициента трения. Это объясняется, прежде всего, ухудшением условий смазывания трибосопряжения вследствие интенсивного разогрева трущихся поверхностей до температуры 180.. .200С. Для пары трения «СЧ 25 - Сг» (рисунок 2.8—6) характер кривых f = F(P) несколько иной — сначала рост коэффициента трения (при нагрузках 0,7...3 МПа), затем некоторое уменьшение и опять возрастание при Р= 7...3,5 МПа (большие нагрузки соответствуют моменту возрастания / при малых, меньшие - при высоких скоростях относительного перемещения образцов).
При увеличении скорости скольжения до 2,62 м/с отмечается стабильное снижение коэффициента трения, В данном случае влияние разогрева трущихся поверхностей не столь существенно (хотя температура в зоне трения достигала 220С) вследствие наличия микрогеометрии хромового покрытия, что способствует хорошему удержанию смазочного материала на поверхности трения. У пары трения «СЧ 25 - Ф» (рисунок 2.8 — в) при скоростях 0,16...2,09 м/с и нагрузках до 7...8 МПа коэффициент трения минимален (менее 0,03) и с увеличением нагрузки до 8 МПа практически не меняется. С дальнейшим увеличением нагрузки наблюдается рост значений коэффициентов трения. Однако и в этом случае максимальное значение коэффициента трения не превышает 0,07. Аналогично первым двум рассмотренным парам трения с увеличением скорости коэффициент трения также уменьшается, и лишь при скоростях свыше 2,09 м/с наблюдается возрастание/
Для пары «СЧ 25 — » (рисунок 2.8 — г) при увеличением нагрузки наблюдается стабильный рост значений коэффициента трения (четко прослеживается практически линейная зависимость/"от Р).
Увеличение скорости скольжения, в свою очередь, ведет к параллельному сдвигу линии f = F(P), при незначительном уменьшении значений коэффициента трения. Для последней из рассматриваемых пар трения «СЧ 25 - » (рисунок 2.8-д) характер изменения коэффициента трения от нагрузки аналогичен паре «СЧ25 - Ф» - практически постоянное значение/при нагрузках до 7 МПа (значения коэффициента трения в этом случае не превышают 0,03) и с увеличением нагрузки - дальнейший рост до величины 0,08...0,10.
Анализируя влияние нагрузки и скорости скольжения на характер изменения и значения коэффициента трения можно заключить: все исследуемые псевдосплавы в интервале давлений, характерных для судовых СОД (до 7 МПа), обладают меньшими значениями коэффициента трения (до 0,08), по сравнению с базовыми материалами поршневых колец (чугун СПЧФ и Сг); увеличение удельного давления свыше 5 МПа для пары трения «СЧ 25 - СПЧФ» ведет к резкому увеличению коэффициента трения, для псевдоплавов Ф и в паре с СЧ 25 подобное увеличение коэффициента трения отмечается лишь при нагрузках свыше 7...8 МПа; у псевдосплава Ф наблюдается стабильный рост значений коэффициента трения от нагрузки; при увеличении скорости скольжения практически для всех исследуемых пар трения характерен эквидистантный сдвиг зависимости /= F(P) в сторону меньших значений / что, видимо, обусловлено увеличением толщины и несущей способности масляной пленки и переходом к режиму граничного трения.
Методики проведения исследований и обработки экспериментальных данных
Напыление покрытий осуществлялось в соответствии с выбранным планом эксперимента (таблица 3.1), все опыты были рандомизированы [83]. Переход от кодированных значений факторов к натуральным осуществляли по ГОСТ 24026-80 (таблица 3.2). Определение износостойкости трибосопряжения проводили по формуле (2.5), по методике, описанной в разделах 2.4 и 2.5 на следующих режимах работы трибосопряжения; нагрузка, МПа (Н) 7,143 (1000); скорость скольжения, м/с (мин"1) 1,05 (400); путь трения, м 10 000. Прочность сцепления покрытия с основой оценивали методом продавливания штифта с покрытием через отверстие в матрице ([139], рисунок 3.1). Если выборочные асимметрия и эксцесс удовлетворяют неравенствам \А\ 3 jD(A) и \E\ 5 D(E), то распределение считается нормальным. Результаты экспериментов аппроксимировали методом наименьших квадратов полиномиальной зависимостью второй степени вида: к к где у — зависимая переменная (параметр оптимизации); b0, Ьп Ь0 — статистические оценки коэффициентов регрессии; к — число варьируемых факторов ( к = 4 ). Расчет оценок коэффициентов регрессии для ротатабельного ортогонального планирования производится по формулам [83]: где у0 — среднее арифметическое параметра оптимизации, оценённое по опытам в центре плана: па число повторных опытов в центре плана (и0 =12), Дисперсия оценок коэффициентов регрессии определяется: Проверка статистической гипотезы о значимости коэффициентов регрессии производилась по условию: где t — расчетное значение критерия Стьюдента: Vos;/) табличное значение критерия Стьюдента при уровне значимости 0,05 и числе степеней свободы f=N — d, d — число членов полинома (d = 15). При выполнении условия (3.2) оценка коэффициента регрессии считается значимой, в противном случае рассматриваемый фактор (или взаимодействие факторов) отбрасывается без пересчета коэффициентов регрессии. По полученной модели рассчитывается остаточная сумма квадра N тов: 5Й = Х(Ру УиУ с числом степеней свободы: fR=N — d {уи — рас четное значение параметра оптимизации; de — число членов полинома после исключения незначимых факторов). Сумма квадратов, связанная с дисперсией, определяющей неадекватность представления результатов эксперимента полиномом второй степени определяется: SlF=SR-SE с числом степеней свободы J IF JR J Е Проверку гипотезы об адекватности модели проводится по F-кри-терию: где F,0 05;/LP.I/F) — табличное значение критерия Фишера при уровне значимости 0,05 и числе степеней свободы в числителе/ и в знаменателе fE [96]. Множественный коэффициент корреляции рассчитывается по фор муле: LF Результаты реализации плана эксперимента и расчеты по приведенным формулам приведены в Приложении А. В случае многокритериальной оптимизации целесообразно после реализации плана эксперимента провести корреляционный анализ и рассчитать коэффициент парной корреляции. В этом случае зачастую удается выразить один параметр оптимизации через другие и свести задачу поиска оптимума к однокритериальной [19, 31]. В данном случае расчетное значение коэффициента парной корреляции R{l, erj = 0,35 (рисунок3 Таким образом, существенной корреляции между параметрами оптимизации не наблюдается, следовательно сведение задачи к однокрите-риальной нецелесообразно, и дальнейшую оптимизацию необходимо проводить отдельно - для износостойкости и адгезионной прочности. Окончательно получены следующие регрессионные уравнения, адекватно описывающие связь между параметрами оптимизации и варьируемыми факторами:
Особенности технологического процесса изготовления поршневых колец с использованием электродуговой металлизации сталь-бронзовых псевдосплавов
Опытный технологический процесс изготовления ПКК можно условно разделить на следующие группы операций: 1) получение заготовок — используется типовой производственный технологический процесс литья маслот (центробежным способом или литьем в земляные формы) из материала СПЧФ; 2) предварительная механическая обработка; 3) нанесение покрытия на рабочие поверхности поршневых колец; 4) последующая механическая обработка; 5) технический контроль. При предварительной механической обработке выполняются следующие технологические операции - на токарных станках производится точение маслот с последующей отрезкой колец. Затем на плоскошлифовальном станке шлифуется торец каждого кольца. После чистового растачивания по внутреннему диаметру, кольца собираются в пакет на специальную оправку, на которой производится точение канавок под покрытие, струйно-абразивная обработка, напыление и окончательная механическая обработка рабочей поверхности колец. Струйно-абразивная обработка пакета поршневых колец производится в струйно-абразивной камере в соответствии с ОСТ 5.9229-81 по режиму, приведенном в п. 3.1. Качество струйно-абразивной обработки необходимо контролировать по специально подготовленным эталонам, на подготовленных поверхностях не допускается наличия необработанных участков. Эталоны изготавливаются в виде пластин или колец, в качестве эталона можно использовать образцы, вырезанные из поршневых колец. В соответствии с ГОСТ 9378-75 эталоны снабжаются паспортом с указанием марки основного материала и материала покрытия, метод подготовки поверхности под покрытие, параметр шероховатости Rzt режимы нанесения покрытия, толщины промежуточного и основного покрытий. Окончательным технологическим переходом данной операции является обдув обработанных поверхностей сжатым воздухом до полного удаления с них абразивной пыли и чугунной крошки. Для исключения окисления подготовленных поверхностей и попадания на них влаги, операция нанесения покрытия 60С2+ Бр.КМц-3-1 выполняется непосредственно после поверхностной активации рабочих поверхностей поршневых колец, допускаемый перерыв между этими операциями — не более 2 ч [6].
Нанесение псевдосплава на подготовленные поверхности следует производить стационарными электродуговыми металлизаторами ЭМ-12,
ЭМ-17 или ЭМ-19 конструкции ВНИИАвтогенмаша. В качестве энергоисточника можно использовать сварочные трансформаторы постоянного тока мощностью 20...30 кВт, с диапазоном изменения напряжения 35...50 В (КДМ-2, ВДУ-504, ВДУ-506).
Перед нанесением покрытия металлизатор устанавливается в суппорте токарного станка таким образом, чтобы его ось располагалась к поверхности пакета колец под углом 90±10. При нанесении рабочего покрытия следует применять проволоки диаметром 2 мм марок 60С2 ГОСТ 14955-77 и Бр.КМц-3-1 ГОСТ 5222-72 (см. п.п. 2.6, 2.7). При этом бронзовую проволоку следует подключать к положительному, а стальную — к отрицательному электроду. Первоначально на рабочую поверхность колец следует наносить адгезионный «подслой» (см. п. 3.5) толщиной 0,08 ...0,12 мм. Затем формируется основной слой толщиной 0,7 мм (см. п. 3.5) с высокими триботехническими характеристиками. Геометрические характеристики пакета колец приведены на рисунке 4.3 После напыления покрытия кольца подвергаются тщательному контролю на наличие возможных дефектов (трещины, отслоения) и на равномерность толщины покрытия. Качественную оценку адгезионной прочности рекомендуется производить ультразвуковым способом [79].
Последующая механическая обработка - точение наружной поверхности поршневых колец - выполняется на оправке без использования смазочно-охлаждающих жидкостей токарным проходным прямым резцом (инструментальный материал марки ВК6) со следующими геометрическими параметрами, определенными на основании накопленного производственного опыта: главный угол в плане - ф = 65...70; вспомогательный угол в плане - фі = 15; передний угол - у = 5; задний угол - а = 8. Режимы механической обработки покрытия: скорость резания — V = 20...30 м/мин; подача - S„ = ОД5. ..0,25 мм/об; глубина резания — t = 0,3 мм. После обработки наружной поверхности точением в номинальный размер, пакет поршневых колец разбирается и выполняется операция фрезерования «замка». В этом случае необходимо применять попутное фрезерование с целью исключения скола или отслоения нанесенного покрытия. По завершению операции фрезерования поршневые кольца обрабатываются в соответствии с действующим на производстве технологическим процессом. При этом исключается операция притирки колец. Из практики эксплуатации дизелей установлено, что на процесс изнашивания пары трения втулка цилиндра — поршневое кольцо большое влияние оказывает форма кромок колец. Острые кромки способствуют маслосъемному действию компрессионных колец, что зачастую ухудшает распределение смазочного материала по поверхности втулки и увеличивает интенсивность изнашивания, особенно в период приработки. В связи с этим, на всех экспериментальных кольцах предусматривались кромочные радиусные фаски радиусом 0,5...1 мм (на серийных кольцах ОАО «Завод Нижегородский Теплоход» эти фаски отсутствуют). В действующем технологическом процессе изготовления поршневых колец СОД на ООО «Метмаш» и ОАО «ГСРМЗ» операцию термофиксации ПКК совмещают с химико-термической обработкой — сульфо-цианирование - одновременное насыщение углеродом, азотом и серой. В работах В.Б. Хмелевской [126], Ю.И. Матвеева [75, 78], А.В.Троицкого [120] и С.Г. Чулкина [131] было показано положительное влияние химико-термической обработки (в то числе и сульфоциани-рования) на трибогехнические и адгезионные свойства покрытий, наносимых методами плазменного напыления (ПН85Ю15, ВСНГН88, ПГ19М-01, ПГСР-3) и ЭДМ (углеродистые стали). Показано, что после сульфоцианирования покрытий, полученных методами плазменного напыления и ЭДМ, уменьшается коэффициент трения и увеличивается износе- и задиростойкость покрытий при их работе в парах со сталью и чугуном. Обширный обзор работ, посвященных опыту применения сульфоцианирования стальных, чугунных и керамических деталей, приведен в работах А.В. Криулина [65-67]. Им проведено глубокое исследование микроструктуры и механических характеристик сульфоцианированного слоя на стали и чугуне, раскрыт механизм его образования и особенности протекания процессов изнашивания сульфоцианированных деталей при различных видах трения. А.В. Криулиным приведены многочисленные примеры успешного применения этого вида химико-термической обработки и доказано, что в результате активизации адсорбционно-химического взаимодействия граничного слоя смазки, при воздействии с сернистыми соединениями сульфоцианированного слоя, существенно улучшается прирабатывае-мость трибосопряжений [67]. Значительное влияние процесс сульфоцианирования оказывает на повышение стойкости пар трения к задиру и схватыванию в условиях сухого трения, особенно при высоких нагрузках и малых скоростях. Суль-фоцианированный слой резко меняет характер взаимодействия трущихся
