Лазерное упрочнение поршневых колец дизелей как способ повышения износостойкости

QUALITY AND RELIABILITY OF ELECTROSUPPLY IN INFO COMMUNICATIONAL SYSTEMS

© 2015

D.E. Dulepov, the candidate of technical sciences, the associate professor of the chair «Electrofication and automatization» T.E. Tyndina, the teacher of the chair «Info communicational technologies and communication systems» Nizhniy Novgorod state engineering-economic institute, Knyaginino

Abstract. In the article the basic parameters of quality of electric energy (КЭ) and the norms established for them are considered. The standard establishes properly admissible and maximum permissible values of parameters. There is a description of standards of reliability and quality power energy. Requirements on reliability of electro supply of consumers are stated, first of all, in such fundamental normative document, as « Rules of an arrangement of electro installations » (PUE). As the main parameter of reliability of electro supply the category of reliability is entered. In article influence of infringements on working capacity info communicational systems is noted. Quality of the electric power influences working capacity and efficiency of functioning of the fed equipment. With reference to info communication systems it is considered as influence conductive barriers (the electromagnetic barriers extending on elements of an electric network) on the equipment. In the basic part modern systems of protection of power supplies are considered. The maximum degree of protection of electro supply systems of matrix architecture - so-called provide « power files » (PowerArray). Methods of achievement of a qualitative uninterrupted feed info communications are allocated; the special attention is given failure-safe systems. Functions of fault tolerance directly depend on operational readiness of system. Long operational readiness is estimated as probability of that the system under certain conditions will carry out full-scale the problems. Classification of modern systems of protection of power supplies on a level of availability is painted. In the conclusion that electro supply of info communications depends on quality of the electric power and reliability of electro supply is noted and it is according to the developed technical practice, the basic means of maintenance of reliability and quality of electro supply are sources of a uninterrupted feed. The best parameters of reliability of electro supply can be received, using reserved systems with architecture « a power file ».

Keywords: diesel-power plant (DEP), sources of a uninterrupted feed (UIF), pulse pressure, quality of electro supply, infringement in electro supply, telecommunication systems, a deviation of frequencies, MTBF, a power file.

УДК [62-242.3:3621.74.042]:620.178.16 ЛАЗЕРНОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ ДИЗЕЛЕЙ КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ

ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

© 2015

С.С. Казаков, старший преподаватель кафедры «Технические и биологические системы» В.В. Гоева, доцент кафедры «Технические и биологические системы»

Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, Княгинино

Аннотация. Проведен анализ состояния деталей цилиндропоршневой группы судовых дизелей, выявлены основные причины отказов этих деталей. Определены наиболее изнашиваемые и ответственные детали судового дизеля, которыми являются поршневые компрессионные кольца. Действительный ресурс поршневых колец существенно ниже нормативных значений, особенно у дизелей работающих на тяжелых сортах топлива. Приведены основные методы повышения износостойкости поршневых колец дизелей. Определено, что наиболее рациональным методом увеличения ресурса поршневых колец представляется применение методов поверхностного упрочнения и повышения износостойкости трущихся поверхностей деталей. Обоснован метод лазерного термоупрочнения рабочих поверхностей поршневых колец как наиболее перспективный метод повышения износостойкости. Определено, что лазерной закалке обычно подвергают не всю поверхность трения, а отдельные ее участки. В результате образуется поверхность из последовательно чередующихся «мягких» и твердых участков зоны лазерного воздействия. Чередование мягкой основы чугуна и упрочнённой зоны на рабочей поверхности поршневых колец позволяет получить высокие антифрикционные характеристики. В работе представлены исследования лазерного упрочнения деталей ЦПГ судовых дизелей (поршневые кольца), изготавливаемых на предприятиях ОАО «РУМО» и ОАО «Метмаш». Поршневые кольца подвергали закалке при помощи лазерного комплекса «Комета-2». Представлены методика и результаты испытаний упрочненных поршневых колец, даны рекомендации по выбору режимов лазерной обработки. Износостойкость поршневых колец с лазерной обработкой исследовалась в сравнении с хромированными кольцами судовых дизелей на испытательном стенде при возвратно-поступательном движении. Установлено, что лазерная обработка поршневых колец повышает не только износостойкость, но и снижает износ серийных втулок цилиндров.

Ключевые слова: износостойкость, лазер, лазерная закалка, лазерная обработка, микротвердость, надежность, поршневое кольцо, рабочая поверхность, ресурс, судовые дизели, термоупрочнение, чугун.

Эффективное использование современного транспортного флота в значительной степени зависит от его технического состояния. К настоящему времени большинство судов находится в эксплуатации более 20 лет, поэтому объемы ремонтных работ для поддержания их работоспособности с каждым годом увеличиваются. Поскольку экономичность и безопасность работы судов как пассажирского, так и грузового флота непосредственно зависят от рабочего состояния главных и вспомогательных дизелей, то к параметрам надежности судовых энергетических установок предъявляются повышенные требования.

Опыт эксплуатации судовых дизелей показывает, что надёжность их работы, сроки проведения текущих и сред-

них ремонтов определяются параметрами технического состояния деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ), среди которых цилиндровая втулка (ЦВ) и поршневые кольца (ПК) наиболее ответственные и быстро изнашиваемые.

Компрессионные кольца (особенно первое) работают в наиболее тяжелых условиях (высокие температуры, давление газов, вибрации, недостаточная толщина масляной пленки и т. д.). В то же время именно от качества их работы зависит экономичная и надежная работа двигателя в целом [1,2].

Основная функция ПК - создание, совместно с поршнем, уплотнения, которое обеспечивало бы изоляцию объемов камеры сгорания и подпоршневого пространства.

Детали ЦПГ работают в экстремальных условиях вы-

соких температур, реверсивного трения, значительной механической напряженности, при воздействии агрессивной среды и масляном голодании. Ресурс ПК судовых дизелей к настоящему времени составляет 7,5-8 тыс. ч. Поршневые кольца с гальваническим хромовым покрытием надежно работают несколько дольше - до 10 тыс. ч. В этом случае наблюдается снижение износа не только ПК, но и цилиндровой втулки. В случае работы двигателя на тяжелых высокосернистых сортах топлива происходит снижение ресурса ПК до 5,5-7,0 тыс.ч. [3]. Действительный ресурс поршневых колец существенно ниже нормативных значений. В большинстве случаев основной причиной выбраковки ПК судовых дизелей является достижение предельного износа рабочей трущейся поверхности, а в ряде случаев и по причине катастрофической формы износа - задира. Иногда комплекты поршневых колец приходится заменять вследствие их поломки или заклинивания в канавках. Поломка поршневых колец наблюдается почти у всех типов двигателей, но происходит лишь в единичных случаях.

К основным факторам, вызывающим поломки и заклинивание колец в канавках поршня следует, прежде всего, отнести [4, 5, 6]:

- износ торцовых поверхностей поршневых канавок, зеркала втулки цилиндра и рабочей поверхности поршневых колец, что вызывает ухудшение условий теплоот-вода, коксование масла в канавках;

- неудовлетворительная эпюра распределения радиального давления по окружности кольца, а также потеря упругости колец в процессе работы;

- нецелесообразная конструкция ПК - малая высота колец, небольшое значение теплового зазора в замке и т. д.;

- вибрация колец типа «флаттер»;

- низкий уровень физико-механических свойств материала поршневых колец.

Таким образом, к основным мерам по предотвращению поломок поршневых колец можно отнести, прежде всего, совершенствование конструкции, а также выбор для деталей ЦПГ материалов с высоким уровнем физико-механических свойств. Важное значение имеет также износостойкость рабочих поверхностей этих деталей. Явления механического, абразивного, адгезионного, водородного и усталостного разрушения, химической, электрохимической и газовой коррозии происходят в поверхностном слое материала, на глубине, не превышающей 3 мм. Следовательно, эксплуатационные свойства и долговечность деталей машин определяются, прежде всего, состоянием сравнительно тонких поверхностных слоев. В связи с этим, наиболее рациональным для увеличения ресурса ПК представляется применение методов поверхностного упрочнения и повышения износостойкости трущихся поверхностей деталей.

Применительно к поршневым кольцам ДВС, наибольшее распространение получили следующие способы, которые можно разбить на несколько технологических направлений [7, 8]:

• объемная термическая обработка;

• химико-термическая обработка (ХТО);

• локальное термическое упрочнение;

• применение износостойких покрытий.

Однако при эксплуатации высокофорсированных судовых дизелей, особенно работающих на тяжелых высокосернистых сортах топлива, применение ХТО не позволяет довести ресурс ПК до нормативных значений.

Среди методов нанесения износостойких покрытий для упрочнения ПК в условиях дизелестроительного производства наибольшее распространение получил метод гальванического хромирования.

Основными недостатками хромирования являются: высокая длительность процесса (покрытие толщиной 0,2 мм наносится за 10-12 часов), а также то, что поверхность для гальванического хромирования должна иметь невысокую шероховатость (Ra < 0,63 мкм).

Гальваническое хромирование - экологически вредный процесс, и ряд предприятий водного транспорта отказываются от его применения.

Наибольший практический интерес представляют такие методы, как газопламенное, плазменное, детонационное напыление, а также электродуговая металлизация.

Основной недостаток этих методов - высокая стоимость оборудования и расходных материалов (порошки и газы).

В последние годы для обработки поверхностного слоя деталей ЦПГ применяются методы локального термического упрочнения. Особый интерес исследователей вызывает метод лазерной термической обработки [9-13].

Применение лазерного излучения позволяет в широком диапазоне варьировать тепловложение в локальный участок поверхностного слоя изделия, обеспечивая нагрев этих участков до температур структурно-фазовых превращений [14-17].

Лазерной обработке обычно подвергают не всю поверхность трения, а отдельные ее участки. В результате образуется поверхность из последовательно чередующихся «мягких» (исходная структура чугуна) и твердых участков зоны лазерного воздействия. При лазерной обработке чугунов ПК в результате теплового воздействия в поверхностных слоях происходят структурные изменения, которые влияют на их физико-механические характеристики. Исследованиями установлено, что формирование структуры с повышенной износостойкостью наблюдается в определённом интервале режимов лазерной обработки.

Поскольку изнашивание упрочнённого слоя в поперечном направлении меньше, чем в продольном, то на рабочие поверхности ПК следует наносить кольцевые лазерные дорожки. Следует заметить, что рабочие поверхности ПК находятся в непрерывном контакте с поверхностью «зеркала» цилиндра. Чередование мягкой основы чугуна и упрочнённой зоны на рабочей поверхности поршневых колец позволяет получить высокие антифрикационные характеристики.

В работе проводились исследования лазерного упрочнения деталей ЦПГ судовых дизелей (ПК), изготавливаемых на предприятиях ОАО «РУМО» и ОАО «Метмаш». Отличительной особенностью изготовления заготовок на данных предприятиях является то, что в первом случае ПК получают центробежным способом литья, а во втором случае - литьём в землю [19].

Поршневые кольца подвергались лазерному упрочнению по двум вариантам: на СО2-лазере «Комета-2» и на спроектированном нами лазерном технологическом комплексе, включающем твердотельный лазер ЛТН-103 и станок с ЧПУ ТПК-125ВН. Мощность излучения твёрдотельного лазера изменялась от 200 до 500 Вт, а скорость обработки V в пределах 1-12 мм/с. Для увеличения коэффициента поглощения энергии луча лазера на рабочие поверхности исследуемых образцов и натурных деталей наносили углеродные и оксидные покрытия.

Износостойкость ПК с лазерной обработкой исследовалась в сравнении с хромированными кольцами судовых дизелей 6 ЧРН 36/45 на испытательном стенде при возвратно-поступательном движении.

Нагрузка на контактирующие поверхности образцов составляла 1 кН, время приработки -3 ч, суммарное время испытаний соответствовало 25, 50, 100 ч. В зону трения подавалось масло М14В2 (6 капель в минуту) при скорости скольжения образцов 1,3 м/с. Температура рабочей зоны трения образцов контролировалась термопарами и составляла 90 °С. Результаты исследований приведены на рисунке 1-2.

Режимы лазерной обработки определяли по методикам работы [22].

ПК судовых среднеоборотных дизелей следует упрочнять на следующих режимах: СО2 -лазер «Комета-2»: Р = (950-1000) Вт , V = (4,5-6) мм/с; твёрдотельный лазер ЛТН-103: Р = (250-500)Вт, V = (6-13) мм/с.

Рисунок 1 - Влияние микротвердости Налоев зоны лазерного воздействия на износ поршневых колец из ВЧ45-5 после лазерного упрочнения при Р = 1000 Вт и V= 6 мм/с

1 - I = 0,02 мм; 2 - 1= 0,07 мм; 3 - I = 0,12 мм; 4 -

поверхность ЗО

0117 О, Г

0,06

0,05

0,03

0,02

„......

Т.ч

10 20 30 40 50 60

Рисунок 2 - Износ образцов пар трения втулка-кольцо на испытательном стенде при возвратно-поступательном движении:

(1)- кольцо покрытое хромом в работе с ЦВ(СЧ25);

(2)- упрочненное поршневое кольцо(ВЧ45-5) в работе ЦВ(СЧ25);

(3)- ЦВ(СЧ25) при работе с хромированным поршневым кольцом;

(4)- ЦВ(СЧ25) при работе с упрочненным поршневым кольцом (ВЧ45-5).

Установлено, что лазерная обработка ПК повышает не только износостойкость, но и снижает износ серийных ЦВ. Это дополнительно подтверждает, что на рабочей поверхности ПК чередование износостойких лазерных дорожек, имеющих структуру отбелённого чугуна повышенной твёрдости, и областей чугуна с графитными включениями (рис. 2) благоприятно сказывается на работоспособности пары трения ЦВ - ПК.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Энглиш К. «Поршневые кольца». Т.1. М. : Машгиз,

1962. С.584.

2. Энглиш К. «Поршневые кольца». Т.2. М. : Машгиз,

1963. С. 368.

3. Матвеев Ю. И. Повышение долговечности судовых дизелей с использова-нием плазменного напыления и лазерной обработки : Дис. 05.08.04. д-ра. тех. наук. Н.Новгород. : ВГАВТ, 2003. 329 с.

4. Гинцбург Б. Я. «Теория поршневого кольца». М. : «Машиностроение». 1979. С. 272.

5. Хрущов М. М., Бабичев М. А. Абразивное изнашивание. М. : Наука, 1970.251с.

6. Цеснек Л. С. Механика и микрофизика истирания поверхностей. М. : Машиностроение, 1979. 263 с.

7. Елизаветин М. А., Сатель Э. А. Технологические способы повыше-ния долговечности машин. М. : Машиностроение, 1969. 399 с.

8. Тененбаум М. М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абразивном изнашивании. М. : Машиностроение, 1966. 331 с.

9. Андрияхин В. М., Фикшис М. М. Лазеры и перспективы их применения в автомобилестроении. М. : НИИавтопром, 1980. 65 с.

10. Арзамасцева Э. А., Мульченко Б. Ф. Применение лазеров в промышленности. Технология автомобилестроения, 1980, № 5. С. 85-89.

11. Архипов В. Е., Биргер Е. М., Гречин А. Н. Применение лазерной тех-нологии на АЗЛК. // Технология автомобилестроения. 1980. № 5. С. 24

12. Готтесман К. А. Практическое применение лазеров в автомобилестроении. // Автомобильная промышленность США. 1976. № 2. С. 18-21.

13. Кокора А. Н. Лазерная термообработка и перспективы ее применения на предприятиях Минлегпищемаша (обзор). М. : ЦНИИТО ЛЕГПИ-ШЕМАШ, 1977. 49 с.

14. Зяблов О. К. Применение лазерной технологии при ремонте коленчатых валов судовых двигателей: Дис. 05.08.04. к.т.н. Н.Новгород. : ВГАВТ, 2000. 161 с.

15. Шахрай А. Н., Лонго М. Применение лазеров большой мощности в производстве. М. : ВЦП, 1979. 59 с.

16. Григорянц А. Г. Основы лазерной обработки материалов. М. : Машиностроение, 1989. 304 с.

17. Рыкалин Н. Н., Углов А. А., Кокора А. Н. Лазерная обработка материалов. М. : Машиностроение, 1975. 296 с.

19. Асташкевич Б.М. Износостойкость и прочность деталей цилиндропоршневой группы транспортных двигателей // Вестник машиностроения, 1997. № 10, С. 8-11.

22. Бративник Е. В. Методы определения оптимальных режимов лазерной закалки и контроля ее качества. МиТОМ, 1982, № 9. С. 36-38

С.С. Казаков, В.В. Гоева СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА...

LASER HARDENING OF PISTON RINGS OF DIESEL ENGINES AS THE WAY OF INCREASE OF

WEAR RESISTANCE

© 2015

S.S. Kazakov, senior teacher of the chair «Technical and biological systems» V.V. Goeva, the associate professor of the chair «Technical and biological systems» Nizhny Novgorod state engineering-economic institute, Knyaginino,

Abstract. The analysis of a condition of details cylinder piston group of ship diesel engines is lead, principal causes of refusals of these details are revealed. The worn most out and responsible details of a ship diesel engine which are piston compressive rings are certain. The valid resource of piston rings essentially below normative values, especially at diesel engines working on heavy grades of fuel. The basic methods of increase of wear resistance of piston rings of diesel engines are resulted. It is certain, that the most rational method of an increase of a resource of piston rings application of methods of superficial hardening and increase of wear resistance of rubbing surfaces of details is represented. The method of laser thermo hardening working surfaces of piston rings as the most perspective method of increase of wear resistance is proved. It is certain, that to laser training usually subject not all surface of friction, and its separate sites. Alternation of a soft basis of pig-iron and the strengthened zone on a working surface of piston rings allows receiving high anti frictional characteristics. In work researches of laser hardening of details TsPG of ship diesel engines (piston rings), Open Societies « RUMO « made at the enterprises and Open Society « Metmach « are presented. Piston rings subjected to training by means of a laser complex «Kometa-2». The procedure and results of tests of the strengthened piston rings are presented; recommendations at the choice of modes of laser processing are given. Wear resistance of piston rings with laser processing was investigated in comparison with the chrome plated rings of ship diesel engines on the test bed at back and forth motion. It is established, that laser processing of piston rings raises not only wear resistance, but also reduces wear of serial plugs of cylinders.

Keywords: wear resistance, the laser, laser training, laser processing, micro hardness, reliability, a piston ring, a working surface, a resource, ship diesel engines, thermo hardening, pig-iron.

УДК [62-242.3:621.74.042]:620.178.16 СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ В ЗОНЕ

ЛАЗЕРНОГО ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ

© 2015

С.С. Казаков, старший преподаватель кафедры «Технические и биологические системы» В.В. Гоева, доцент кафедры «Технические и биологические системы» Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, Княгинино

Аннотация. В работе представлены основные аспекты лазерного термоупрочнения поверхностных слоев высокопрочных чугунов, даны рекомендации по использованию энергии лазерного луча при обработке поршневых колец, с целью получения заданных физико-механических свойств. Исследован механизм растворения углерода и образование пористости при лазерном оплавлении чугуна с шаровидны графитом с различными размерами сфероидов графита. Проведен обзор существующих методов повышения физико-механических свойств чугунов с шаровидным графитом, дана их сравнительная оценка. Приведены результаты исследования влияния состава, технологических параметров и структуры чугуна с шаровидным графитом на механические свойства, износостойкость и усталостную прочность деталей подвергнутых оплавлению лазером. При лазерной закалке можно получать сложную структуру высокопрочного чугуна, состоящую из феррита, аустенита, мартенсита и цементита, в зави-симости от удельной мощности, времени нагрева, скорости плавления и кри-сталлизации чугуна с шаровидны графитом. Исследованы фазовые превращения при индукционном нагреве высокопрочного чугуна и построены диаграммы режимов закалки чугуна с шаровидны графитом, опробованные на распределительных валах. Установлена зависимость между параметрами аустенизации высокопрочного чугуна с различным содержанием графита, толщиной закаленного слоя и его поверхностной твердостью. Результаты проведенных исследований чугунов с шаровидной формой графита, применяющихся на заводе «ЯМЗ», позволили получить уравнения регрессии, из которых следует, что заданные механические свойства деталей из чугуна с шаровидны графитом при закалке можно получить за счет регулирования технологических режимов, исходной структуры матрицы и степени дисперсности мартенсита.

Ключевые слова: высокопрочный чугун, износостойкость, лазер, лазерная закалка, лазерная обработка, микротвердость, поршневое кольцо, структура поверхности, термоупрочнение, упрочненная зона, чугун с шаровидным графитом.

Наибольшее число работ по поверхностному упрочнению чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ) в последние годы выполнено с использованием лазерного упрочнения. Получены распределения плотности энергии внутри лазерного луча и выведены зависимости коэффициента поглощения от температуры, необходимые для тепловых расчетов глубины упрочненной зоны и ее ширины в образцах ЧШГ различной формы [1-7].

Исследован механизм растворения углерода и образование пористости при лазерном оплавлении ЧШГ с различными размерами сфероидов графита «Г», которые растворяются преимущественно на стадии образования жидкой фазы. Чем меньше размеры сфероидов «Г», тем быстрее они растворяются. Для полного их растворения требуется определенная выдержка металла в жидком состоянии, что достигается соответствующей скоростью перемещения лазерного пучка и размером пятен. Упрочненный при лазерной обработке ЧШГ состоит из 4 слоев [8]:

- оплавленный слой со структурой ледебурита, мета-стабильного аустенита и мартенсита;

- полуоплавленный слой со структурой остаточного шаровидного графита (ШГ), отростки ледебурита вокруг шаровидного графита, мартенсита и остаточного аустенита;

- слой продуктов превращения в твердом состоянии со структурой остаточного ШГ, остаточного феррита, скрытокристаллического мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита;

- переходная прослойка со структурой ШГ, дисперсного феррита, скрытокристаллического мартенсита и перлита.

Оплавленная прослойка обладает наибольшей износостойкостью, на втором месте прослойка продуктов превращения в твердом состоянии. Относительная толщина каждой прослойки может регулироваться параметрами лазерной обработки ЧШГ. Лазерное оплавление ЧШГ с поперечным перемещением луча приводит к повышению твердости и не вызывает растрескивание, причем увеличение твердости сложным образом зависит от