Кавитационная эрозия элементов регуляторов скорости форсированных дизелей

УДК 621.436

С.П. Косырев, И.О. Кудашева

КАВИТАЦИОННАЯ ЭРОЗИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РЕГУЛЯТОРОВ СКОРОСТИ ФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Анализируется природа кавитационной эрозии элементов регуляторов скорости форсированных дизелей. Предложен

технологический метод снижения кавитационной эрозии и динамики нагружения масляного слоя регулятора скорости применением поверхностно-активных веществ.

Кавитационная эрозия, толщина смазочного слоя, поверхностноактивные вещества, эксплуатационная надежность.

S.P. Kosyrev, I.O.Kudasheva

FORCED DIESEL ENGINES SPEED REGULATORS ELEMENTS

CAVITATION DAMAGE

The article analyzes the nature of cavitation damage of elements of the forced diesel speed regulators engines. The technological cavitation damage decrease method is offered here for surface-active materials.

Cavitation damage, lubricant layer thickness, surface-active material, maintainability.

Совокупность регулируемого объекта - дизеля и регулятора скорости представляет систему автоматического регулирования (САР). Установившийся режим работы САР является устойчивым, если она, будучи выведенной из состояния равновесия, возвращается к нему после устранения возмущающего воздействия. Кроме установившихся процессов регулирования различают переходные режимы, когда изменяется значение регулируемого параметра в функции времени при воздействии на систему возмущающего фактора. При регулировании дизеля в переходном процессе погрешность по частоте вращения может меняться как по абсолютной величине, так и по знаку, но обязательно амплитуда её должна затухать (рис. 1), создавая интенсивную вибрацию поршней и золотников регуляторов.

Причиной вибрации являются прежде всего

удары последних о внутреннюю поверхность Рис- 1- Ударн°-цИКШчеСКИй дИнаМИчеСкИ

^ т устойчивый характер нагруженИя

направляющих втулок. Удары носят относительно

^ ^ элементов регулятора

устойчивый по времени и частоте динамически

циклический характер. При вибрации согласно

общей теории изнашивания внешних поверхностей золотников и поршней регуляторов в масляной полости происходят знакопеременные напряжения растяжения и сжатия, приводящие к образованию и захлопыванию кавитационных пузырей, что вызывает кавитационную эрозию. Следует иметь в виду, что существует направленность перераспределения напряжений на наружных поверхностях золотников и поршней регуляторов - в зоне кавитационной эрозии увеличиваются сжимающие напряжения, а в противоположной зоне - растягивающие. Это перераспределение напряжений приводит к снижению эксплуатационной надежности сопряжений «поршень, золотник - втулка» регулятора и вызывает увеличение амплитуды вибраций - образуется положительная обратная связь, все более раскачивающая систему. Согласно анализу имеющихся литературных источников [1], основной механизм изнашивания при кавитационной эрозии является ударно-усталостным. Диапазон колебаний (средняя частота срыва каверн), при которых возможен процесс кавитационного изнашивания, лежит в пределах от 5 до 10000 Гц [2], наиболее интенсивные тональные составляющие вибрации поршней и золотников регуляторов скорости, как правило, расположены в частотном диапазоне от 800 до 8000 Гц. Частота соударения микроструй смазочного масла при образовании кавитационной каверны составляет от сотен до десятков тысяч герц. При вибрационной кавитации каждый элемент поршня и золотника регулятора скорости подвергается воздействию не одного, а большого числа циклов кавитации за малый период времени - несколько миллисекунд. При этом силы, её вызывающие, представляют собой высокочастотные колебания давления с большой амплитудой [3]. Причина этих колебаний - погруженная в масло вибрирующая в направлении нормали поверхность, которая и создаёт волны давления. Для поршней и золотников регуляторов, изнашиваемых движущимся потоком масла с образованием присоединенной каверны, ударно-циклическое изнашивание формируется под действием периодических соударений порядка 109МПа микрокапель масла, образующихся в присоединенной каверне, с изнашиваемой поверхностью.

Как показали экспериментальные исследования, механизм образования кавитационной эрозии следующий. В местах будущего кавитационного повреждения происходит увеличение шероховатости поверхностей элементов регулятора, затем после непродолжительной работы - образование каверн, т. е. происходит разрушение поверхностного слоя (рис. 2). Многократность воздействия захлопывающихся пузырьков на ограниченном участке поверхности трения приводит к тому, что сам процесс отделения металла может носить усталостный характер. Кроме того, при длительной работе элементов регулятора с начальным кавитационным износом на последний накладываются усталостные разрушения, абразивный износ, результаты контактирования шеек поршня и золотника с направляющими втулками.

Исследования явлений кавитационной эрозии в различных средах, конструкциях многими специалистами позволили выявить общую схему кавитационного разрушения: упрочнение материала - изменение рельефа поверхностных слоев - отделение частиц материала с поверхности взаимодействия масла и твердых стенок. На начальной стадии кавитационного воздействия наблюдается так называемый инкубационный период, в процессе которого происходит только изменение состояния поверхности трения без существенной потери металла. Чем длительнее инкубационный период, определяемый в первую очередь величиной твердости (сопротивляемости металлов поршня и золотника регулятора местной пластической деформации), величиной гидродинамических давлений в масляном слое, вызывающих захлопывание пузырьков, тем медленнее развиваются

кавитационные разрушения и тем больше долговечность направляющих втулок по отношению к данному виду повреждения и при данных условиях нагружения.

Существенным фактором в реализации динамически циклического механизма

изнашивания для кавитационной эрозии направляющих втулок, поршней и золотников регуляторов могут являться различия в

природе используемого тела - жидкости в

виде смазочного масла. Следует подчеркнуть, что эти различия для ударно-усталостных условий нагружения условны. Это оправдывается тем, что при кратковременных ударно-усталостных условиях нагружения и высоких скоростях удара, когда период релаксации становится соизмеримым со временем контакта, масло приобретает

свойства твердого тела [4]. При этих же условиях высокоскоростного динамического нагружения металлы приобретают свойства жидкости. Как отмечается [5], наличие

гидродинамических свойств у металлов при импульсном нагружении и, наоборот,

проявление у жидкости свойств хрупкого разрушения вызывают много вопросов.

Таким образом, присутствие кавитационной эрозии на поверхностях золотников, поршней, направляющих втулок, работающих в условиях ударно-циклических нагрузок позволяет сделать вывод об общности подходов при объяснении процессов их изнашивания и выборе способов поверхностного пластического деформирования с учетом особенностей повышения эксплуатационной надежности.

Кавитационные разрушения трущихся поверхностей образуются при возникновении режима нарушения сплошности масляного слоя, когда давление в слое смазки снижается до значения меньше давления насыщенных паров при данной температуре. Такие условия возникают при резком изменении скорости потока масла, образовании завихрений, при

отделении потока от поверхности вследствие изменения её конфигурации и т.д.

Образующиеся при этом пузырьки или каверны, попадая в зону повышенного давления, захлопываются, совершая импульсное воздействие на поверхность (рис. 1). Разрушения, возникающие при этом, носят воронкообразный характер и происходят за счет механических повреждений и коррозионных процессов.

Большое влияние на кавитационную стойкость оказывают не только сопротивляемость металлов местной пластической деформации (твердости), но и сопротивление материала коррозии. При захлопывании пузырьков выделяющиеся агрессивные газы, нередко содержащие пары воды, активно воздействуют на поверхности, особенно при больших скоростях потока масла, когда пленка масла разрушается за счет кавитации, а новая не всегда успевает образоваться.

При снижении толщины смазочного слоя ниже критического начинают проявляться не объемные свойства масла, а поверхностные: хемосорбция, физическая абсорбция и др. Характеристики режима контактно-гидродинамического трения в этом случае трудно рассчитать, а параметры такого процесса носят значительно более приближенный характер, чем при жидкостной смазке, хотя следует признать, что успехи в области их оценки бесспорны.

Как правило, принято считать, что смазка не только выполняет роль несущего слоя, но и предохраняет поверхности трения от прохождения физико-химических процессов. Однако смазка выполняет более широкие функции включая и активное её воздействие на трущиеся сопрягаемые поверхности. Степень активности определяется маркой масла и материалами трущихся поверхностей. Особенно большое влияние оказывает присутствие в смазке поверхностно-активных веществ (ПАВ), воздействие которых увеличивается при

Зоны с кавитационной

Рис. 2. Рабочая поверхность поршня регулятора с кавитационной эрозией

образовании в процессе трения участков нарушения сплошности масляного слоя. В этом случае граничный масляный слой иногда вызывает коррозионные повреждения, а при определенных условиях возможно развитие и кавитационной эрозии.

В масляном слое золотников и поршней регуляторов скорости транспортных дизелей за счет ударно-циклического нагружения элементов регуляторов параллельно с кавитационной эрозией возникают гидродинамические колебания, определяемые коэффициентом динамичности Кд. Расчетно-экспериментальными исследованиями доказано, что на примере регуляторов скорости величина КД в масляном слое составляет 1,20. Для экспериментальной проверки теоретических положений и с целью повышения эксплуатационной надежности элементов регуляторов скорости путем снижения коэффициента Кд с 1,20 до 1,0 изменением условий смазки разработаны конструкции поршня, золотника и направляющей втулки, выполненные с нанесенными с рабочей стороны поверхностно-активными веществами, представляющими композиционную смазку - эпиламирующий раствор высокомолекулярных поверхностно-активных веществ во фторсодержащих растворителях-хладонах 112, 113, 114В2 или их смесях. В качестве ПАВ использованы отечественные эмульгаторы 6СФК-180-0,5. Как пример, внешний вид рабочей поверхности поршня регулятора с кавитационной эрозией без покрытия ПАВ представлен на рис. 2, с покрытием ПАВ - на рис. 3.

Из сравнения рис. 2 и 3 видно, что при покрытии рабочей поверхности поршня

эмульгатором образуется защитная антифрикционная пленка в сопряжении «поршень -

втулка регулятора», механизм образования которой следующий. Минеральные смазочные

масла, применяемые в системах смазки регуляторов скорости транспортных дизелей,

содержат в себе ПАВ в виде спиртов, смолисто-асфальтовых веществ, возникающих как при

старении масла (окислении) в процессе эксплуатации регулятора, так и при крекинг-процессе

нефти и облагораживании масла различными присадками. В результате сложных химических

реакций от взаимодействия ПАВ (например, высших жирных кислот) с направляющими

втулками и другими медьсодержащими деталями регулятора получаются органические

соединения (например, медные мыла), растворимые в масле. При этом имеющиеся в масле

ПАВ не вызывают самостоятельного эффекта безызносности. Активирование смазочного

масла добавленными ПАВ при покрытии поршней, втулок и золотников регуляторов

скорости усиливает их абсорбирующее действие на частицах износа, а улучшенное

диспергирование последних интенсифицирует образование устойчивого разделительного

слоя - эпилама, т.е. барьерной разделительной пленки с очень низким запасом поверхностной

энергии. Смазочное масло, внесенное в дисперсную среду, прочно удерживается в рабочей

зоне узла трения из-за резкого снижения поверхностного напряжения и запаса энергии.

Продукты износа, покрытые медью, осаждаются в зазоре между направляющей втулкой,

поршнем и золотником в зоне трения и вместе с восстанавливаемой медью формируют на

поверхностях трения защитную металлическую пленку. При работающих поршне и

золотнике в масляном слое с ПАВ развиваются напряжения сдвига с выделением теплоты,

однако значительной диссипации энергии не происходит. Так, например, по данным ОАО

«Волжский дизель им. Маминых»? рассеяние энергии в масляном слое составляет 4-5%, т.е.

потоки энергии, входящие в зону трения и

выходящие из неё, взаимно уравновешиваются.

Диссипация же энергии в этом случае

осуществляется за счет гистерезисной

демпфирующей способности антифрикционной

пленки и масляного слоя. Согласно И.Ф.Шеннону,

рассеяние энергии моментом трения, создаваемым

масляным слоем без ПАВ, составляет около 7%

всех колебаний. При этом одной из причин

демпфирующих свойств среды считается вязкость. Рис. 3 Рабочая поверхность поршня

регулятора с эмульгатором 6СФК-180-0,5

Технологический процесс покрытия рабочих поверхностей поршня, золотника и направляющей втулки регулятора скорости ПАВ включает:

- обезжиривание поверхностей в спирте, бензине, ацетоне или других растворителях; детали погружают в емкость с растворителем, механические примеси удаляют с поверхностей до обезжиривания;

- просушку на воздухе при комнатной температуре в течение 300-400 с;

- погружение поршня, золотника, направляющей втулки в эпиламирующий раствор на 360-480 с при температуре окружающей среды с периодическим перемешиванием состава; емкость эпилама составляет 1 кг на 6 м2 поверхностей деталей регулятора скорости;

- сушку эпиламированных элементов регулятора скорости на воздухе в течение 1200-1800 с, которая является заключительной стадией технологии их обработки эмульгатором.

При необходимости длительного хранения элементов регулятора после эпиламирования покрывают слоем консервирующего смазочного материала. Во избежание улетучивания растворителя состав хранят при температуре не более 30°С вдали от нагревательных приборов.

Заключение

В масляном слое без ПАВ золотников, поршней регуляторов скорости имеют место гидродинамические колебания, вызванные воздействием ударной возмущающей силы (рис. 1), и коэффициент динамичности Кд = 1,2. В этом же слое с эмульгатором Кд снижается 1,2 до 1,0, т.е. коэффициент трения приближается к нулю из-за формирования тонких износостойких пленок из эмульгатора на поверхностях контакта поршня, золотника и направляющей втулки регулятора скорости. При этом колебательный процесс в масляном слое полностью демпфируется. Через определенное количество циклов фрикционного динамического нагружения сопряжений «золотник - втулка» и «поршень -втулка» тонкая износостойкая пленка может диспергироваться и уноситься из зоны трения, но одновременно формируется новый промежуточный антифрикционный слой. Динамика нагружения масляного слоя регулятора скорости отсутствует, что доказывается полным демпфированием колебательного процесса антифрикционной пленкой и масляным слоем, а также снижением коэффициента динамичности до Кд = 1,0, подтверждая правильность выводов о возможности повышения эксплуатационной надежности регуляторов скорости за счет изменения условий смазки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Погодаев Л.И. Гидроабразивный и кавитационный износ садового оборудования / Л.И. Погодаев, П.А. Шевченко. Л.: Судостроение, 1984. 264 с.

2. Чугунов Г.П. Кавитационный износ гильз цилиндров и пути его уменьшения / Г.П. Чугунов // Актуальные проблемы транспорта Поволжья и пути их решения: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2001. С. 96-102.

3. Кнэпп Р. Кавитация / Р. Кнэпп, Дж. Дейли, Ф. Хеммит. М.: Мир, 1974. 688 с.

4. Козырев С.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации / С.П. Козырев. М.: Машиностроение, 1971. 240 с.

5. Кедринский В.К. Гидродинамика взрыва / В.К. Кедринский. Новосибирск: Изд-во Сиб. отд-ния РАН, 2000 435 с.

Косырев Сергей Петрович - Kosyrev Sergey Petrovich -

доктор технических наук, профессор кафедры Doctor of Technical Sciences, Professor «Технология и автоматизация машиностроения» of the Department of «Technology Балаковского института техники, and Automation of Machine Building»

технологии и управления (филиала) of Balakovo Institute of Engineering, Technology

Саратовского государственного and Management

технического университета of Saratov State Technical University

Кудашева Ирина Олеговна -

аспирант кафедры «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления (филиала) Саратовского государственного технического университета

Kudasheva Irina Olegovna -

Graduate Student of the Department of «Technology and Automation of Machine Building» of Balakovo Institute of Engineering, Technology and Management (affiliated branch) of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 09.09.08, принята к опубликованию 26.11.08