ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КЛАПАННЫХ СОПРЯЖЕНИЙ МОДИФИКАЦИЕЙ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

7. Gotter, G., (1959), "Heating and cooling of electric machines", Trans. from German, Gosenergoizdat, P. 414.

8. Bondarenko, A.V. and Chernykh, A.G., (2012), "Experimental study of a prototype of a microelectric power plant with a power unit of the shielded asynchronous generator-turbine type", Bulletin of the IrGSHA: Collection of scientific papers, Irkutsk, Issue 53., pp.120-129.

9. Sokolovsky, G.G., (2006), "Alternating current electric drives with frequency control", textbook, for students. Universities, "Academy", M., P. 272.

10. Koskin Yu.P., Chernykh, A.G. and Bondarenko, A.V., (2010), "Reduction of the parameters of equivalent windings of a shielded asynchronous machine to the parameters of the calculated substitution scheme", Bulletin of the IrGSHA: Collection of scientific papers, Irkutsk, Issue 41., pp.107-116.

Сведения об авторе

Черных Алексей Георгиевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского», spin-код: 6696-6126; Researcher ID ABB-9205-2021.

Information about the author

Alexey G. Chernykh - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Irkutsk State Agrarian University named after A.A. Yezhevsky", spin-code: 6696-6126. Researcher ID ABB-9205-2021.

Статья поступила в редакцию 15.10.2021 г.; одобрена после рецензирования 06.12.2021 г.; принята к публикации 09.12.2021 г.

The article was submitted 15.10.2021; approved after reviewing 06.12.2021; accepted after publication 09.12.2021.

Научная статья

УДК 621.431.06-049.32

ёо1: 10.24412/2078-1318-2021 -4-124-131

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КЛАПАННЫХ СОПРЯЖЕНИЙ МОДИФИКАЦИЕЙ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Алексей Геннадьевич Ипатов1, Кирилл Георгиевич Волков2, Сергей Николаевич

Шмыков3

1Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, ул. Студенческая, 9, г. Ижевск, 426069, Россия; ipatow.al@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0003-2637-4214 2Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, ул. Студенческая, 9, г. Ижевск, 426069, Россия; wolkow-kirill@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-0606-5481 3Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, ул. Студенческая, 9, г. Ижевск, 426069, Россия; sergei-natali@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-2103-8695

Реферат. В работе проведены исследования защитного состава рабочей фаски клапана, работающего в двигателе на газомоторном топливе. Использование стандартных методов защиты рабочей фаски не позволяет сохранить заявленный производителем ресурс, так как возросшие температуры в камере сгорания приводят к окислению химических элементов защитного покрытия и разрушению самого покрытия. В состав покрытия входят такие элементы, как никель №, карбид кремния БЮ, диоксид циркония 2г02, тантал Ta. Наплавка

порошковой композиции производилась высокочастотной лазерной установкой, состоящей из иттербиевого волоконного лазера со средней мощностью 50 Вт и длиной волны 1,065 мкм. Для получения результатов долговечности рабочей поверхности клапана использовали стенд, разработанный на основе станка ОПР- 1841а. Данный стенд позволял поддерживать определенную температуру и скорость потока газов в зоне сопряжения «клапан-седло» в момент имитации работы клапана. Исследования проводились в сравнении с клапаном со стандартным покрытием В3К. Сравнение производилось по ширине образовавшегося пояска приработки на поверхности рабочей фаски. По результатам эксперимента составлены графики изменения ширины рабочего пояска в зависимости от времени приработки. Затем проведена линейная аппроксимация экспериментальных данных. Получены зависимости изменения ширины пояска, построены соответствующие графики. По результатам обработки полученных данных определено, что использование предложенной порошковой композиции в качестве защитного покрытия позволяет увеличить срок службы сопряжения «клапан-седло» на 50% по сравнению с составом В3К.

Ключевые слова: защитное покрытие, рабочая фаска клапана, модификация поверхности, срок службы, клапанный механизм

Цитирование. Ипатов А.Г., Волков К.Г., Шмыков С.Н. Повышение долговечности клапанных сопряжений модификацией рабочих поверхностей // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2021. - №4 (65) - С. 124-131. doi: 10.24412/20781318-2021-4-124-131

THE DURABILITY INCREASING OF VALVE COUPLINGS BY MODIFICATION

OF WORKING SURFACES

Alexey G. Ipatov1, Kirill G. Volkov2, Sergey N. Shmykov3

1Izhevsk State Agricultural Academy, st. Student, 9, Izhevsk, 426069, Russia;

ipatow.al@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0003-2637-4214 2Izhevsk State Agricultural Academy, st. Student, 9, Izhevsk, 426069, Russia;

wolkow-kirill@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-0606-5481 3Izhevsk State Agricultural Academy, st. Student, 9, Izhevsk, 426069, Russia; sergei-natali@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-2103-8695

Abstract. In the work, the research of the protective composition of the working chamfer of the valve operating in the engine on gas engine fuel was carried out. The use of standard methods of protecting the working chamfer does not allow saving the resource declared by the manufacturer, since the increased temperatures in the combustion chamber lead to the oxidation of the chemical elements of the protective coating and the destruction of the coating itself. The composition of the coating includes such elements as nickel Ni, silicon carbide SiC, zirconium dioxide ZrO2, tantalum Ta. The powder composition was deposited with a high-frequency laser setup consisting of an ytterbium fiber laser with an average power of 50 W and a wavelength of 1.065 p,m. To obtain the results of the durability of the valve working surface, a stand developed on the basis of the OPR-1841a machine was used. This stand made it possible to maintain a certain temperature and gas flow rate in the "valve-seat" interface at the time of imitation of the valve operation. The studies were carried out in comparison with a valve with a standard B3K coating. The comparison was made according to the width of the running-in belt formed on the surface of the working chamfer. According to the results of the experiment, graphs of the change in the width of the working belt depending on the running-in time were compiled. Then, a linear approximation of the experimental data was carried out. The dependences of the change in the width of the belt are obtained, the corresponding graphs are built. Based on the results of processing the data obtained, it was determined that the use of the

proposed powder composition as a protective coating allows to increase the service life of the valve-seat interface by 50% compared to the B3K composition.

Keywords: protective coating, valve chamfer, surface modification, service life, valve mechanism

Citation. Ipatov, A.G., Volkov, K.G. and Shmykov, S.N. (2021), "Increasing the durability of valve couplings by modifying the working surfaces", Izvestya of Saint-Petersburg State Agrarian University, vol. 65, no. 4, pp. 124-131, (In Russ.), doi: 10.24412/2078-1318-2021-4-124-131

Введение. Стабильный рост цен на бензиновое и дизельное топливо наблюдается в течение последних 20 лет, особенно высокие показатели выявлены за последние 2 года [1]. Этот факт вынуждает многие организации переходить на газомоторное топливо [2]. Однако использование данного топлива приводит к сокращению срока службы двигателей внутреннего сгорания до 80%. Наиболее значимые изменения происходят с рабочей температурой в камере сгорания. Так, для дизельного двигателя температура возрастает на 250 - 300 °С, а также с условиями трения в сопряжении «клапан-седло», так как при сгорании газового топлива в данном сопряжении наблюдается переход с граничного на сухое трение

[3].

Итоговая температура в камере сгорания при работе двигателя на природном газовом топливе достигает 650 - 700 °С. Давление в камере сгорания в конце расширения рабочей смеси равняется 0,25...0,45 МПа. В момент начала открытия клапана, когда площадь проходного сечения мала, отработанные газы вытекают со скоростью около 1000 м/с (Хазен М.М., Матвеев Г.А., Грицевский М.Е., Казакевич Ф.П., 1981).

Переход на сухое трение в сопряжении «клапан-седло» приводит к интенсивному эрозионному и термическому износу под действием высокоскоростных, высокотемпературных газов. В [4] описывается, что поломки данного характера наблюдаются при пробеге в 50 000 км, что согласно [5] приравнивается к 2000 моточасам для автомобильного транспорта, при этом производители двигателей гарантируют ресурс работы клапанного механизма в течение 10 000 моточасов.

Цель исследования. Исходя из вышесказанного, основной целью данной работы является разработка способа увеличения долговечности сопряжения «клапан-седло» путем модификации рабочей поверхности защитным составом.

Материалы, методы и объекты исследований. Для защиты рабочей фаски клапана был разработан специальный состав на основе никеля Ni с добавлением таких легирующих элементов, как тантал Ta, карбид кремния SiC и диоксид циркония ZrO2. Данный состав (порошковая композиция элементов) был выбран, исходя из исследований, описанных в работах (Цирлин М.С., Андрюшин С.Г., Касаткин А.В., Рыбаков С.Ю., 1987).

Нанесение защитного покрытия производили на высокочастотной лазерной установке

[7].

Для проведения лабораторных исследований нами была разработана экспериментальная установка, моделирующая работу клапанного механизма (рис. 1) [6, 7, 8, 9, 10].

Перед экспериментом проводится визуальный осмотр клапанов, седел, создаются их фотоснимки. Клапан устанавливается в головку блока. Для сравнения используется стандартный выпускной клапан с покрытием рабочей фаски сплавом В3К. Запускается станок, секундомер и в то же время включается терморегулятор ТРМ 500-Щ2.30А. Процесс длится 20 мин, затем клапана снимаются и проводится анализ поверхностей. Замеряется ширина образовавшегося пояска в зоне контакта «клапан-седло». Визуально исследуется поверхность и создаются фотоснимки клапана и седла. Далее цикл повторяется. В данном исследовании было выполнено 5 циклов исследований.

Рисунок 1. Схема испытательной установки: 1 - станок ОПР-1841А; 2 - маховик регулировки высоты опор; 3 - маховик ручного привода; 4 -опора; 5 - рама; 6 - ГБЦ КАМАЗ 740.10; 7 - приводная лопатка; 8 - клапан выпускной; 9 - фен BLACK+DACKER KX2200K-QS; 10 - возвратная пружина;

11 - направляющая втулка; 12 - термопара К06 Figure 1. Test bench:

1 - machine OPR-1841A; 2 - flywheel for adjusting the height of the supports; 3 - hand wheel; 4 -support; 5 - frame; 6 - cylinder head KAMAZ 740.10; 7 - drive blade; 8 - outlet valve; 9 - hair dryer BLACK +

DACKER KX2200K-QS; 10 - returnable spring;

11 - guide sleeve; 12 - thermocouple K06

По характеру и скорости образования пояска на поверхности рабочей фаски клапана производится сравнение стандартного и модифицированного клапанов, затем делается заключение о долговечности клапанного сопряжения.

Результаты исследований. Увеличение ширины пояска сопряжения приводит к увеличению площади опоры и уменьшению давления, при постоянном значении усилия прижатия, задаваемого пружиной клапанного механизма. Уменьшение давления, в свою очередь, может привести к прорыву горячих газов из камеры сгорания. Согласно данным («Автомобильный двигатель ЗИЛ 130» / Под ред. А. М. Кригера, 1973), ширина рабочего пояска не превышает значения 2 мм. Исходя из этого, можно сделать вывод, что превышение данного значения может привести к ускоренному разрушению сопряжения «клапан-седло».

На рисунке 2а приведен стандартный клапан до испытаний, на рисунке 2б приведен модифицированный клапан до испытаний.

Рисунок 2. Клапана до испытаний: а) стандартный клапан; б) модифицированный клапан Figure 2. Valves before testing a) standard valve; b) modified valve

На рисунке 2а видно гладкую, ровную поверхность стандартного клапана до испытаний, а на рисунке 2б присутствует малозаметная пористость клапана с модифицированной рабочей поверхностью.

На рисунке 3 изображены клапана после проведения пяти циклов испытаний.

Рисунок 3. Клапана после испытаний: а) стандартный клапан; б) модифицированный клапан Figure 3. Valve after testing: a) standard valve; b) modified valve

На рисунке 3 а видно, что на стандартном клапане имеется четко выраженный поясок сопряжения «клапан-седло». Он имеет небольшой разброс по ширине в пределах 1,8±0,1 мм. В свою очередь, на модифицированном клапане (рис. 3б) поясок менее заметен и обладает шириной не более 1,1±0,1 мм. Для более наглядного представления динамики изменения ширины пояска сопряжения были сняты промежуточные значения и изображены в виде графика изменения его ширины в промежутке времени (рис. 4).

Рисунок 4. Динамика изменения ширины пояска сопряжения «клапан-седло»: №1 - стандартный клапан; №2 - модифицированный клапан Figure 4. Graph of the change in the width of the coupling belt "valve-seat": No 1 - standard valve; No 2 - modified valve

Для получения полной картины процесса образования пояска и дальнейшего износа рабочей фаски проведена степенная аппроксимация полученных данных. Выведены следующие зависимости:

Yl = 0,363x0'342;

Y2 =0,310x0'280;

где Yl - ширина образовавшегося пояска на стандартном клапане, мм;

Y2 - ширина образовавшегося пояска на модифицированном клапане, мм; х - время работы сопряжения, мин. Используя полученную зависимость, построим графики изменения ширины пояска рабочей фаски до критического значения в 2 мм (рис. 5).

h. мы

№1 — ~' -V №2

г* J"

г

900 t. miih

Рисунок 5. Динамика изменения ширины пояска сопряжения «клапан-седло»

по аппроксимированным данным: №1 - стандартный клапан; №2 - модифицированный клапан Picture 5. The graph of the change in the width of the "valve-seat" interface band according to the

approximated data: No. 1 - standard valve; No. 2 - modified valve

На графике заметно, что стандартный клапан уже на первом этапе принял значение ширины пояска 1 мм, а модифицированный клапан на первом этапе имел ширину пояска не более 0,75 мм, которая слабо просматривалась на всей поверхности рабочей фаски клапана. Это говорит о более долгой приработке клапана к седлу. На протяжении всех циклов испытаний у стандартного клапана рост ширины пояска наблюдался более интенсивным, что позволяет сделать вывод о скорейшем износе сопряжения «клапан-седло». Уже на пятом цикле (время работы 140 мин) значение ширины рабочего пояска у стандартного клапана приняло значение 1,8 мм, а при времени работы 160 мин ширина пояска превысила значение 2 мм. В свою очередь, модифицированный клапан имеет более «пологую» характеристику изменения ширины пояска, что позволяет сделать вывод о высокой долговечности покрытия в заданных режимах эксплуатации. Достижение ширины пояска в 2 мм происходит при времени работы 780 мин.

Выводы. В данной работе были изучены современные проблемы перевода сельскохозяйственной техники на компримированный природный газ. Определены факторы, влияющие на уменьшение срока службы двигателя, а именно на срок службы сопряжения «клапан-седло». Для сопротивления рабочей фаски температурам продуктов сгорания, равным 650 - 700 °С, истекающим через проходное сечение клапанного механизма со скоростью до 1000 м/с, а также износу в результате сухого трения, нами был предложен

способ решения данной проблемы методом наплавки модифицированного защитного сплава на основе никеля с добавлением тантала, карбида кремния и диоксида циркония.

Для определения стойкости полученного сплава к рабочим факторам и проведения сравнительного анализа нами была разработана испытательная установка. С помощью нее удалось определить скорость износа рабочей фаски клапана. В среднем скорость износа стандартного клапана превышает темпы износа модифицированного клапана на 485%. Из этого можно сделать вывод, что при возросших температурных нагрузках, отсутствия смазки в сопряжении модифицированный клапан имеет большую долговечность, нежели стандартный. Данная разработка позволит увеличить срок службы клапанного механизма двигателя, работающего на газомоторном топливе.

Список источников литературы

1. Об объеме производства нефтепродуктов с 31 мая по 6 июня 2021 года и потребительских ценах на них // Федеральная служба государственной статистики: интернет портал. - URL: https://gks.ru/bgd/free/B04_03/IssWWW.exe/Stg/d02/73.htm (дата обращения: 15.06.2021).

2. Савельев Г.С., Кочетков М.Н., Овчинников Е.В. Эффективность газомоторного топлива для сельхозтехники // Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2015. - №. 1. - С. 12-15.

3. Колодочкин М.В., Шабанов А.Ю., Попутный газ // За рулем: электронный журнал. - URL: https://www.zr.ru/content/articles/16577-poputnyj_gaz/ - Дата публикации: 01 октября 2008.

4. Попов Д.А., Поляков И.Е., Третьяков А.И. О целесообразности применения аустенитного марганцовистого чугуна для седел клапанов ДВС, работающих на газомоторном топливе // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 2. - С. 10 - 18.

5. Российская Федерация. Государственный таможенный комитет. О введении в действие годовых норм расхода моторесурсов (пробега) автомобильного транспорта: приказ Государственного таможенного комитета от 2 октября 1996 г. № 609 // ГТК Российской Федерации. - URL: https://docs.cntd.ru/document/9031328 (дата обращения: 17.06.2021).

6. Ипатов А.Г., Волков К.Г. К обоснованию материала защитно-восстановительного покрытия рабочей поверхности тарелки клапана // Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. - 2021. - №. 1. - С. 44-50.

7. Troitzsch U., Ellis D. The ZrO2-TiO2 phase diagram // Journal of Materials Science. - 2005. - Vol. 40. P. 4571-4577. DOI: 10.1007/s10853-005-1116-7.

8. Ипатов А.Г., Харанжевский Е.В., Иванов А.Г. Модификация подшипниковых сопряжений турбокомпрессора ТКР 7С- 6 // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2020. - № 6. - С. 101 -106.

9. Ipatov A.G., Kharanzhevskiy E.V. The Tribological Properties of Superhard and Functional Coatings Based on Carbide and Boron Nitride // Journal of Friction and Wear. - 2019. - T. 40. - № 6. - S. 588592.

10. F. Monteverde and A. Bellosi, ''Oxidation of ZrB2 Based Ceramics in Dry Air,'' J. Electrochem. Soc., 150 [11] B552-9 (2003).

References

1. Federal State Statistics Service, (2021), "On the volume of production of petroleum products from May 31 to June 6, 2021 and consumer prices for them", available at: https://gks.ru/bgd/free/B04_03/IssWWW.exe/Stg/d02/73.htm (Accessed 15 June 2021).

2. Saveliev, G. S., Kochetkov, M. N. and Ovchinnikov E. V. (2015), «Efficiency of NGV fuel for agricultural machinery», Sel'skohozyajstvennye mashiny i tekhnologii, no. 1, pp. 12-15.

3. Kolodochkin, M.V., (2008), «Associated gas», available at: https://www.zr.ru/content/articles/16577-poputnyj_gaz (Accessed 15 June 2021).

4. Popov, D. A., Polyakov, I. E. and Tret'yakov A. I. (2014), "The feasibility of austenitic manganese iron for ice valve seats, fuelled to natural gas", Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya, no. 2, pp. 1018.

5. State Customs Committee, (1996), 609. O vvedenie v dejstvie godovyh norm raskhoda motoresursov (probega) avtomobil'nogo transporta [609. About the introduction of annual rates of consumption of

motor resources (mileage) of road transport], State Customs Committee of the Russian Federation, Moscow, Russia.

6. Ipatov, A.G. and Volkov, K.G., (2021), «About to substantiate the material for the protective-and-recovering coating of the valve disc working chamfer», Vestnik Izhevskoj gosudarstvennoj sel'skohozyajstvennoj akademii, no. 1, pp. 44-50.

7. Troitzsch U. and Ellis D., (2005), "The ZrO2-TiO2 phase diagram", Journal of Materials Science. Vol. 40. P. 4571-4577. DOI: 10.1007/s10853-005-1116-7.

8. Ipatov, A. G., Kharanzhevsky, E. V. and Ivanov, A. G. (2020), «Modification of the bearing interfaces of a tkr7c-6 turbocharger», Problemy mashinostroeniya i nadezhnosti mashin, no. 6, pp. 101-106.

9. Ipatov, A.G. and Kharanzhevsky, E.V., (2019), «The Tribological Properties of Superhard and Functional Coatings Based on Carbide and Boron Nitride», Journal of Friction and Wear, vol. 40, no. 6,pp.588-592.

10. Monteverde, F. and Bellosi, A., (2003), "Oxidation of ZrB2 Based Ceramics in Dry Air", J. Electrochem, Soc., 150 [11], pp. 552-9.

Сведения об авторах

Ипатов Алексей Геннадьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Эксплуатация и ремонт машин» ФГБОУ ВО Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, spin-код: 5511-3250. Волков Кирилл Георгиевич - аспирант кафедры «Эксплуатация и ремонт машин» ФГБОУ ВО Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, spin-код: 4959-4058.

Шмыков Сергей Николаевич - кандидат экономических наук, доцент кафедры «Эксплуатация и ремонт машин» ФГБОУ ВО Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, spin-код: 7802-5500.

Information about the authors

Alexey G. Ipatov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department "Operation and Repair of Machines", Izhevsk State Agricultural Academy, spin-code: 5511-3250.

Kirill G. Volkov - Graduate Student of the Department "Operation and Repair of Machines", Izhevsk State Agricultural Academy, spin-code: 4959-4058.

Sergey N. Shmykov - Candidate of Economical Sciences, Associate Professor of the Department "Operation and Repair of Machines", Izhevsk State Agricultural Academy, spin-code: 7802-5500.

Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Статья поступила в редакцию 10.11.2021 г.; одобрена после рецензирования 02.12.2021 г.; принята к публикации 06.12.2021 г.

The article was submitted 10.01.2021; approved after reviewing 02.12.2021; accepted after publication 06.12.2021.