КОРПУС БЛОКА ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, более конкретно, к корпусам блоков цилиндров двигателей, содержащих отверстия под подшипники, снабженные износостойким покрытием из композиционного материала для компенсации изменения размеров отверстий в результате износа. Предложение может найти применение при восстановлении неподвижных соединений подшипников качения в блоках цилиндров двигателей внутреннего сгорания и других узлах сельскохозяйственной и мелиоративной техники.
Известно корпусное неметаллическое изделие, содержащее защитное покрытие в виде, по меньшей мере, двух слоев, последовательно сформированных на его поверхности нанесением текучих материалов на основе акриловых смол, имеющих хорошую адгезию с поверхностью изделия при их последующем затвердевании (см. патент РФ №50130, БИПМ №36, 2005 г).
Из-за недостаточной механической прочности соединения изделия с подобным защитным покрытием известное техническое решение нельзя использовать, в частности, в таких тяжело нагруженных устройствах, как корпус дизельного двигателя при восстановлении износа ложа подшипников.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является корпус блока цилиндров двигателя, содержащий отверстия под подшипники, снабженные износостойким покрытием из эпоксидной композиции с порошковым наполнителем и добавками для повышения эластичных и прочностных свойств (см. Курчаткин В.В., Кононенко А.С. Ремонт деталей сельскохозяйственной техники полимерными материалами, М., изд. МГАУ им. В.П.Торячкина, 2002 г., с.10 - прототип).
К достоинствам известного технического решения следует отнести простоту технологии восстановления и калибровки полученных размеров отверстий под подшипники в корпусе блока цилиндров двигателя. Процесс восстановления изделия при этом связан с нанесением на изношенные поверхности полимерной композиции, включающей эпоксидную смолу ЭД-16, отвердитель - полиэтиленполиамин и добавки в виде пластификаторов или эластомеров.
К недостаткам следует отнести сравнительно низкую эксплуатационную надежность известного блока цилиндров двигателя, связанную с появлением внутренних напряжений в толще покрытия указанного состава при его отверждении на поверхности отверстий под подшипники. При знакопеременных нагрузках на ложе подшипников в корпусе блока цилиндров материал износостойкого покрытия испытывает различные виды деградации, в том числе, фреттинг-коррозию и отслаивание от основного материала изделия, приводящее при дальнейшей эксплуатации к охрупчиванию, снижению усталостной прочности и разрушению покрытия. Сравнительно низкая надежность известного устройства является серьезным ограничением для его использования, например, в тяжелых условиях эксплуатации дизельных двигателей.
Решаемой задачей является повышение эксплуатационной надежности и межремонтного ресурса корпуса блока цилиндров двигателя путем создания эффективного износостойкого покрытия на эпоксидной основе и восстановления номинальных размеров отверстий под подшипники. Дополнительной к указанной является задача повышения технологических свойств композиционного материала покрытия, используемого при ремонте и восстановлении указанных изделий и других ответственных узлов сельскохозяйственной и мелиоративной техники в условиях местных ремонтных предприятий и мастерских.
Указанная задача решается тем, что в корпусе блока цилиндров двигателя, содержащем отверстия под подшипники, снабженные износостойким покрытием из эпоксидной композиции с порошковым наполнителем и добавками для повышения эластичных и прочностных свойств, согласно полезной модели, указанное покрытие содержит эпоксидную смолу ЭД-16 с отвердителем АФ-2 и добавками дибутилфталата, герметика 6-Ф и акрилата АСТ-Т, а порошковый наполнитель дисперсностью 10-100 мкм выбран из группы веществ: железо, алюминий, при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:
эпоксидная смола ЭД-16
90-110
отвердитель АФ-2
6-10
дибутилфталат
16-20
герметик 6-Ф
16-20
акрилат АСТ-Т
30-50
порошковый наполнитель
20-120
Кроме того, указанное покрытие со стороны корпуса может содержать первый слой эпоксидной композиции с наполнителем в виде порошка алюминия, на который нанесен второй слой эпоксидной композиции с наполнителем в виде порошка железа.
Такое выполнение предложенной полезной модели позволяет решить поставленную задачу повышения эксплуатационной надежности и межремонтного ресурса корпуса блока цилиндров двигателя при наличии композиционного защитного покрытия ложа подшипников. Экспериментально найден состав композиционного материала износостойкого покрытия на эпоксидной основе с порошковым наполнителем и добавками, обеспечивающими повышение важнейших эксплуатационно-технологических свойств по сравнению с известными покрытиями того же назначения.
При этом не изменяется структура основного металла корпуса блока цилиндров и отсутствуют условия для возникновения фреттинг-коррозии в неподвижном соединении в местах контакта покрытия с металлом корпуса и подшипниками, повышается износостойкость и ударная вязкость покрытия, происходит уменьшение усадки и сокращение длительности отвердевания композиции.
Одновременно упрощается технология восстановления изношенной поверхности изделия, поскольку композиционный материал защитного покрытия без существенных затрат может быть подготовлен и нанесен на изношенные поверхности отверстий корпусов блоков цилиндров и других ответственных узлов сельскохозяйственных машин в условиях местных ремонтных предприятий и мастерских.
При этом не изменяется структура основного металла изделия и отсутствуют условия для возникновения фреттинг-коррозии в местах контакта покрытия с металлом деталей, в том числе, в зазорах неподвижных соединений между корпусными деталями двигателей и подшипниками, повышается износостойкость и ударная вязкость покрытия, происходит уменьшение усадки и сокращение длительности отвердевания композиции.
Достижение указанных характеристик износостойкого покрытия металлического изделия обеспечивается, прежде всего, использованием холодноотверждаемой полимерной композиции на основе эпоксидной смолы ЭД-16 с отвердителем АФ-2, порошкового наполнителя и указанных добавок в оптимальных экспериментально найденных соотношениях. Опыты, проведенные в МГАУ им. В.П.Горячкина, по исследованию влияния различных упрочняющих и пластифицирующих добавок на эксплуатационные свойства предложенного покрытия показали, что добавки в эпоксидную композицию на основе эпоксидной смолы ЭД-16 с отвердителем АФ-2 в указанных количествах пластификатора - дибутилфталата, эластомера - герметика 6-Ф и модифицирующей добавки - акрилата АСТ-Т совместно с порошковым наполнителем дисперсностью 10-100 мкм из упомянутой группы веществ обеспечивают необходимое повышение износостойкости композиционного материала покрытия для металлического изделия при работе в условиях циклических нагрузок.
Размер частиц порошкового наполнителя нецелесообразно уменьшать менее 10 мкм по причине увеличения его стоимости и сложности равномерного перемешивания с эпоксидной основой, а увеличение размера частиц наполнителя более 100 мкм приводит к снижению ряда физико-механических свойств, в том числе, износостойкости композиционного покрытия. Экспериментально найдено, что повышение прочностных характеристик данного покрытия для восстановления износа металлических деталей машин обеспечивается введением в ее состав порошкового наполнителя из группы указанных веществ, при этом повышается теплостойкость и теплопроводность покрытия и снижается стоимость композиции. Используемый наполнитель, имеющий вид отдельных частиц, агрегатов или волокон с упомянутыми размерами обладает значительной контактной поверхностью с материалом полимерной матрицы, что в значительной степени ограничивает образование трещин внутри покрытия при нагрузке.
Уменьшение количества отвердителя АФ-2 в эпоксидной композиции менее 6 мас.ч. приводит к увеличению времени отверждения и ухудшению физико-механических свойств покрытия из-за не прореагированных эпоксидных групп. Увеличение количества отвердителя более 10 мас.ч. оказывает определенное пластифицирующее действие на эпоксидную композицию, но одновременно приводит к снижению теплостойкости, водостойкости и твердости композиционного покрытия. Выбор данного типа связующего (эпоксидной смолы ЭД-16) и отвердителя придает покрытию высокую прочность на сжатие, растяжение и изгиб, повышенную адгезию к большинству металлических конструкционных материалов и способность к заполнению малых зазоров между деталями неподвижных соединений. Снижение количества пластифицирующей добавки дибутилфталата (ДБФ) в композиции менее 16 мас.ч. приводит к снижению ударной вязкости покрытия, а увеличение ДБФ более 20 мас.ч. вызывает снижение адгезионных свойств покрытия. В эпоксидной композиции для предложенного покрытия в качестве эластомера впервые используются добавки герметика 6-Ф, а в качестве модификатора -акрилат АСТ-Т в равном соотношении фаз жидкость - порошок.
Введение в состав эпоксидной композиции для предложенного покрытия эластофицирующего агента герметика 6-Ф значительно снижает вязкость полимерной составляющей композиции и способствует увеличению количества вводимого наполнителя. Снижение количества герметика менее 16 мас.ч. увеличивает хрупкость покрытия, а увеличение свыше 20 мас.ч. приводит к увеличению длительности отверждения композиции. Снижение количества модификатора в виде акрилата АСТ-Т менее 30 мас.ч. приводит к снижению адгезионных характеристик композиции, а его увеличение более 50 мас.ч. - к неравномерности структуры композиционного материала покрытия и ухудшению связанных с этим физико-механических свойств.
Количество порошкового наполнителя, входящего в состав эпоксидной композиции такого типа, обычно характеризуется близкими по отношению к ней массовыми долями с дополнительными пластифицирующими и упрочняющими добавками в указанном диапазоне в зависимости от условий эксплуатации изделия на основе данного композиционного материала. Уменьшение количества порошкового наполнителя менее 20 мас.ч. повышает стоимость изделия, а увеличение более 120 мас.ч. - приводит к снижению ударной прочности покрытия.
На фиг.1 схематически показано сечение двухслойного износостойкого покрытия на корпусе блока цилиндров двигателя.
Композиционное покрытие, состоящее из двух слоев 1, 2, нанесено на поверхность отверстия корпусной детали 3 блока цилиндров дизельного двигателя для компенсации износа, вызванного вибрациями, условно показанного, внешнего кольца 4 подшипника качения коленчатого вала двигателя. При формовке покрытия вместо кольца 4 подшипника устанавливается имитационная втулка кондуктора (не показаны), размер и чистота обработки которой соответствуют размеру и чистоте обработки внешней поверхности указанного кольца подшипника. Слои 1, 2 покрытия, для повышения износостойкости, имеют различный состав по отношению к материалу корпусной детали 3, выполненной из алюминиевого сплава, и к материалу кольца 4, выполненного из легированной стали. Первый слой 1 покрытия содержит эпоксидную композицию с алюминиевым порошком, а второй слой 2 покрытия включает эпоксидную композицию с железным порошком.
При этом состав композиции первого слоя 1 покрытия включает, мас.ч.: эпоксидную смолу ЭД-16 - 100, отвердитель АФ-2 - 10, дибутилфталат - 16, герметик 6-Ф - 20, акрилат АСТ-Т - 35 и порошковый наполнитель (алюминиевый порошок дисперсностью 20 мкм) - 30. Состав композиции второго слоя 2 покрытия включает, мас.ч.: эпоксидную смолу ЭД-16 - 100, отвердитель АФ-2 - 6, дибутилфталат - 18, герметик 6-Ф - 16, акрилат АСТ-Т - 40 и порошковый наполнитель (железный порошок дисперсностью 80 мкм) - 100.
Слои 1, 2 покрытия из двух типов композиционных материалов формуют поочередно на изношенной поверхности ложа подшипника в корпусе 3 дизельного двигателя для заполнения зазора между этой поверхностью и внешним кольцом 4 подшипника качения. Однослойное или двухслойное износостойкое покрытие такого рода обеспечивает его целостность и надежную работу металлического изделия при больших циклических нагрузках, которые характерны, в частности, для двигателей и коробок передач тракторов.
Подготовку изделия и эпоксидной композиции, ее нанесение на изделие и формовку покрытия осуществляют следующим образом.
Износостойкое композиционное покрытие из двух слоев 1, 2 указанного состава формуют непосредственно на изношенной поверхности посадочного места корпусной детали 3 блока цилиндров двигателя для заполнения с избытком кольцевого зазора между этой поверхностью и внешним кольцом 4 подшипника качения, в качестве которого при формовке используется указанная втулка кондуктора. Для данного типа покрытия корпус 3 блока цилиндров двигателя может быть выполнен, как указано, из алюминиевого сплава, а в случае его изготовления из чугуна, первый слой 1 может иметь иной вид наполнителя, обеспечивающего лучшие характеристики сцепления с чугуном.
При изготовлении двухслойного покрытия для слоя 1 предварительно подготавливают в нужном количестве первую эпоксидную композицию указанного состава с алюминиевым порошком, затем для слоя 2 подготавливают вторую эпоксидную композицию другого состава с железным порошком. Порядок подготовки первой и второй композиций следующий: в смолу ЭД-16 сначала вводят акрилат, ДБФ и герметик при постоянном перемешивании, затем - указанный металлический порошок с дополнительным перемешиванием и уже после этого - отвердитель. Ингредиенты первой и второй эпоксидных композиций перемешивают в отдельных емкостях и выдерживают на воздухе при температуре 18-20°С в течение одного часа.
Изношенную поверхность изделия 3, на которую требуется нанести покрытие, зачищают до металлического блеска, обезжиривают ацетоном, просушивают и вторично обезжиривают. Затем подготовленную первую эпоксидную композицию с алюминиевым порошком равномерным слоем наносят шпателем на поверхность детали 3 и дополнительно выдерживают на воздухе до необходимого повышения вязкости состава для исключения возможности его отекания с вертикальных поверхностей. После этого на первый слой 1 эпоксидной композиции шпателем наносят второй равномерный слой 2 композиции, который также выдерживают на воздухе до указанной вязкости.
После этого корпус 3 блока цилиндров устанавливают на плиту кондуктора, снабженного фиксирующими штифтами и калибровочной втулкой (не показаны), для его фиксации относительно расчетного положения внешнего кольца 4 подшипника и размеров сборки. Нанесенные слои 1, 2 эпоксидной композиции формуемого покрытия на изделии 3 обеспечивают номинальный размер отверстия с помощью упомянутой калибровочной втулки кондуктора, диаметр которой соответствует диаметру кольца подшипника 4. Осевое перемещение калибровочной втулки с соблюдением межцентровых расстояний обеспечивает необходимую цилиндрическую форму внешней поверхности второго слоя 2 покрытия под кольцо 4.
Допуск на изготовление калибровочной втулки выбирают с учетом усадки эпоксидной композиции и толщины вкладыша слоев 1, 2. Отверждение обоих слоев эпоксидной композиции отформованного покрытия в данном случае производят при температуре 18-20°С в течение 72 часов на воздухе или в течение 12 часов на воздухе с последующим нагревом в термошкафу по одному из режимов: при 60°С - 24 часа, при 80°С - 5 часов и при 100°С - 3 часа. После отверждения и остывания покрытия зачищают подтеки и наплывы эпоксидной композиции и проверяют его номинальные размеры покрытия.
Полезная модель может найти применение не только при ремонте и восстановлении износа отверстий под подшипники в блоках цилиндров двигателей, но также неподвижных соединений в изделиях типа коробок передач, подшипниковых узлов несущих корпусов сельскохозяйственной и мелиоративной техники и, что особенно важно, позволяет осуществить восстановление указанных деталей и узлов без применения специального дорогостоящего оборудования в условиях местных ремонтных предприятий и мастерских. При этом межремонтный ресурс корпуса блока цилиндров дизельного двигателя с однослойным композиционным покрытием указанного состава соответствует ресурсу нового изделия с неизношенными отверстиями под подшипники коленчатых валов, а с двухслойным покрытием превышает его.