Бакалавр
Дипломные и курсовые на заказ

Совершенствование технологии нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца судовых дизелей с учетом их вибрационного и напряженно-деформированного состояния

Диссертация: Совершенствование технологии нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца судовых дизелей с учетом их вибрационного и напряженно-деформированного состояния
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

С помощью комплексного подхода определена совокупность из 8 методик оценки эксплуатационных параметров компрессионного кольца для проведения сравнительных испытаний покрытий нанесенных различными способами. На основе проведенных исследований сформулированы требования, предъявляемые к покрытиям поршневых колец и канавок для работы судовых дизелей в условиях повышенных максимальных давлений… Читать ещё >

Содержание

  • ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ПРОБЛЕМАМ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ
    • 1. 1. Обзор литературы по проблемам повышения долговечности поршневых колец
    • 1. 2. Общие принципы численного моделирования в зависимости от степени форсирования судового дизеля
    • 1. 3. Критерии оценки виброактивности судовых дизелей
    • 1. 4. Обзор технологий нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца
      • 1. 4. 1. Технология гальванических покрытий
      • 1. 4. 2. Технология ионноплазменного упрочнения
      • 1. 4. 3. Технология плазменного напыления
      • 1. 4. 4. Технология нанесения тонкоплёночного покрытия
    • 1. 5. Анализ проблемы повышения износостойкости поршневых колец
  • Выводы по главе
  • Цели и задачи исследования
  • ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИБРАЦИОННОГО И
  • НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УЗЛА ТРЕНИЯ ПРИ ПОВЫШЕННОМ МАКСИМАЛЬНОМ ДАВЛЕНИИ СГОРАНИЯ
    • 2. 1. Моделирование напряженно-деформированного состояния цилиндропоршневого узла методом конечных элементов
    • 2. 2. Численное моделирование вибрации поршневого кольца при ударе в момент перекладки поршня в ВМТ
    • 2. 3. Численное моделирование резонансных частот поршневого кольца
    • 2. 4. Численное моделирование резонансных частот цилиндровой втулки
    • 2. 5. Требования, предъявляемые к покрытиям на поршневые кольца судовых дизелей
  • Выводы по главе
  • ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СОВОКУПНОСТИ МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОКРЫТИЙ КОМПРЕССИОННЫХ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ
    • 3. 1. Методика оценки адгезионной прочности покрытий
    • 3. 2. Методика определения триботехнических характеристик покрытия
    • 3. 3. Методика определения коррозионной стойкости покрытий
    • 3. 4. Методика определения адгезионной стойкости покрытия при высоких температурах
    • 3. 5. Исследования структуры покрытий
    • 3. 6. Определение вибрационной стойкости покрытий методом акустической эмиссии
    • 3. 7. Определение износа поршневых канавок при фреттинг испытаниях
    • 3. 8. Методика оценки напряжения рабочей поверхности покрытия по измерению амплитудно — фазочастотной характеристики покрытия
  • Выводы по главе
  • ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ХРОМА И 8Ю2ОН НАНЕСЕННОГО МЕТОДОМ ОСАЖДЕНИЯ ПАРОВОЙ ФАЗЫ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ
    • 4. 1. Сравнение адгезионной прочности
    • 4. 2. Триботехнические испытания
    • 4. 3. Исследования структуры покрытий
    • 4. 4. Исследование коррозионной стойкости
    • 4. 5. Исследование адгезии при высоких температурах
    • 4. 6. Исследование фреттинг изнашивание поршневой канавки
    • 4. 7. Исследование вибрационной стойкости
  • Выводы по главе
  • ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ
    • 5. 1. Обзор методов ультразвуковой обработки при нанесении плазменных покрытий
    • 5. 2. Влияние схемы ввода ультразвукового волновода на размер частиц структуры покрытия
    • 5. 3. Разработка новой технологии повышения износостойкости покрытий методом плазменного напыления с ультразвуковой обработкой
    • 5. 4. Исследование триботехнических свойств покрытий
    • 5. 5. Вибрационные характеристики покрытий при акустической эмиссии
    • 5. 6. Влияние введения фуллереновой сажи в узел трения поршневого кольца с покрытием
    • 5. 7. Влияние ультразвуковой обработки покрытия на стойкость к электрохимической коррозии
    • 5. 8. Влияние ультразвуковой обработки покрытия на адгезию при повышенных температурах
    • 5. 9. Определение фреттинг изнашивания сопряжения покрытия плазменного напыления с ультразвуковой обработкой и без неё с материалом поршневых канавок
  • Выводы по главе

Совершенствование технологии нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца судовых дизелей с учетом их вибрационного и напряженно-деформированного состояния (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Эффективное использование современного транспортного флота в значительной степени зависит от его технического состояния. Поскольку экономичность и безопасность работы судов непосредственно зависит от рабочего состояния главных и вспомогательных двигателей, то к показателям надёжности судовых дизелей предъявляются повышенные требования. Одним из основных показателей надёжности является назначенный ресурс, который зависит от износостойкости трущихся пар. Известно, что работа трения поршневых колец составляет до 50% от всей работы трения двигателя [14], причём из всех поршневых колец лишь у верхнего компрессионного кольца наивысшая работа трения. Это связано с работой кольца в условиях высоких температур до 200 °C и в режиме полусухого трения, особенно в положении поршня в верхней мёртвой точке. Основное назначение компрессионных колец это теплоотвод от поршневой канавки в цилиндровую втулку и обеспечение уплотнения между камерой сгорания и картером. Верхнее компрессионное кольцо во время работы двигателя испытывает:

• напряжение сжатия от давления отработавших газов;

• напряжение изгиба;

• вибрационные нагрузки;

• трение о втулку цилиндра.

Основную роль в обеспечении теплоотвода и уплотнения играют рабочие поверхности контакта кольца, одновременно и с цилиндровой втулкой и с нижней частью поршневой канавки. Здесь решающее значение имеет материал и технология нанесения покрытия на рабочую поверхность поршневого кольца, а также эпюра напряжения поршневого кольца в зоне его контакта. С повышением уровня форсирования судовых ДВС прежние технологии нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца пористым хромом в меньшей степени удовлетворяют возросшим требованиям к покрытиям в условиях более высоких температур и давлений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. В результате численного моделирования узла трения методом конечных элементов от действия максимального давления сгорания 25 МПа установлено, что:

• рабочая поверхность кольца, за время повышения давления до максимального, скользит по зеркалу цилиндра в режиме сухого трения со скоростью 8 мм/с, что способствует увеличению износа на рабочей цилиндрической поверхности кольца при повышенных давлениях сгорания;

• нижняя плоскость поршневой канавки работает в более нагруженном режиме, чем нижняя опорная часть кольца, отличающаяся в 8 раз, поэтому технология нанесения износостойких покрытий должна учитывать и функцию распределения напряжения;

• максимальное напряжение, после удара кольца о верхнюю плоскость поршневой канавки в период перекладки поршня, наступает на 41 микросекунде и составляет 27 МПа. Максимальное напряжение достигается на 4-ом ударе кольца. Средняя частота колебания кольца в процессе удара составляет около 89 кГц, что находится в области низких ультразвуковых частот;

• минимальная собственная частота первого компрессионного кольца составляет 80,3 Гц.

2. На основе проведенных исследований сформулированы требования, предъявляемые к покрытиям поршневых колец и канавок для работы судовых дизелей в условиях повышенных максимальных давлений сгорания.

3. С помощью комплексного подхода определена совокупность из 8 методик оценки эксплуатационных параметров компрессионного кольца для проведения сравнительных испытаний покрытий нанесенных различными способами.

4. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что использование покрытия поршневого кольца реагентом 81С2ОН, нанесенного методом осаждения паровой фазы плазменной струи, по сравнению с покрытием хромом, нанесенного гальваническим способом, позволило:

• увеличить адгезионную прочность;

• повысить нагрузку схватывания;

• уменьшить износостойкость;

• повысить коррозионную стойкость;

• повысить адгезионную стойкость при высоких температурах;

• иметь более мелкую структуру покрытия;

• увеличить упругие свойства колец с износостойким слоем;

• снизить износ поршневых канавок при фреттинг испытаниях.

5. Разработана новая технология повышения износостойкости покрытий методом плазменного напыления с ультразвуковой обработкой. Показано, что воздействие ультразвуковой обработки повышает адгезионную прочность сцепления и уменьшает разрушение при склерометрической нагрузке, что определяет уменьшение износа при ударном воздействии поршневого кольца.

6. Проведенные триботехнические исследования покрытий ПН85ЮД5 с карбидом хрома, при испытании на машине трения, показали, что ультразвуковая обработка позволяет:

• снизить износ в 3,6 раза;

• повысить адгезионную прочность сцепления покрытия;

• уменьшить разрушение при склерометрической нагрузке, что определяет уменьшение износа при ударном воздействии поршневого кольца;

• повысить нагрузку схватвтания;

• улучшить триботехнические характеристики;

• снизить коррозионное изнашивание;

• повысить стойкость к электрохимической коррозии;

• снизить фреттинг изнашивания в 3,3 раза.

7. При использовании метода введения фуллереновой сажи при испытании покрытия с чугунной втулкой выполненных путем нанесения покрытия осаждением паровой фазы плазменной струи и гальваническим хромом, осаждения фуллеренов на покрытиях не было обнаружено.

Показать весь текст

Список литературы

  1. О.В. Расчёт ультразвуковых излучателей. Металлургия 1972.-31с.
  2. О.В. Выбор состава присадочных материалов при плазменной наплавке. Труды ДВИМУ. 1980. -150−154с.
  3. Е.И. Особенности комплектации кольцевого уплотнения поршней среднеоборотных дизельных двигателей. Двигателестроение, 1990. 47−49с.
  4. Е.И. Разработка антивибрационного кольцевого уплотнения поршней. Двигателестроение, 2006. -4с.
  5. Барвинок В. А Управление напряжённым состоянием плазменных покрытий. М.: Машиностроение 1990. -80с.
  6. O.K., Афанасьева О. В. Безразмерные комплексы для оценки виброактивности судовых дизелей. Двигателестроение, 2010. -8−42с.
  7. И.А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. -702с.
  8. Бобров С. В Приборы для контроля качества. Метрология и измерительная техника. № 2 1998.-15−16с.
  9. Ю.С. Плазменное напыление. Киев: Наука, 1998. -456с.
  10. Ю.Борисов Ю. С., и др., Газотермические покрытия из порошковыхматериалов: справочник, Акад. наук УССР. Ин-т проблем материаловедения Киев: Наукова думка, 1987. -544с.
  11. П.Бычков Т. П., Хмелевская В. Б., Исследование свойств покрытий с ультразвуковой обработкой. Динамика узлов и механизмов, СПГУВК, 1999. -130с.
  12. Т. П. Хмелевская В.Б. Экспериментально теоретическое обоснование изнашивания сопряженных пар с плазменным покрытием. СПб.: Пленки и покрытия 2001. -51с.
  13. Л.М. Расчет толщины масляного слоя на стенке цилиндра ДВС. Машиноведение, 1981. 97−98с.
  14. Н.Бурштейн Л. М., Кобяков C.B. Основы расчетов смазки и трения поршневого кольца. СПб.: Двигателестроение, 1985. -6—9с.
  15. В.А. Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей. Л., Судостроение, 1969. -639с.
  16. Д.В. Комплексное состояние поверхности. Межвузовский сборник. Машиностроение и автоматизация производства, выпуск 11, СПб.: 1998.-84−88С.
  17. М.А. Плазмохимическое осаждение пленок карбидов кремния на металлические поверхности, 42, Днепропетровск 2002. -214с.
  18. .Я. Теория поршневого кольца. М.: Машиностроение, 1979. -271 с.
  19. .Я. О приспособляемости поршневых колец к деформациям цилиндра. СПб.: Вестник машиностроения, № 12 1961. -27- 30с.
  20. А. Е. Электроискровое легирование металлических поверхностей. Кишинёв: Штиница, 1985. -196с.
  21. В.Е. Высокомолекулярные соединения М.Металлургия 1976. -320с.
  22. А.П. Металловедение. М.: Металлургия. 1986. -544с.
  23. Дизели. Справочник, под ред. В. А. Ваншейдта, Л.: Машиностроение, 1977.-480с.
  24. П.П., Чулкин С. Г., Семидельников А. Н. Исследование износостойкости поршневых колец с покрытиями для судовых дизелей. СПб.: Двигателестроение. №.2. 1998. -6−8с.
  25. В.В. Конструкции и свойства минералов. Л.: Наука 1990. -54с.
  26. А. И. Исследование электрических характеристик тонких кремнеуглеродистосодержащих покрытий. СПб.: Дефектоскопия № 10. 2003. -31с.
  27. Н.И. Повышение ресурса работы машин созданием в них высоких сжимающих напряжений. СПб.: Изд. ВУЗов 1987. -71с.
  28. Н.Г. Катодные процессы электрической дуги. М.: Наука 1998. -52с.
  29. Е.А., Хмелевская В. Б. Влияние свойств плазменных покрытий на износостойкость. Томск. 1998. -145с.
  30. H.H. Дефекты и отказы судовых двигателей. М.: Транспорт. № 3, 1982, -19с.
  31. Н. Н. Отказы и дефекты судовых дизелей. М.: Транспорт. 1985. 345 с.
  32. .И. Структура и поверхностная прочность материалов при трении. Проблемы прочности, № 3, 1983. -34- 36с.
  33. .И. Поверхностная прочность металлов при трении. Киев: Техника, 1998. -259с.
  34. .И., Носовский И. Г., Караулов А. К. Поверхностная прочность материалов при трении. Киев: Техника. 1976. 296с.
  35. А.К. Работа дизелей в условиях эксплуатации. JL: Машиностроение, 1989. -247 с.
  36. Костин A.K. JI.: Машиностроение, 1998. 345с.
  37. В.А. Конструктивные средства повышения износной долговечности ДВС. Н. Новгород, 2003. 175с.
  38. Т.Г. Электродуговая наплавка электродной лентой, М.: Машиностроение 1978. -240с.
  39. И.В., Добыгич H.H., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526с.
  40. A.C. Газовое сульфацианирование Сб. трудов ЛИВТа 1981. -145с.
  41. В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. М.: Машиностроение.2003. -190с.
  42. В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука, 1977. -184с.
  43. А. Я. Никитин М. Д. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизелей. СПб.: Машиностроение, 1974. 112 с.
  44. С.Ю. Машины с аномально низким трением. СПб.: 2004. -50с.
  45. С.Ю. Принцип выбора материалов на основе триботехнических свойств. СПб.: Наука 2000. 84с.
  46. Ю.М., Леонтьев В. П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1980. 493с.
  47. М.Н. Выбор формы боковой поверхности верхних компрессионных колец дизелей. СПб.: Двигателестроение, № 4, 1981.- 57- 59с.
  48. Л.Б. Повышение долговечности втулок судовых дизелей. Сб. трудов ДВИМУ 1980. 142с.
  49. Т.И. Повышение свойств покрытий введением ультразвука в материалы. Сб. трудов Самарского политехнического университета. 2007.-240с.
  50. П.М. Идеальный триботехнический комплекс в составе триботехнического комплекса судового валопровода. СПб.: Вопросы материаловедения. 2001. 180с.
  51. И. М., Палатник Л. С. Металлофизика трения. М.: Металлургия. 1976, — 176с.
  52. Ю.И. Исследование коррозионной стойкости материалов. Тр. ГИИВТ, Н. Новгород, вып. 265, 1992. 109- 112с.
  53. В.Ф., и др. Вязкость и пластичность ионно-плазменных покрытий из нитрида титана. Заводская лаборатория. 1990. 57- 59.
  54. М.Б. Сравнительные исследования способов нанесения покрытий на поршневые кольца для уменьшения их износа. СПб.: Журнал Металлообработка № 3 2010. 36- 39с.
  55. М.Б. Разработка нанотехнологий для упрочнения деталей судовых механизмов. СПб.: Журнал Металлообработка № 2 2009. -47- 50с.
  56. М.Б. Применение наноструктурированных покрытий. СПб.: Журнал Металлообработка № 2 2011. 35- 40с.
  57. Мяконьков М. Б Влияние ультразвукового воздействия на плазменные технологические процессы. СПб.: Сб. Ремонт. 2008. -142- 145с.
  58. М.Д., Кулик А. Я. Плазменное напыление. М.: Машиностроение. 1982. 58с.
  59. М.Д., Кулик, А .Я., Теплостойкие и износостойкие детали дизелей, JL: Машиностроение, 1979. 114с.
  60. М.Д. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизелей. JL: Машиностроение 1973. 58- 74с.
  61. В.А. Новые материалы и технологии, Новосибирск: Наука 1993. -34с.
  62. В.Д., Петриченко P.M., Шабанов А. Ю. Мгновенная сила трения поршневого уплотнительного кольца. СПб.: Двигателестроение, № 3, 1984.-7- 9с.
  63. В.М. Исследования свойств покрытий ЭИЛ при внесении в электроды наноматериалов. СПб.: Трение 2010. 58с.
  64. Л.И., Хмелевская В. Б. Изнашивание плазменных покрытий при трении скольжении. СПб.: Проблемы машиностроения, № 4, 1991.-110с.
  65. Л. И. Триботехнология. изд. СПГУВК 2008. 203с.
  66. Повышение износостойкости деталей двигателей внутреннего сгорания. Сб. под ред. Проф. М. М. Хрущева. М.: Машиностроение, 1972.- 175с.
  67. А.Ю. Микропроцессорные средства и системы. 1988. 58−62с.
  68. П. А. Плазменные технологии. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. — 405с.
  69. П.А. Исследование электрических характеристик тонких кремнийуглеродосодержащих покрытий. Дефектоскопия. № 10, 2003.-38- 44с.
  70. П.А. Упрочнение деталей технологической оснастки с помощью высокочастотной плазмы. СПб.: изд. Политех. 1991. -190с.
  71. П.А. Триботехнические исследования нанопокрытий при финишном плазменном упрочнении. СПб.: Ремонт 2010.-320с.
  72. А., Моригаки О. Наплавка и напыление. М.: Машгиз. Машиностроение. 1985. 240 с.
  73. Френкель З. Г. Физика твердого тела. М.: Машиностроение 1973. -260с.
  74. В.Б., Кузьмин A.A. Выбор технологий и материалов для повышения надежности судового оборудования. Изд. СПГУВК. 2005. 132с.
  75. В.Б., Петров В. М. Трение и износ. СПб.: Машиностроение. 2010. 148с.
  76. В.Б., Погодаев Л. И., Зайцев И. Г. Упрочнение акустическим методом. СПб.: Сб. ЛИВТ 1999. 187с.
  77. М.В. Керамические покрытия. М.: Машиностроение. 2001. -305с.
  78. С.Г., Полонский В. Л., Ашейчик A.A. Вычислительная механика. СПб.: Изд. Политехнического ун-та. 2011. 302с.
  79. С.Г., Абачараев И. М., Абачараев М. М. Лысенков П.М., Черненко В. И. Оптимальные технологии повышения эксплуатационных качеств судов. СПб.: Изд. Политехнического унта. 2012. 198с.
  80. К. Поршневые кольца. М.: Машгиз, т.1, 1962. 584с.
  81. К. Поршневые кольца, т.2, М.: Машгиз, 1963. 368с.
  82. Binford J. Dudley. Piston ring designs have they changed. SAE. Preprints, s.a. № 650 483, pp.13. .1
  83. Diesel and Gas Turbine Worldwide Catalog, 1984, Vol.49, p. l298,"Goetze".
  84. Duck Gerhard. Tendezen in der Kolbenringetwicklung. MTZ, 1969, 30, № 3,100−106.1
  85. Ehglisch C. DieEntwicklungderKolbenringform. Schiffs-Ing. -J., 1977, 24, № 128,2 02 3
  86. Furuhama Shaichi, Takiguchi Masaaki. Measurement of Piston Frictional Force in Actual Operating Diesel Engine. SAE Techn. Pap. Ser., 1979, № 790 855, pp.19.
  87. Furuhama Shaichi, Hiruma Masaru, Tsuzita Makoto. Piston Ring Motion and Ins Influence on Engine Tribology. SAE Techn. Pap. Ser., Ii979, 790 860, pp.13.
  88. Golothan D.W. Piston rings and cylinders. Industrial Lubrication and Tribology. 1978,30, № 4,128 133,148.11
  89. Griffith W. Piston developments for medium speed engines. (Wellworthy, France). The Motor Ship, November 1987, p. 25.
  90. Mattox, Donald M. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing: Film Formation, Adhesion, Surface Preparation and Contamination Control. Westwood, N.J.: Noyes Publications, 2001.
  91. McGeehan J. A. A Servey of the Mechanical Design Factors. Affecting Engine Oil Consumption. SAE Techn. Pap. Sen, 1979, № 790 864, pp.35.
  92. Muller Reinhard. Die Herleitung der Spannbandform und der Dvalitat von beliebig steting Kolbenringen. MTZ, 1971, 32, № 2, 53 57.1 i
  93. Muller Reinhard. Zur Auslegung von Kolbenringen. MTZ, 1972, 33,№ 2,51−56.
  94. P.J., Hengeveld J. «Cost effective engine lubrication I- helps control liner wear rate». «The Motor Shih», 1986, April, p. 31 34.
  95. Piston ring coatings for high performance diesel. Diesel and Gas Turbin Progr., 1968,34, № 16 64 65.
  96. Practical value of piston ring theory. Motor Ship, 1978, 59, № 699,62.
  97. Stecher Friedhelm. Analysis of piston ribg packs for Combustion engines. SAE Techn. Pap. Serv., 1979, № 790 863, pp.7.
  98. Zum Entwick lungsstand der Kolbenrings und Dichtungen fur Verbrennungs motoren. Bericht uber das GOETZE. Kolloquium 78 in Dusseldorf. Teil 1. MTZ, 1978, 39, № 10,469 472.
Заполнить форму текущей работой

Сдать сессию!