Клименко Леонід Павлович. Теоретичні основи та технології створення вузлів машин з перемінною зносостійкістю

Короткий опис

Клименко Леонід Павлович. Теоретичні основи та технології створення вузлів машин з перемінною зносостійкістю : Дис... д-ра наук: 05.02.04 2002

Клименко Л.П. Теоретичні основи та технології створення вузлів машин з перемінною зносостійкістю. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.04 Тертя на зношування в машинах.
Український державний морський технічний університет ім. адмірала Макарова. Миколаїв 2002. В дисертації подано на прикладі двигунів внутрішнього згоряння теоретичні основи створення вузлів тертя машин з заданими диференційованим зносостійкими властивостями, що забезпечують рівномірний знос робочих поверхонь при експлуатації. Наведено математичну модель розрахунку на знос поверхні в кожній точці. Наведений склад нових чавунів та лігатур для отримання втулок та поршневих кілець дизелів. Описаний ряд нових технологій виготовлення гільз і втулок циліндрів дизелів з заданою перемінною зносостійкістю робочої поверхні. Наведені результати аналізу впливу режимів роботи двигунів на характер зносу циліндрів. Отримані дані широкомасштабних стендових та експлуатаційних випробувань тракторних та суднових дизелів на довговічність.

У дисертації приведено теоретичне обґрунтування і нове рішення наукової проблеми розробки теорії перемінної зносостійкості і створення на її основі вузлів тертя з заданими перемінними зносостійкими властивостями, що забезпечують рівномірний знос поверхонь при експлуатації.
Внаслідок проведеного циклу досліджень вирішена важлива науково-технічна проблема, яка полягає в розробці та широкій реалізації нової концепції управління перемінною зносостійкістю високонавантажених деталей ДВЗ, що забезпечує значне підвищення їх ресурсу, яке має велике народногосподарське значення. Створена технологія управління зносостійкістю як функції координати поверхні.
Розроблено алгоритми і математичні моделі розрахунку поверхонь тертя в нормальних умовах експлуатації в залежності від конструктивних співвідношень і зовнішніх факторів тертя. Виконано зіставлення розрахункових данних при використанні статистичних характеристик
Для забезпечення максимального ефекту підвищення ресурсу втулок і гільз циліндрів необхідно підходити комплексно, включаючи заходи щодо розробки оптимального хімічного складу матеріалу циліндра, способу одержання заготовки, способу зміцнення робочої поверхні, мікро- і макропрофілювання, фінішної обробки, підбора матеріалу контртіла, оптимального змащення і режимів експлуатації. Найбільший вплив на довговічність деталей має структура матеріалу в зоні робочої поверхні. Основні зусилля повинні бути спрямовані на забезпечення заданої оптимальної перемінної структури і властивостей матеріалів деталі в кожній точці робочої поверхні з метою забезпечення її рівномірного зносу при експлуатації.
Розроблено алгоритми створення реальних технологічних процесів одержання циліндрів ДВЗ із заданими перемінними зносостійкими властивостями, що полягають у наступному:

по конструктивних, кінематичних і індикаторних параметрах роботи двигуна розраховуються теоретичні епюри зносу циліндра уздовж його твірної;
по епюрі зносу визначається необхідна структура матеріалу деталі в кожній точці робочої поверхні;
в залежності від структури розраховуються термодинамічні параметри процесу формування заготовки в кожній точці;
по заданих теплових параметрах визначаються параметри технологічного процесу одержання заготовки.

Розроблено сірий комплексно-легований чавун для втулок циліндрів, що забезпечує підвищену зносостійкість. Аналіз мікроструктури дослідного чавуну дозволив установити, що комплексним легуванням і модифікуванням вдалося одержати оптимальну мікроструктуру, що відповідає вимогам зносостійкості. Аналіз отриманих результатів показав, що підвищення зносостійкості дослідних чавунів у порівнянні із серійними досягнуте багато в чому завдяки збалансованому легуванню елементами з протилежним характером ліквації по металевій основі. Розроблена і впроваджена лігатура для одержання сірого легованого чавуна для втулок циліндрів суднових дизелів ЧН 25/34 і ЧН 26/34, що забезпечує високу зносостійкість.
Компресійні кільця знаходяться в тяжких умовах експлуатації і лімітують ресурс дизеля до першої переборки. Довговічність кілець залежить від хімічного складу і структури чавуну. Найкращий комплекс експлуатаційних параметрів має високоміцний чавун з кулястим графітом і перлітною металевою матрицею. Оптимальним складом високоміцного чавуну для компресійних кілець дизеля 6ЧН 26/34 є чавун такого складу: C 3,2...3,6 %; Si 2,0...2,4 %; Mn 0,6...0,8 %; P 0,1...0,15 %, S до 0,05 %, Cr 0,2...0,4 %, Ni 0,2...0,4 %, Mo 0,15...0,35 %, Cu 0,4...0,6 %, V 0,05...0,15 %, Ti 0,02...0,04 %, Mg 0,05...0,08 %, РЗМ до 0,04 %, Fe інше. Для одержання легованого високоміцного чавуну в умовах ваграночного виробництва розроблена нова лігатура наступного складу: Si 5...7 %, P 8...10 %, Cr 2...3 %, Ni 12...16 %, Mo 15...18 %, Cu 25...35 %, V 4...5 %, Ti 2...3 %, P3M 0,1...2 %, Fe - інше. Виливок маслот із застосуванням лігатури забезпечує підвищення механічних і зносостійких властивостей високоміцного чавуну.
Відцентрова відливка маслот дозволяє одержати щільні заготовки і знизити металоємність деталей. Але структура чавуна не є оптимальною. Одержання маслот методом вакуумного всмоктування забезпечує найменшу металоємність деталей, оптимальну структуру і високу зносостійкість. Комплексне легування високоміцного чавуну Mo, Cu, Cr, V і Ni, а також модифікування РЗМ значно підвищує механічні й антифрикційні властивості і може без особливих перебудов виробництва впроваджено на заводах суднового машинобудування.
Розв’язано задачу розрахунку кристалізації й охолодження заготовок циліндрів ДВЗ при литті в піщано-глинястої форми і відцентровим способом. Розроблено відповідні програми розрахунку на ЕОМ.
Розроблений і захищений авторськими свідоцтвами на винахід ряд нових технологій виготовлення циліндрів ДВЗ із заданими перемінними зносостійкими властивостями при відцентровому литті в ізольований і композиційний кокіль, що полягають в управлінні термодинамічними процесами формування заготовки.
Розроблено нову конструкцію і склад композиційної форми на основі спресованого губчатого титана для виливка гільз циліндрів, що забезпечує необхідну газопроникність, низьку теплопровідність і усунення відбілу при литті.
Розроблено нову технологію виготовлення гільз циліндрів ДВЗ із загартуванням СВЧ, що забезпечує високу перемінну твердість і задану зносостійкість деталі, яка полягає в підготовці під загартування чисто перлітної стуктури чавуну за рахунок управління термодинамікою охолодження заготовки та руху індуктора по заданому закону швидкості при загартуванні.
Проведено широкі лабораторні дослідження властивостей комплексно-легованих чавунів, відлитих при різних варіантах керування процесами структуроутворення, встановлені оптимальна структура мілкопластівчатого перліту і 260...280 HB металевої матриці чавуну, форма і розмір графітових включень для кожної точки робочої поверхні циліндра.
Проведено тривалі, до 20000 годин стендові випробування на розгорнутих дизелях дослідних гільз і втулок циліндрів, що показали підвищення ресурсу циліндрів до двух разів, а так само поршневих кілець до 1,5 раза за рахунок поліпшення структури і макрогеометрії поверхні тертя.
Проведений комплекс досліджень по підвищенню ресурсу суднових і тракторних двигунів дозволив впровадити у виробництво нові склади чавунів для втулок, поршневих кілець і поршнів, нову технологію виливки циліндра і забезпечити гарантоване підвищення ресурсу двигунів до 2 разів за рахунок створення деталей із заданою перемінною зносостійкістю робочої поверхні та отримати підтверджений економічний ефект більше 1 мільйона гривень на рік.