Причини і закономірності поступових відмов основних триботехнічних об’єктів енергетичної системи судна і підвищення їх ресурсу

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПОДІЛЛЯ

ДИСЕРТАЦІЯ

Причини і закономірності поступових відмов основних триботехнічних об'єктів енергетичної системи судна і підвищення їх ресурсу

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному морському університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Силін Радомир Іванович, Технологічний університет Поділля, професор кафедри машинобудування.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кузьменко Анатолій Григорович, Технологічний університет Поділля, зав. кафедри зносостійкості і надійності машин.

доктор технічних наук, професор Бірюков Борис Миколайович, Одеський державний політехнічний університет, професор кафедри технології конструкційних матеріалів і матеріалознавства, заслужений працівник вищої школи України.

Доктор технічних наук, професор Сніговський Федір Павлович, Український державний морський технічний університет (Херсонська філія), заслужений діяч науки і техніки України

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Механіко-машинобудівний інститут.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Технологічного університету Поділля (вул. Кам'янецька, 110/1).

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук Калда Г.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблеми машинознавства у даний час заслуговують на особливу увагу. В першу чергу це стосується питань надійності і довговічності як нових, так і відновлених деталей, вузлів різноманітних машин і механізмів. З огляду на морально і фізично застарілу техніку, незадовільний стан економіки країни і відсутність коштів для створення і відновлення парку машин, виникла гостра необхідність подовження терміну служби не тільки таких об'єктів, що знаходяться в експлуатації, але й тих, що відмовили через різні причини. А таких об'єктів в Україні досить багато, їхня кількість у середньому сягає вісімдесяти відсотків. Тому акцент першорядних для економіки науково-дослідних і практичних робіт зміщується в напрямку вирішення проблем машинознавства, що поєднують актуальні питання довговічності і відмов з технологіями ремонту і відновлення з метою подальшого продовження ресурсу машин і механізмів. Важливість цих проблем підтверджується низкою державних, галузевих та інших програм і постанов з визначеними перспективними напрямками з постановкою не тільки нових актуальних питань і задач, але й зі збереженням загальної тенденції минулих років.

Як відомо, відмови, через які деталі, вузли і машини виводяться з експлуатації, бувають різними. Навіть для однієї деталі, що піддається при роботі складним умовам навантаження, які підсилюються дією активних середовищ, температур, абразивних часток та ін., можуть виникати передумови для розвитку не одного, а кількох видів дефектів, які у взаємодії здатні ставати провідними у формуванні відмов. При наявності групи деталей, об'єднаних у вузли і системи, потрібен більш складний аналіз для визначення причин і закономірностей, що дає обґрунтоване уявлення про чільну роль тих чи інших дефектів, що беруть участь у часовому формуванні відмов. При цьому немає ніякої впевненості, що для нових і відновлених деталей провідну роль будуть мати ті самі види дефектів і причин відмов. Якщо ж у розглянутій системі крім вихідних заводських об'єктів є й відновлені, то закономірності відмов такої системи повинні, імовірно, змінюватися, що випливає з урахуванням як часу наробітку і стану об'єктів, які ще не піддавалися ремонту, так і відновлених деталей і вузлів з обов'язковою оцінкою якості й особливостей застосованих технологій та засобів. Усі закономірності набувають особливої наукової та практичної цінності, якщо отримані при вивченні об'єктів в умовах експлуатації і з відповідним статистичним аналізом результатів.

Викладене повною мірою стосується суднових технічних засобів і, особливо, енергетичного комплексу. При цьому в енергетичному комплексі судна існують декілька найбільш важливих об'єктів -- циліндро-поршнева група двигуна і валопровід судна, що включають ряд деталей і вузлів, які можна представити у вигляді кількох підсистем і об'єднаної системи для дослідження їхньої довговічності і відмов. Такі дослідження проводяться і їхні результати відомі. Однак існує проблема, що за своєю актуальністю, науковою новизною і практичною корисністю не одержала належного розвитку і висвітлення.

Незважаючи на досить чітке уявлення про причини відмов для виділених енергетичних об'єктів судна, залишається невивченим часовий диференційований внесок кожного виду дефектів, що розвиваються одночасно або з затримкою, у деталях, вузлах і системі на часткові й узагальнені процеси формування відмов на різних рівнях як для заводських, так і з урахуванням відновлених за різними технологіями об'єктів. Остання обставина особливо важлива для сучасних умов проведення ремонтно-відновлювальних робіт, тому що недостатність статистично достовірних і порівнянних між собою даних по деталях, вузлах і системах, не дозволяє на науковій основі належною мірою коректувати і керувати технологічними процесами, виходячи з ролі різноманітних дефектів у формуванні відмов і, що винятково важливо, прогнозувати час безвідмовної роботи виділеної системи та її елементів. Тому набуває актуальності проведення досліджень, які включають комплекс питань, що дозволяють на науковій основі машинознавства вирішувати задачі по безвідмовності роботи виділених об'єктів з одночасним удосконаленням чи розробкою нових технологій, що враховують закономірності дефектоутворення у формуванні поступових відмов, з кінцевою метою підвищення надійності і довговічності узагальненої силової енергетичної системи, що складається з циліндро-поршневої групи двигуна і валопровода судна.

Актуальність обраної теми дисертаційної роботи і необхідність її виконання набуває ще більшої гостроти і науково-прикладного значення у зв'язку з застарілим морським флотом України, підвищеним ризиком відмов деталей, вузлів і систем та необхідністю вкрай економної витрати коштів, що забезпечують при відновленні деталей одержання найбільш високих експлуатаційних характеристик.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає програмам науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України за напрямком “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології” і виконувалася згідно з темою “Теоретичні основи вибору технологій відновлення суднових деталей і оперативного визначення несучої здатності таких деталей” (№ 0197U01437, категорії 1, затвердженої Вченою радою ОДМУ, нак. № 3 від 18.12.1996); з “Програмою стабілізації і розвитку морського і річкового транспорту України до 2005 року” (пп. 4.3.1 і 4.3.3), госпдоговірними роботами № 8121/629 ОДМУ (ОІІМФ) з Азовським морським пароплавством і № 8335 з підприємством п/с А-7880, а також планів науково-дослідних робіт кафедри Судноремонт ОДМУ за держбюджетними темами: “Розробка й удосконалення технології відновлення деталей суднових технічних засобів” з 1990 р. по даний час (Розділ - деталі ЦПГ двигуна і валопровода).

Мета і задачі досліджень. Визначити на основі диференційованого й об'єднаного аналізу вплив різноманітних дефектів на процес формування закономірностей поступових відмов. У порівнянні з вихідними новими об'єктами оцінити на статистичній основі з урахуванням ролі провідних і супутніх видів ушкоджень довговічність об'єктів, що відмовили, але були відновлені за різними технологіями. Одержати достовірні часткові й узагальнені розрахункові критерії для всіх рівнів від окремих деталей, вузлів і системи, що складається з циліндро-поршневої групи двигуна і валопровода судна, з можливістю прогнозування безвідмовності їхньої роботи, з практичними рекомендаціями і впровадженнями.

Для досягнення мети поставлені наступні задачі:

1. Вибрати об'єкти для досліджень і позначити систему, що складається з декількох підсистем з підвищеною відповідальністю за довговічність і безпеку життєдіяльності судна, у якій конкретний вплив справляють процеси формування різних ушкоджень і відмов.

2. Розробити узагальнену і часткові методики проведення досліджень обраних об'єктів - від окремих деталей до об'єднаної системи з одержанням необхідних закономірностей для нових і відновлених деталей, що відбивають причини і закономірності виникнення відмов на різних рівнях і які дозволяють одержати і статистично обробити дані лабораторних, виробничих і, головним чином, експлуатаційних довгострокових спостережень.

3. На основі статистично оброблених даних провести ранжирування причин, що приводять до скорочення часу безвідмовної роботи для обраних об'єктів на рівнях від окремих деталей до об'єднаної системи.

4. Одержати статистично обґрунтовані закономірності діючих основних і супутніх ушкоджень і на їхній основі визначити значення часу настання відмов для кожного виду як для нових так і для відновлених деталей, вузлів і систем. З урахуванням цих ушкоджень здійснити порівняльний аналіз впливу різних технологій відновлення на виникнення відмов для всіх рівнів.

5. Розробити методику імовірнісних оцінок показників надійності експлуатації нових і відновлених деталей обраних об'єктів і здійснити порівняльну оцінку якості їх відновлення.

6. Удосконалити або розробити нові технологічні процеси і засоби відновлення розмірів деталей і зміцнення їхніх поверхневих шарів. Оцінити їхній вплив на розвиток факторів дефектоутворення і ефективність відновлення.

7. Розробити поправочні коефіцієнти, що диференційовано або узагальнено враховують ефективність відновлювальних технологій і дозволяють прогнозувати час безвідмовної роботи на всіх рівнях від деталей, вузлів до об'єднаної системи з виділенням провідних і супутніх видів ушкоджень і ступеня їх впливу на процеси формування відмов.

8. Розробити рекомендації і здійснити впровадження з використанням отриманих результатів для підвищення довговічності об'єктів і прогнозування часу їх безвідмовної роботи.

Об'єкт дослідження: процеси, явища і закономірності, що характеризують формування поступових відмов по основним і супутнім причинам для нових і відновлених деталей, вузлів і об'єднаної системи, що складається з циліндро-поршневої групи двигуна і валопровода судна, а також аналітичні залежності що описують і дозволяють прогнозувати їхню довговічність.

Предмет дослідження: провідні і супутні причини відмов, що формуються внаслідок зносу, вигоряння, утоми, фретинг-корозії, корозії, тріщиноутворення, руйнування і технології відновлення, що підвищують ресурс вибраних об'єктів. деталь двигун судно

Методи дослідження -- експериментальні й теоретичні з вимірюванням, статистичною обробкою й аналізом даних, отриманих в експлуатаційних, заводських і лабораторних умовах з розробкою, випробуваннями і впровадженням необхідних технологій і засобів, що підвищують безвідмовність відновлюваних об'єктів, з виведенням аналітичних залежностей і коефіцієнтів порівняння для обґрунтованого вибору найбільш ефективних, методи оцінки якості відновлення.

Наукова новизна отриманих результатів.

Отримано й узагальнено часові і часткові закономірності розвитку основних і супутніх процесів, що розкривають їхню роль у формуванні відмов на рівнях від окремих деталей і вузлів до об'єднаної системи, що складається з циліндро-поршневої групи двигуна і валопровода судна, у порівнянні нових об'єктів з відновленими за різними технологіями.

З огляду на складність і різноманітність діючих при експлуатації факторів, таких як знос, корозія, нагароутворення і вигоряння, фретинг-корозія, утома, відшарування, тріщиноутворення та ін., кожний з який за певних умов може бути провідним або супутнім при формуванні відмов, а також неможливість опису цих процесів єдиною теоретичною чи фізичною моделлю, розроблено і здійснено новий науковий підхід, що дозволяє узагальнювати ці різноманітні процеси і явища не на основі їхніх здебільшого несумісних теоретичних і фізичних уявлень, а за критеріями диференціальної чи узагальненої оцінки впливу різних за своєю природою дефектоутворень з одночасним чи зміщеним часом їх дії на формування відмов. Такий науковий підхід дозволив одержати на статистично достовірній основі математичні описи причин і закономірностей відмов з оцінкою експлуатаційних і виробничих технічних факторів і може бути розповсюджений на інші об'єкти машинобудування.

Із застосуванням статистичних методів обробки й аналізу великого масиву експлуатаційних, заводських і лабораторних даних і багаторічних спостережень проведене ранжирування причин, що приводять до відмов, з визначенням не тільки їх процентного співвідношення, але й часового фактору розвитку ушкоджень. Це дозволило одержати достовірні математичні критерії для часткових і узагальнених порівнянь на всіх розглянутих рівнях з розрахунком часу безвідмовної роботи для необхідних випадків. Показано, що закономірності формування ушкоджень і відмов провідних і супутніх процесів відрізняються між собою, але принципово однакові для нових і відновлених об'єктів.

На основі наукового аналізу статистичних закономірностей, отриманих на рівнях від окремих деталей і вузлів до розглянутої системи, запропоновані і визначені часткові й узагальнені поправочні коефіцієнти, що диференційовано враховують у залежності від виду й інтенсивності дефектоутворень ефективність технологій відновлення розмірів і зміцнення поверхневих шарів з визначенням їхнього внеску у забезпечення необхідної безвідмовності роботи порівняно з вихідними новими об'єктами.

Установлено можливість об'єднання й урахування експлуатаційних факторів ізольованих часткових технологічних одиничних рішень, що окремо не дають інформації про зміну характеристик дефектоутворення і відмов системи в єдиний комплекс вхідних і вихідних параметрів для прогнозування терміну безвідмовної роботи розглянутих об'єктів на всіх рівнях. Можливість такого прогнозування терміну безвідмовної роботи з диференційованим або узагальненим урахуванням кінетики формування відмов по основних і супутніх процесах, отримана за результатами статистичного аналізу, пропонується вперше і має перспективу для подальшого наукового і практичного розвитку.

У зв'язку з установленим недостатньо високим рівнем експлуатаційних характеристик відновлених за різними технологіями об'єктів, що негативно позначається на терміні безвідмовної роботи підсистем і системи були розроблені методи і засоби, що дозволяють керувати у певних межах процесом формування відмов. До них належать:

науково обґрунтований вибір наплавочних матеріалів для відновлення розмірів гребних валів і головок поршнів;

ультразвукове ударне зміцнення наплавлених поверхонь, що у порівнянні з обкатуванням роликами значно підвищує фретинг-утомну й утомну міцність сталей та їхню зносостійкість;

запропоновано подальший розвиток методу високошвидкісного знакозмінного фрикційного зміцнення двома дисками стосовно до умов роботи канавок під поршневі кільця головок поршнів з обґрунтованим прогнозуванням зміни поправочного коефіцієнта від 0,85 до 1,8;

науково обґрунтована методика зміцнювального шліфування для підвищення робочих характеристик наплавлених поверхонь гребних валів і показано, що зміцнювальне шліфування має перевагу перед фрикційним при обробці поверхонь гребних валів, тому що ліквідує ряд проміжних видів механічної обробки.

комплексне використання технологій відновлення з урахуванням критеріїв оцінки якості й ефективності у поєднанні з методом бажаності і методом математичного планування експерименту становлять методологію вибору й оптимізації технології відновлення.

Розроблено загальну методологію оцінки якості відновлених деталей, що включає: експлуатаційні випробування з одержанням функцій розподілу відмов нових і відновлених деталей; залежності і порядок їх застосування для оцінки якості відновлення; можливість прогнозування довговічності об'єктів з урахуванням дефектоутворення і технологій відновлення.

Крім методики збору, обробки часто розрізнених численних заводських і експлуатаційних даних, а також результатів лабораторних експериментів, розроблено нові методики і пристрої, у тому числі розрахунково-експериментальний метод прискорених випробувань на утому, метод і пристрій для ультразвукового ударного пластичного деформування, пристрої для попереднього нагрівання валів під наплавлення, лабораторні установки для зміцнення канавок поршнів, що є складовою частиною новизни роботи.

Практичне значення отриманих результатів.

На основі наукових результатів і проведених досліджень розроблено і запропоновано для впровадження систему поправочних коефіцієнтів, що дозволяють за статистичними даними експлуатації оцінювати з виділенням провідних і супутніх процесів дефектоутворення, ефективність впливу технологічних процесів відновлення деталей на безвідмовність роботи об'єктів від окремих деталей до об'єднаної системи. Наявність таких поправочних коефіцієнтів уперше дозволяє в умовах виробництва не тільки оцінювати якість відновлювальних робіт за статистично отриманими експлуатаційними критеріями наробітку деталей, вузлів і системи, але й здійснювати обґрунтоване прогнозування відмов з урахуванням основних і супутніх процесів, що на судноремонтних заводах раніше не застосовувалися.

Розроблено і впроваджено з одержанням економічного ефекту технології наплавлення для відновлення зношених поверхонь головок поршнів із затвердженням керівних документів для заводів галузі, а також метод ультразвукового ударного пластичного зміцнення наплавлених поверхонь гребних валів.

Розроблено і запропоновано для впровадження новий композиційний матеріал для дейдвудних втулок, що на відміну від капролоно-графіту (10 %) складається з капролону з добавкою 5 % графіту і 6 % дисульфіду молібдену і забезпечує підвищення у порівнянні з капролоно-графітом зносостійкості в парі з бронзою у 3 рази, навантажувальної здатності в 1,8 рази і зниження коефіцієнта тертя на 30 % при мащенні морською водою.

Рекомендуються до впровадження нові технологічні процеси, що підвищують безвідмовність роботи наплавлених поверхонь кепів поршнів, а також корозійну стійкість гребних валів шляхом використання високошвидкісного знакозмінного тертя або зміцнювального шліфування для утворення суцільних білих шарів, що дозволяє збільшити поправочний коефіцієнт відновлювальних і зміцнювальних технологій до значень 1,35-1,8 у порівнянні 0,80-0,90 з існуючими.

Розроблено і впроваджено технології і пристосування для ультразвукового ударного зміцнення гребних валів, а також індукційного нагрівання перед наплавленням. Підібрано оптимальні марки наплавочних матеріалів і режими для відновлення розмірів поверхонь головок поршнів.

Ряд розробок впроваджено на підприємствах з одержанням економічного ефекту, що підтверджено відповідними актами.

Результати досліджень використовуються у навчальній та науковій роботі з аспірантами і студентами в галузі машинознавства, ремонту та відновлення різних об'єктів.

Достовірність результатів підтверджується результатами статистичної обробки великого масиву експериментальних даних, отриманих при експлуатаційних і виробничих дослідженнях на реальних об'єктах, а також на зразках у лабораторних умовах із застосуванням нормованих засобів вимірювання і комплексних методик, що дозволили провести порівняльну оцінку результатів за імовірнісними критеріями на всіх рівнях від окремих деталей і вузлів до об'єднаної системи з одержанням єдиних закономірностей.

Особистий внесок здобувача полягає у виборі наукового напрямку і теми дисертаційної роботи, у проведенні лабораторних, виробничих і експлуатаційних досліджень та аналізі їхніх результатів з виявленням причин відмов, в особистій участі у розробці і впровадженні технологій з одержанням необхідних даних безпосередньо на суднах, у написанні дисертації, де використані дані інших авторів відмічено відповідними посиланнями. У наведених в авторефераті 23 публікаціях подано результати досліджень отримані автором особисто. У сумісних роботах автором виконано таке: [25,26] - вказано розділи; [27,28] - проведено дослідну обробку зразків; [29,30] - розроблено методику досліджень; [31] - оцінка способів відновлення деталей; [32] - виконано розрахунок режимів нагріву гребних валів; [33] - вибір і аналіз номенклатури деталей для наплавлення стрічковим електродом; [24, 34] - характеристика дефектів і вибір матеріалів для наплавки; [35-38] - порівняння результатів експлуатації двигунів, збір та аналіз даних по дефектоутворенню. Основні результати і положення обговорювалися з науковим консультантом.

Апробація результатів дисертації. Отримані результати представлялися на наступних наукових конференціях і виставках: Міжнародна науково-технічна конференція “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2000)”, Хмельницький, 2000, The IV-th international conference “Modern technologies, quality, restructration - TMCR - 2000”, AISI - Romania; Наукова конференція Українського Державного Морського Технічного Університету ім. Адмірала Макарова, Миколаїв, 2000; Науково-виробнича конференція “Механіка машин і систем водного транспорту”, Одеса, 1990; Далекосхідна науково-технічна конференція “Підвищення ефективності виробництва в судноремонті”, Владивосток, 1979; Науково-технічна конференція по судноремонту “Проблеми удосконалення судноремонту і підвищення ремонтопридатності суден”, Ленінград, 1985; основна експозиція “Морський транспорт СРСР”, Наука - морському транспорту, ВДНГ СРСР, 1983; на Всесоюзних і галузевих конференціях у Ленінграді, Севастополі, Клайпеді, Калінінграді, Одесі; Міжнародна науково-технічна конференція: “Сучасні технології, якість, реструктуризація”, СТКР - 2001, Кишинів; на наукових щорічних конференціях Одеського Державного Морського Університету.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 38 наукових працях, включаючи монографії обсягом 7,5 і 21,4 друк. арк., підручник для вузів обсягом 18 друк. арк., у матеріалах і тезах конференцій. Без співавторів опубліковано 23 статті.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 7 розділів з висновками наприкінці кожного розділу, загальних висновків по дисертації, списку використаних літературних джерел і додатків. Основний текст дисертації становить 11,5 авторських аркушів.

Дисертація містить 157 малюнків, 64 таблиці і 282 найменування вітчизняних і закордонних літературних джерел, використаних як посилання.

На захист виноситься весь комплекс поставлених питань і отриманих практичних результатів.

Основний зміст роботи

Вступ містить узагальнюючий матеріал по дисертації, викладений згідно з вимогами ВАК України.

Перший розділ присвячено аналізу літературних джерел, спрямованому на вибір теми роботи, постановку основної мети і задач, що слід було вирішити при проведенні досліджень. Установлено, що існує великий масив літературних джерел, присвячених різним питанням машинознавства, включаючи технологічні розробки та інші засоби, спрямовані на підвищення характеристик надійності деталей машин. Неухильний розвиток робіт над проблемами машинознавства свідчить про зростання його ролі у прогресивному розвитку техніки і раціональному використанні енергетичних ресурсів, що є особливо актуальним у даний час. При цьому проблеми і питання безвідмовності роботи суднових технічних засобів не є відособленими від загальних проблем машинознавства, тому що в їхній основі лежать принципово ті самі закономірності, хоча і є певні розбіжності. З цього випливає, що при проведенні досліджень і поясненні отриманих результатів можна спиратися на досвід і накопичені знання з різних областей техніки, що стосується також і технологій відновлення та зміцнення поверхневих шарів деталей.

Незважаючи на велике число робіт з надійності суднових технічних засобів з відповідним охопленням практично всіх деталей і вузлів, існують і питання, що вимагають поглибленого розгляду. Насамперед, це стосується одержання статистично обґрунтованих даних по диференціації причин відмов ряду важливих нових деталей і вузлів з виділенням не тільки їхнього процентного співвідношення, але й часового фактора розвитку ушкоджень з одержанням статистичних закономірностей, що описують безвідмовність роботи обраних елементів від деталі, вузла, до об'єднаної системи. Таким даним для елементів і об'єднаної системи, що складається з циліндро-поршневої групи двигуна і валопровода судна розглянутим у ракурсі закономірностей функціонування і розвитку різних видів ушкоджень у відомій нам літературі не приділено належної уваги. Крім того, досить багато літературних джерел присвячено різним технологіям, спрямованим на відновлення деталей суднових технічних засобів, у тому числі, циліндро-поршневої групи двигуна і валопровода судна. Однак при усій своїй різноманітності вони порівняно мало відрізняються від загальномашинобудівних і відновлювальних технологій, хоча мають свою специфіку через розміри деталей, вимоги керівних документів і Регістра. Так, для системи (циліндро-поршнева група - валопровід) відсутні достовірні статистично оброблені дані, що відбивають якість відновлювальних та зміцнювальних технологій, виражені в аналітичних закономірностях і тривалості безвідмовної роботи від окремих деталей, вузлів до об'єднаної системи з відображенням процентної і часової ролі основних і супутніх процесів. Наявність таких закономірностей дозволило б створити рекомендаційні таблиці і коефіцієнти для практичного застосування і науково обґрунтованого прогнозування безвідмовності роботи об'єктів.

З огляду на широке охоплення розглянутих питань машинознавства, доцільно розробити комплексну методику проведення досліджень, що включає одержання й обробку лабораторних, заводських і експлуатаційних даних і звернути увагу на такі причини поступових відмов, як знос сполучених поверхонь, фретинг-корозію, утому, нагароутворення, вигоряння, тріщиноутворення та руйнування.

Результати досліджень і їхній аналіз, викладені в першому розділі, дозволили сформулювати мету і задачі дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячено вибору об'єктів досліджень, питанням загальної методики і засобам вимірювання. Вибір об'єктів машинобудування для досліджень був визначений поставленою метою і задачами, тому необхідно було вибрати такі деталі і вузли, що складають послідовний ланцюжок, знаходяться у силовому взаємозв'язку і відповідають за тривалу невпинну роботу елементів і системи в цілому. Для сучасного морського судна, що є складною комплексною інженерною спорудою, у технічному представленні таких систем дві: енергетична силова установка, основою якої для транспортних морських суден здебільшого є дизельний двигун, і зв'язана з нею система валопроводу. Ці дві підсистеми можуть бути об'єднані в єдиний силовий енергетичний комплекс. З усієї різноманітності деталей узагальненої системи, де процеси тертя ковзання відіграють істотну роль, були обрані ті, котрі функціонально утворюють камеру згоряння -- це деталі циліндро-поршневої групи, а також валопровід з дейдвудними підшипниками і гребний вал з облицюваннями. Обрані деталі і вузли працюють при впливі різноманітних процесів, тому при проведенні досліджень слід було встановити який внесок у формування закономірностей відмов вносять основні і супутні процеси дефектоутворення і як розподіляються відмови, викликані цими причинами. Вивчення цих процесів необхідно виконати на всіх рівнях -- від деталі, вузла і для всієї об'єднаної системи.

Об'єкти для досліджень, що належать до циліндро-поршневої групи, були диференційовані по трьох типах дизелів, які знайшли широке застосування на суднах торгового флоту і, відповідно, для цих типів визначити причини відмов з виділенням ролі провідних і супутніх. Колінчастий вал, що не входить до циліндро-поршневої групи дизеля, доцільно виключити з переліку досліджуваних об'єктів, тому що він має найбільш високий безвідмовний термін служби. У зв'язку з тим, що намічається досліджувати нові і відновлені деталі, то на другому етапі роботи об'єктами вивчення повинні стати деталі після відновлення їхніх розмірів із застосуванням зміцнювальних технологій. Ці технології повинні враховуватися у складі невід'ємних об'єктів досліджень. Вірогідність отриманих результатів повинна базуватися на необхідній якості і кількості дослідних лабораторних та експлуатаційних спостережень і вимірів із застосуванням перевірених метрологічних та інших засобів з обробкою статистичних даних по окремих деталях, вузлах і системах.

Уявлення про структуру дисертаційної роботи дає схема на рис 1.

У третьому розділі описано методи визначення порівняльних показників для оцінки безвідмовності роботи обраних об'єктів з урахуванням розвитку факторів дефектоутворення і якості відновлювальних технологій основі за результатами експлуатаційних чи стендових випробувань на надійність повинні бути отримані функції відмов F₁(t), F₂(t) або надійності P₁(t), P₂(t) нових (заводських) і відновлених після відмови деталей.

При цьому одержання критеріїв оцінки якості відновлення ґрунтується на покоординатному порівнянні двох функцій, розташованих в одній системі координат. Наприклад, дві функції надійності відновлених і нових деталей можна порівняти, задавшись одним рівнем імовірності відмов F(t).

Цьому рівню відповідають два наробітки t₁₁ для відновлених деталей і t₂₁ для нових. гою прийнятих критеріїв. При їх розробці виходили з того, що на статистичній

За цими даними може бути побудований коефіцієнт відношення наробітків при заданій імовірності відмов

Аналогічно будуються інші три коефіцієнти по t (див. рис. 2, б, в, г)

; ; .

Якщо за базові точки для порівняння вибирати середні наробітки відновлених і нових деталей, то приходимо ще до п'яти коефіцієнтів

,

і наступні коефіцієнти

Конкретні вирази для різних функцій розподілу будуть різними. Для прикладу запишемо вирази коефіцієнта для деяких розподілів:

для нормального розподілу

,

де -- середньоквадратичне відхилення;

для експоненційного розподілу

;

для розподілу Ерланга 3-го порядку

.

В основних оцінках ролі дефектів і якості відновлення використано коефіцієнт імовірності відмов

Методика оцінки включає крім визначення вірогіднісних коефіцієнтів використання функції бажаності (Харингтона) і метод математичного планування експерименту, описані в роботі стосовно до розглянутої проблеми.

За допомогою цих критеріїв здійснювалася оцінка впливу різних основних і супутніх факторів дефектоутворення і технологій відновлення на довговічність об'єктів від окремих деталей до системи в цілому

У четвертому розділі розглядаються результати дослідження причин і закономірностей відмов основних деталей циліндро-поршневої групи двигунів. Вивченню підлягали деталі циліндро-поршневої групи двигунів, що відмовили, але ще не піддавалися відновленню або заміні. Це головки поршнів, втулки і кришки циліндрів, випускні клапани, поршневі кільця. На основі численних вимірів і спостережень, даних суднових і заводських документів, а також аналізу літературних джерел зібрано великий статистично оброблюваний матеріал для нових об'єктів, що знаходилися в експлуатації, яка дозволила провести ранжирування основних причин, що впливають на безвідмовність їхньої роботи.

Установлено, що різноманітні процеси, пов'язані з тертям часто грають провідну або досить вагому роль серед інших видів причин, що приводять до відмов. Однак виникають і інші види відмов, які у залежності від умов можуть ставати провідними у формуванні відмови. На рис. 3 наведено фотографії деталей, що відмовили через розвиток різних ушкоджень у вигляді: зносу, тріщин, корозії, фретинг-корозії, вигоряння, відшарування робочих поверхонь і поломок, що підтверджує необхідність проведення комплексних досліджень в основному на реальних об'єктах з виділенням головних і супутніх процесів, що приводять до виникнення поступових відмов.

Зроблено часову оцінку розвитку найбільш істотних експлуатаційних ушкоджень, що приводять на певних стадіях до відмов таких деталей циліндро-поршневої групи як поршні, кришки і втулки циліндрів, випускні клапани. Диференційовано внесок цих ушкоджень у загальній кількості деталей, що відмовили, розраховано інтенсивність відмов. Для ряду робочих поверхонь ушкодження головок поршнів через знос, віднесені до поверхонь кільцевих канавок і до торцевих поверхонь, що обернені до камери згоряння, є провідними і розвиваються в часі за законом -розподілу для трьох типів дизелів -- ДКРН, Зульцер і МАН і лежать у межах 82-90 %. Тривалість безвідмовної роботи кришок циліндрів, для яких процеси зношування і вигоряння грають істотну, але не провідну роль, розподіляється за нормальним законом для трьох розглянутих типів дизелів. При цьому встановлено, що найбільший відсоток відмов кришок циліндрів відбувається з причин утворення тріщин (40-57 %), потім через знос (29-34 %) і меншим чином через нагар.

Крім того, не є головними причинами відмов ушкодження дзеркала циліндра втулок дизелів через знос, що розвиваються за нормальним законом з різним часом безвідмовної роботи для трьох типів дизелів і становлять 10-25 %. Для втулок циліндрів процес тріщиноутворення грає більш істотну роль (62-75 %), що сильно відбивається на тривалості їхньої безвідмовної роботи.

Показано, що тривалість безвідмовної роботи поршневих кілець розподіляється за нормальним законом і є за статистичними даними мінімальною серед розглянутих деталей циліндро-поршневої групи. З огляду на те, що дефектні поршневі кільця не відновлюються, а заміняються на нові, їхній вплив на ремонтні витрати і вимушені простої можна не розглядати на тлі інших причин відмов.

Далі був виконаний аналіз ушкоджень клапанів і напрямних втулок з визначенням впливу зносу і вигорянь їхніх поверхонь на безвідмовну роботу вузла і системи деталей ЦПГ двигуна. Установлено, що довговічність цих деталей, хоч і відіграє істотну роль у роботі ЦПГ, але не є домінуючою в балансі ушкоджень інших деталей і вузлів.

Узагальнені дані густини розподілів тривалості безвідмовної роботи деталей ЦПГ трьох типів двигунів показано у таблиці 1, а в таблиці 2 наведено для прикладу дані по видах відмов у залежності від часу розвитку дефектів у кришках циліндрів двигунів.

Таблиця 1. Узагальнені дані густини розподілу тривалості безвідмовної роботи деталей ЦПГ двигуна

Статистичні дані й аналіз також показують, що середня тривалість безвідмовної роботи головок поршнів по відношенню до кришок циліндрів у 2-3 рази менше з причин зносу й у 2,4-3,8 із причин тріщин для трьох розглянутих типів дизелів. Це дає підставу звернути увагу на розробку технологічних процесів і засобів, що забезпечують підвищену довговічність таких дорогих деталей, як головок поршнів дизелів з урахуванням процесів тріщиноутворення і зносу.

Таблиця 2. Види відмов кришок циліндрів двигунів ДКРН 74/160 у залежності від часу розвитку дефектів

Щоб одержати узагальнену картину по комплексу вузлів, що визначають безвідмовну роботу розглянутої системи, яка складається з циліндро-поршневої групи двигуна і валопровода судна, слід провести дослідження по визначенню ролі різних ушкоджень валопровода у формуванні відмов, результати якого наведено у наступному розділі.

У п'ятому розділі наведено результати досліджень закономірностей розвитку експлуатаційних ушкоджень гребних валів і розглянуто їхній вплив на безвідмовність роботи узагальненої системи суднового енергетичного комплексу. Було виділено підсистему гребного валу і розглянуто основні види відмов і ушкоджень, що визначають безвідмовність її роботи. Характерні місця виникнення дефектів на гребних валах наведено на рис. 4, а фотографії деталей з видами ушкоджень показано на рис. 5. Усі причини відмов, що зустрічаються, розбито на окремі групи, що забезпечило збір статичних даних і їх наступний аналіз. Процентна частка по видах дефектів гребних валів і втулок, а також отримані дані по аналізу ушкоджень і відмов гребних валів морських суден, узагальнено нами в п'ять груп. Розрахункові статистично достовірні результати по впливу основних і супутніх ушкоджень на безвідмовність роботи гребних валів представлено у табл. 3.

Таблиця 3. Співвідношення відмов гребних валів і втулок по видах дефектів і ушкоджень і їхній вплив на час безвідмовної роботи виділеної підсистеми

Таким чином, на основі отриманих закономірностей уперше встановлене не тільки процентне співвідношення різних видів відмов гребних валів транспортних морських суден, але і визначено імовірний час безвідмовної роботи з урахуванням підрозділу відмов по видах дефектів.

Визначено статистичні закономірності розвитку відмов з диференціюванням видів по кожній з виділених груп, що дозволило не тільки виявити слабкі місця, але і визначити шляхи їхнього подолання при розробці технологій відновлення. На основі даних експлуатації отримано узагальнений математичний опис працездатності розглянутої підсистеми -- гребного вала. Установлено, що в процесі експлуатації гребних валів в них виникають і розвиваються дефекти у вигляді зносу поверхонь, тріщин, утоми, корозії та ін., що приводять до відмов при різному часі наробітку, що видно з даних рис. 6. При цьому значна частка відмов при експлуатації валів припадає на знос підшипникових вузлів тертя ковзання. Якщо до цього додати такі процеси, як фретинг-корозія і фретинг-утома, частка тертя збільшиться ще на 20 %. Це дозволяє виділити головний фактор у появі ушкоджень і звернути на нього підвищену увагу, не знижуючи важливості інших ушкоджень. Шляхом проведення експериментальних лабораторних досліджень і вимірювання дейдвудних підшипників ковзання суден показано вплив застосовуваних неметалічних матеріалів на знос контртіл з неоднаковим співвідношенням робочих поверхонь. Ці дослідження, розпочаті під час з'ясування переваг капролонографітових втулок над текстолітовими, чи з бакаута над деревинно-шаруватими вставками, у свій час зіграли позитивну роль при впровадженні композиції. Однак виникло питання про розробку матеріалу для втулок з більш високими триботехнічними характеристиками, ніж у капролонографіту. Такий матеріал був нами розроблений, про що сказано в розділі, присвяченому технологіям відновлення і зміцнення деталей.

У цьому ж розділі наведено математичний опис працездатності узагальненої системи, що складається з підсистеми циліндро-поршневої групи двигуна і підсистеми гребного вала судна. Отримана узагальнена математична закономірність, як і її складові, є вихідною або базовою для порівняння ефективності технологій відновлення розмірів і зміцнення поверхневих шарів деталей, тому що виведена на основі статистичного аналізу нових деталей, що не піддавалися технологіям ремонту. Установлено, що з урахуванням закономірностей відмов, де процеси тертя і зносу часто грають головну, хоча не єдину, роль, варто шукати додаткові шляхи підвищення не тільки триботехнічних, але й інших відповідальних характеристик деталей, що піддаються через свою дефіцитність і високу вартість відновлювально-зміцнювальним технологіям.

У шостому розділі розглянуто результати досліджень, що відносяться до підвищення термінів служби ушкоджених об'єктів і таких, що відмовили, які входять в обрану систему, шляхом застосування технологічних методів відновлення розмірів і зміцнення деталей. В ній міститься великий обсяг даних науково-виробничих робіт і робіт з впровадження. Показано, що дефіцитність і висока вартість деталей циліндро-поршневої групи двигуна і валопровода судна, виведених з експлуатації через різні ушкодження, змушують виробничників застосовувати відповідні технології відновлення. Так, для великогабаритних деталей з великим по довжині і глибині зношеним шаром часто використовують комбіновані технології з різним поетапним призначенням: заповнити великі втрати металу внаслідок зносу, а потім послідовно шляхом застосування різних зміцнювальних технологій підвищити експлуатаційні властивості робочих поверхонь. Якщо технології відновлення розмірів в основному відпрацьовані, то заключні зміцнювальні технології мають значний резерв для удосконалення. При цьому традиційні методи зміцнення пластичним деформуванням шляхом обкатування роликами або ультразвуковим вібро-ударним впливом варто доповнювати чи заміняти на більш ефективні, які були б здатні у виробничих умовах формувати робочі поверхні з ще більш високими експлуатаційними властивостями. Наприклад, проведеними нами порівняльними експериментальними дослідженнями показано, що відомий метод високошвидкісного фрикційного знакозмінного зміцнення двома дисками у кілька разів ефективніше однонаправленого зміцнення одним диском, тому що дозволяє імпульсно формувати суцільні більш зносостійкі і корозійно-стійкі поверхневі шари з підвищеною глибиною. Результати застосування цього методу для зміцнення наплавлених поверхонь отримано вперше, як і рекомендації для конкретних об'єктів суднового машинобудування. Крім цього пропонується спростити технологію відновлення гребних валів шляхом застосування зміцнювального шліфування, що дозволяє відмовитися від операції чорнової проточки наплавного шару різцем і одночасно зі зняттям припуску шліфувальним кругом формувати суцільний білий шар у поверхневих шарах деталі. Такий сполучений метод зняття припуску і зміцнення пропонується використовувати при ремонті великогабаритних гребних валів.

Показано, що триботехнічні характеристики дейдвудних підшипників можуть бути збільшені в кілька разів, якщо здійснити заміну капролоно-графітових вкладишів на вкладиші з капролону, що містять графіт і дисульфід молібдену.

Незважаючи на певну прискореність розробки нових технологічних рішень і засобів, процес їх впровадження на флоті є дуже тривалим, що пояснюється певною специфікою і жорсткими, але виправданими вимогами до безпеки і життєдіяльності, тому більш ефективні технології, способи і матеріали не можуть бути швидко чи відразу використані без багаторічної перевірки. З огляду на цю обставину, необхідно на основі статистично оброблених даних експлуатації установити вплив основних і інших супутніх видів ушкоджень відновлених за різними технологіями деталей на безвідмовну роботу розглянутої комплексної системи з одночасним урахуванням можливостей нових, але ще не впроваджених, перспективних технологій, що підвищують робочі характеристики поверхневих шарів. Тому в кожному конкретному випадку необхідно оцінювати ефективність технології відновлення деталей шляхом порівняння якості, що досягається, з новими деталями, з обов'язковим використанням статистично обробленого масиву даних і отриманих закономірностей з урахуванням формування різних видів ушкоджень із введенням поправочних часткових і узагальнених коефіцієнтів для всіх розглянутих рівнів від окремих деталей і вузлів до об'єднаної системи, що складається з декількох підсистем.

Сьомий розділ присвячено порівнянню безвідмовності роботи нових і відновлених деталей циліндро-поршневої групи двигуна і валопровода судна, а також об'єднаних на їхній основі систем.

Установлено, що в процесі експлуатації на робочих поверхнях відновлених за різними технологіями деталей виникають дефекти й ушкодження, які слід віднести до тих же видів, що й для нових. В обох випадках експлуатаційні ушкодження мають аналогічну природу походження і проявляються у вигляді зносу поверхонь тертя, чи вигоряння, нагароутворення, фретингу, корозії, утоми, тріщин і поломок. Показано, що незважаючи на технології відновлення розмірів і зміцнення робочих поверхонь, які постійно поліпшуються, інтенсивність утворення експлуатаційних ушкоджень для відновлених деталей вище, ніж для нових.

Хоча співвідношення по видах ушкоджень для відновлених і нових деталей може змінюватися, але не настільки, щоб серйозно відбитися на загальних закономірностях, яким підкоряються процеси відмов. Це стосується не тільки окремих деталей, але й вузлів, підсистем і всієї об'єднаної системи, що складається з деталей циліндро-поршневої групи двигуна і валопровода судна. Крім отриманих результатів по співвідношенню експлуатаційних ушкоджень, віднесених до різних видів, встановлено диференційований їхній вплив на формування відмов. Це виконано з урахуванням застосовуваних технологій відновлення, що дає можливість науково обґрунтовано підійти до їх вибору не тільки за відомими критеріями, але й з урахуванням конкретних провідних і супутніх процесів дефектоутворення.

Із застосуванням статистичної обробки великого масиву даних, отриманих на основі багаторічних досліджень, були визначені коефіцієнти, що, як пропонується, слід враховувати в заводській практиці при оцінці експлуатаційних властивостей деталей, вузлів і системи. Відмінною рисою цих коефіцієнтів є їхня диференціація по видах ушкоджень і технологіям, що дозволяє більш глибоко підійти до проблеми підвищення якості відновлювальних робіт і, що важливо, науково обґрунтовано прогнозувати довговічність на різних рівнях системи. Такий підхід при вирішенні проблем машинознавства уявляється найбільш ефективним, що підтверджується прикладами здійсненої усередненої оцінки вартості робіт з урахуванням видів ушкоджень.

Вплив технологій відновлення і дефектів на відносну довговічність головок поршнів, втулок циліндрів і гребних валів показано в таблицях 4 - 8.

Таблиця 4. Відносна довговічність головок поршнів (на прикладі двигунів МАН) з урахуванням основних видів ушкоджень і технологій відновлення

Таблиця 5. Відносна довговічність втулок циліндрів (на прикладі двигунів Зульцер) з урахуванням основних видів ушкоджень і технологій відновлення

Таблиця 6. Відносна довговічність бронзових облицювань Бр ОЦ-10-2
гребних валів з урахуванням головних видів ушкоджень і технологій відновлення

Таблиця 7. Значення коефіцієнта K для головок поршнів, відновлених за різними технологіями

Таблиця 8. Значення коефіцієнта K для гребних валів, відновлених за різними технологіями

Усереднені значення коефіцієнта K для елементів і об'єднаної системи, що складається з ци...