Исследование упрочнения деталей судового валопровода методом покрытия плазменным напылением с ультразвуковой обработкой

Таким образом, исходная задача может быть решена до конца.

Зная функцию прогибов W(x, у, 0, можно найти изгибающие моменты и перерезывающие силы, а затем рассчитать напряжения в любой точке пластины в данный момент времени.

Список литературы

1. Биргер И. А. Прочность. Устойчивость. Колебания: справ. / И. А. Биргер, Я. Г. Пановко (общ. ред.). — М.: Машиностроение, 1968. — Т. 3.

2. Барышников С. О. Вычисление частот и форм собственных колебаний панелей обшивки судна / С. О. Барышников, М. В. Сухотерин // Журнал Университета водных коммуникаций. — 2012. — Вып. 3 (15).

3. Голоскоков Д. П. Применение полиномов специального вида для расчета колебаний прямоугольной пластины / Д. П. Голоскоков // Журнал Университета водных коммуникаций. — СПб.: СПГУВК, 2009. — Вып. 1 (1).

УДК 621.78/79:629 В. Б. Хмелевская,

д-р техн. наук, профессор, ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова;

Е. С. Мосейко,

аспирант,

ГМТУ;

Е. О. Ольховик,

канд. техн. наук, доцент, ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова

ИССЛЕДОВАНИЕ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА МЕТОДОМ ПОКРЫТИЯ ПЛАЗМЕННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ С УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКОЙ

RESEACH OF HARDENING OF SHIP PROPELLER SHAFT BY PLASMA SPRAYING COVERAGE WITH ULTRASONIC TREATMENT

В статье приведены экспериментальные данные испытаний на триботехнические характеристики и сопротивление усталостному разрушению образцов поверхностно упрочненных методом плазменного напыления с последующей ультразвуковой обработкой (УЗО).

The article presents the experimental test data on tribological characteristics and resistance to fatigue fail-^Lol ure of samples surface-hardened by plasma spraying, followed by sonication (RCD).

Ключевые слова: плазменное напыление, ультразвуковая обработка, триботехнические характеристики, циклическая прочность, сопротивление усталости, напряженное состояние.

Key words: plasma spraying, ultrasonic processing, tribological characteristics, fatigue strength, fatigue resistance, stress state.

Выпуск 3

Выпуск 3

УДОВОЙ валопровод является одной из наиболее ответственных деталей механизмов при эксплуатации судна и представляет собой сложную систему валов, соединенных в единую линию с целью передачи гребному винту крутящего момента от основного дви-

гателя. Валопровод включает в себя следующие валы: гребной, промежуточный и упорный.

На эксплуатационные показатели судовых валов влияют прежде всего свойства сопротивления усталостному разрушению и триботехнические характеристики. При разработке проекта конструкции судового валопровода инженер-конструктор прежде всего стремится использовать элементы, имеющие высокую надежность при эксплуатации. Поэтому уже в течение многих лет в России используются однотипные технологии изготовления деталей судового валопровода. Основными видами разрушений валопроводов являются коррозия, износ при трении, фреттинг-коррозия и усталостные трещины [1]. Основными причинами выхода из строя являются низкая способность сопротивления усталости металла, недостаточные триботехнические характеристики. При эксплуатации самым уязвимым местом является гребной вал по линии валопровода, для его ремонта судно выводится из эксплуатации с последующей постановкой в ДОК, что является весьма дорогостоящей операцией.

В настоящее время имеется большое количество технологических процессов нанесения покрытий на поверхности деталей, повышающих надежность их работы [3]. Для предотвращения таких ситуаций нами разрабатываются новые технологии, позволяющие эффективно упрочнять детали валопровода непосредственно при их изготовлении, обеспечивая при этом улучшенные (повышенные) эксплуатационные показатели. В качестве базовой технологии использовался метод нанесения покрытий на поверхность плазменным напылением совместно с ультразвуковой обработкой (рис. 1, 2). В качестве напыляемого материала использовался порошок ПН85Ю15 с 20 % карбида хрома (такой состав был выбран на основе исследований проф., д-ра техн. наук Л. И. Погодаева) с размером частиц 40 мкм. Здесь решающее значение имеет материал и технологии покрытия рабочей поверхности.

и

7

/

С

;

2112

Рис. 1. Схема технологии нанесения покрытия с ультразвуковой обработкой:

1 — плазмотрон; 2 — струя плазмы; 3 — подложка; 4 — формирующиеся слои покрытия; 5 — концентратор ультразвуковых колебаний; 6 — обработанный слой;

7 — магнитострикционный преобразователь

Скорость струи плазмотрона при нанесении покрытия составляла 800 м/с, при этом образец вращался со скоростью 40 об/мин, при такой обработке толщина покрытия составляла 1 мм, дополнительная ультразвуковая обработка позволяла достичь шероховатость поверхности Яа = 0,025, механическая обработка поверхности не проводилась.

При нанесении плазменного покрытия на поверхность детали увеличивается поверхностная прочность, а за счет одновременной послойной ультразвуковой обработки этот эффект закрепляется, поскольку ультразвуковое воздействие вызывает деформации в кристаллической решетке. При смещении одной части кристалла по отношению к другой при воздействии ультразвука происходит структурное изменение металла, в том числе уменьшение размера зерна [4, с. 356]. Мелкодисперсная структура снижает коэффициент трения и повышает износостойкость, одновременно увеличивается усталостная прочность и коррозионная стойкость. Эффективность использования указанной технологии нанесения покрытий [3-5; 6, с. 196-200; 7] была оценена с использованием испытаний на триботехнические характеристики и усталостную прочность.

Рис. 2. Технология напыления с ультразвуковой обработкой в производственных условиях

Методика определения триботехнических характеристик покрытий

Триботехнические характеристики проводились на модернизированной машине трения СМЦ-2 (рис. 3, а), все данные о ходе испытаний аккумулировались на персональный компьютер для последующей обработки. Основная методика заключалась в поэтапном нагружении образца с заданным вращением и определении коэффициента трения, нагрузки схватывания и износа сопряженных пар.

Вращающимся телом является ролик (рис. 3, б) диаметром 53 мм, шириной 15 мм, материал 38Х2Н2МА с напыленным покрытием и без напыления. Частота вращения ролика составляет 300 об/мин.

Выпуск 3

Выпуск 3

Способ измерения износа производится с использованием микрометра. Сначала устанавливались начальные значения размера образца до испытания и фиксировались данные после испытания, затем по разности размеров определялся износ. Испытания триботехнических характеристик даны в табл. 1.

'8Й1 * 'Л

''""г:- 1^^НН

б

а

Рис. 3. Экспериментальное определение триботехнических характеристик образцов с покрытием а — модернизированная машина трения СМЦ-2; б — испытания образцов

Таблица 1

Экспериментальные данные

Материал вала Материал покрытия (порошок) Материал сопряженной пары (название подшипника) [кг] И, [мм] И , си’ [мм] t, [ч] Рс [к К тр о , [Мпа]

38Х2Н2МА ПН85Ю15 + карбид хрома + УЗО Б83 (опорный) 200 0,01 0,02 3 200 0,01 -150

38Х2Н2МА Без покрытия Б83 (опорный) 200 0,04 0,03 3 80 0,065 +10

38Х2Н2МА ПН85Ю15 + карбид хрома + УЗО УГТ (дейдвудный) 200 0,01 0,001 3 350 0,05

Где ^ — нагрузка [кг]; И — износ [мм]; Исп — износ сопряженной пары [мм]; t — время [ч]; Р — нагрузка схватывания [кг]; К — коэффициент трения; о — напряжение на поверхности

[Мпа].

Были проведены сравнительные испытания структуры образцов с нанесением покрытия и воздействием ультразвука при вводе волновода в слой покрытия под плазму и без напыления. Исследование структур поверхности при анализе показывает, что при напылении с ультразвуковой обработкой происходит одновременное измельчение зерна и «заволакивание» полостей между зернами основного металла (рис. 4, а), причем проникающий эффект превосходит известные методы поверхностного упрочнения (насыщения), включая термодиффузионные покрытия. При обкатке этого не происходит (рис. 4, б).

б

Рис. 4. Микроструктура поверхности исследуемых образцов (х100): а — образец с обработкой УЗО; б — образец с обкаткой

а

Методика определения усталостной прочности

Усталостная прочность определялась на установке (рис. 5, а). Испытания усталостной прочности проводились при вращении 300 об/мин, частотой 200 Гц, вибрацией 110 уд /мин. Испытуемые образцы (рис. 5, б) были изготовлены из материала 38Х2Н2МА с покрытием ПН85Ю15 + 20 % карбида хрома.

Вращение образца происходит за счет электромеханического привода, вибрация создается с помощью инерционно-силового воздействия. Нагрузка на испытываемый образец измеряется с помощью кварцевого датчика с последующей регистрацией сигнала на электронном потенциометре. Установка оснащена счетчиком числа циклов, автоматически отключаемым при разрушении образца. Техническое оснащение установки осуществлялась ВНИИП «Техника». Результаты сравнительных экспериментов для образцов с напылением и без отражены в табл. 2.

Оценка напряженного состояния на поверхности образцов осуществлялась с использованием прибора «СИТОН» [8]. Результаты данных испытаний приведены в табл. 2.

V ШШ.

а б

Рис. 5. Установка и образец для испытания на усталостную прочность

Выпуск 3

Выпуск 3

Таблица 2

Зависимость полученных напряжений и циклическая прочность

Состояния образца при испытании о , и’ Мпа N тц

Образец без напыления, без УЗО +10 4,5 • 104

Образец с напылением материала ПН85Ю15 + УЗО -250 3-106

Образец с напылением материала ПН85Ю15 + карбид хрома -10 3-105

Образец с напылением материала ПН85Ю15 + карбид хрома + УЗО -300 8-106

Образец с напылением материала ПН85Ю15 без УЗО +10 4104

Где он — напряжение на поверхности, Nтц — количество циклов до разрушения (появления трещин). Данные испытаний показали, что разрушение образцов без покрытия произошло через 22 дня, разрушение образца с покрытием ПН85Ю15 + ССг + УЗО — через 63 дня. Причиной повышения усталостной прочности при напылении с ультразвуковой обработкой можно объяснить изменениями структуры металла поверхностного слоя и сформированными сжимающими напряжениями [9, с. 39-45] на поверхности образца, которые при эксплуатации снижают эквивалентные действующие напряжения.

Выводы

Судовой валопровод является важнейшим механизмом при эксплуатации судна и представляет собой сложную систему, от которой зависит живучесть судна. Выход из строя валопроводов наносит ущерб, превышающий стоимость поврежденного вала. Проведенные нами испытания образцов показывают, что разработанная технология нанесения покрытия с одновременной обработкой ультразвуком позволяет достичь уменьшения коэффициента трения, нагрузки схватывания и износа судовых валопроводов. Усталостная прочность при нанесении покрытия плазменным напылением с ультразвуковой обработкой показывает значительное увеличение по сравнению с образцами из материала 38Х2Н2МА без напыления. Поэтому, упрочняя гребной вал разработанным методом, при его изготовлении можно существенно увеличить моторесурс.

Список литературы

1. Балацкий Л. Т. Повреждения гребных валов / Л. Т. Балацкий. — М.: Транспорт, 1980. —

162 с.

2. Панин В. Е. Новые материалы и технологии. Усталостная прочность деталей при напылении плазменных покрытий с ультразвуковой обработкой / В. Е. Панин. — Новосибирск: Изд-во Сибирской АН. 1993. — 120 с.

3. А. с. 1487329. Способ восстановления деталей методом плазменного напыления с ультразвуковой обработки / Панин В. К., Хмелевская В. Б. — Заявл. 1989.

4. Хмелевская В. Б. Повышение надежности судового оборудования: моногр. / В. Б. Хмелев-ская, Л. Б. Леонтьев. — Владивосток: Изд-во «Дальнаука», 2005.

5. Бычков Т. П. Восстановление и изготовление деталей судовых дизелей газотермическим напылением с ультразвуковой обработкой: дис. ... канд. техн. наук / Т. П. Бычков. — СПб.: СПГУВК, 2000.

6. Герасимов Н. И. Новое направление в создании судовых валопроводов / Н. И. Герасимов // Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте: IV Междунар. симпоз. по транспортной триботехнике ТРАНСТРИБО. — СПб.: СПбГПУ, 2010.

7. Хмелевская В. Б. Выбор технологий и материалов для надежности судовых механизмов: моногр. / В. Б. Хмелевская, А. А. Кузьмин. — СПб.: СПГУВК, 2005. — 214 с.

8. Приборы «Ситон», НПП «Сигма-Тест» — [Электронный ресурс]. — Электрон. дан. — Режим доступа: httt://www.cigma-test.ru

9. Ольховик О. Е. Долговечность конструкционных материалов при объемном напряженном состоянии / О. Е. Ольховик, Е. О. Ольховик // Заводская лаборатория. — 1997. — Т. 63, № 7.

УДК 625.12:539.4 А. Б. Красюк,

канд. техн. наук, доцент, ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова;

В. Б. Чистов,

д-р техн. наук, профессор, ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕФЕКТАЦИИ СТАЛЬНЫХ КОРПУСОВ СУДОВ

METHODOLOGICAL OUTLINES OF THE DEFECT DETECTION OF THE VESSELS STEEL HULLS

Статья посвящена рассмотрению дефектации судов внутреннего и смешанного плавания с точки зрения участников данного процесса: судовладельца, организаций, выполняющих освидетельствование судов, Российского речного регистра, прочих организаций, а также вопросам разработки новой редакции Инструкции по дефектации.

The article deals with the defect detection of inland vessels and vessels for river-sea navigation with views of the participants in this process: the shipowner, organizations performing survey of ships, Russian river register, other organizations, and the development of a new version of the manual for defect detection.

Ключевые слова: судно, корпус, элементы корпуса, дефекты, остаточные толщины, деформации.

Key words: ship, ship’s hull, elements of ship’s hull, defects, residual thickness, deformation.

П

ОНЯТИЕ дефектации корпуса судна следует рассматривать двояко: как процесс и как результат.

Под процессом дефектации можно понимать комплекс работ, направленных на обследование, обнаружение, измерение и фиксирование параметров дефектов корпуса.

Результатом дефектации являются параметры дефектов корпуса судна, представленные в акте или отчете, необходимые для определения технического состояния, актуального на дату составления отчета, выбора и обоснования методов и объемов ремонта, осуществления проверочных расчетов прочности по итогам ремонта.

При данном разделении термина «дефектация» становятся более ясными разногласия субъектов, участвующих в дефектации как на стадии обследования судна, так и на стадии анализа результатов, принятия управленческих решений и проведения ремонта.

Нормативным документом, регламентирующим дефектацию корпусов судов, поднадзорных Российскому речному регистру (далее — РРР), является «Инструкция по дефектации корпусов стальных судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания» [4].

Выпуск 3