Удосконалювання експлуатації суднових дизелів регенерацією властивостей їх основних елементів

При розробці технології відновлення голівок поршнів суднових дизелів електродуговим наплавленням особлива увага приділялася зниженню рівня деформацій - через великі об'єми матеріалу, що наплавляється, з'являється значна сідлообразність.

Виникаюча при наплавленні деформація інтерпретувалося як спрямований потік речовини J_m, викликаний дією градієнтів температури і тиску:

Температурна складового потоку (1-й доданок) є тимчасовою і зникає після охолодження деталі. У той же час деформаційний компонент, що формується під дією усадочної сили, приводить до сідлообразності Д_деф.

Експериментальна перевірка вироблялася шляхом наплавлення спеціальної моделі, розміри якої визначалися з урахуванням вимог теорії подоби і рівності відносної жорсткості EJ_x (EJ_z) моделі та ГП. Вона підтвердила коректність запропонованого трактування і дозволила організувати по внутрішній поверхні голівки, яка охолоджується водою, силову протидію потокові матеріалу J_m за допомогою спеціального пристосування цангового типу, що має велику жорсткість (рис. 9, праворуч).

Основу його роботи складає взаємодія між розрізними конічними сегментами і силовим конусом, у яких утворююча має кут нахилу б менше кута тертя: , де f - коефіцієнт тертя. Виконання цієї умови забезпечує стабільність зафіксованого при зборці внутрішнього діаметра ГП і силове розвантаження упорного фланця і клинового затиску.

Іншим важливим елементом запропонованої технології з'явилося введення в схему відновлення спеціального циклічного віджигу відновленої голівки разом із пристосуванням, що дозволяє практично цілком зняти у_залиш й уникнути сідлообразності, яка породжується ними.

Запропонована технологічна схема з'явилася основою для розробки схваленої Регістром ТІ 778/50.02.01-93 і регенерації по ній спробної партії ГП суднового дизеля ДКРН 45/120-7.

П'ятий розділ відбиває формування уявлення про узагальнені характеристики технологій підвищення довговічності основних деталей суднових дизелів, результати їх конкретного визначення і застосування.

Незважаючи на спад у морегосподарському комплексі України, сприятливий прогноз дозволяє говорити про необхідність у майбутньому вирішувати питання аналізу існуючих, розробки і впровадження нових ефективних енергозберігаючих методів підвищення довговічності деталей СТЗ. При їхньому аналізі приходиться зіштовхуватися з великим, часто надлишковим інформаційним масивом, побудованим з використанням дискретних оцінок. Вони відбивають тільки конкретні випадки їх реалізації, до того ж відрізняються великим розкидом даних - до 7...10 разів.

Для усунення виявленої суб'єктивності запропонований перехід до визначення узагальнених показників елементів режиму технологій і одержуваних властивостей, що полягає в розгляді й обробці цього інформаційного масиву методами математичної статистики і розрахунку для нього відповідних крапкових та імовірних оцінок.

З цією метою, ураховуючи запропоновану вище концепцію опису довговічності на основі аналізу процесів масобміну, представимо її як функцію ряду вхідних і вихідних векторів.

Фактори, що викликають розсіювання показників зазначених векторів, були умовно розділені на 2 групи: а) приведені в літературі усвідомлено обрані дослідниками дискретні чисельні значення елементів режиму (температури, часу насичення і т.п.), б) реально існуючі відхилення від обраних умов проведення регенерації й експлуатації (іспитів) робочих поверхонь, дані про які практично не публікуються.

Для створення загального представлення про будь-яку технологію підвищення довговічності було необхідно одержати інтегральні характеристики полів, створюваних для проведення регенерації деталі з урахуванням умов їх існування - тобто режимів і енергоємності, а також експлуатаційних властивостей робочих поверхонь деталей і техніко-економічної ефективності технології регенерації.

Реалізація пропонованого підходу дозволила дати об'єктивні, узагальнені оцінки для різних груп технологій. Так, при гальванічному хромуванні середньоарифметична температура електроліту складає 56,78 ⁰С при середньоквадратичному відхиленні 8,98 ⁰С; апроксимуючий закон розподілу - логнормальний.

Надалі аналогічні оцінки використовувалися для визначення узагальнених критеріїв довговічності й економічної ефективності відновлення і зміцнення деталей СДВЗ.

З урахуванням політики енергозбереження, що проводиться в Україні, нами була виконана оцінка енергоємності технологій підвищення довговічності деталей СДВЗ із використанням отриманих інтегральних характеристик режимів, складених циклограм роботи і технічних даних основного устаткування (табл. 6).

Таблиця 6. Зведені дані по енергоємності технологій підвищення довговічності деталей суднових дизелів

Аналіз отриманих результатів свідчить про те, що підвищення економічної ефективності експлуатації судів може бути досягнуто застосуванням ряду нових для їх ремонту технологій підвищення довговічності з малою енергоємністю.

Шостий розділ містить результати оцінки довговічності основних елементів суднових дизелів і техніко-економічної ефективності технологій її підвищення.

В умовах, коли одержання достовірної інформації про ресурс трибосполучень суднових дизелів за даними прямих вимірів найбільш допустимого зносу деталі стає усе більш скрутним через збільшення ходового часу і скорочення чисельності екіпажа, основна увага при оцінці нових технологій регенерації була перенесена на результати прискорених іспитів (ПІ).

Для порівняльної оцінки запропоновано узагальнений критерій довговічності деталі, що одержується при проведенні ПІ по різним схемам:

де і t_{ПІ (баз)} - знос (мкм) і тривалість (годин) прискорених іспитів за базовою схемою; - система коригувальних коефіцієнтів, що враховують відмінності використаних схем іспитів від базової, величини тисків, швидкостей ковзання та ін.

Базовою була схема "обертове кільце - нерухоме кільце" діаметром ~ 50 мм із різних матеріалів, вихідним параметром для розрахунків була ширина лунки зносу на нерухомому зразку.

Особливе місце в системі коригувальних коефіцієнтів було відведено , що враховує приведений радіус кривизни випробуваних поверхонь сполучення с_прив. Встановлено його вплив на параметри зносу, що дозволило коректно інтерпретувати дані одного якого-небудь досвіду до будь-яких сполучень, враховувати розходження в їхніх розмірах і конфігурації, істотно розширити можливості ПІ шляхом включення в них реальних деталей СТЗ: плунжерних пар, осей і т.п.

Реалізація запропонованого підходу дозволила істотно розширити базу використання результатів ПІ, охарактеризувати довговічність не тільки окремих трибосполучень, але і технологій у цілому.

Отримані дані показують перспективність використання запропонованих автором роботи технологій регенерації плунжерних пар ПНВТ, що забезпечують підвищення відносних зносо- і задиростійкості прецизійних поверхонь не менш, ніж у ~ 2 рази.

Аналогічні іспити, виконані для технологій відновлення голівок поршнів суднових дизелів, показали якісний збіг результатів ПІ і підконтрольної експлуатації реальних ГП.

Для оцінки техніко-економічної ефективності ТЕЕ технологій регенерації запропонований максимально прозорий критерій, цілком придатний при порівнянні призначених для впровадження процесів:

,

де - вартість зношеної деталі (у першому наближенні - за ціною металобрухту); , і - вартість витрат на електроенергію, матеріали, обладнання й екологію (відповідно); N - серійність деталей, що підлягають регенерації.

Його використання дозволило провести комплексну оцінку технологій регенерації основних деталей суднових дизелів (табл. 7).

Таблиця 7. Порівняльна характеристика технологій підвищення довговічності голівок поршнів СДВЗ

Серед розроблених автором технологій регенерації зношених об'емно-загартованих ПП ПНВТ безумовним пріоритетом володіє схема, що передбачає карбонітрацію втулки.

Переходячи від відносних значень прогнозуємої довговічності основних регенерованих деталей СДВЗ до результатів їх натурних іспитів і реального наробітку протягом "життєвого" циклу, що включає 1-кратну регенерацію по різним технологіям, слід зазначити її підвищення не менш чим на 30 %.

З урахуванням результатів проведених досліджень і вимог Схеми СППР/PMS судновим механікам рекомендовано під час ремонту, при значній різниці в ресурсі деталей, що сполучаються, вибирати і встановлювати замість нової деталі зі зниженою довговічністю регенеровану деталь із заданою довговічністю, що відповідає технічному станові дизеля в цілому й умові:

Це дозволить уникнути підвищеного зносу нової деталі, а потім здійснити одночасну заміну всіх елементів, що утворюють робочий простір циліндра дизеля, і в такий спосіб у повному обсязі відновити його будівельні характеристики й забезпечити економію коштів.

При цьому вартість регенерованої деталі повинна формуватися з обліком як крапкових, так й імовірних оцінок ресурсу кожної деталі:

де і - вартості регенерованої і нової деталей; і - середньоквадратичні відхилення ресурсу для регенерованої і нової деталі (відповідно).

Запропонований підхід дозволяє вирішити 2 принципово важливі задачі: а) судновласникові - істотно зменшити витрати на придбання запасних частин; б) СРЗ України - забезпечити упровадження вже освоєних технологій регенерації, що по ресурсі помітно уступають новим деталям, однак цілком відповідають принципові "заданої довговічності".

Таким чином, навіть при існуючих у даний час на Україні складних економічних умовах, широке впровадження нових підходів до проблеми підвищення довговічності основних елементів суднових дизелів і технологій їх реалізації на всіх етапах функціонування системи технічного обслуговування судів здатно принести відчутні позитивні результати, помітно продовжити "життєвий цикл" деталей і сприяти удосконалюванню експлуатації СДВЗ.

Загальні висновки

Незважаючи на значний обсяг виконаних до дійсного часу НДР і впровадження їх результатів, проблема удосконалювання технічної експлуатації і підвищення довговічності основних елементів суднових дизелів, як і раніше, залишається актуальною. Її причини лежать у відсутності єдиного, науково обґрунтованого підходу до розуміння довговічності як критерію, що формується при виготовленні деталі, її експлуатації, технічному обслуговуванні і ремонті, а також у технологічній відсталості морегосподарського комплексу України в цілому. Це утрудняє вибір стратегії збереження і регенерації властивостей відповідальних деталей СДВЗ. Таким чином, підвищення їх довговічності, як і раніше, уявляє собою важливу науково-прикладну проблему.

У проведених дослідженнях отримано наступні результати.

Уперше запропонована концепція розгляду процесів енергоперетворення в СДВЗ, деструкції їх основних елементів при експлуатації і регенерації під час ремонту з загальної платформи, яка заснована на уявленнях термодинаміки необоротних процесів і полягає в розгляді потоків, що виникають спонтанно або створюються цілеспрямовано. Показано структурну подібність зазначених процесів.

На цій основі запропоновано розглядати проблему забезпечення довговічності відновлюваних деталей суднових дизелів з позицій, заснованих на опису процесів їх пошкоджуваності в період експлуатації і компенсації ушкодженого шару при ремонті як результату взаємодії потоків речовини в різних полях; отримані відповідні рівняння. Розроблено моделі переносу речовини на поверхню деталі під дією градієнтів концентрації, температури, тиску й електричного поля при використанні ХТО. Їх використання можливе також для опису процесів енергоперетворення в СДВЗ.

Уперше запропонований і реалізований на прикладі плунжерних пар ПНВТ і голівок поршнів суднових дизелів новий підхід до усунення специфічних експлуатаційних ушкоджень, що характеризуються нерівномірними масовим зносом і розмірними змінами. Показано, що найбільш ефективно воно може бути проведено в нерівномірних полях шляхом раціонального вибору умов переносу речовини на поверхню, яка регенерується, і керування його потоками за допомогою розробленої системи градієнтів.

З урахуванням виявленої структурної подібності технологій підвищення довговічності при експлуатації і ремонті, для аналізу існуючих і синтезу нових використано варіаційний принцип, що полягає в представленні складових загального потоку маси наносимої речовини, сформованого в багатомірних полях, у виді готових "блоків", отриманих при розробці локальних математичних моделей масопереносу в одномірних полях.

Уперше, з метою забезпечення коректного зіставлення технологій підвищення довговічності деталей СДВЗ, запропоновано замість дискретних оцінок використовувати узагальнені параметри. Для цього елементи режимів і властивості робочих поверхонь деталей, одержувані в результаті їх застосування, розглядалися як випадкові величини, що дозволило робити обробку наявного великого інформаційного масиву методами математичної статистики й одержувати для нього відповідні крапкові та імовірні оцінки. Це дало можливість перейти до порівняння технологій ремонту за критеріями технічної й економічної доцільності з урахуванням особливостей роботи СДВЗ.

Основні наукові результати, які отримані при дослідженні викорис-тованих у технологіях підвищення довговічності деталей суднових дизелів багатомірних полів і що дозволили сформулювати приведені вище наукові положення, полягають у наступному.

Визначено структуру полів, запропоновано фізичне трактування і математичні вираження для визначення ряду феноменологічних коефіцієнтів у рівняннях переносу, що характеризують потоки наносимої на поверхню деталі речовини й відбивають елементи режиму ХТО, конструктивні особливості використовуваного устаткування, трибосполучень СДВЗ і умови їх експлуатації.

Отримано аналітичні вираження для розрахунку коефіцієнтів і потоків масопереносу в технологіях підвищення довговічності методами хіміко-термічної обробки, а також кількісні співвідношення між складовими загального потоку, що відносяться до кожного з використаних полів при цементації і насиченні кремнієм сталей.

Розроблено і досліджено процеси регенерації голівок поршнів суднових дизелів та плунжерних пар паливних насосів високого тиску низькотемпературною тепловою і хіміко-термічною обробкою, виявлені закономірності зміни лінійних розмірів і властивостей їх прецизійних поверхонь у залежності від технології регенерації.

Отримано основні рівняння регенерації, що забезпечують компенсацію нерівномірних зносів і мінімізацію деформацій основних деталей СДВЗ.

Визначено чисельні значення для узагальнених характеристик елементів режиму технологій підвищення довговічності деталей СДВЗ, одержуваних у результаті їх застосування властивостей робочих поверхонь та енергоємності технологій регенерації для деталей у цілому і питомої енергоємності для робочих поверхонь, що формуються; це дозволило здійснити коректне порівняння і вибір технологій підвищення довговічності для різних деталей дизеля.

Отримано дані по відносній зносостійкості робочих поверхонь регенерованих деталей в умовах прискорених іспитів і підконтрольної експлуатації, зроблена оцінка техніко-економічної ефективності технологій підвищення довговічності.

Практична цінність результатів, отриманих при проведенні дійсного дослідження, полягає в наступному.

На основі наукових результатів розроблені математичні моделі технологій підвищення довговічності і регенерації зношених поверхонь, а також програми для розрахунку процесів переносу при ХТО.

Запропоновано новий спосіб відновлення рухливих сполучень прецизійних деталей, отримано на нього авторське посвідчення.

Розроблено технологічні інструкції регенерації плунжерних пар ПНВТ і відновлення голівок поршнів суднових дизелів ДКРН - 45/120. Зазначені ТІ погоджені з Регістром і впроваджені для відновлення спробних партій деталей на базі СРЗ "Україна".

Розроблено рекомендації для механіків суден щодо удосконалення технічної експлуатації суднових дизелів шляхом використання регенерованих деталей з визначеною довговічністю.

Проведений комплекс прискорених іспитів робочих поверхонь і натурних іспитів регенерованих плунжерних пар ПНВТ, а також достатня кореляція отриманих у дослідженні даних з результатами підконтрольної експлуатації голівок поршнів, відновлених по інших технологіях, підтверджує вірогідність і ефективність запропонованих автором нових підходів до збільшення довговічності. При 1-кратному відновленні вона зростає не менш чим на 30 % і забезпечує, в такий спосіб, підвищення ефективності експлуатації транспортних суден.

Виконані дослідження дозволили сформулювати новий перспективний, на думку автора, науковий напрямок - "Удосконалювання технічного рівня і підвищення ефективності експлуатації суднових енергетичних установок регенерацією властивостей робочих поверхонь їх основних елементів під час експлуатації і ремонту". Проведення НДР по цій тематиці дасть можливість поширити пропоновані в роботі підходи до формування довговічності СТЗ не тільки на ряд інших відповідальних деталей суднових дизелів, але і на інші види суднового енергетичного устаткування.

Перелік опублікованих наукових праць, що відбивають основні положення дисертації

1. Тарапата В.В. Сравнительная оценка основных факторов, влияющих на долговечность рабочих поверхностей деталей судовых дизелей при их изготовлении, эксплуатации и ремонте // Проблеми техніки. - 2004, - № 3. - С. 143-149.

2. Тарапата В.В. Повышение долговечности трибосопряжений судовых дизелей как процесс оптимизации массопереноса при их эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - 2003. - Вып. 8. - Одесса: ОНМА. - С. 148-156.

3. Тарапата В.В. Термодинамический подход к формированию на деталях рабочих поверхностей с эффективными свойствами применительно к задачам судоремонта // Проблеми техніки. - 2002, - № 2. - С. 135-143.

4. Тарапата В.В. Математическая модель переноса вещества при химико-термической обработке под действием градиента давления // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - 2002. - Вып. 7. - Одесса: ОНМА. - С. 114-117.

5. Тарапата В.В. Математическая модель температурного поля зоны переноса вещества при упрочнении в химически активных газовых средах // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - 2001. - Вып. 6. - Одесса: ОГМА. - С. 106-111.

6. Тарапата В.В. Использование различных градиентов для управления эффективностью технологических процессов восстановления и упрочнения // Труды Международной конференции "Современные технологии машиностроения. Качество. Реструктуризация - СТМКР-2001". - Т.2. - 2001. - С. 509-514.

7. Тарапата В.В. Анализ технологических возможностей управления качеством химико-термической обработки в одномерном поле градиента концентраций // ТЕМА. - 1999. - № 4. - С. 49-54.

8. Тарапата В.В. Обобщенная характеристика газового азотирования и эксплуатационных свойств диффузионных слоев на конструкционных сталях для судостроения // ТЕМА. - 1999. - № 3. - С. 15-19.

9. Тарапата В.В. К вопросу выбора технологических методов улучшения трибохарактеристик узлов трения судовых технических средств // Збірник наукових праць Українського державного морського технічного університету ім. адм. Макарова. - Миколаїв: УДМТУ, 2000. - № 3 (369). - С. 121-126.

10. Тарапата В.В. Определение коэффициентов переноса вещества при упрочнении деталей в ионизированных средах // Проблеми трибології. - 2000. - № 2. - С. 53-57.

11. Тарапата В.В. Обобщенная модель переноса вещества при восстановлении и упрочнении деталей судовых технических средств // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - 1999. - Вып. 4. - Одесса: ОГМА. - С. 136-143.

12. Тарапата В.В. Классификация методов получения покрытий с использованием представлений термодинамики необратимых процессов // ТЕМА. - 1998. - № 8. - С. 19-23.

13. Тарапата В.В. Сравнительная оценка энергоемкости покрытий, создаваемых на трибоповерхностях деталей судовых машин и механизмов при их изготовлении и восстановлении // ТЕМА. - 1998. - № 7. - С. 30-37.

14. Тарапата В.В. Структурно-частотный анализ пар трения скольжения судовых машин и механизмов // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - 1998. - № 2. - Одесса: ОГМА. - С. 42-46.

15. Тарапата В.В., Евдокимов В.Д. Новый подход к анализу и выбору для внедрения технологий восстановления и упрочнения // Труды Международной конференции "Современные технологии. Качество. Реструктуризация - СТКР-2003". - Т.2. - 2003. - С. 533-538.

16. Тарапата В.В., Молодцов Н.С. Технологические возможности уменьшения деформации головок поршней судовых дизелей при их восстановлении наплавкой // Проблеми техніки - 2003, - № 2. С. 64-72.

17. Тарапата В.В., Евдокимов В.Д., Шакун С.Н. Определение трибохарактеристик рабочих поверхностей деталей судовых технических средств при ускоренных испытаниях // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - 2000. - Вып. 5. - Одесса: ОГМА. - С. 122-125.

18. Тарапата В.В., Красильников О.Г. К вопросу о разработке методики оценки эффективности и выбора технологий восстановления и упрочнения для условий судоремонта // Проблеми трибології. - 2000. № 3. - С. 71-77.

19. Тарапата В.В., Красильников О.Г. Определение интенсивности переноса вещества при формировании износостойких поверхностей деталей // ТЕМА. -1999. - № 2. - С. 17-21.

20. Молодцов Н.С., Тарапата В.В. Совершенствование технологии судоремонта в условиях эксплуатации судна // Состояние и перспективы развития морского транспорта: Сборник докладов на межотраслевой научно-практической конференции, посвященной 55-летию Украинского Дунайского пароходства. - Измаил-Одесса: ОГМА, 1999. - С. 146-141.

21. Тарапата В.В., Красильников О.Г. Обобщенная оценка технологии гальванического хромирования и эксплуатационных свойств получаемых покрытий // ТЕМА. - 1999. - № 1. - С. 42-47.

22. Тарапата В.В., Евдокимов В.Д. Восстановление плунжерных пар судовых дизелей гальванопокрытиями путем создания неоднородного электрического поля // Труды Международной конференции "Современные технологии машиностроения. Качество. Реструктуризация - СТМКР-1999". - Т.2. - 1999. - С. 389-393.

23. Тарапата В.В., Левченко А.А., Шикуть В.И. Технология восстановления плунжерных пар топливных насосов среднеоборотных судовых дизелей // Морской транспорт. Серия "Судоремонт". Информационный сборник, вып. 3(610), 1989. - М.: В/О "Мортехинформреклама". - С. 1-12.

24. Тарапата В.В., Левченко А.А., Шикуть В.И., Юхимец Т.А. Эксплуатационные повреждения плунжерных пар топливных насосов судовых дизелей // Морской транспорт. Серия "Судоремонт". Информационный сборник, вып. 2 (609), 1989. - М.: В/О "Мортехинформреклама". - С. 1-11.

25. Левченко А.А., Тарапата В.В., Лукьянов В.М., Потапов А.В. Элементы технологического процесса восстановления головок поршней СДВС с использованием цементации и упрочнения трением // Морской транспорт. Серия "Судоремонт". Информационный сборник, вып. 2 (591), 1988. - М.: В/О "Мортехинформреклама". - С. 13-21.

26. Тарапата В.В., Киперник Е.Г., Сидоренко В.И., Модзелевская Ю.П. Современные методы восстановления и упрочнения деталей. - М.: В/О "Мортехинформреклама". - 1988. - 82 с.

27. Фока А.А., Тарапата В.В., Лукьянов В.М. Диагностический контроль усталостных трещин // Морской транспорт. Серия "Техническая эксплуатация флота". ЭИ. Информационный сборник, вып. 18 (522), 1981. - М.: ЦБНТИ ММФ. - С. 1-5.

28. Пасс А.Е., Крохмаль Д.Ю., Тарапата В.В. Исследование коррозионной стойкости корпусной стали в атмосфере отработанных дымовых газов. Сб. Судостроение. - Киев-Одесса: Вища школа, вып.28, 1979. - С. 71-74.

29. Лукьянов В.М., Тарапата В.В., Фока А.А. Причины разрушения и рекомендации по восстановлению охлаждаемых перемычек цилиндров судовых дизелей // Морской транспорт. Серия "Техническая эксплуатация флота". Информационный сборник, вып. 24 (412), 1977. - М.: ЦБНТИ ММФ. - С. 3-8.

30. Тарапата В.В., Лукьянов В.М., Левченко А.А., Шикуть В.И. Способ восстановления подвижных сопряжений прецизионных деталей. А.с. СССР № 1488324. - 1989.

Размещено на Allbest.ru