Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

УДК 621.431.74

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ СУДНОВИХ ДИЗЕЛІВЗ ВІДНОВЛЕНИМИ ГОЛОВКАМИ ПОРШНІВ

05.08.05 -- суднові енергетичні установки

Слободянюк Іван Михайлович

Одеса - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії міністерство освіти і науки України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Молодцов Микола Степанович, Одеська національна морська академія, завідувач кафедри технології матеріалів і судноремонту.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Івановський Валерій Георгійович, Одеський національний морський університет, завідувач кафедри суднових дизельних установок і технічної експлуатації флоту.

кандидат технічних наук Бабенко Віра Михайлівна, Севастопольский національний технічний університет, доцент кафедри нарисної геометрії і креслення.

Провідна установа: Національний університет кораблебудування ім. адм. С.О. Макарова міністерства освіти і науки України, м. Миколаїв.

Захист відбудеться “_19_” квітня__2007р. о _10_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп.1, зал засідання вченої ради.

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

Автореферат розісланий “_19_” березня__2007р.

Вчений секретар спеціалізованої ради Голіков В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На суднах морського та річкового флоту України для забезпечення руху використовуються дизельні енергоустановки, довговічність яких визначає економічну ефективність роботи судна по перевезенню вантажів і пасажирів. Якість перетворення теплової енергії в механічну роботу та циліндрова потужність таких теплових двигунів пов'язана з їх конструктивними особливостями. Зокрема, номінальні показники політроп стискання і розширення забезпечуються конструктивною замкнутістю, за рахунок ущільнення кільцевих канавок, яке, разом з іншими факторами, наприклад, якістю розпилювання палива, визначають надійність і довговічність енергетичної установки. Тому збільшення зазору в канавках головок поршнів (ГП) зумовлює прорив робочого тіла з камери згоряння, що знижує вказані параметри, ефективний ККД та потужність двигуна. Разом з тим, спостерігаються часті поломки поршневих кілець, зумовлені деструкцією та руйнуванням поверхні канавок ГП, що призводить до неприпустимого під час рейсу виводу двигуна із експлуатації для їх заміни. Проблема підвищення довговічності СДВЗ пов'язана зі зниженням деструктивних процесів в канавках ГП, яка недостатньо досліджена в напрямку зниження швидкості зношення робочих поверхонь. Тому загальне підвищення довговічності суднових дизелів, що створює умови гарантованої технічної безпеки судноплавства актуальне.

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 „Комплексна державна програма енергозбереження України (КДПЕУ) до 2010 р. ( Указ Президента України № 457/2000 - п. 4.13 „Енергозбереження на об'єктах Мінтрансу”, виконанням науково-дослідних робіт: № ДР 0102U007164 “Вдосконалення технічної експлуатації суднових енергетичних установок морських транспортних суден” (виконавець); № ДР 01860031510 “Вдосконалення методів і технологій відновлення і зміцнення запасних частин суднових дизелів, допоміжних механізмів і технічних засобів”, (виконавець); № ДР 01840057776 “Підвищення надійності і довговічності деталей СДВС, механізмів і вузлів судна”, (виконавець).

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження - підвищення довговічності експлуатації головок поршнів суднових дизелів. Для досягнення мети була поставлена головна задача дослідження - розробка способу зниження швидкості зношування канавок ГП, яка потребує попереднього вирішення наступних допоміжних задач:

– дослідження причин зношування деталей суднових дизелів;

– дослідження формування заданої довговічності головок поршнів шляхом управління експлуатаційними властивостями торців канавок при зміцнені;

– розробка способу підвищення експлуатаційних властивостей ГП;

– дослідження взаємодії відновлених головок поршнів з циліндровими втулками під час експлуатації;

- перевірка довговічності відновлених поршнів в умовах експлуатації;

- уточнення методики прогнозу довговічності і залишкового ресурсу відновлених ГП.

Об'єкт дослідження - робочі процеси суднового дизеля.

Предмет дослідження - процеси зношування головок поршнів суднових дизелів.

Методи дослідження. При дослідженнях використані:

§ підходи: системний - при розробці загальної методики та методів досліджень; фізичний - при визначенні температурних полів у деталях (з застосуванням законів термодинаміки нерівноважних теплових процесів);

§ методи: математичного моделювання процесів зміцнення ГП; експериментального дослідження при визначенні фазових перетворень в матеріалі ГП, механічних та триботехнічних характеристик; статистичної обробки даних. Наукова новизна роботи. Сукупність одержаних результатів дозволяє сформулювати наукове положення: збільшення в 1,6 рази довговічності ГП суднового дизеля досягається відновленням геометричних розмірів зношених поршнів і їх зміцненням до твердості не меншої HRC 57-58 з подальшим зниженням швидкості зношування регулюванням подачі мастила під час експлуатації.

Вперше встановлено:

– швидкість зношування першої канавки відновлених головок поршнів, в межах гранично допустимого зносу (0,9-1,1мм), лінійно залежить від наробітку і становить для зміцнених цементованих канавок =0,03 мм/тис. год., що підвищує довговічність до 11,0-11,4 тис. год;

– мінімальна швидкість зношування канавок ГП досягається шляхом:

збільшення твердості (до HRC 57), глибини зміцненого білого слою на 40-60 % і однорідності цементованого білого шару канавок, зміцненням швидко обертаючимся диском в два етапи:

- попереднім - при тиску 1,0-1,5 МПа;

- остаточним - при тиску 3-4 МПа;

підвищення корозійної стійкості канавок ГП на 45-50% за рахунок повного розпаду залишкового аустеніту в зміцненому шарі при збільшенні температури відпустки до 260-280°С;

збільшенням змащування втулок циліндрів на номінальних режимах на 4 % порівняно з новими ГП;

- довговічність t відновлених головок поршнів залежить від зносу циліндрових втулок S, яка описується емпіричною формулою:

t = - 0,9S² + 0,4S+11,

що дозволяє контролювати ступінь зношування канавок ГП по інтенсивності зношування втулок циліндрів;

Одержала подальший розвиток методика прогнозу довговічності і залишкового ресурсу відновлених ГП за рахунок уточнення коефіцієнтів показників надійності, довговічності і технічного стану деталей, що підвищує достовірність результатів на 40-45%.

Спосіб цементації і зміцнення швидко обертаючимся диском із створенням білого шару та збільшення подачі мастила на 4% забезпечує додатково довговічність експлуатації дизеля на протязі ще одного міжремонтного періоду (до 20 тис. год.) без обмеження циліндрової потужності, частоти і зміни параметрів в системі охолодження.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблені математичні моделі, методики, технології, рекомендації для суднових механіків дають можливість підвищити довговічність поршнів, розробити рекомендації по експлуатації суднових дизелів по фактичному стану, з урахуванням величини зносу деталей вузла ЦПГ.

Розроблена технологія підвищення довговічності головок поршнів для судових МОД з діаметрами циліндрів 570-900 мм. цементацією і поверхневим зміцненням канавок швидко обертаючимся диском (ПУТ), з формуванням білого шару, яка забезпечує експлуатацію СДВЗ без обмеження потужності і підвищує довговічность в 1,6 рази.

Практичну цінність мають:

§ керівний документ КД 31.55.03.02-86 ”Дизелі іноземної і вітчизняної будови. Стальні головки поршнів робочих циліндрів”. Введ. 01.10.86. - М.: В/О Мортехинформреклама, 1986. - 76 с.;

§ технологічний процес відновлення ГП;

§ рекомендації РМ 01127799.30.03-05 по використанню та обслуговуванню відновлених ГП суднових мало обертових дизелів.

Результати досліджень рекомендовані і прийняті для впровадження на суднах морегосподарського комплексу України і Росії і можуть бути використані в таких галузях науки і техніки, як теплові двигуни, експлуатація та ремонт засобів транспорту, технології суднобудування та судноремонту.

Загальний економічний ефект складає 283 тис. гр.

Впровадження результатів дослідження:

-технологічний процес ТП 131.01202.00010 “Дизель МАН К6Z 57/80 А₃,C, Головка поршня. Технологічний процес відновлення”, (Совгаванський СРЗ. акти №18 від 30.10 1985р. і № 41 від 3. 10 1986 р).

– А.С.№ 1749251 “Спосіб зміцнення поверхні виробів” 1992 р. ДВМП: т/х „Шилка”, т/х „Ковдор”, т/х „Ф. Дзержинський”, т/х „Хабаровськ”, т/х „Л. Голиков”, т/х „Усурі” (Совгаванський СРЗ № 268 від 03.04. 2003 р.)

– рекомендації РМ 01127799.30.03-05 при ремонті і експлуатації головних суднових дизелів ДКРН 74/160-3 на т/х „Галіна 4” і т/х „Леді Джульєтта” (ТОВ „Каалбай Шиппінг Україна” № 2211/915 АGР від 22. 11. 2006 р.)

Особистий внесок здобувача в одержанні наукових результатів, викладених в дисертації, полягає в розробці способу зниження швидкості зношення ГП, який забезпечив підвищення довговічності СДВЗ. Для вирішення задачі розроблена математична модель, проведені експерименти, оброблені їх результати. Розроблено та впроваджено спосіб зміцнення ГП, проведена підконтрольна експлуатація, сформульовані наукова новизна і наукове положення. Основні дослідження з дисертації виконані автором особисто, робота написана самостійно, а в отриманих результатах здобувачем в співавторстві його доля склала не менше ніж 60 %.

Апробація результатів роботи. Основні положення та наукові результати досліджень доповідалися й обговорювалися на науково-методичних конференціях професорсько-викладацького складу та курсантів ОНМА, на міжнародній науковій та науково-методичній конференції „Сучасні проблеми суднової енергетики-2006”, ОНМА, м. Одеса, 16 травня 2006 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 друкованих робіт (5 без співавторів) в наукових журналах і збірках наукових праць, що входять до Переліку ВАК, матеріалах конференцій, 3 авторські свідоцтва на винаходи. Опубліковані роботи в повній мірі відображають зміст дисертації та основні наукові результати.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку літератури та додатку. Загальний обсяг роботи 185 арк., з яких 142 арк. основного машинописного тексту, 38 рисунків, 8 таблиць і 12 арк. списку літературних джерел (122 найменування) та 43 арк. додатку.

Основний зміст роботи

У вступі наведено актуальність вибраної теми дисертаційної роботи, її народногосподарське значення, показана її відповідність державній бюджетній науково-дослідній роботі, сформульовані мета і задачі дослідження. Описано методи досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Приведено інформацію про апробацію роботи і публікації по темі досліджень.

У першому розділі проведено огляд основних напрямків наукових досліджень по проблемі довговічності суднових дизелів, зокрема робіт Васильєва Б.В., Карпова Л.Н., Молодцова Н.С., Овсянникова М.К., Семенова В.С., Сторожева В.П., Суворова П. С., Тарапати В.В., Ханмамедова С.А. та ін., присвячених напрямкам досліджень по проблемі підвищення надійності і довговічності суднових дизелів.

Огляд літератури показує, що сучасні тенденції розвитку судових енергетичних установок в напрямку модернізації ДЕУ потужністю до 100 тис. кВт. витіснили майже усі інші енергетичні установки. Встановлено, що на сучасному етапі по проблемі довговічності суднових дизелів ведуться наступні дослідження: удосконалення конструкції системи охолодження двигуна та робочих режимах за рахунок організації термодінамічного циклу; використанням нових мастильних матеріалів; збільшення ступеня наддуву і охолодження продувочного повітря та ін., що в комплексі призводить до зменшення потоку відказів, зниженню швидкості зношування деталей ЦПГ. Показано, що зупинки двигунів через зношення деталей складають 70 %, по відношенню до сумарних причин, з них 40% -через перевищення гранично допустимого зносу деталей ЦПГ.

Проводяться роботи по підвищенню довговічності СДВЗ за рахунок організації експлуатації відновлених основних деталей двигуна після відпрацювання терміну експлуатації. Здійснений інформаційний пошук в напрямку розробки сучасних способів і засобів підвищення надійності і довговічності СДВЗ з відновленими деталями підтвердив наявність проблеми, пов'язаної з недоліком теоретичної бази і експериментальних досліджень, на що звертає увагу більшість дослідників.

Тому підхід до рішення задачі підвищення довговічності СДВЗ повинний ґрунтуватися, насамперед на результатах всебічних теоретичних і експериментальних досліджень з метою розробки способу зниження швидкості зношування деталей при експлуатації, в тому числі найбільше напружених деталей ЦПГ.

У другому розділі обґрунтовано вибір напрямку досліджень, наведені методи вирішення задач, розроблена загальна методика дисертаційного дослідження.

При виборі теми дослідження основна увага була направлена на комплексність вирішення задачі підвищення довговічності ГП з виділенням взаємозв'язаних аспектів її досягнення на етапах відновлення та технічного обслуговування. Короткий аналіз цих аспектів дозволив обґрунтувати актуальність дослідження, яка пов'язана з необхідністю відновлення деталей ЦПГ, зокрема, головок поршнів.

Наукова новизна цієї проблеми передбачає удосконалення і подальший розвиток теорії і практики забезпечення надійності і довговічності дизелів, які визначають морехідну безпеку судна, вивчення і моделювання процесів відновлення деталей, а також розробку і створення ефективних способів і засобів підвищення експлуатаційних властивостей канавок ГП. У такій постановці проблема досліджень ставиться вперше. Економічна ефективність розробки пов'язана зі зниженням затрат на відновлення ГП, в порівнянні з новими деталями і забезпечення ресурсу суднових дизелів.

Вибраний напрямок досліджень відповідає профілю наукової діяльності кафедри технології матеріалів і судноремонту, спеціальності 05.08.05 -- суднові енергетичні установки по напрямкам:

§ підвищення надійності, довговічності, ремонтопридатності суднового енергетичного устаткування та систем;

§ дослідження, створення, експлуатація та ремонт суднових головних і допоміжних енергоустановок, устаткування і систем у взаємозв'язку з типом і умовами судна, типом та режимами роботи двигунів і рушіїв. Оптимізація режимів їх роботи.

Реалізація науково-прикладної задачі забезпечується наявністю теоретичного і методичного забезпечення диференціальними рівняннями фізики, проведенням експериментів, натурними випробуваннями на суднах, статистичною обробкою даних.

Загальна методика наукового дослідження побудована на системному підході з використанням технологічної карти, яка містить усі елементи системного аналізу. Визначено допоміжні задачі.

Для досягнення поставленої мети використовувалися теоретичні і експериментальні методи наукових досліджень. Для рішення задач використаний фізичний підхід. Задана глибини зміцнення, що формується за рахунок структурних і фазових перетворень при нагріванні, досягнута за допомогою вирішення рівняння теплопровідності. При реалізації його математичної моделі використано пряме і зворотне перетворення Лапласа.

Металографічні дослідження виконані на електронних мікроскопах РЕМ-100, ЕМ-200 і на мікроскопі "Neofot-21". Вивчення структур і фаз -- на рентгенівських установках УРС-50 ИМ і ДРОН-3 за допомогою стандартних методик, а також методом фольг на електронному мікроскопі ЭМ-200. Мікротвердість вимірювалася на мікротвердомірі ПМТ-3. Дослідження триботехнічних характеристик проводилось на спеціально створених в лабораторіях установках безконтактним методом, який полягає в вимірюванні активної провідності зони контакту пари тертя, а також ваговий метод. Шорсткість поверхонь деталей визначалася профілометром-профілографом мод. 250

Обробка одержаних результатів здійснювалася за допомогою методів математичної статистики. Відносна величина середньоквадратичної похибки експериментальних даних при вимірюваннях (не більше): а) температури термічної і хіміко-термічної обробки ±5%; мікротвердість ±5%; величини зносу канавок і втулок ±2%.

У третьому розділі наведено результати теоретичного дослідження формування заданої довговічності головок поршнів шляхом управління експлуатаційними властивостями торців канавок при зміцненні. Збільшення глибини зміцненого слою, яка визначається глибиною температурних полів, що викликають фазові перетворення - необхідна умова підвищення довговічності роботи двигуна на номінальних параметрах. Для цього сформульована задача: циліндр радіуса R (головка поршня) обертається з кутовою швидкістю w. У контакт канавки циліндра заходить частина інструменту у вигляді швидкообертового диска радіусу R₁, що обертається з кутовою швидкістю w₁--з регульованою силою притискання (рис. 1). В якості теплового джерела прийнята поверхня контакту зміцнюючого диска з канавкою. Задача теплопровідності у вищезгаданій постановці зводиться до рішення рівняння Фур'є в циліндровій системі координат за складних граничних умов описуючих поверхнею циліндра.

Перемичка головки поршня моделюється у вигляді системи напівнескінченних стрижнів з одиничною площею поперечного перетину. Розподіл температури Т(x,t) в складовому напівнескінченному стержні визначається з рівнянь одновимірної нестаціонарної теплопровідності.

Розв'язання задачі виконане для випадку довільної глибини цементації і довільного розподілу температури по глибині цементованого шару.

Для визначення температури наведено:

§ для цементованого шару (t і--0; 0 Ј x Ј h):

,(1)

§ для нецементованого шару (t і--0 ; h x ):

. (2)

При К=1 приймається 0 Ј x Ј h; а при K=2 - x і--h, де h -- глибина цементації перемички.

Прийнято, що між цементованим і нецементованим шарами перемички здійснюється ідеальний тепловий контакт:

.(3)

Початкові умови для рівнянь (1) і (2) такі:

Т₁(х,0) = Т₂(х,0) = Т₀,(4)

де T₀ - початкова температура перемички.

Граничні умови:

; (0 < t ? t_n) (5)

, ,

де Q_Z(t) - тепловий потік через деталь (); -- коефіцієнт теплообміну деталі і охолоджуючої рідини; K₁= 0,3 - коефіцієнт, що враховує долю тепла, яка відводиться в деталь; N_эф - ефективна потужність двигуна пристрою для зміцнення.

Температура в перемичці поршня:

(6)

де j=1 при (0?x?h) і j=2 при (x?h). ;;

;;

; ;

,;,;.

Для розв'язання рівнянь (1) застосоване пряме і зворотне перетворення Лапласа по змінній t.

Температуру, що викликає фазові перетворення, визначали по зміні мікротвердості зміцненого шару металографічним способом. Аналіз розподілу мікротвердості у перемичці поршня цементованої на глибину 1,2 мм показує, що при даному режимі зміцнення розрахункове значення температури і мікротвердості носять однаковий характер.

Таким чином, розроблена математична модель для дослідження режимів зміцнення. Установлено, що режими зміцнення цементованих канавок способом ПУТ забезпечують глибину зміцнення 1,2 мм, що в чотири рази більше порівняно з гальванічними хромовими покриттями. Це дає можливість продовжувати експлуатацію відновлених ГП установкою компресійних кілець ремонтних розмірів без ремонту на СРЗ і таким чином підвищити довговічність. Розбіжність між експериментальними та розрахунковими даними склала 8-10 %.

У четвертому розділі досліджено задачу підвищення довговічності експлуатаційних властивостей ГП за рахунок управління процесами структурних і фазових перетворень при зміцненні.

Лабораторними дослідженнями показано, що підвищення експлуатаційних властивостей досягається способом зміцнення за два проходи швидко обертаючогося диску, замість одноразового. Перший прохід диска - як підготовчий: при тиску 1,0-1,5 МПа створює на цементованій поверхні зміцнений шар глибиною 0,1-0,2 мм; при повторному проході при тиску 3,0-4,0 МПа в поверхневому шарі глибина зміцненого шару збільшується на 40-60%.

Якщо температура не досягає температури фазових перетворень (крива 4), то на поверхні утворюється зона відпуску із значно зниженою твердістю, а якщо перевищує, то відбувається повторне загартування верхнього шару (крива 3). В цьому випадку в глибині зміцненого шару з'являється зона відпустки із зниженою твердістю, а на поверхні виділяються карбіди, що погіршує його якість і може спонукати появу тріщин при експлуатації. Встановлені закономірності структурних і фазових перетворень що відбуваються при відпустці білих шарів в інтервалі 20-550°С рентгенівськими дослідженнями, та досліджено вплив цих перетворень на експлуатаційні властивості на триботехнічні характеристик електроімпульсним методом (табл. 1).

Таблиця 1 Результати випробувань зміцнених тертям цементованих поверхонь з білим шаром сталі Св-08Г2С

Температура відпуску (t ± 2)°С	Інтенсивність зношування (JH ±0,1)10-11	Коефіцієнт тертя µ ±0,002	Мікротвердість, (Нµ±0,3) ГПа	Твердість, HRC ±1,5	Зміст остаточного аустеніту, ±3 %
20	14,6	0,084	8,7	63	40
100	1,0	0,081	7,5	59	40
280	1,0	0,066	6,8	57	8
350	1,23	0,073	5,5	50	--
550	--	--	4,0	41	--

Показано, що інтенсивність віддзеркалень (111)_gFe і (022)_gFe---- залишкового аустеніту при відпустці 280°С різко падає. При цьому інтенсивність зношування і коефіцієнт тертя приймають мінімальне значення. При температурі відпустки зміцненої ГП при 350°С виявляються розмиті, слабкі по інтенсивності лінії цементиту, що призводить до збільшення коефіцієнта тертя. Відпущення зміцненого шару при 550°С призводить до звуження ліній карбідів, що можна пояснити, очевидно, коагуляцією частинок карбідів, збільшується коефіцієнт тертя.

Таким чином, результати лабораторних досліджень показали, що найвищі експлуатаційні властивості торці канавок ГП одержують при двостадійному зміцненні і відпустці при температурі 260--280°С за рахунок повного виключення остаточного аустеніту в структурі зміцненого шару канавок. Це дозволило удосконалити спосіб відновлення експлуатаційних властивостей головок поршнів.

У п'ятому розділі здійснена перевірка довговічності відновлених поршнів шляхом експлуатаційних досліджень, та розроблено Рекомендації по їх використовуванню і обслуговуванню в умовах експлуатації СДВЗ. Одержані уточнюючі коефіцієнти показників надійності ГП, залежно від технічного стану деталей ЦПГ, які дозволили розрахувати довговічність і залишковий ресурс.

Для проведення підконтрольної експлуатації була розроблена і узгоджена з Регістром програма та проінструктовано суднових механіків. Контроль стану ГП і зазорів в канавках, та величина зносу втулок циліндрів проводився шляхом прямих вимірювань під час заводського ремонту та стоянки в портах при проведенні ППР. Дані, приведені нижче, одержані на основі актів ревізії двигунів. Теплова напруженість контролювалася по температурі газів і температурі охолоджуючої води штатними приладами.

Установлено, що довговічність ГП відновлених по упровадженому ТП 131.01202.00010, при одностадійному зміцненні, досягає 7,5-8 тис. годин, а при зміцненні за два проходи диска - збільшилася до 11,2-11,4 тис. годин. Швидкість зношення першої канавки ГП становить =0,03 мм/тис. год.

Після установки кілець 1-го ремонтного розміру ресурс збільшується на 8 тис. год., що забезпечує довговічність ГП до 19-20 тис. годин.

Одночасні заміри величини зношення втулок циліндрів і канавок ГП показали тісну кореляційну залежність між довговічністю ГП t і зносом втулки циліндра S. Одержані дані дозволили описати цю залежність емпіричною формулою, яка має параболічний характер:

t = - 0,9S² + 0,4S+11.

На цій основі встановлені значення уточнюючих коефіцієнтів надійності, довговічності і технічного стану ГП (табл..2), які дозволяють точніше визначити складову довговічності, забезпечувану тільки способом відновлення і розрахувати прогнозовану довговічність і залишковий ресурс з підвищенням достовірність результатів на 40-45%.

Таблиця 2 Значення коефіцієнтів довговічності відновлених ГП

№	Величина зносу втулки циліндра, S	Коефіцієнти довговічності поршня, К
1	0 S ? 1,0	1,0
2	1,0 S ? 1,5	0,88
3	1,5 S ? 2,0	0,75
4	2,0 S ? 2,5	0,63

Довговічність R відновленої ГП знаходиться за формулою:

R = KЧ(R_відн +R_{2 відн}) + R_{рег.масла},

де R_відн. -- довговічність відновленої ГП на СРЗ; R_{2 відн.} -- довговічність відновленої ГП після установки кілець ремонтного розміру.

Рекомендуються уточнені терміни технічного обслуговування робочих циліндрів МОД згідно величини зносу втулок циліндрів (рис. 6).

Розроблені Рекомендації по використовуванню і технічному обслуговуванню відновлених ГП МОД: МАН, „Зульцер” і „Бурмейстер і Вайн”, діаметром 570-900 мм, в яких уточнено методику розрахунку довговічності і залишкового ресурсу відновлених ГП.

Контроль температури газів, і охолоджуючої води показав, що використання відновлених ГП не впливає на теплову напруженість двигуна.

- - огляд через вихлопні вікна

+ - виїмка поршня, огляд, чищення, обміри;

- заміна головки поршня для повторного відновлення або установка компресійних кілець ремонтного розміру.

Досліджено вплив додаткового збільшення змащення втулок в інтервалі 3-10 % на зношування канавок ГП. За результатами обстеження поверхонь тертя встановлено, що максимальне підвищення довговічності на 450-600 годин досягається при збільшенні подачі мастила циліндрів на 4-5%, відносно рекомендацій по експлуатації. Збільшення подачі мастила більше 5% призводить до інтенсифікації нагару на вікнах втулок.

Таким чином, показано, що експлуатаційні характеристики відновлених поршнів забезпечують експлуатацію дизеля без обмеження потужності, теплова напруженість не погіршується. Довговічність, з урахуванням заводського ремонту, заміни кілець ремонтного розміру та регулювання мастила збільшується до 19,5-20 тис. годин.

У додатках наведені матеріали, що містять результати досліджень: програма експлуатаційних випробувань відновлених ГП, Рекомендації по використовуванню, та технічному обслуговуванню ГП МОД, документи, що підтверджують впровадження Рекомендацій по ТО, технології відновлення, способу зміцнення канавок ГП, а також результатів натурних випробувань. Приведені проміжні математичні рішення рівняння Фурє.

Висновки

У дисертаційній роботі представлене нове комплексне рішення актуальної наукової задачі по підвищенню довговічності суднових дизелів, встановлених на морських і річних суднах морегосподарського комплексу України, шляхом розробки способу збільшення в 1,6 рази довговічності ГП, яка досягається відновленням геометричних розмірів зношених поршнів і їх зміцненням до твердості не меншої HRC 57-58 з подальшим зниженням швидкості зношування регулюванням подачі мастила під час експлуатації.

Проведене вивчення закономірностей процесів зношування та відновлення ГП, побудована математична модель забезпечення заданої довговічності ГП за рахунок одержання зносостійкості і глибини зміцнення, а також визначено вплив технічного стану деталей ЦПГ на зношування ГП і отримані наступні основні результати:

1. Аналіз експлуатації суднових дизелів з відновленими ГП показав що їх довговічність низька в результаті прискореного зношування робочих поверхонь, головним чином через зношуванням кільцевих канавок головок поршнів. Для підвищення довговічності вперше використані „білі шари”, які мають високу твердість, зносову і корозійну стійкість, тобто властивості які в повній мірі відповідають умовам експлуатації ГП при значних теплових і механічних навантаженнях в корозійному середовищі.

2. Встановлені закономірності формування оптимальних експлуатаційних властивостей торців канавок ГП за рахунок фазових і структурних перетворень. Розроблено спосіб одержання в відновленій ГП заданих структур матеріалу сталі, який дозволяє, відмінно від існуючих технологій відновлення, підвищити більше ніж в 1,5 рази корозійну стійкість при заданій інтенсивності зношування робочих поверхонь ГП, що важливо при експлуатації деталі в агресивному середовищі.

3. Встановлено:

- мінімальна швидкість зношування канавок ГП досягається шляхом:

збільшення твердості (до HRC 57), глибини зміцненого білого слою на 40-60 % і однорідності цементованого білого шару канавок, зміцненням швидко обертаючимся диском в два етапи:

- попереднім - при тиску 1,0-1,5 МПа;

- остаточним - при тиску 3-4 МПа;

підвищення корозійної стійкості канавок ГП на 45-50% за рахунок повного розпаду залишкового аустеніту в зміцненому шарі при збільшенні температури відпустки до 260-280°С;

-закономірності зношування першої канавки відновлених головок поршнів із зміцненими різними способами ПУТ канавками, які дозволили розрахувати їх довговічність і номінувати строки і об'єми регламентних робіт по ТО.

- нелінійну залежність між довговічністю t відновлених головок поршнів та зносом циліндрових втулок S, яка описується емпіричною формулою: , що дозволяє контролювати ступінь зношування канавок ГП по інтенсивності зношування втулок циліндрів і уточнити показники довговічності відновлених ГП.

4. Показано, що використання розробленої технології цементації і зміцнення швидко обертаючимся диском з створенням білого шару, та збільшення подачі мастила на 4%, підвищує довговічність експлуатації дизеля до 20 тис. год. без обмеження циліндрової потужності, частоти і зміни параметрів роботи системи охолодження.

5. Одержала подальший розвиток методика розрахунку довговічності і залишкового ресурсу відновлених ГП за рахунок уточнення коефіцієнтів показників надійності, довговічності і технічного стану деталей, що підвищує достовірність результатів на 40-45%.

6. На підставі результатів досліджень розроблено і впроваджено: нову технологію підвищення експлуатаційних властивостей відновлених ГП, а також вдосконалено спосіб зміцнення робочих поверхонь канавок, на які одержані авторські свідоцтва на винаходи; розроблені Рекомендації для суднових механіків по використанню і технічному обслуговуванню відновлених головок поршнів малообертових судних дизелів; запропоновано зміни термінів ТО з урахуванням зношування втулок циліндрів.

Таким чином, на прикладі дизеля МАН, розроблено спосіб підвищення довговічності малообертових суднових дизелів, який збільшує ресурс поршнів до 11-11,4 тис. годин, а при установці кілець ремонтного розміру - до 19,5-20 тис. годин при одноразовому відновленні ГП на СРЗ.

Одержані результати досліджень являються важливими для машинобудівельної промисловості при виготовленні нових та відновлені зношених ГП, можуть бути використані в таких галузях науки і техніки, як теплові двигуни, експлуатація та ремонт засобів транспорту, технології суднобудування та судноремонту.

судновий дизель експлуатаційний поршень

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Слободянюк И.М Эксплуатация головок поршней малооборотных дизелей, восстановленных цементированных кольцами, упрочненными трением. Судоходство, 2003 №9-10 -С: 47.

2. Слободянюк И.М. Управление свойствами рабочих поверхностей путем использования особенностей структурных и фазовых превращений при отпуске восстановленных головок поршней дизелей // Проблеми техніки № 2. 2003. -С: 81-89.

3. Слободянюк И.М., Молодцов Н.С. Повышение качества восстанавливаемых деталей путем цементации и упрочнения трением // Судостроение. - 1988. - № 2. - С. 44-46.

4. Слободянюк И.М. Исследование механических и триботехнических характеристик упрочненных трением головок поршней судовых дизелей // Судостроение. - 1992. - №4. - С.23-25.

5. Слободянюк И.М. Восстановление канавок головок поршней сваркой. Судоходство 2003.- № 11-12 -С. 62.

6. Слободянюк И.М., Молодцов Н.С. Повышение ресурса малооборотных судовых дизелей путем использования технологии восстановления головок поршней. // Судовые энергетические установки. Науч. техн. сб.- Одесса: ОНМА, 2003. Вып. № 9. -С: 66-75.

7. Слободянюк И.М., Молодцов Н.С. Повышение эффективности эксплуатации судовых дизелей с восстановленными головками поршней. // Судовые энергетические установки: Науч. техн. сб.- Одесса: ОНМА, 2004. Вып. № 11. - С: 116-125.

8. Слободянюк И.М., Молодцов Н.С. Повышение надежности восстановленных головок поршней судовых дизелей, путем повышения их эксплуатационных свойств, при ремонте.//Судовые энергетические установки. Научн. техн. сб.- Одесса: ОНМА. 2005. Вып. № 14. -С: 127 -134.

9. Молодцов Н.С., Слободянюк И.М., Мичурин Л.В., Волков В.Ф. Совершенствование технологии восстановления канавок головок поршней дизелей МАН K6Z 57/80 A3, С путем применения упрочнения трением цементированных поверхностей. // Морской транспорт. Сер. Судоремонт. - М.: В/О “Мортехинформреклама”, 1986. Вып. 20(1569).

10. Слободянюк И.М. Оптимизация технологии восстановления головок поршней судовых дизелей с использованием цементации и упрочнения трением // - М.: В/О Мортехинформреклама Морской транспорт. Сер. Судоремонт. - Вып. 9 (628). - 1990.С: 1-8.

11. Молодцов Н.С., Левченко А.А., Гладков В.Е., Кривощеков В.Е., Ковтун В.Г., Слободянюк И.М. Судовые дизели иностранной и отечественной постройки. Стальные головки поршней рабочих цилиндров. Восстановление наплавкой с последующим упрочнением трением торцов канавок поршневых колец: КД 31.55.03.02-86.-М.: В/О Мортехинформреклама, -1987.- 77 с.

12. Способ упрочнения поверхности изделий: А.С. 1749251 СССР МКИ С 21 Д 1/09 В.И. Дегтярь, И.М. Слободянюк (СССР) №4833023 Заявлено 28.01.1990; опубл. 23.07.92 Бюл. №27.

13. Способ восстановления поршней: А.С.№ 1770110 СССР, МКИ В 23 Р 6/00 Е.Г. Киперник, В.И. Дегтярь, И.М. Слободянюк, И.Б. Лужанский, Б.В. Гизер, О.П. Карпов (СССР) № 4844765 Заявлено 23.04.1990; опубл. 23.10.1992 Бюл. №39

14. Способ восстановления канавок под компрессионные кольца поршней: А.С. 1734976 СССР, МКИ В 23 Р 6/00 И.М. Слободянюк, В.И. Дегтярь, Е.Г. Киперник, Л.А. Морозов (СССР). - №4755363. Заявл. 2.11.1989; опубл. 23.05.92, Бюл. №12.

15. Слободянюк И.М. Повышение долговечности восстановленных головок поршней МОД // Матеріали 55 наукової і науково-методичної конференції 15-20 травня 2003. Одеса: ОНМА, 2003. -С: 229-230.

16. Слободянюк И.М., Воробьёв В.Л. Определение глубины функционального упрочнения перемычек стальных головок поршней на основе решения уравнения теплопроводности //Тезисы докладов отраслевого семинара „Современные методы сварки, наплавки и восстановления деталей судовых технических средств и подъёмно-транспортных механизмов” 14-17 мая 1990. Одесса: ЮжНИИМФ, 1990. -С: 55-60.

Особистий внесок здобувача в роботах опублікованих у співавторстві:

[3] - досліджені закономірності і запропоновані оптимальні режими цементації і зміцнення, рентгенівське і електронно-мікроскопічне дослідження зміцнених білих шарів; [6] - розробка способу двостадійного зміцнення цементованих поверхонь канавок ГП, дослідження закономірностей формування експлуатаційних властивостей канавок; [7]-проведення експлуатаційних випробувань довговічності відновлених ГП, дослідження впливу зносу втулок на довговічність ГП і коректування ТО, висновки; [8] - досліджено закономірності експлуатаційних властивостей канавок ГП від режимів зміцнення; [9] - виконано аналіз задачі, її актуальність, досліджена структура, фазовий склад, виконане відновлення і зміцнення ГП на СРЗ, досліджені фізико-механічні властивості, рентгенівський і металографічний аналіз. [11] - вивчення основних закономірностей цементації і ПУТ, розробка схеми відновлення канавок ГП; [12 - 14] запропоновано формули винаходу, проведено випробування по дослідженню і впровадженню; [16] - постановка задачі, аналіз рішення рівняння теплопровідності, експериментальна перевірка.

АНОТАЦІЇ

Слободянюк И.М. Повышение долговечности судовых дизелей с восстановленными головками поршней

Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05.-Судовые энергетические установки. Одесская национальная морская академия, Одесса, 2007 г.

В диссертационной работе представлено новое решение задачи повышения долговечности эксплуатации судовых дизелей путем разработки способа уменьшения скорости изнашивания материала кольцевых канавок ГП.

Цель достигается за счет применения научно обоснованных рекомендаций по регулированию технического обслуживания головок поршней с восстановленными эксплуатационными свойствами, путем создания белых слоев, позволяющих эксплуатировать дизель без ограничения мощности.

На основе теоретических и экспериментальных исследований установлены основные закономерности изменения эксплуатационных свойств канавок ГП при создании в них белых слоев, что позволило за счет управления этими свойствами повысить их долговечность. Выполненные исследования долговечности восстановленных ГП малооборотных дизелей МАН на 7 судах непосредственно в рейсе, в течение более 8 лет показали, что совершенствование технического обслуживания и ремонта ГП с использование белых слоев, позволяет повысить ресурс до 11-11,5 тыс. часов, с учетом установки колец ремонтного размера - до19,5-20 тыс. час.

Ключевые слова: судовой дизель, долговечность, головка поршня, техническое обслуживание, восстановление.

Слободянюк І.М. Підвищення довговічності суднових дизелів з відновленими головками поршнів. Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.08.05 - суднові енергетичні установки. Одеська національна морська академія, Одеса, 2007р. У дисертаційній роботі представлене нове рішення задачі підвищення довговічності експлуатації суднових дизелів шляхом забезпеченням номінальних параметрів робочого процесу за рахунок замкнутості робочого об'єму циліндрів. Підвищення довговічності ГП забезпечується на етапах відновлення і технічного обслуговування.

Мета досягається за рахунок розробки способу зменшення зношування канавок ГП.

На основі теоретичних і експериментальних досліджень встановлені основні закономірності зміни експлуатаційних властивостей канавок ГП при створенні в них білих шарів, що дозволило за рахунок управління цими властивостями підвищити їх довговічність. Виконані дослідження довговічності відновлених ГП малообертових дизелів МАН на 7 суднах безпосередньо в рейсі, протягом більше 8 років показали, що вдосконалення технічного обслуговування і ремонту ГП з використовування білих шарів, дозволяє підвищити ресурс до 11-11,5 тис. год., з урахуванням установки кілець ремонтного розміру - до19,5-20 тис. год.

Ключові слова: судновий дизель, довговічність, головка поршня, технічне обслуговування, відновлення.

Slobodyanyuk I.М. Increase of longevity of ship diesels with the picked up thread heads of pistons.

Manuscript. Dissertation on competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.08.05 - ship power plants. Odessa National Marine Academy, Odessa, 2007.

Paper presents new solution of task of increase of longevity of exploitation of marine diesels by means of providing nominal parameters of working process due to closeness of cylinders working space. The increase of the piston heads longevity is provided on the stages of renewing and technical service.

The aim is achieved by the development of the method of shortening the wear of piston cap ditches.

On the basis of theoretical and experimental research main laws of change of operating properties of piston caps ditches were found at creation white layers on their surfaces, that allowed to increase the longevity of the engines due to control of these properties. The investigation of longevity of piston caps of low speed MAN diesels were executed on 7 ships that lasted more than 8 years; they showed that improvement of technical service and repair of piston caps with white layers allow to increase the resource up to 11-11.5 thousand hours and in case of using the rings of repair size - up to до19.5-20 thousand hours.

Keywords: ship diesel, longevity, piston cap, technical service, renewal.

Размещено на Allbest.ru

...