Підвищення ефективності роботи підшипників із тонкостінними вкладишами суднових дизелів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

АВТОРЕФЕРАТ

з теми: «Підвищення ефективності роботи підшипників із тонкостінними вкладишами суднових дизелів»

Спеціальність 05.08.05 - Суднові енергетичні установки

Волков Андрій Володимирович

Одеса - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Ханмамедов Сергій Альбертович,

Одеська національна морська академія,

завідувач кафедри суднових енергетичних установок.

Офіційні опоненти:

­ доктор технічних наук, професор Капустін Віктор Володимирович, Севастопольський національний технічний університет, завідувач кафедри судноводіння та безпеки судноплавства;

­ доктор технічних наук, професор Хлопенко Микола Якович, Національний університет кораблебудування ім. адмірала Макарова, завідувач кафедри автоматики.

Провідна установа - Одеський національний морський університет Міністерства освіти і науки України, м. Одеса.

Захист відбудеться “ 2 ” лютого 2006 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 41.106.01. в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, Одеса, вул. Дідріхсона 8, корп. 1, зал засідань вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської національної морської академії за адресою: 65029, Одеса, вул. Дідріхсона 8, корп. 2.

Автореферат розісланий “ 30 ” грудня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01,

д.т.н., професор Голіков В. А.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На морському й річковому транспорті України суднові двигуни внутрішнього згоряння (СДВЗ) займають домінуюче положення. Основна частина флоту обладнана двигунами дизельного типу в якості головної енергетичної установки, що забезпечує рух судну. Характерною рисою суднових дизелів є 100% надійність роботи, що забезпечує безпеку судну.

Під час передачі енергії на гвинт самим напруженим елементом двигуна є кривошипно-шатунна група. Через неї проходить весь потік перетворюючої енергії. Особливістю роботи суднового двигуна є виникнення знакозмінних навантажень, які у свою чергу викликають збільшення зносу поверхонь вкладишів підшипників і постель шатунів. Підшипники кривошипно-шатунного механізму (КШМ) є одним з основних вузлів ДВЗ, від умов протікання процесів дисипації енергії в яких в значній мірі залежать потужність, економічність і надійність двигуна. Близько 20 % розсіяної енергії йде на утворення продуктів зношування, які ушкоджують контактуючі поверхні в підшипниках. Неврахування цього моменту викликає відмову двигуна й зупинку судна.

Особливості експлуатації суднових дизелів і обслуговуючих їхніх систем накладають свій відбиток на умови роботи підшипників КШМ. Так специфічними є процеси реверсів, пуску й зупинки головного дизеля. У процесі експлуатації суднового середньообертового двигуна (СОД) наробіток тонкостінних вкладишів і шатунів до їхньої заміни значно нижче ресурсу двигуна.

Недостатній рівень експлуатаційної надійності підшипників з тонкостінними вкладишами викликає додаткові витрати на усунення наслідків відмов, збільшує трудомісткість технічного обслуговування й тривалість ремонту, знижує ефективність роботи судна в цілому. Тому актуальність обраної теми дослідження очевидна.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок дослідження, отримані наукові й практичні результати відповідають програмам і планам науково-технічних робіт, спрямованих на розвиток народного господарства України - цільової комплексної програми розвитку транспортного комплексу України “Транспорт”, пріоритетному напрямку науково-дослідних програм Міністерства освіти і науки України “Енергоресурси й енергозбереження”. Тема дисертаційної роботи пов'язана з виконанням держбюджетної науково-дослідної роботи, виконуваною Одеською національною морською академією “Удосконалювання технічної експлуатації суднових енергетичних установок морських транспортних суден” (ДР № 0102U007164). Автор дисертації був виконавцем і відповідальним виконавцем, а результати дисертації містяться у розділах звіту науково-дослідницької роботи.

Мета й задачі дослідження. Підвищення ефективності експлуатації суднових середньообертових дизелів мінімізацією фреттінг-корозії на зовнішній стороні вкладишів підшипників колінчатого вала.

Для досягнення поставленої в роботі мети були вирішені наступні задачі:

­ аналіз процесу дисипації енергії в КШМ СДВЗ при перетворенні енергії палива в механічну енергію;

­ методологія дослідження процесів деформування й деструкції елементів підшипників СДВЗ із тонкостінними вкладишами в процесі їхньої експлуатації;

­ фізичне моделювання взаємодії процесів тертя на зовнішній і робочій поверхнях вкладишів у підшипниках СДВЗ і їхній математичний опис;

­ експериментальні дослідження процесів деформування й деструкції елементів підшипників;

­ удосконалювання експлуатації підшипників СДВЗ із тонкостінними вкладишами.

Об'єкт дослідження. Процеси дисипації енергії, деструкції й руйнування елементів підшипникових вузлів КШМ середньообертових суднових дизелів.

Предмет дослідження. Підвищення ефективності роботи підшипників з тонкостінними вкладишами суднових дизелів.

Методи дослідження. Досягнення основної мети дисертаційної роботи забезпечувалося наступними методами:

- імітаційне моделювання процесів тертя на зовнішній поверхні вкладишів;

- дослідження процесів утворення й орієнтаційної упорядкованості в граничних мастильних шарах оптичними методами;

- визначення мікродеформацій і напруг у підшипникових матеріалах на мікротрибометрі;

- дослідження триботехнічних процесів підшипників ковзання випробуванням на машині тертя АЕ - 5;

- теплотехнічні випробування двигунів транспортних судів, що перебувають в експлуатації.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше:

- встановлений зсув тонкостінного вкладиша в номінально-нерухомому фрикційному контакті (ННФК), при дії тангенціальних сил, носить резонансно-коливальний характер з амплітудою пропорційною інтенсивності зношення зовнішньої поверхні вкладиша;

- сформульована математична модель визначення динамічних характеристик тертя у підшипнику середьообертового двигуна (СОД) з тонкостінним вкладишем циліндричної форми, навантаження якого здійснюється тангенціальною складовою взаємодії колінчатого вала з робочою поверхнею підшипника;

- знайдено теоретичну залежність для визначення оптимальної області роботи підшипника з мінімальним зношенням зовнішньої поверхні вкладиша при використанні параметра пластичності матеріалу вкладиша підшипника для визначення коефіцієнта тертя.

Вірогідність наукових результатів, висновків і рекомендацій забезпечується використанням сучасних методів виміру напруг і переміщень у ННФК, що моделює підшипник СОД з тонкостінними вкладишами. Погрішність вимірів напруг становила від 0,5 до 5,0%, погрішність вимірів деформації становила від 0,5 до 1,5 %. Для забезпечення погрішності вимірів напруг в 5 % на апаратурі, використовуваній в експериментах, кількість вимірів у серії становило не менш 15. При моделюванні процесів фреттінг-корозії були дотримані геометричний коефіцієнт подоби використовуваного вузла, а також рівність деформацій і напруг на одиночному елементарному контакті взаємодії.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- встановлена область робочих параметрів підшипників ковзання з тонкостінними вкладишами, при роботі в якій, забезпечується мінімальне зношування робочої поверхні вкладиша й знижується розвиток фреттінг-корозії на його зовнішній стороні;

- для стабілізації вуглецевої складової мастила й відновлення його в'язкості в експлуатації, а також поліпшення працездатності масляної системи суднового дизеля запропонована установка активатора рідкокристалічних властивостей масла й схема його включення;

- для зниження зношування зовнішньої поверхні вкладиша й постелі шатуна в результаті фреттінг-корозії одержав подальший розвиток метод нанесення штучного мікрорельєфу;

- розроблено інструкцію для експлуатації тонкостінних вкладишів, Інструкція прийнята до відома Регістром Морського Судноплавства й впроваджена на судах АСК “Укррічфлот” при розробці систем технічного обслуговування й ремонтів головних і допоміжних дизелів.

Особистий внесок автора: Наукові й практичні результати, приведені в дисертації, отримані особисто автором у період з 1995 р. по 2005 р. на кафедрі суднових енергетичних установок Одеської національної морської академії й під час роботи в акціонерній судноплавній компанії “Укррічфлот”.

У спільних роботах автору належить одержання основних результатів, їхній аналіз і наукові висновки.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційного дослідження доповідалися на:

- семінарі “Зварювання й родинні технології в сучасному машинобудуванні” Одеса, липень 2003р.;

- науково-технічної конференції “Сучасні проблеми суднової енергетики”, Український державний морський технічний університет, Миколаїв, листопад 2003р.;

- науково-технічних семінарах “Удосконалювання технічної експлуатації суднових енергетичних установок морських транспортних судів”, Одеса, травень, грудень 2004 р., червень 2005.

Публікації. По темі дисертації опубліковані: 3 наукові статті в спеціалізованих наукових виданнях, рекомендованих ВАК України, звіт по темі “Удосконалювання експлуатації підшипників ковзання з тонкостінними вкладишами суднових середньообертових дизелів”, тези доповіді на науково-технічній конференції “Сучасні проблеми суднової енергетики” у м. Миколаєві.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з основної частини (зміст, вступ, 5 розділів, висновки, додатки, список літератури з 104 найменувань на 9 сторінках), викладена на 156 сторінках машинописного тексту, містить 33 малюнка, 3 таблиці, а також 2 додатки на 2 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі представлені актуальність теми дисертації, сформульовані мета й задачі дослідження, обрані об'єкт і предмет дослідження, показані наукова новизна й практичне впровадження результатів роботи.

Розділ 1 Розглянуто використання підшипникових матеріалів, застосованих у підшипниках сучасних СДВЗ, від бабітів, що заливають, до тонкостінних вкладишів на сталевій основі. Зроблено аналіз механічних і фізичних властивостей антифрикційних сплавів, за якими необхідно їх оцінювати для застосування в якості покриттів робочих поверхонь підшипників ДВЗ. Показано, що застосування тонкостінних поліметалевих вкладишів призвело до значного зниження трудомісткості при заміні й ремонті підшипників КШМ СДВЗ. Однак поряд з експлуатаційними перевагами залишається мало дослідженим питання зношування робочої, і особливо зовнішньої, поверхні вкладиша.

З аналізу практики експлуатації СОД у якості головних і допоміжних суднових двигунів, згідно показників оцінки їхньої працездатності, зроблений висновок, що при середньому наробітку дизеля як агрегату 100 тисяч годин, ресурс шатуна становить 40 тисяч годин, а мотилевих підшипників - 17 тисяч годин. Із цього випливає, що для виробітку розрахункового ресурсу шестициліндрового дизеля необхідно як мінімум 15 нових шатунів і близько 30 комплектів тонкостінних вкладишів. Питання забезпечення більш тривалого ресурсу зазначених вузлів і деталей особливо гостро постає в останні роки через різкий ріст цін на запасні частини.

Проаналізовано роботу підшипників КШМ у СДВЗ як одних з основних вузлів дизеля, які визначають його надійність у цілому. Дизель, що працює на гребний гвинт, до 80% часу працює на змінних режимах, пов'язаних з постійною зміною зовнішніх умов та умов плавання. При перетворенні енергії згоряння палива в кінетичну енергію руху колінчатого вала відбувається таке несприятливе явище, як дисипація або іншими словами розсіювання цієї енергії. У результаті частина енергії йде на нагрівання деталей підшипника, а частина на утворення продуктів зношування не тільки на робочій, але й на зовнішній поверхні тонкостінного вкладиша підшипника. Продукти зношування між зовнішньою поверхнею вкладиша й постіллю шатуна утворюються в результаті виникаючої там фреттінг-корозії, що у підсумку призводить до руйнування контактуючих поверхонь. Мотилевий підшипник чотиритактного дизеля навантажується знакозмінним ударним навантаженням від сил тиску газів і інерції, що є головним фактором порушення процесів фреттінг-корозії на зовнішній поверхні вкладиша підшипника КШМ. У зв'язку з умовами роботи СДВЗ виникають специфічні особливості їхньої експлуатації. Внаслідок більших значень рушійної сили, нормальна напруга на поверхню вкладишів підшипників КШМ близька до гранично припустимої, що, у свою чергу, посилило вимоги до характеристик матеріалів антифрикційних покриттів.

Описано процеси утворення масляного шару на робочій поверхні вкладиша. Залежно від характеру й швидкості взаємного переміщення поверхні колінчатого вала й вкладиша, діючих на них навантажень, якості масла, антифрикційного шару на робочій поверхні вкладишів можливі рідинні, змішані й граничний режими змазування. Показано що при граничному режимі змазування відбувається тертя вала й вкладиша при наявності на поверхнях шару змащення, що володіє властивостями рідкокристалічного тіла. Під дією сил металевої поверхні відбувається орієнтаційна впорядкованість молекул масла в граничних шарах.

Запропонована класифікація підшипників ковзання, що охоплює різні типи вкладишів, застосовуваних у сучасних суднових дизелях. Проаналізовано конструкції сучасних вкладишів. Відзначено, що більшість фірм-виготовлювачів вкладишів займаються розробкою й удосконаленням робочої поверхні вкладиша, залишаючи без уваги зношування, у процесі експлуатації, його зовнішньої сторони, що піддана фреттінг-корозії. Описано механізм зношування зовнішньої поверхні вкладиша й постелі шатуна в результаті фреттінг-корозії. Доведено, що таке зношування має місце для всіх підшипникових вузлів з тонкостінними вкладишами в КМШ СДВЗ.

Показано, що інтенсивність зношування зовнішньої поверхні вкладиша пов'язана зі зміною режимів тертя на його робочій поверхні. Вибір рішення, що дозволяє зменшити фреттінг-корозію на зовнішній стороні вкладиша в підшипниках КШМ, повинен здійснюватися залежно від геометричних розмірів вкладиша, режимів роботи двигуна й від ефективності роботи системи змазування СДВЗ.

Розділ 2. Наведено методологію побудови дисертаційної роботи. Зазначено, що необхідність забезпечення безвідмовної роботи підшипників КШМ і підвищення їхньої експлуатаційної надійності вимагає рішення важливого для суднової енергетики наукового завдання - керування процесами дисипації енергії в підшипниках КШМ СДВЗ. Велика частина розсіяної енергії іде на утворення продуктів зношення і виникнення фреттінг-корозії на зовнішній стороні вкладиша.

Сформульовано основну робочу гіпотезу дисертаційної роботи: між процесами розсіювання енергії на робочій і зовнішній поверхні вкладиша існує кількісний і якісний взаємозв'язок. Метою дослідження є підвищення експлуатаційної надійності й економічної ефективності СДВЗ шляхом мінімізації фреттінг-корозії на зовнішній стороні вкладишів підшипників колінчатого вала. дизель підшипник колінчатий вал судновий

Розроблено методологію системного аналізу стосовно до рішення задачі, поставленої в дисертаційній роботі, удосконалювання експлуатації підшипників ковзання з тонкостінними вкладишами. Постановка й рішення завдання по мінімізації фреттінг-корозії в підшипниках ковзання КШМ дизелів припускає системний підхід із застосуванням оптимізаційних методів з обліком всіх експлуатаційних факторів, що впливають на роботу СДВЗ. Вкладиш підшипника розглядається як елемент СДВЗ, що виступає як підсистема СЕУ. Якщо один з елементів підсистеми має власні недосконалі конструктивні або функціональні параметри, то СЕУ в цілому може вважатися недосконалою, внаслідок ієрархічної взаємодії між окремими підсистемами. Системний підхід дозволив сформулювати цільову функцію дисертаційної роботи, що виражена відношенням експлуатаційних витрат по обслуговуванню розглянутого підшипника до витрат на виготовлення вкладишів і шатуна й передбачає мінімізацію економічних витрат у період роботи шатуна. Математичний опис цільової функції визначає її залежність від величини показників ефективності роботи суднового дизеля.

Розроблено загальну методику дослідження процесів розсіювання енергії на поверхнях тонкостінного вкладиша СДВЗ. Обґрунтовано метод фізичного моделювання дисипації енергії на поверхнях вкладиша. Розкрито основні етапи в проведенні досліджень процесів методом фізичного моделювання.

Виконано математичний опис фізичної моделі підшипника ковзання з тонкостінними вкладишами. Математична модель такого підшипника виражена системою алгебраїчних і диференціальних рівнянь. Обрано методи для рішення рівнянь математичної моделі.

Обрано методи дослідження процесів тертя на робочій і зовнішній поверхнях вкладиша підшипника КШМ СДВЗ. Як метод контролю властивостей масляної плівки на робочій поверхні вкладиша був обраний метод подвійної променезаломлюваності, тому що на робочій поверхні вкладиша масляна плівка володіє рідкокристалічними властивостями. Залежно від інтенсивності взаємодії молекул змащення з адсорбційними центрами металевої поверхні можуть утворитися шари різної товщини.

В якості методу контролю процесу фреттінг-корозії на зовнішній поверхні вкладиша був обраний метод реєстрації деформації й напруги на мікротрибометрі. На ньому була отримана залежність “напруга - деформація” для ННФК сталі 45, з якої виготовляють вкладиші підшипників СДВЗ. Інтенсивність фреттінг-корозії зовнішньої сторони вкладиша залежить від величини коефіцієнта тертя на його робочій поверхні. Ріст коефіцієнта тертя внаслідок таких експлуатаційних факторів двигуна, як збільшення температури й навантаження, зменшення гідростатичного тиску в мастильній системі, приводить до деформації стиску вкладиша в посадковому гнізді, а тим самим до виникнення фреттінг-корозії на його зовнішній стороні. Для реєстрації процесів, що протікають на робочій і зовнішній поверхнях вкладиша, були проведені експерименти на машині тертя АЕ - 5, що дозволяють у реальному масштабі часу вимірювати величину коефіцієнта тертя, зношування й інших триботехнічних параметрів. Завдяки отриманим результатам вимірів визначена область роботи підшипників з тонкостінними вкладишами при мінімальному зношуванні їхніх поверхонь.

Розділ 3. Для прогнозування протікання процесу фреттінг-корозії й вирішення задачі його запобігання необхідний контроль над амплітудою взаємних переміщень постелі шатуна й вкладиша підшипника ковзання. Це завдання вирішувалося шляхом математичного моделювання процесів тертя в ННФК.

В основу моделі для дослідження тертя покладена реологічна модель Ю. А. Ішлінского. Вона складається з безлічі паралельно з'єднаних елементів Прандтля й враховує пружні й фрикційні властивості ННФК, а також умови випередження росту деформації в порівнянні з ростом тангенціальної напруги в контакті. У даній моделі представлена ділянка контакту вкладиша з постіллю шатуна на виступах шорсткостей поверхонь.

, (1)

де A - номінальна площа контакту вкладиша, C(x) - тангенціальна жорсткість вкладиша, яка враховує напружено-деформований стан вкладиша під час зборки підшипника, - наведена маса фрикційного контакту, ф0 - амплітудне значення питомої сили, що зрушує, щ - циклічна частота обертання колінчатого вала.

Рівняння (1) являє собою диференціальне рівняння другого порядку, його права частина не дорівнює нулю. Рішення вироблялося по методу Фур'є.

У підсумку рішення даного рівняння була отримана залежність, що носить не лінійний характер. У цій залежності враховувалися не тільки пружні але й пластичні властивості фрикційного контакту.

Під дією стискаючої сили, обумовленою кінематикою КШМ, відбувається деформування ННФК за наступним законом:

. (2)

Розглядаючи тільки сталий стан змушених коливань у системі шатун - вкладиш підшипника при дії сили, що обурює з боку вкладиша й не акцентувати увагу на вільні коливання, було отримане вираження для амплітудно-частотної характеристики коливань у ННФК:

, (3)

де , - власна частота тангенціальних коливань ННФК, еa - амплітуда відносного взаємного переміщення елементів контакту вкладиша, - статичний коефіцієнт запасу сили тертя, f1 - коефіцієнт тертя між зовнішньою поверхнею вкладиша й постіллю шатуна, f - коефіцієнт тертя на робочій поверхні вкладиша.

Оскільки величина f₁ ? const = 0.3... 0.35, а величина f = 0,005...0,15 залежить від режиму роботи підшипника, його технічного стану й стану мастильного матеріалу, то значення статичного коефіцієнта запасу сили тертя складе л_с = 2...60.

Далі були отримані в явному виді вираження для коефіцієнтів A₁(е_a) і B₁(е_a):

, (4)

, (5)

де J_a(n) - інтегральний параметр, що характеризує властивості контакту вкладиша із шатуном; - параметр пластичності контакту. Для визначення J_a(n) і n необхідно провести виміри на мікротрибометрі.

Це дозволяє розрахувати амплітудно-частотну характеристику змушених коливань вкладиша шатунного підшипника суднового СОД. З випливає, що амплітудно-частотні характеристики носять яскраво виражений резонансний характер і мають вигляд, типовий для резонансних кривих нелінійних коливальних систем з м'якою характеристикою сили, що відновлює.

Резонансна амплітуда може бути визначена по формулі:

. (6)

З формули (6) випливає, що на амплітуду переміщень вкладиша крім коефіцієнта запасу сили тертя також впливає параметр пластичності контакту n, причому, якщо перший вплив обумовлений режимом роботи підшипника, то друге - технічним станом шатуна, правильністю зборки й затягування підшипника.

Якщо у формулі (6) прийняти еar = n+1 то вийде рівняння для гранично припустимого коефіцієнта тертя між вкладишем і шийкою колінчатого вала, при перевищенні якого починається фрикційне ковзання по всій площі контакту зовнішньої поверхні вкладиша:

. (7)

Підставляючи в рівняння (3) вираження (7) і виконавши перетворення, одержимо рівняння для граничної амплітудно-частотної характеристики відносного переміщення елементів контакту:

. (8)

Граничною будемо називати таку амплітудно-частотну характеристику, при якій резонансна амплітуда відносного переміщення вкладиша дорівнює граничному значенню е_amax=n+1.

У випадку, коли л_с < л_{с ін} резонансна амплітуда приймає значення, що перевищує е_ar=n+1. Це значить, що резонансна амплітуда відносного переміщення виходить за межі повного попереднього зсуву й наступає процес фреттінг-корозії. Таким чином, технічний стан постелі шатуна впливає на протікання процесу фреттінг-корозії.

Щоб уникнути залишкових переміщень вкладиша підшипника при резонансі, необхідно підтримувати в підшипнику гідродинамічний режим тертя з коефіцієнтом тертя:

. (9)

На діаграмі Герсі-Штрибека нижче пунктирної лінії, минаючої через крапку В, зазначена рекомендована зона роботи підшипника ковзання СДВЗ із тонкостінними вкладишами. Підшипник, працюючи в цій області, згідно рівняння (9), буде мати мінімальне зношування зовнішньої поверхні вкладиша і постелі шатуна в результаті зниження інтенсивності фреттінг-корозії.

Розділ 4. Розглянуто результати експериментальних досліджень розвитку процесу фреттінг-корозії на зовнішній поверхні тонкостінного вкладиша КШМ СДВЗ.

1. При виборі матеріалу робочої поверхні вкладишів підшипників важливим фактором є взаємодія молекул мастильного матеріалу й твердого тіла. Орієнтаційна впорядкованість молекул граничного мастильного шару приводить до анізотропії їх фізичних, у тому числі оптичних властивостей. Зокрема, такі впорядковані фази мають оптичну анізотропію, величина якої залежить від ступеня орієнтаційної упорядкованості.

Дослідження оптичної анізотропії граничних мастильних шарів проводилися на оптичній установці. Лінійно поляризоване світло, проходячи через оптичні анізотропні орієнтаційно впорядковані граничні мастильні шари, стає оптично поляризованим, що приводить до виникнення зрушення фаз д між компонентами світла, поляризованими паралельно й перпендикулярно площини падіння світлових променів. Результати вимірів для різних досліджуваних матеріалів підкладок наведені на. Горизонтальна ділянка залежності свідчить про те, що в даному інтервалі ширини світловода перебуває тільки граничний шар і не присутня ізотропна фаза. Крапка зламу відповідає подвоєному значенню товщини мастильного шару.

Чим більше кут нахилу до осі абсцис має первісна (похила) ділянка залежності, тим вище орієнтаційна впорядкованість, а, отже, і вище інтегральний параметр , що характеризує ступінь оптичної анізотропії мастильного матеріалу.

За значенням цього параметра можна прогнозувати інтенсивність зношування у вузлах тертя, тому що між інтегральним параметром оптичної анізотропії мастильного матеріалу й зношуванням вузла тертя, що працює в режимі граничного змащення, існує взаємозв'язок:

I = kd_sДn , (10)

де I - інтенсивність зношування, k - коефіцієнт пропорційності.

Таким чином, виконаний цикл досліджень показав, що легування антифрикційного матеріалу підшипника алюмінієм більш ефективно, наприклад, ніж міддю.

2. За допомогою мікротрибометра була отримана експериментальна залежність деформації від напруги ф = f(x) для ННФК. ННФК відтворював елемент контакту вкладиша підшипника з поверхнею постелі шатуна. З, де крапками показані значення, отримані на мікротрибометрі видно, що результати експериментальних досліджень відповідають розрахунковим значенням.

При навантаженні ННФК тангенціальним навантаженням, проводилася реєстрація напруги й взаємного переміщення від моменту, коли тангенціальна напруга в контакті ? = 0, до моменту, коли ? = qf₁, тобто коли відбудеться зрив контактуючих поверхонь і почнеться фрикційне проковзування. Тут прийняте q - номінальний контурний тиск у контакті, МПа; f₁ - статичний коефіцієнт тертя стали по сталі без змащення. За результатами експерименту отримано, що при збільшенні тангенціального навантаження на вкладиш підшипника відбувається плавне збільшення напруги й при x = 1,0 мкм відбувається зрив фрикційного контакту, при цьому починає інтенсивно протікати фреттінг-корозія на зовнішній стороні вкладиша.

3. Триботехнічні випробування процесів тертя вироблялися на машині тертя АЕ - 5. У результаті таких випробувань були отримані наступні залежності:

- коефіцієнта тертя від швидкості ковзання при P = const, з = const;

- коефіцієнта тертя від навантаження на підшипник при V = const, з = const;

- коефіцієнта тертя від в'язкості масла при V = const, P = const.

Результати випробувань зведені до діаграми Герсі-Штрибека. Наявність такої діаграми дозволило визначити область працездатності підшипників ковзання СДВЗ із тонкостінними вкладишами. Відрізок АВ є найбільш сприятливою ділянкою роботи підшипника ковзання колінчатого вала СДВЗ, тому що на ньому вкладиш має мінімальне зношування робочої поверхні, а його зовнішня поверхня і постіль шатуна не піддані фреттінг-корозії.

У цьому розділі також представлені розрахунок і методика обробки результатів вимірів з визначенням необхідної точності. Зіставивши результати експериментальних досліджень і розрахункових значень, відповідно до моделі, отримано, що абсолютна погрішність вимірів не виходить за 5%.

Розділ 5. Розглянуто питання організації експлуатації підшипників СДВЗ із тонкостінними вкладишами з мінімальними експлуатаційними витратами.

Для більш точного визначення граничних і припустимих зносів наведені бракувальні показники напіввкладишів, постелі підшипників і шийки колінчатого вала. Зазначено нормативні показники й вимоги для мастильних матеріалів і масляних систем СДВЗ.

Аналізуючи диференціальне рівняння (1) руху вкладиша відносно постелі в шатуні, можна зробити висновок, що для зменшення величини взаємного переміщення елементів контакту й інтенсивності фреттінг-корозії на зовнішній поверхні вкладиша необхідно зменшувати площу контакту поверхонь вкладиша й постелі шатуна. На т/х “Дніпро - 4” у судновому двигуні 6 S 160 PN був нанесений на зовнішню поверхню вкладиша мотилевого підшипника штучний мікрорельєф, що дозволив зменшити площу контакту, а також акумулювати продукти зношування в канавках, мінімізуючи фреттінг-корозію. Площа канавок становила 7 % від загальної площі зовнішньої поверхні вкладиша. На поверхні з мікрорельєфом часточки зношування потрапляють у канавки й акумулюються там, що виключає ушкодження іншої поверхні. При порівнянні зовнішніх поверхонь вкладишів з і без мікрорельєфу після 3 тисяч годин наробітку отримано, що площа зношеної поверхні зменшилася на 20 %. Проведений експеримент на судновому дизелі підтвердив припущення про позитивну дію мікрорельєфу на вповільнення розвитку фреттінг-корозії.

При влученні в масло механічних домішок або при його обводнюванні відбувається дезорієнтація молекул граничних мастильних шарів. Це приводить до розриву масляної плівки на робочій поверхні вкладиша, відбувається безпосередній контакт металевих поверхонь, коефіцієнт тертя збільшується й зношування як робочої, так і зовнішньої поверхні вкладиша стає інтенсивніше. Для регенерації властивостей масла й продовження його терміну служби, на відгалуженні масляної системи головного двигуна марки 6-27.5 A2L т/х “Дніпро - 4”, був установлений активатор рідкокристалічних властивостей масла. У ньому кінетична енергія масла витрачалася на руйнування часток механічних домішок при різкому гальмуванні, після чого масло верталося в масляний бак двигуна. Результати випробувань підтвердили значне поліпшення експлуатаційних властивостей масла після безперервної обробки активатором. Про це свідчать лабораторні експерименти а також збільшення часу роботи масляних фільтрів до їхньої мийки. У результаті роздрібнення механічних домішок в'язкість масла зменшується і коефіцієнт тертя на робочій поверхні вкладиша підшипника знижується, що приводить до зменшення зношування не тільки робочої, але й у підсумку зовнішньої поверхні вкладиша.

При установці активатора, правильному нормуванні роботи сепаратора й фільтрів, масло, у процесі експлуатації не досягає бракувальних показників.

Особлива увага приділена обслуговуванню системи змащення підшипників. Зазначено вимоги, пропоновані до мастильних систем СДВЗ і бракувальні показники для дизельного масла.

Як перспективні методи підвищення ефективності експлуатації підшипників з тонкостінними вкладишами запропоновані наступні напрямки: підвищення несучої здатності підшипника за рахунок підбора матеріалу антифрикційного шару, збільшення структурної складової розклинювального тиску масляної плівки на малих оборотах дизеля, перехід на синтетичні й напівсинтетичні масла, нанесення антифрикційного шару на робочу поверхню за типом вкладиша “Rillenlager”.

Установлено, що для якісної експлуатації СДВЗ із тонкостінними вкладишами необхідний розвиток сигналізації, захисту й автоматичного керування масляних систем, що дозволить підтримувати його робочий режим без досягнення бракувальних показників. Для цього необхідно вдосконалити масляну систему наступним: система сигналізації й захисти з наявності води в маслі; контроль над рідкокристалічними властивостями масла; автоматичне керування поповненням свіжим маслом; автоматичне регулювання кратністю циркуляції масла.

Висновки

Вирішення задачі підвищення надійності підшипників з тонкостінними вкладишами можливо шляхом зниження інтенсивності зношення зовнішньої поверхні вкладишів.

За період експлуатації суднового двигуна (близько 150 тисяч годин) майже 10 разів змінюються металомісткі й дорогі деталі кривошипно-шатунної групи. Через низьку надійність цих підшипників знижується ефективність експлуатації судна.

На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень зроблені наступні висновки:

1. На режимах пуску суднового дизеля й при частоті обертання, близької до номінального, відбувається зношування не тільки робочих, але й зовнішніх поверхонь тонкостінних вкладишів у підшипниках ковзання. Розроблено методику дослідження процесу дисипації енергії в деталях КШМ, яка показала, що інтенсивність процесу фреттінг-корозії зовнішньої поверхні вкладиша пропорційна енергії резонансного поглинання в коливальному процесі вкладиша щодо шатуна.

2. Рух вкладиша щодо шатуна носить резонансний характер, типовий для нелінійних коливальних систем з м'якою характеристикою сили, що відновлює. Амплітуда коливань вкладиша залежить як від режиму роботи дизеля, так і від часу експлуатації.

3. Реологічна модель номінального-нерухомого фрикційного контакту тонкостінного вкладиша циліндричної форми із шатуном у середньообертових дизелях дозволяє отримати емпіричну залежність значення коефіцієнта тертя від параметра пластичності матеріалу вкладиша, що забезпечує такий режим роботи підшипника ковзання, при якому виключаються переміщення вкладиша.

4. На підставі експериментальних досліджень встановлено, що:

- у пристінних шарах масел нафтового походження товщиною до 20 мкм виникає орієнтаційно впорядкований шар;

- зниження орієнтаційної впорядкованості в пристінних шарах залежить від типу металу, яким легований антифрикційний шар вкладиша;

- ступінь орієнтаційної впорядкованості падає при наявності механічних домішок і води навіть у дозволених концентраціях;

- орієнтаційну впорядкованість можна відновити шляхом обробки масла в активаторі рідкокристалічних властивостей масел;

- відома діаграма Герсі-Штрибека може бути доповнена областю, у якій процес фреттінг-корозії мінімальний;

- застосування активатора, мікрорельєфу, нанесення оптимальних гальванічних покриттів може розширити область роботи вкладиша, що виключає процеси фреттіінг-корозії.

Вірогідність отриманих результатів забезпечується застосуванням сучасних методів вимірювань напруг і деформацій у фрикційному контакті, що моделює підшипник з тонкостінними вкладишами. Абсолютна погрішність вимірювань не виходить за 5%.

5. Результати досліджень дозволили розробити рекомендації, по зниженню інтенсивності зношування робочої й зовнішньої поверхонь тонкостінних вкладишів підшипників КШМ для двигунів, що знаходяться в експлуатації:

­ нанесенням штучного мікрорельєфу на зовнішню поверхню тонкостінних вкладишів;

­ застосуванням спеціальних матеріалів для гальванічних покриттів;

­ включенням активатора рідкокристалічних властивостей масла в схему циркуляційної масляної системи дизеля.

Використання матеріалів дисертації в експлуатації суднових дизелів приводить до збільшення часу роботи двигуна між чищеннями фільтрів і до зміни масла в 1,5 рази. Відновлюється впорядкованість молекул рідкокристалічних шарів масляної плівки, що охороняє робочі поверхні вкладишів від руйнування. Наробіток тонкостінних вкладишів у дизелях зростає на 20 - 30 %.

Основні положення дисертації опубліковані в наукових спеціалізованих виданнях

1. Ханмамедов С.А., Волков А.В. Фреттинг-коррозия вкладышей подшипников скольжения среднеоборотных судовых дизелей // Судовые энергетические установки: науч. -техн. сб. - 2000. - № 5. - Одесса: ОНМА. - С. 132-133.

2. Ханмамедов С.А., Волков А.В. Процессы трения в номинально недвижимом фрикционном контакте вкладышей подшипников скольжения ДВС // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - 2002. - № 7. - Одесса: ОНМА. - С. 118 - 133.

3. Волков А.В. Исследование влияния искусственного микрорельефа на процесс фреттинг-коррозии тонкостенных вкладышей подшипников скольжения ДВЗ // Судовые энергетические установки: науч. -техн. сб. - 2004. - № 11. - Одесса: ОНМА. - С. 52-55.

4. Ханмамедов С.А., Волков А.В. Факторы, влияющие на явление фреттинг-коррозии вкладышей подшипников скольжения // Материалы международной научно-технической конференции 20-21 ноября 2003. - Николаев: УДМТУ, 2003. - С. 63-64.

Анотації

Волков А.В. Підвищення ефективності роботи підшипників із тонкостінними вкладишами суднових дизелів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.05 - суднові енергетичні установки. - Одеська національна морська академія, Одеса, 2005.

Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності технічної експлуатації дизельних суднових енергетичних установок, а саме підвищенню ресурсу роботи шатунів і тонкостінних вкладишів підшипників ковзання.

У дисертаційній роботі представлене нове рішення задачі підвищення ефективності роботи підшипників з тонкостінними вкладишами суднових дизелів шляхом істотного зниження зношування поверхні вкладиша, що сполучає з постіллю шатуна.

Розроблено методологію стосовно до рішення поставленої задачі. Методика дослідження процесу дисипації енергії в деталях КШМ показала, що між процесами тертя на робочій і зовнішній поверхні вкладиша існує кількісний і якісний зв'язок.

Розроблено математичну модель для прогнозування процесу фреттінг-корозії й рішення завдання його запобігання. Отримано диференціальне рівняння руху вкладиша відносно постелі шатуна, вирішення якого дозволило побудувати амплітудно-частотні характеристики відносного переміщення вкладиша в гнізді шатуна. Визначено величину коефіцієнта тертя на робочій поверхні вкладиша, при перевищенні якої починає протікати фреттінг-корозія на його зовнішній стороні.

Проведено експериментальні дослідження з визначення характеристик тертя на робочій і зовнішній поверхнях вкладиша. У результаті визначена область працездатності підшипника ковзання з мінімальним зношуванням робочої й зовнішньої поверхні тонкостінних вкладишів.

На основі отриманих результатів запропоновані рекомендації з розробки методу експлуатації підшипників СДВС із тонкостінними вкладишами з мінімальними експлуатаційними витратами.

Ключові слова: суднова енергетична установка, дизель, шатун, підшипник, вкладиш.

Аннотация

Волков А.В. Повышение эффективности работы подшипников с тонкостенными вкладышами судовых дизелей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05 - судовые энергетические установки. - Одесская национальная морская академия, Одесса, 2005.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности технической эксплуатации дизельных судовых энергетических установок, а именно повышению ресурса работы шатунов и тонкостенных вкладышей подшипников скольжения.

В диссертационной работе представлено новое решение задачи повышения эффективности работы подшипников с тонкостенными вкладышами судовых дизелей путем снижения износа поверхности вкладыша, сопрягаемой с постелью шатуна.

Разработана методология применительно к решению поставленной задачи. Постановка и решение проблемы фреттинг-коррозии в подшипниках скольжения КШМ дизелей производились методом системного анализа с применением оптимизационных методов с учетом всех эксплуатационных факторов, влияющих на работу СДВС. Методика исследования процесса диссипации энергии в деталях КШМ показала, что между процессами трения на рабочей и внешней поверхности вкладыша существует количественная и качественная связь. В работе установлены закономерности процессов взаимодействия металлической поверхности с масляной пленкой, исследован процесс перехода от жидкостного к граничному режиму смазывания.

Показана принципиальная возможность управления протеканием процессов фреттинг-коррозии на внешней стороне вкладыша за счет поддержания заданных режимов трения в подшипнике скольжения ДВС.

Разработана математическая модель для прогнозирования процесса фреттинг-коррозии и решения задачи его предотвращения. Получено дифференциальное уравнение движения вкладыша относительно постели шатуна, решение которого позволило построить амплитудно-частотные характеристики относительного перемещения вкладыша в гнезде шатуна. Полученные характеристики носят резонансный характер. Определена величина коэффициента трения на рабочей поверхности вкладыша, при превышении которой начинает протекать фреттинг-коррозия на его внешней стороне.

Проведены экспериментальные исследования по определению характеристик трения на рабочей и внешней поверхностях вкладыша. В результате определена область работоспособности подшипника скольжения с минимальным износом рабочей и внешней поверхности тонкостенных вкладышей.

На основе полученных результатов предложены рекомендации по разработке метода эксплуатации подшипников СДВС с тонкостенными вкладышами с минимальными эксплуатационными затратами.

Ключевые слова: судовая энергетическая установка, дизель, шатун, подшипник, вкладыш.

Аnnotation

Volkov АV. Effectiveness increase of thin-shell bearings for marine Diesel engines. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.08.05 - ship propulsive plants. - Odessa national marine academy, Odessa, 2005.

The thesis is dedicated to the matters of effectiveness increase of technical maintenance of ship power plants, namely to functioning life increase of connecting rods and thin-shell plain bearings.

A new task solution for operating efficiency increase of thin-shell bearings for marine Diesel engines by appreciable decrease of surface deterioration of bearing insert mating with connecting rod bed is represented in the thesis.

There is a methodology developed with reference to the solution of the problem put by. The research technique of the energy dispersion process in the parts of the crank mechanism showed, that there is quantitative and qualitative connection between friction processes on the functional and outer surface of the insert.

There was developed a mathematical model for prediction of fretting corrosion process and solution of the problem of its prevention. There was obtained a differential equation of insert moving relative to the connecting rod bed, which solution would allow to make amplitude-frequency characteristics relative to insert moving in the connecting rod seat. The obtained characteristics have a resonance pattern. There was determined a friction coefficient value on the functional surface of bearing, by excess of which fretting corrosion starts on its outer side.

The experimental researches concerning determination of friction characteristics on the functional and outer surfaces of bearing were carried out. As a result, the area of plain bearing efficiency with minimum wear of functional and outer surface of thin-shell inserts was determined.

On the grounds of the obtained results, the recommendations on development of the operation method of bearings with thin-shell inserts for marine internal-combustion engines with minimum operating costs were suggested.

Key words: ship power plant, Diesel engine, connecting rod, bearing, insert.

Размещено на Allbest.ru

...