Технологічні засоби підвищення працездатності підшипників ковзання транспортних дизелів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.43.002

ТЕХНОЛОГІЧНІ МЕТОДИ ПІДВИЩЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ ПІДШИПНИКІВ КОВЗАННЯ ТРАНСПОРТНИХ ДИЗЕЛІВ

Спеціальність 05.02.08 - Технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Остапчук Віктор Миколайович

Харків 2000 р.



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Північно-Східному Науковому центрі Національної Академії наук України (м. Харків).

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Тимофєєва Лариса Андріївна,

Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, професор кафедри технології металів і матеріалознавства.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Мовшович Олександр Якович, Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування, заступник директора.

кандидат технічних наук, доцент Зенкін Микола Анатолійович, Київський державний університет технології та дизайну, доцент кафедри інженерної механіки.

Провідна установа:

Український науково-дослідний інститут авіаційної технології Міністерства промислової політики України (м. Київ).

Захист відбудеться 18 травня 2000 р. о 14-ій годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий 30 березня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Узунян М.Д.

підшипник ковзання працездатність покриття



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Залізничний транспорт є найважливішою господарською галуззю країни. Вимоги, запропоновані до рухомого складу залізниць, в останні роки значно підвищились. Основна з цих вимог - забезпечення високої надійності вагонів і локомотивів в умовах інтенсивної експлуатації. Зросли швидкості руху, збільшилися навантаження і планується подальший їх ріст.

Рішення цих задач неможливо без створення для вагонів і локомотивів надійних вузлів і деталей, що мають достатню працездатність і довговічність. В цей же час довговічність значного числа деталей визначається тривалістю одного лише міжремонтного пробігу. До таких деталей відносяться, зокрема, корінні і шатунні вкладиші колінчатих валів багатонавантажних тепловозних дизелів, які багато коштують і при ремонтах цілком заміняються новими.

Збільшити термін служби як корінних, так і шатунних вкладишів можливо шляхом їхнього відновлення. Проте, в даний час, таких технологій взагалі не існує. Спроба застосувати для відновлення вкладишів гальванічний метод, метод відцентрового лиття та ін. позитивних результатів не дали.

У зв'язку з викладеним, а також з урахуванням дорожнечі шатунних і корінних вкладишів колінчатих валів, дефіцитності їх останнім часом (а те і відсутність), розробка високопродуктивної технології їхнього виготовлення і відновлення виявляється надзвичайно важливою і актуальною. Широкі можливості відкриває використання вакуум-плазмових технологій. Серед них перевагу варто віддати методу конденсації речовини в умовах іонного бомбардування (КІБ), що дозволяє регулювати температуру процесу в широкому інтервалі (200... 800 °С) і, також, наносити покриття на деталі, виготовлені з різноманітних матеріалів, що робить його універсальним і ведучим серед сучасних технологій.

Застосування методу КІБ для нанесення антифрикційного шару на поверхню вкладишів підшипників дозволить вирішити задачу відновлення вкладишів, які вийшли з ладу. Це заощаджує значні матеріальні ресурси, а також дозволить замінити шкідливий гальванічний процес, використовуваний при виготовленні вкладишів, екологічно чистим.

Основними труднощами при одержанні багатошарового покриття методом КІБ є необхідність почергового одержання шарів різноманітного складу з заданими фізико-математичними властивостями і визначеною товщиною, при цьому адгезія між шарами повинна мати значення, що забезпечує високі характеристики вкладиша підшипника. Для одержання необхідних значень адгезії між шарами необхідно робити їхнє осадження в єдиному вакуумному циклі. Рішенню цих актуальних питань присвячена дійсна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, які проводились, спрямовані на вирішення наукових проблем, що розроблюються Національною академією наук України відповідно до наказу Міністерства науки України від 17.01.97 р. №72 за темою “Дослідження змін фазового складу та валентно-енергетичного стану елементів композиційних покриттів шпінельного типу при радіаційному, термічному та механічному впливах”, а також дослідження входять в національну програму “Транспорт” Міністерства транспорту України. Ця тема є складовою частиною фундаментальних досліджень, які проводяться Міністерством освіти і науки України в галузі “Екологічно чиста енергетика та ресурсо-зберігаючі технології”.

Метою та завданням дослідження є розробка високоефективної і екологічно чистої технології виготовлення і відновлення вкладишів підшипників колінчатих валів багатонавантажених дизелів шляхом нанесення антифрикційного шару методом конденсації речовини в умовах іонного бомбардування на основі:

розробки фізичної моделі процесу нанесення покриттів з урахуванням параметрів його формування, зносу, значення коефіцієнта тертя;

вибору оптимальних режимів нанесення покриттів;

одержання аналітичної залежності між складом, структурою й експлуатаційними властивостями антифрикційного багатошарового покриття; проведення металографічних, рентгенографічних, тріботехнічних досліджень антифрикційного шару вкладишів; проведення стендових і експлуатаційних досліджень.

Досягнення поставленої цілі засновано на теоретичному й експериментальному дослідженні зв'язку робочих характеристик багатокомпонентних покриттів з оптимальними параметрами їх формування і на цій основі розробка технології виготовлення і відновлення підшипників ковзання транспортних дизелів.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше на основі глибокого аналізу умов експлуатації, методів виготовлення корінних і шатунних вкладишів тепловозних двигунів, теоретично обгрунтована, розроблена і впроваджена технологія нанесення антифрикційного багатошарового покриття при застосуванні вакуум-плазмового напилення, при якому формування кожного з наступних шарів обумовлено підвищеною адгезійною міцністю, що дозволяє, використовуючи модернізоване серійне устаткування для виготовлення і ремонту вкладишів, забезпечити їх більш високу довговічність і працездатність при високій технологічності процесу.

Дана технологія містить у собі:

розробку фізичної моделі формування робочого шару підшипників ковзання вакуум-плазмовим методом з урахуванням взаємозв'язку технологічних параметрів одержання з його працездатністю;

встановлення залежності формування шарів антифрикційного покриття від струму дуги і розміру негативної напруги зсуву, що дозволяють варіювати температуру в зоні нанесення покриття і попереджують утворення геометричних, кристаллохімічних і фізико-механічних дефектів;

розрахунок по розробленій методиці оптимальних параметрів вакуум-плазмового методу одержання багатошарового антифрикційного покриття підшипників ковзання з урахуванням заданих значень розміру лінійного зносу, значення коефіцієнта тертя і навантажень;

одержання аналітичної залежності між складом, структурою й експлуатаційними властивостями антифрикційного багатошарового покриття;

підтвердження результатами експериментальних досліджень можливості підвищення працездатності і зносостійкості підшипників ковзання транспортних дизелів, що виготовлені і відновлені за допомогою технології вакуумного напилення.

Практичне значення одержаних результатів полягає в:

розробці високоефективного процесу виготовлення і відновлення корінних і шатунних вкладишів транспортних двигунів (Патент України на винахід "Cnoci6 виготовлення підшипників ковзання" за заявкою № 99126823 від 15.12.99 р., по якій прийнято рішення на видачу патенту від 17.02.2000 р.);

удосконалення серійної вакуум-плазмової установки, що дозволяє завдавати антифрикційний шар на максимально-можливу кількість вкладишів підшипників у єдиному технологічному циклі;

розробці конструкції і програми експлуатаційних іспитів корінних і шатунних вкладишів підшипників колінчатого вала транспортного дизеля типу 5Д49;

впровадження розробленої технології виготовлення і відновлення вкладишів у локомотивному депо “Основа” Південної залізниці із загальним економічним ефектом 620 тис. гривень у рік.

Особистий внесок здобувача. Виконано структуризацію теми і сформовані задачі дослідження. Рішення цих задач за допомогою математичного планування і розробленої фізичної моделі зв'язку технологічних параметрів формування багатошарових покриттів з їх триботехнічними властивостями дозволило здобувачу достатньо повно розкрити ціль роботи і провести всі розрахунки, виконані в дисертації, аналіз і обговорення результатів досліджень. Автором розроблена і впроваджена технологія виготовлення і відновлення вкладишів підшипників ковзання тепловозних двигунів. Автором були написані тексти всіх статей і доповідей, які увійшли у дисертацію. Автор за результатами дисертації робив доповіді на наукових семінарах і різноманітних міжнародних конференціях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи рекомендувались й одержали ухвалення на таких наукових конференціях:

Міжнародної конференції-семінарі "Матеріали, технологія, устаткування й інструменти в машинобудуванні" (м. Київ, 1999 р.);

Міжнародної конференції "Технології ремонту машин, механізмів і устаткування" (м. Алушта, 1999 р.);

Міжнародної конференції "Сучасні методи і засоби контролю, що не руйнує, і технічної діагностики" (м. Ялта, 1999 р.);

Міжнародної школі-семінарі "Перспективні системи керування на залізничному, промисловому і міському транспорті" (м. Алушта, 1999 р.).

Публікації. Основний склад дисертації опубліковано в 8 роботах, із них - 4 статті, одна заявка на патент.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'ятьох розділів, висновків, заключення, списку літератури, що цитується і додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 146 сторінок, у тому числі 20 малюнків, 14 таблиць і бібліографію з 120 найменувань.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко обговорюється об'єкт дослідження, обґрунтовуються актуальність обраної теми, вказується мета і задачі проведених досліджень, а також формулюються основні результати, що отримані в дисертації. Наводиться перелік опублікованих статей і наукових конференцій за темою дисертації, на яких були повідомлені основні результати даної дисертації.

У першому розділі розглянуті умови роботи підшипників ковзання колінчатих валів тепловозних дизелів, причини виходу їх з ладу і задача дослідження.

Статистика свідчить про те, що більш 80% машин і механізмів виходять із ладу в результаті зносу деталей, що працюють в умовах тертя. До таких деталей, зокрема, відносяться вкладиші підшипників колінчатих валів багатонавантажених дизелів. Робота підшипників після приробки відбувається в умовах тривалого впливу мінливих по розміру тисків, підвищеної температури і явищ, пов'язаних із змінами режимів тертя. До цього варто прирахувати вплив на підшипниковий матеріал мастила та абразивних часток.

Під впливом цих факторів сполучена тертьова пара буде зношуватись швидше або повільніше в залежності від якості виконання і монтажу тертьових частин, якості підшипникового сплаву, умов експлуатації. Дуже багато підшипників виходять із ладу по утомленому руйнуванню бабітового шару.

В даний час існує декілька напрямків, по яких розвивається рішення проблеми підвищення надійності і довговічності деталей сполучених пар. Це добір антифрикційних матеріалів, що характеризуються високими службовими властивостями, вибір більш досконалих мастил у порівнянні з застосовуваними, розробка засобів відновлення вкладишів, які вийшли із ладу.

Основні вимоги, запропоновані до антифрикційних сплавів, визначаються умовами роботи вкладиша підшипника. Ці сплави повинні мати достатню й у той же час помірну твердість, щоб не викликати значного зносу вала, порівняно легко деформуватися під впливом місцевих напруг, тобто бути пластичними; утримувати мастило на поверхні; мати малий коефіцієнт тертя між валом і підшипником. Крім того, температура плавлення цих сплавів не повинна бути високою і сплави повинні мати значну теплопровідність і стійкість проти зносу. Для забезпечення цих властивостей, структура антифрикційних сплавів повинна бути гетерогенною, що складається з м'якої і пластичної основи з включенням більш твердих часток.

Надзвичайно важливим здається шлях підвищення зносостійкості і довговічності за рахунок застосування більш вдосконалих технологій нанесення на поверхню вкладишів покриття (робочих шарів). При цьому витрата дорогих, дефіцитних матеріалів зменшується, а ефект підвищення довговічності може виявитися більш значним, тому що в тонких поверхневих шарах можна одержати більш високі фізико-механічні властивості, чим у монолітних деталях. Існує велика кількість технологічних методів нанесення покриттів, проте, найбільше екологічно чисті - фізичні методи. При аналізі фізичних методів осадження покриттів, що включають вакуумний випар необхідного елемента - утворювача покриття, зупинимося на методі конденсації покриттів із плазмової фази у вакуумі з іонним бомбардуванням поверхні.

Другий розділ присвячений питанням розробки технології нанесення антифрикційного шару на вкладиші підшипників вакуум-плазмовим засобом.

Нанесення покриттів на вкладиші підшипників здійснювалось за допомогою серійної установки "Булат-3Т" методом конденсації речовини в умовах іонного бомбардування (КІБ). Для того, щоб зробити можливим нанесення складного антифрикційного покриття, що складається з чотирьох шарів різноманітного складу, в одному технологічному циклі, автором було сконструйоване джерело металевої плазми, що є коаксіальною системою електродів. Вивчення працездатності джерела показало, що для всіх досліджуваних матеріалів існує мінімальне значення струму стабільного горіння дуги J_a^min, нижче якого розряд гасне. Визначено оптимальні по стабільності значення параметрів дуги J_a і V_a, для одержання кожного з шарів антифрикційного покриття.

Таблиця

Параметри вакуумних дуг для різноманітних матеріалів катода

Параметр	Сплав 90%Cu0-10%Sn	Ni	Sn	бабіт 13%Sn-3%Cu-Pb
Jamin, A	35	70	45	8
Ja, A	85	110	100	20
Ua, B	20	10	20	12
Споживана потужність, кВт	1,7	2,1	2	0,24
Швидкість ерозії катоду, мг/с	6,4	-	4,4	11,2

Для підвищення ефективності іонно-плазмової технології виготовлення і відновлення вкладишів сконструйоване і виготовлене пристосування, що дозволяє одночасно оброблювати 8-10 вкладишів. При розробці оптимальних параметрів процесу нанесення покриттів вакуум-плазмовим методом було використано математичне моделювання, у результаті чого були отримані рівняння регресії, що адекватно описують експериментальні данні.

Коефіцієнти отриманого рівняння регресії перевіряли на значимість за критерієм Стьюдента, а також на адекватність експериментальним данним отриманої моделі за критерієм Фішера. Отримані рівняння регресії, що зв'язують технологічні параметри процесу з властивостями отриманого поверхневого шару, а саме, із зносостійкістю й антифрикційністю мають вид:



Зносостійкість

З = 407-0,28t-12,2+0,02t+0,004tc+0,37с+0,0001t2+0,1²+0,09c²;

коефіцієнт тертя

f = 2,77-0,27t-0,14+0,27c+510-5t²+0,03-3²-0,01с²,

t - температура, °С; - час, хв; С - концентрація, г.

Аналіз отриманих рівнянь показав, що на знос і коефіцієнт тертя утвореного поверхневого шару найбільш суттєвий вплив має температура і час конденсації. Високу зносостійкість і порівняно низькі значення коефіцієнта тертя має шар, отриманий при температурі і часі конденсації, що знаходяться в інтервалі, відповідно, - 400-650 °С і 15-25 хв. Дослідження оптимуму за допомогою математичного планування експериментів показали, що в цьому інтервалі температур і часу витримки є такі їх значення, при яких формується поверхневий шар, що володіє достатньо високою зносостійкістю при низькому значенні коефіцієнта тертя.

З метою одержання максимально високого терміну експлуатації підшипників методом математичної статистики визначені оптимальні значення твердості і шорсткості поверхні вкладиша, на якій буде нанесене покриття, відповідно до товщини робочого шару, який наноситься. Оптимізуємим параметром був термін експлуатації. Складено матрицю планування експерименту і функцію регресії, що описує процес у виді поліному другого ступеню. Максимальний термін експлуатації мають вкладиші з твердістю матеріалу основи 45 HRC, шорсткості поверхні, на якій завдається покриття, R_a 0,16 при загальній товщині антифрикційного шару 45 мкм.

У третьому розділі розглянуті методики досліджень і властивості багатоскладових покриттів, нанесених вакуум-плазмовим методом.

Товщина покриття, яке наноситься, замірювалась на установці "Мікродерн" і за допомогою методу контролю, що не руйнує, по ослабленню інтенсивності відбитка рентгенівського залізного випромінювання від площини підложки в залежності від товщини покриття. Критерієм ослаблення приймався логарифм відношення інтенсивностей відбитка від сталі з покриттям і без нього. Для визначення твердості окремих структурних складових, а також анізотропії твердості в різноманітних ділянках покриття, використовували метод виміру мікротвердості. Результати вимірів опрацьовувалися статистично з визначенням довірчого інтервалу для можливості 0,95.

Для встановлення зв'язків між умовами нанесення плазмових покриттів, їхнім фазовим складом, особливостями мікроструктури й експлуатаційних характеристик проводилися металографічні, рентгенівські, мікрорентгеноспектральні дослідження на установках ДРОН-2, УРС-50, МАР-2, "Кембскан". Міцність з'єднання покриття з основним металом оцінювалась методом нормального відриву плівки. Досліджувалися особливості формування конденсатів багатокомпонентних матеріалів, отриманих вакуумно-дуговим методом, визначалися розходження між складом конденсату і складом електродів, що еродують, у залежності від режимів процесу.

Розроблено фізичну модель впливу параметрів нанесення покриттів на тріботехнічні властивості багатокомпонентних покриттів. Коефіцієнт тертя

f = f_д + f_а

визначається не тільки матеріалом покриттів, але й умовою його формування. Тут f_д - деформаційна складова коефіцієнта тертя; f_а - адгезійна складова.

Деформаційна складового коефіцієнта тертя



, (1)

де h - висота сходинки за нормаллю до поверхні; _T - межа текучості матеріалу; - ширина дислокаційної петлі.

При вакуум-плазмовому напилюванні межа текучості матеріалу покриттів (_T) значно більше, ніж межа текучості матеріалу основи. Високе значення _T матеріалу покриття веде до збільшення f_д, а зниження h за рахунок радіаційної ерозії виступів обумовлює тенденцію до зниження деформаційної складової коефіцієнта тертя. Неоднозначний вплив на f_д оказує і ширина дислокаційної петлі . Таким чином, деформаційна складова f тертя неоднозначно залежить від умов конденсації покриття.

Адгезійна складова коефіцієнта тертя (f_a) також неоднозначно залежить від умов формування покриттів. Іонне бомбардування поверхні призводить до появи великої кількості різноманітних енергетичних рівнів на поверхні, що забезпечує її підвищену адгезійну й адсорбційну спроможність. Цей розмір досягає найбільшого значення при максимальній кількості дислокації на поверхні і декілька знижується при збільшенні радіаційної дози.

При формуванні плівки в таких умовах адсорбційна спроможність поверхні і, отже, її спроможність утримувати мастильні матеріали досягає максимального значення.

Зносостійкість поверхні можна приблизно оцінити за формулою

, (2)

Де Н - мікротвердість; f - коефіцієнт тертя; - коефіцієнт лінійного розширення; Е - модуль Юнга.

Коефіцієнт С в даному вираженні залежить від ряду механічних і термодинамічних характеристик матеріалу і може бути поданий у виді:

, (3)

Де r - постійний коефіцієнт, що залежить від атомної маси елементів поверхні; - коефіцієнт теплопровідності; R - радіус округлення виступів; _усл - умови тривкості взаємодіючих часток.

Аналізуючи приведенні вираження, можна зробити висновок про те, що зносостійкість покриття істотно залежить від елементного складу поверхневих шарів, а залежність коефіцієнта тертя від режимів конденсації робить цю характеристику функцією від умов формування покриттів.

Це, у свою чергу, дозволяє зробити висновок, що при визначених параметрах процесу можна формувати з багатокомпонентного потоку покриття з заданим градієнтом розподілу компонентів по товщині.

Дійсно, що результуючий потік I, що визначає число атомів данного елемента, які осіли в одиницю часу на одиниці площі підложки, може бути поданий у виді:

, (4)

Де С - концентрація речовини поблизу поверхні підложки; V - власна частота коливання атома; Е - енергія вбудування атома в решітку; К - постійна Больцмана; Т- плазмова температура падаючого іона.

При осадженні з плазмової сфери енергія іона

, (5)

Де q - заряд іона; U - напруга , що прискорює.



. (6)

Як очевидно з (4-6), розмір потоку часток, що осідають, данного елемента залежить від енергії кристалізації речовини і параметрів процесу осадження. Концентрація компонентів весь час змінюється і може бути визначена вираженням:

, (7)

Де - коефіцієнт, що залежить від форми острівця (для шарового сегмента 1); V - об'єм, що припадає на 1 атом компонента; - коефіцієнт поверхневого натягу; R - радіус острівця; - функція, що подає собою кінетичну діаграму стану.

Співвідношення компонентів у покритті визначається їхнім співвідношенням у плазмовому потоку і режимами осадження. З вищевикладеного можна зробити висновок про те, що з багатокомпонентного потоку протягом однієї технологічної операції можна одержувати покриття з заданими властивостями.

У даній роботі для нанесення одного з шарів антифрикційного покриття був використаний катод, що має елементний склад 2,5%Cu; 10,5%Sn; 87%Pb. У результаті проведених експериментальних досліджень властивостей покриттів, установлена залежність складу і властивостей покриттів від розміру негативної напруги зсуву (U_см) на підложці, доведено, що розмір струму дуги розряду помітного впливу на властивості покриття не робить.

У ході тріботехнічних іспитів покриттів Pb-Sn-Cu досліджувались вплив режимів осадження шару на значення коефіцієнту тертя, розмір зносу і максимальний контактний тиск, що забезпечує стабільну роботу пари тертя.

Встановлено, що із зростанням U_см відбувається збільшення коефіцієнту тертя покриття, це приводить до підвищеного зносу осі в той час, як знос покриття максимальний при низьких значеннях напруги зсуву. Причому найбільші контактні навантаження, що забезпечують стабільну роботу пари тертя, мають максимум при U_см 40 В, а знос покриття в даній області мінімальний.

Приведені дослідження дозволили розробити технологічний процес виготовлення і відновлення робочого шару підшипників ковзання при виконанні таких вимог:

рівномірність товщини покриття повинна бути не більше 6 мкм;

твердість багатошарового покриття не повинна перевищувати 200 НВ, при цьому шари, що відновлюються, повинні бути як можна більш пластичними, щоб забезпечити значну припрацьовуванність деталей у вузлі тертя і виключити їхній швидкий знос;

шорсткість поверхні вкладиша після відновлення повинна мати клас чистоти не гірше R_a 6,3;

температура вкладиша, що відновлюється, не повинна перевищувати Т_пл легкоплавких шарів бабіту й олова в процесі і після їхнього осадження.

Розроблені оптимальні режими формування багатошарового антифрикційного покриття:

шар Cu-Sn I_a=60A U_см=60В

шар Ni I_a=70A U_см=55В

шар Pb-Sn-Cu I_a=20A U_см=40В

шар Sn I_a=20A U_см=25В

Проведені дослідження показали, що багатошарове покриття, отримане по цих режимах, цілком відповідає вимогам, пред'явленим до нього Держстандартом.

Таким чином, теоретично обґрунтований й експериментально підтверджений зв'язок тріботехнічних властивостей покриттів із параметрами їх формування, що дає можливість одержувати багатокомпонентні покриття з апріорі заданими властивостями.

У четвертому розділі наведені лабораторні дослідження відновлення вкладишів. Вкладиші, відновлені вакуум-плазмовим і гальванічним методами, були піддані різнобічним лабораторним досліджуванням. Аналіз отриманих результатів необхідний був для оцінки ефективності, а, отже, і доцільності застосування плазмового методу з метою відновлення вкладишів.

Лабораторні іспити оцінки впливу поверхневого шару на тертя проводились на машинах тертя СМЦ-2, М-22М. Режими іспитів визначались на основі умов роботи деталей кривошипно-шатунної групи дизеля 5Д49.

Для визначення зносостійкості досліджувалася швидкість ковзання 2 м/с при навантаженні 6МПа протягом 7 годин. Несучу спроможність і коефіцієнт тертя визначали при швидкостях 1-3 м/с і навантаженнях від 2 до 20 МПа. Критерієм зносостійкості є утрата ваги випробуваних зразків, що визначали зважуванням на аналітичних вагах із точністю до 10^-4 г. Коефіцієнт тертя підраховували по приведеній формулі і фіксували навантаження, при якому відбувається зміна моменту тертя.

Проведено випробування вкладишів підшипників, виготовлених методом відцентрового лиття, хіміко-термічним, гальванічним і вакуум-плазмовим методами.

Результати випробувань показали, що по ступені підвищення протизадирних властивостей багатошарового покриття вкладиша найбільший ефект дає вакуум-плазмовий метод (рис.1).

Методи нанесення покриття

Ефект підвищення задиростійкості, що досягається при вакуум-плазмовому нанесенні покриття, супроводжується зниженням сил тертя, про що свідчить зміна коефіцієнта тертя (рис.2), де 1 - відцентрове лиття; 2 - хіміко-термічна обробка; 3 - гальванічний засіб; 4 - вакуум-плазмовий метод.

Для розробленого методу при навантаженнях від 200 до 1000 Н коефіцієнт тертя залишається практично постійним (0,20-0,23), що дає можливість у 2,5-3 рази зменшити коефіцієнт тертя в порівнянні з гальванічними покриттями, у 2 рази у порівнянні з відцентровим литтям.

Порівняння протизносних властивостей, отриманих при розглянутих методах, проведено по інтенсивності зносу (рис.3), де позначення для зразків аналогічні попередньому рисунку.

Проведені дослідження показали, що вакуум-плазмовий метод нанесення багатошарового покриття підвищує зносостійкість матеріалу підшипників ковзання в 1,6-1,7 рази в порівнянні з гальванічним.

Відомо, що одним з основних вимог, запропонованих до вкладишів колінчатих валів, є відсутність мікронапружень у поверхневих шарах вкладишів, що призводить до їх руйнування. Дослідження проводились на зразках, вирізаних безпосередньо з досліджуваних вкладишів. Напружений стан визначається тільки в областях зразка, близьких до поверхні. Дослідження з напруженого стану покриттів, отриманих як гальванічним методом, так і вакуум-плазмовим, показали відсутність макронапружень.

Наступний етап лабораторних досліджень полягав в оцінці адгезійної міцності робочих шарів, що наносяться при відновленні вкладишів, з основою. З цією метою були проведені адгезіонні випробування на зразках, вирізаних із вкладишів, отриманих обома засобами. У цій роботі використаний акустичний метод оцінки адгезійної тривкості. Адгезійна міцність для гальванічних покриттів складає 7 МПа, для вакуум-плазмового 22 МПа.

Вакуум-плазмове покриття характеризується високою адгезією, у той час як гальванічне - когезією. Цим і пояснюються факти відшарування гальванічного покриття від основи в процесі експлуатації.

Одне з найважливіших експлуатаційних властивостей для досліджуваних вкладишів - зносостійкість. Проведені іспити показали, що зносостійкість зразків із вакуум-плазмовим покриттям у 2 рази вище, чим із гальванічним.

Металографічні дослідження показали, що в зразках із поверхневим шаром, відновленим гальванічним методом, на межі між основою і покриттям спостерігається перехідна зона, на відміну від відновлених іонно-плазмовим методом. У перехідній зоні, крім міді, свинця, спостерігається залізо, що дифундує зі сталевої основи. Наявність цієї зони послабляє адгезіонна взаємодія між нанесеним покриттям і основою.

При відновленні вакуум-плазмовим методом характерна відсутність перехідної зони і переміщення елементів, зокрема заліза, з основи в покриття. Це пояснюється особливостями вакуум-плазмового методу. Зокрема, незначним локальним розігрівом поверхні, на відміну від об'ємного в гальванічній ванній.

У п'ятому розділі подані результати розробки і впровадження технологічного процесу вакуум-плазмового напилювання для нанесення багатошарового антифрикційного покриття при виготовленні і відновленні вкладишів підшипників ковзання багатонавантаженних тепловозних дизелів. Проведені теоретичні й експериментальні дослідження дозволили спроектувати і розробити промислове устаткування, що було введено в зразкову експлуатацію локомотивного депо “Основа” ПЗ для відновлення корінних і шатунних вкладишів підшипників колінчатих валів тепловозного дизеля 5Д49.

Економічний ефект від упровадження нової технології відновлення вкладишів підшипників ковзання отриманий за рахунок підвищення експлуатаційної надійності і зносостійкості отриманої продукції. Це дозволяє знизити собівартість виробництва, скоротити витрати на заміну вкладишів, що достроково вийшли з ладу, і ліквідувати додаткові ре-мон-ти дизелів. Слід зазначити, що дотепер у транспортному машинобудуванні зношені вкладиші не відновлялися, а замінялися новими. Заміна гальванічного методу нанесення антифрикційного покриття вакуум-плазмовим дає також додатковий економічний ефект за рахунок екологічної чистоти процесу і скорочення кількості технологічних операцій (при гальванічному методі - 7 технологічних операцій, а при розробленій технології - 2). Загальний економічний ефект складає 620 тис. грн. у рік.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На підставі вивчення умов роботи і причин виходу з ладу вкладишів підшипників багатонавантажених дизелів, а також аналізу існуючих засобів нанесення покриттів, установлено, що гальванічний засіб нанесення багатошарового антифрикційного покриття не забезпечує задану зносостійкість підшипників ковзання, крім того, гальванічний засіб не забезпечує екологічну чистоту технологічного процесу.

2. Зносостійкість технологічними методами може бути забезпечена шляхом нанесення багатошарового антифрикційного покриття, що не має перехідної зони між кожним із шарів, а формування кожного з наступних шарів може бути обумовлено підвищеною адгезіонною міцністю.

3. Аналіз роботи кривошипно-шатунних пар тертя тепловозних дизелів 5Д49 і технології виготовлення їх робочих поверхонь показує доцільність проведення робіт із дослідження можливості застосування вакуум-плазмового напилювання багатошарового антифрикціонного покриття як одного з екологічно чистих методів.

4. Для одержання високих антифрикційних властивостей багатошарового покриття рекомендується напилювання проводити в дві стадії в одному технологічному циклі: іонне бомбардування перед нанесенням кожного з шарів і напилювання при дотриманні умови, що склад покриття повинний відповідати матеріалу катода, що розпилюється і відсутності перехідної зони.

5. Встановлено, що склад багатошарового антифрикційного шару змінюється в залежності від параметрів процесу вакуум-плазмового напилювання. Оптимальний процес: тік дуги 60 А для шару Cu-Sn; при розмірі негативної напруги зсуву (U_см) 60 В; для шару Ni I_a = 70 А, U_см = 55 В; для шару Pb-Sn-Cu l_a = 20 А, U_см = 20 В.

6. Запропонований процес може здійснюватися при використанні серійного устаткування, що випускається для вакуум-плазмового напилювання, за умови деякої його модернізації, що полягає в додатковому запровадженні спеціального пристосування для опрацювання заданої кількості вкладишів.

7. Дослідження адгезіонної взаємодії багатошарового покриття з основою методом нормального відриву показали, що відділення покриття при зазначених розмірах U_см носить когезіонний характер, причому руйнування відбувається по шару Pb-Sn-Cu і починається при розмірі навантаження 60-65 МПа, що відповідає розміру межі тривкості бабіту на розрив.

8. Розроблений технологічний процес виготовлення і відновлення корінних і шатунних вкладишів тепловозних двигунів 5Д49 полегшує припрацьовуванність, підвищує моторесурс дизелів приблизно в 2 рази в порівнянні з вкладишами, виготовленими гальванічним засобом, що дає підставу рекомендувати цей процес у широке промислове виробництво для пар тертя інших двигунів.

9. Економічний ефект від впровадження технології забезпечується за рахунок підвищення експлуатаційних властивостей, зниження собівартості вкладишів приблизно в 3 рази, економії матеріалів, а також запропонований засіб екологічно чистий.



СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ АВТОРА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Остапчук В.Н. Оптимизация технологических параметров осаждения плазменных покрытий // Вестник ХГПУ. - 1999. - №47. - С.65-66.

2. Тимофеева Л.А., Мацак А.Т., Остапчук В.Н. Разработка рекомендаций по повышению долговечности редукторов автокранов // Вестник ХГПУ. - 1999. - №65. - С.118-122.

3. Остапчук В.Н. Влияние параметров вакуум-плазменного напыления на триботехнические свойства многокомпонентного покрытия // Вестник ХГПУ. - 1999. - №63, - С.119-123.

4. Остапчук В.Н., Тимофеева Л.А., Глушкова Д.Б. Расширение функциональных характеристик экологично чистых технологий // Сучасне машинобудування. - 1999. - №1. - С.65-67.

5.Рішення про видачу патенту України на винахід, МКЧ6Г16С33/04, С23С14/48, С23С14/32, С23С4/12 / В.М.Остапчук, Р.О.Ровенський, Л.А.Тимофеєва, Д.Б.Глушкова за заявкою №99126823 від 15.12.99 р.

6. Тимофеева Л.А., Глушкова Д.Б., Остапчук В.Н. Восстановление вкладышей подшипников коленчатых валов высокофорсированных двигателей методом вакуум-плазменного напыления // Международная конференция-семинар "Материалы, технология, оборудование и инструменты в машиностроении", г. Киев. - 1999. - C.10.

7. Глушкова Д.Б., Тимофеева Л.А., Саппа Ж.В., Остапчук В.Н. Новая технология - новые возможности в машиностроении // Международная конференция "Технологии ремонта машин, механизмов и оборудования", г. Алушта. - 1999. - С.6.

8. Тимофеева Л.А., Остапчук В.Н. Методика дефектоскопического контроля деталей и узлов транспортных средств // Международная конференция "Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики", г. Ялта, октябрь. - 1999. - С.14.



АНОТАЦІЇ

Остапчук В.М. Технологічні засоби підвищення працездатності підшипників ковзання транспортних дизелів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.08 - технологія машинобудування, Харківський державний політехнічний університет, м. Харків, 2000 р.

Дисертаційна робота присвячена питанню розробки і впровадження екологічно чистого високопродуктивного засобу при виготовленні та відновленні підшипників ковзання транспортних дизелів, що забезпечує підвищену їхню працездатність і зносостійкість.

Встановлено, що теоретично обґрунтований і експериментально підтверджений взаємозв'язок технологічних параметрів запропонованого засобу з тріботехнічними властивостями підшипників ковзання. Запропонований технологічний процес не тільки виготовлення підшипників ковзання, але й їх відновлення. основні результати роботи отримали промислове впровадження при відновленні вкладишів з покращеними експлуатаційними характеристиками.

Ключові слова: зносостійкість, вакуум-плазмове напилення, аналіз, підшипник ковзання, тріботехнічні властивості, коефіцієнт тертя.

Ostapchuk V.N. The technological methods of increasing serviceability of transport diesels plain bearings. - Manuscript.

The thesis on the searching for the degree of Candidate of Technical Sciences on the specialty “The Manufacturing Engineering”, Kharkov's Politechnical University, Kharkov, 2000.

The work is devoted to the question of the development and introduction of the ecologically pure and high-productive method when plain bearings are making and restorating, which supports the increasing of their serviceability and wear resistance.

It was established that the relation between the technological parameters of the method which is proposed and the tribotechnical properties of the plain bearings are theoretically and experimentally verificated.

It was supposed the manufacturing process not only for making but for restoring the plain bearing.

The main results of the work have been introduced in the industrial practice when the plain bearings with the improved using characteristics are restoring.

Key words: wear resistance, vacuum-plasma spraying, plain bearing, tribotechnical properties, friction coefficient.

Остапчук В.Н. “Технологические методы повышения работоспособности подшипников скольжения транспортных дизелей” - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения, кафедра технологии машиностроения и металлорежущие станки, Харьковский государственный политехнический университет, г. Харьков, 2000 г.

Диссертационная работа посвящена вопросу разработки и внедрения экологически чистого высокопродуктивного метода при изготовлении и восстановлении подшипников скольжения транспортных дизелей, который обеспечивает повышенную их работоспособность и износостойкость.

Изучение условий работы и причин выхода из строя вкладышей подшипников, а также анализ существующих способов нанесения покрытий позволил сделать заключение о возможности применения вакуум-плазменного метода для изготовления и восстановления изношенных рабочих слоев вкладышей.

Основными трудностями при получении покрытий из многокомпонентных катодов вакуум-плазменным методом являются: формирование покрытий, имеющих элементный состав, аналогичный составу исходного материала, а также получение структуры покрытий, которая обеспечивает максимально высокие эксплуатационные свойства.

При получении плазменных покрытий на основе баббита вероятно значительное отличие состава покрытия от состава катода за счет сильного различия коэффициентов испарения компонентов баббита. Но процессом изменения состава можно управлять варьированием как температурой подложки, так и энергией осаждающихся частиц, для определения которых проводились исследования. При этом учитывалось, что структура антифрикционных покрытий должна представлять собой мягкую пластичную матрицу с включениями твердых фаз.

Определены оптимальные технологические параметры нанесения плазменных покрытий на вкладыши подшипников.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена взаимосвязь технологических параметров предложенного метода с триботехническими свойствами подшипников скольжения.

Изучение особенностей вакуум-плазменной технологии при формировании многослойного антифрикционного покрытия на рабочей поверхности вкладышей позволило решить проблему восстановления изношенных вкладышей подшипников коленчатых валов тяжелонагруженных дизелей, что сэкономит значительные материальные ресурсы, а также позволит заменить вредный гальванический процесс нанесения антифрикционных покрытий, исследуемый при изготовлении вкладышей, экологически чистым.

Лабораторными исследованиями установлено, что показатели свойств рабочих слоев вкладышей, нанесенных разработанным методом, превосходят показатели тех же свойств серийных вкладышей, изготовленных гальваническим методом, в частности:

показатели адгезии выше в 3 раза;

износостойкость выше в 2 раза.

Для установления связей между условиями восстановления изношенных слоев вкладышей их микроструктурой и эксплуатационными характеристиками проводили микрорентгеноспектральные исследования. Показано, что у образцов с поверхностным слоем, восстановленным гальваническим методом, на границе между основой и покрытием наблюдается переходная зона, в которой кроме меди и свинца, обнаружено железо, диффундирующее из стальной основы. Наличие этой зоны ослабляет адгезионное взаимодействие между нанесенным покрытием и основой.

При восстановлении вкладышей вакуум-плазменным методом полностью отсутствует переходная зона и перемещение элементов, в частности железа, из основы в покрытие. Это объясняется особенностями этого метода и делает его доминирующим среди существующих методов изготовления вкладышей.

Результаты стендовых и производственных испытаний подтвердили целесообразность разработанного метода.

Основные результаты работы получили промышленное внедрение при восстановлении вкладышей с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Ключевые слова: износостойкость, вакуум-плазменное напыление, анализ, подшипник скольжения, триботехнические свойства, коэффициент трения.

Размещено на Allbest.ru