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

.

Таблиця 10. Функції розподілу часу безвідмовної роботи відновлених деталей ЦПГ двигунів трьох типів

Наприкінці дисертації є Додатки, де наведено перелік основних об'єктів, на яких здійснювалися дослідження, акти впровадження з економічним ефектом, акти про наміри впровадження перспективних технологічних рішень, спрямованих на підвищення терміну служби окремих об'єктів і об'єднаної системи, акт про впровадження науково-дослідної роботи у навчальному процесі.

В результаті робиться висновок про необхідність використання отриманих закономірностей і розроблених критеріїв не тільки для призначення раціональних технологій відновлення з урахуванням основних і супутніх процесів дефектоутворення, але й для прогнозування довговічності як окремих елементів, так і всієї обраної системи.

Основні висновки

1. На основі статистичної обробки й аналізу великого масиву експлуатаційних вимірів і спостережень, заводських даних і лабораторних експериментів отримано й узагальнено закономірності, що розкривають роль різних процесів дефектоутворення й ушкоджень у формуванні відмов на рівнях від основних деталей до об'єднаної системи, що складається з циліндро-поршневої групи двигуна і валопровода судна, як для нових, так і для відновлених за різними технологіями об'єктів.

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

3. Виділено основні види експлуатаційних ушкоджень, що при відповідному наробітку приводять до відмов. Встановлено не тільки процентне співвідношення цих ушкоджень для всіх розглянутих рівнів, але й вплив кожного з них на час роботи до настання відмов. Виділено процеси тертя і зносу, фретинг-корозії, нагароутворення, вигоряння, утворення тріщин, утоми і поломок. Показано, що в багатьох випадках процеси розвитку ушкоджень від зносу відіграють провідну роль, а для ряду деталей є супутніми, поступаючись процесам, наприклад, тріщиноутворення та ін. Отримані дані дозволили провести ранжирування цих процесів для всіх рівнів, починаючи з окремих деталей до об'єднаної системи, що складається з циліндро-поршневої групи двигуна і валопровода судна з розробкою відповідних показників.

4. Отримано математичні критерії для всіх рівнів від окремих деталей до обраної об'єднаної системи, які дозволили установити, що узагальнені закономірності розвитку процесів дефектоутворення і відмов принципово однакові для нових і відновлених елементів і самої системи в цілому, однак у більшості випадків швидкість їхнього формування вище для відновлених елементів і системи в цілому, що зменшує час безвідмовної роботи на всіх розглянутих рівнях.

5. На базі науково обґрунтованих теоретичних і експериментальних аналітичних залежностей і підтверджуючих розрахунків вперше розроблено систему часткових і узагальнених коефіцієнтів, що відбивають вплив різних видів дефектоутворення на безвідмовність роботи окремих елементів і системи в цілому та враховують ефективність технологій відновлення розмірів і зміцнення поверхневих шарів у порівнянні з новими об'єктами, працездатність яких за статистичними оцінками прийнята за вихідну.

6. Установлено, що функція бажаності Харингтона і метод планування експериментів не дозволяють визначати значення часткових і узагальнених поправочних коефіцієнтів без масиву даних експлуатаційних спостережень і їхньої статистичної обробки з обов'язковим урахуванням провідних процесів дефетоутворення і законів розподілу часу безвідмовної роботи відновлених виробів у порівнянні з новими. В результаті була розроблена багаторівнева методика проведення досліджень, що є новим, особливо стосовно до відмінних процесів і закономірностей дефектоутворення деталей і вузлів суднових технічних засобів, тим більше з поширенням результатів на обрану об'єднану систему, де з різною інтенсивністю розвиваються багато видів відмов.

7. Показано, що відновлення розмірів зношених поверхонь канавок під поршневі кільця сталевих головок поршнів суднових дизелів із застосуванням електродугового наплавлення дає поправочний коефіцієнт 0,70 від зносостійкості нових, а додаткове фрикційне зміцнення одним диском збільшує цей коефіцієнт до 1,2. У зв'язку з цим пропонуються зміцнювати наплавлені поверхні канавок головок поршнів не однонаправленим, а високошвидкісним знакозмінним тертям, що дозволяє збільшити поправочний коефіцієнт з 1,2 до 1,8 за рахунок підвищення твердості, товщини, зносостійкості та корозійної стійкості білих шарів з формуванням у поверхневих шарах більш високих значень напруг стискання.

8. Для підвищення довговічності дейдвудних підшипників ковзання, що змазуються водою чи маслом, розроблено матеріал для вкладишів, який містить капролон з добавками дисульфіду молібдену і графіту, що у порівнянні з застосуванням капролоно-графиту знижує при лабораторних випробуваннях знос у 3 рази при мащенні водою з одночасним збільшенням нормального навантаження відповідно в 1,6 і 2,3 рази і зниженням коефіцієнта тертя на 25 %.

9. Установлено, що для підвищення довговічності гребних валів після їхнього відновлення через відмови з причин розвитку фретинг-корозійних, утомних процесів і тріщиноутворення необхідно застосовувати метод ультразвукового ударного зміцнення наплавлених поверхонь замість пластичного деформування їх роликами. Така заміна дає підвищення ефективності зміцнювальної технології на 25 %.

10. Стосовно наплавлених сталевих поверхонь вперше показані переваги зміцнювального шліфування для підвищення їхніх робочих характеристик. Установлено, що при певних режимах зовнішнього круглого шліфування у поверхневих наплавлених шарах утворюються зміцнені структури, що дозволяє не тільки одержати поправочний коефіцієнт порядку 1,2, але й спростити технологічний процес обробки шляхом об'єднання в одній операції різання і зміцнення гребних валів. Аналогічно була вперше показана можливість зміцнення наплавлених поверхонь гребних валів знакозмінним високошвидкісним тертям з одержанням значень порівняльних коефіцієнтів по зносостійкості 1,8; фретинг-корозії 1,5 і корозії 1,6.

11. Розроблено і впроваджено з одержанням економічного ефекту технології наплавлення для відновлення зношених поверхонь головок поршнів суднових дизелів і ультразвукового ударного зміцнення наплавлених поверхонь гребних валів з централізованим затвердженням керівних матеріалів для судноремонтних заводів галузі.

12. Показано, що прогнозування довговічності об'єктів і системи необхідно здійснювати на основі експлуатаційних закономірностей розвитку провідних і супутніх дефектів з урахуванням найбільш ефективних технологій відновлення розмірів і зміцнення деталей із застосуванням розроблених і науково обґрунтованих поправочних коефіцієнтів, отриманих по статистично достовірним даним експлуатації. Такий ранжований підхід варто застосовувати не тільки для окремих деталей, але й для всіх розглянутих об'єктів, що принесе найбільшу ефективність у виборі технологій, у підвищенні безвідмовності роботи об'єктів.

13. Розроблено систему вірогіднісних критеріїв оцінки якості відновлених елементів обраних об'єктів. В основі цих критеріїв лежить методологія порівняння функцій розподілів імовірності відмов нових і відновлених деталей. За головний критерій оцінки якості відновлених деталей обрано коефіцієнт імовірності відмов, як відношення числа відмов відновлених деталей до числа відмов нових деталей при наробітку рівному середньому числу відмов нових деталей. Розроблено загальну методологію оцінки якості відновлених деталей, яка включає: експлуатаційні випробування з одержанням функцій розподілу відмов нових і відновлених деталей; залежності і порядок їхнього застосування для оцінки якості відновлення; можливість прогнозування довговічності об'єктів з урахуванням дефектоутворення і технологій відновлення

14. Розроблено нові методи, установки і пристосування для лабораторних, виробничих і експлуатаційних вимірів, спостережень і робіт, що включають метод прискорених утомних випробувань, методи для зміцнення кепів головок поршнів знакозмінним тертям і гребних валів зміцнювальним шліфуванням, пристосування для індукційного нагрівання гребних валів перед наплавленням та ін.

15. За результатами досліджень здійснено впровадження і дані рекомендації виробничого характеру. Вони можуть бути також використані в суміжних галузях техніки при вирішенні проблем машинознавства щодо підвищення безвідмовності різних об'єктів і систем.

Список опублікованих робіт здобувача по темі дисертації

1. Сторожев В.П. Влияние технологий восстановления на безотказную работу головок поршней судовых малооборотных двигателей // Тр. Междунар. науч.-техн. конф. СТКР - 2001, Кишинев. - С. 505-508.

2. Сторожев В.П. Причины и закономерности постепенных отказов основных триботехнических объектов энергетической системы судна и повышение их ресурса: Монография. - Одесса, 2001, - 341 с.

3. Сторожев В.П. Качество работы главного двигателя и эффективность эксплуатации судна // ТЕМА. - 1998. - № 7. - С. 21-23.

4. Сторожев В.П. Прогнозирование безотказности главных двигателей в условиях эксплуатации судна // ТЕМА. - 1998. - № 8. - С. 22-26.

5. Сторожев В.П. К оценке качества работы судовых дизелей. //ТЕМА. - 1999. - № 1. - С.29-36.

6. Сторожев В.П. Анализ износостойкости поршней и колец судовых малооборотных двигателей. // ТЕМА. - 1999. - № 2. - С. 21-26.

7. Сторожев В.П. Исследование закономерностей износа цилиндровых втулок малооборотных двигателей // ТЕМА. - 1999. - № 3. - С. 64-70.

8. Сторожев В.П. Анализ износостойкости поршневых колец и втулок цилиндров малооборотных двигателей // ТЕМА. - 1999. - № 4. - С. 21-32.

9. Сторожев В.П. Дефектообразование и безотказность работы восстановленных головок поршней малооборотных двигателей. // ТЕМА. - 1999. - №5. - С. 28-34.

10. Сторожев В.П. Роль дефектов в долговечности дейдвудных подшипников морских судов // Судовые энергетические установки. - Одесса: ОГМА, 2000. - Вып. 5. - С. 16-21.

11. Сторожев В.П. Долговечность крышек цилиндров и выпускных клапанов судовых малооборотных двигателей // Судовые энергетические установки. - Одесса. - ОГМА, 1999. - Вып. 4. - С. 126-129.

12. Сторожев В.П. О возможности применения знакопеременного шлифования для упрочнения наплавленных рабочих поверхностей дейдвудных валов // Сб. науч. тр. УГМТУ. - Николаев, 2000. - № 3. - С. 164-170.

13. Сторожев В.П. Алгоритмизация процессов восстановления деталей. // Сб. науч. тр. НИИВТ. Прикладные задачи гидромеханики на морском транспорте. - Новосибирск, 1990. - С. 67-74.

14. Сторожев В.П. Выбор параметров оптимизации при восстановлении деталей с помощью функции желательности. // Сб. науч. тр. ОИИМФ. Судостроение и судоремонт. - Одесса, 1990. - С. 127-131.

15. Сторожев В.П. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов восстановления деталей. // Сб. ОИИМФ "Научно-технические проблемы судостроения и судоремонта". - М.: В/О Мортехинформреклама. - 1988. - С. 60-63.

16. Сторожев В.П. Определение технико-экономических критериев при восстановлении деталей. Передовой опыт сварки и наплавки в судоремонте. Э-И. Серия "Судоремонт". - М., 1984. - 8 с.

17. Сторожев В.П. Восстановление деталей с помощью ленточного электрода. //Технология и организация производства. - № 3. - К.: 1982. - С. 46-47.

18. Сторожев В.П. О влиянии различных факторов на восстановление судовых деталей. Дальневосточная науч.-техн. конф. "Повышение эффективности производства в судоремонте", Владивосток. - 1979. - С. 73-78.

19. Сторожев В.П. Восстановление деталей -- важная народнохозяйственная задача // Известия ВУЗов. Машиностроение. - № 9. - 1979. - С. 1-8.

20. Сторожев В.П. Технико-экономическая оценка восстановления деталей судового оборудования // Повышение уровня технической эксплуатации дизелей речного флота: Сб. науч. тр.- Новосибирск, 1988. - С. 123-126.

21. Сторожев В.П. Характеристика повреждений и восстановление деталей судовых дизелей // Тез. докл. Всесоюз. научн.-техн. конф. “Научно-технический прогресс в судоремонте в новых условиях хозяйствования”. - Л.: Судостроение, 1991. - С. 115-117.

22. Сторожев В.П. Прогнозирование ресурса восстановленных деталей методом ускоренных испытаний. Мор. транспорт, Э.И., серия “Судоремонт”. - Вып. 10(653) - 11(654). - М.: Мортехинформреклама, 1992. - С. 1-11.

23. Сторожев В.П. Восстановление деталей судовых технических средств. Минморфлот: В/О “Мортехинформреклама”. Морской транспорт. Серия судоремонт. Обзорная информация. - 1990. - Вып. 1(17). - 59 с.

24. Силин Р.И., Сторожев В.П. Влияние дефектов на долговечность крышек цилиндров малооборотных двигателей морских судов // Problems of Tribology (Проблеми трибології). - 2001. - № 2 - С. 128-130.

25. Кравцов Т.Г., Сторожев В.П. Восстановление деталей при ремонте судов. - М.: Транспорт, 1981. - 119 с.

26. Беньковский Д.Д., Сторожев В.П., Кондратенко В.С. Технология судоремонта. Учеб. для ВУЗов / Под общ. ред. В.П. Сторожева. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1986. - 286 с.

27. Сторожев В.П., Евдокимова А.Н. Повышение рабочих характеристик поверхностных слоев дейдвудных валов при их восстановлении. // Problems of Tribologу (Проблеми трибології). - 2000. - № 1. - С. 125-128.

28. Storozhev V.P., Evdokimova A.N. The New Technology of Hardening Pistons of Marine Diesels by a Surfacing. - Yassi: Buletinul institutului politehnic din Yassi. - 2000. - P. 228-232.

29. Олейник Н.В., Сторожев В.П. Ускоренные испытания восстановленных деталей СТС. В/О Мортехинформреклама. Морской тр-т. серия "Судоремонт". Э-И. - Вып. 5 (636). - 1991. - 22 с.

30. Олейник Н.В., Сторожев В.П. Оценка циклической долговечности стальных деталей в морской воде. М.: Мортехинформреклама. Морской транспорт, сер. “Судоремонт”, 1992. Э.И. - № 4(647)-5(648). - С. 1-22.

31. Молодцов Н.С., Сторожев В.П. Оценка и выбор способов восстановления и упрочнения валов для условий судоремонтного производства. В/О Мортехинформреклама. Морской тр-т. серия "Судоремонт". Э-И. - Вып. 5 (534). - 1985. - С. 12-24.

32. Кравцов Т.Г., Беньковский Д.Д., Сторожев В.П., Крапива В.М. Индукционный нагрев цилиндрических деталей при сварке и наплавке, передовой опыт сварки и наплавки в судоремонте. В/О Мортехинформреклама. Морской тр-т. серия "Судоремонт". Э-И. - Вып. 4(373). - 1977. - С. 9-25.

33. Кравцов Т.Г., Сторожев В.П. Восстановление и защита судовых деталей способом электродуговой наплавки ленточным электродом. В/О Мортехинформреклама. Морской тр-т. серия "Судоремонт". Э-И. - Вып. 3(432). - 1980. - 28 с.

34. Руководящий документ РД.31.55.03-83. Дизели "Зульцер" РД-76 и "МАН" К Z57/80. Стальные головки поршней рабочих цилиндров. Восстановление электродуговой наплавкой с использованием высокопрочных материалов. - Одесса, 1983. - 21 с.

35. Лаханин В.В., Сторожев В.П. Сравнение результатов эксплуатации последовательных модификаций судовых малооборотных дизелей с прямоточно-клапанной продувкой // Двигателестроение. - 1991. - № 7. - С. 48-49.

36. Сторожев В.П., Сан Герман де Армас. Выбор способов восстановления деталей топливной аппаратуры / Сб. науч. тр. НИИВТ. Повышение эффективности СЭУ. - Новосибирск, 1989. - С. 96-103.

37. Сторожев В.П., Лаханин В.В., Сан Герман де Армас. Сравнение качества модификаций главных дизелей в условиях их эксплуатации на судах / Сб. науч. тр. НИИВТ. - Новосибирск, 1988. - С. 106-115.

38. Сторожев В.П., Лаханин В.В. Совершенствование ремонта топливной аппаратуры главных судовых малооборотных дизелей. - М.: Мортехинформреклама. Морской транспорт, сер. Судоремонт, 1992. Э-И. - Вып. 2 (645). - С. 1-11.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - Машинознавство. - Технологічний університет Поділля, Хмельницький, 2002.

У дисертації узагальнені результати багаторічної роботи автора по аналізу причин і закономірностей поступових відмов і тривалості напрацювання на відмову з урахуванням розвитку різноманітних пошкоджень та дефектів на всіх рівнях від окремих деталей та вузлів аж до системи, що складається з циліндро-поршневої групи дизеля та валопроводу судна. Дано оцінку впливу таких факторів, як знос, фретинг-корозія, вигоряння, корозія, утома, поломки та ін. на закономірності безвідмовної роботи об'єктів, що відповідає підходу до проблем надійності і довговічності з позицій машинознавства з акцентом на головні та супутні причини, які приводять до відмов. Оцінено різні технології відновлення і їхній вплив на дефектоутворення і відмови при експлуатації. Запропоновано спеціальні й узагальнені поправочні коефіцієнти, які пропонується використовувати для оцінки ресурсу відновлених об'єктів з урахуванням впливу видів поступових відмов, а також прогнозування безвідмовності роботи від окремих деталей, вузлів аж до об'єднаної системи включно. За результатами досліджень здійснено впровадження та дано рекомендації виробничого характеру. Вони можуть бути також використані в суміжних галузях техніки при вирішенні проблем машинознавства з підвищення безвідмовності різних об'єктів і систем.

Storozhev V.P. Causes and regularities of gradual failures of basic tribotechnical objects of a power generation of a vessel and increase of their resource - Manuscript.

Thesis for the degree of Doctor of Technical Sciences in speciality 05.02.02 - Engineering Science. - Technological University of Podillia, Khmelnitsky, 2002.

The results of the author's long-term work generalized in the thesis, consider the analysis of causes and regularities of gradual failures and prefailure time taking into consideration the development of different kinds damages and defects at all levels from separate parts and units up to the systems, consisting of cylinder- reciprocating diesel engine and ship shafting. Such factors as wear, fretting-corrosion, burnup, corrosion, metal fatigue, breakage, etc. are estimated. Such method meets the approach to the problems of reliability and durability from engineering science position accenting on main and attendant reasons that cause failure. Different technologies of reconstruction were appreciated as well as their influence on defect formation and failure during utilization. Local and general correctional coefficients were offered, which are suggested to be used for the resource of reconstructed objects appreciation, taking into consideration influence of kinds of gradual failures as well as forecasting of no-failure operation of parts, units and system as a whole. The results of the investigation can also be used in the related branches of techniques. The investigation practically resulted in industry applications and recommendations.

Сторожев В.П. Причины и закономерности постепенных отказов основных триботехнических объектов энергетической системы судна и повышение их ресурса. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук по специальности 05.02.02 - Машиноведение. Технологический университет Подолья, Хмельницкий, 2002.

В диссертации обобщены результаты многолетней работы автора по анализу причин и закономерностей постепенных отказов и времени наработки с учетом образования и развития разнообразных повреждений и дефектов на всех уровнях от отдельных деталей и узлов до объединённой системы, состоящей из цилиндро-поршневой группы двигателя и валопровода судна. Дана оценка влияния таких факторов, как износ, фреттинг-коррозия, выгорание, нагарообразование, коррозия, усталость, поломки и пр. на закономерности безотказной работы объектов, что соответствует подходу к проблемам надежности и долговечности с позиций машиноведения с акцентом на основные и сопутствующие причины, приводящие к отказам.

Учитывая сложность и многообразие действующих при эксплуатации факторов, таких как износ, коррозия, нагарообразование и выгорание, фреттинг-коррозия, усталость, отслоение, трещинообразование и пр., каждый из которых при определённых условиях может быть ведущим или сопутствующим при формировании отказов, а также невозможность описания этих процессов единой физической моделью, разработан и осуществлён новый научный подход, позволяющий обобщать эти разнообразные процессы и явления не на основе их в большинстве несовместимых теоретических и физических представлений, а по критериям дифференциальной или обобщённой оценки влияния различных по своей природе дефектообразований и времени их воздействия на формирование отказов. Такой научный подход позволил получить на статистически достоверной основе математические описания причин и закономерностей отказов с оценкой эксплуатационных, производственных и технологических факторов.

Выделены основные виды эксплуатационных повреждений, которые при соответствующей наработке приводят к отказам. Установлено не только процентное соотношение этих повреждений для всех рассматриваемых уровней, но и влияние каждого вида из них на время работы объектов до наступления отказов. Показано, что во многих случаях процессы развития износных повреждений играют ведущую роль, а для ряда деталей являются сопутствующими, уступая процессам, например, трещинообразования и пр. Полученные данные позволили провести ранжирование этих процессов для всех уровней, начиная с отдельных деталей до объединенной системы, с разработкой соответствующих показателей.

Получены математические критерии для всех уровней от отдельных деталей до выбранной объединенной системы, которые позволили установить, что обобщенные закономерности развития процессов дефектообразования и отказов принципиально одинаковы для новых и восстановленных элементов и системы в целом, однако в большинстве случаев скорость их формирования выше для восстановленных элементов и системы в целом, что уменьшает время безотказной работы на всех рассматриваемых уровнях.

На базе научно обоснованных теоретических и экспериментальных аналитических зависимостей и подтверждающих расчетов впервые разработана система частных и обобщенных коэффициентов, отражающих влияние различных видов дефектообразования на безотказность работы отдельных элементов и системы в целом и учитывающих эффективность восстанавливающих размеры и упрочняющих поверхностные слои технологий в сравнении с новыми объектами, работоспособность которых по статистическим оценкам принята в качестве исходной.

Разработана система вероятностных критериев оценки качества восстановленных элементов выбранных объектов. В основе этих критериев лежит методология сравнения функций распределений вероятности отказов новых и восстановленных деталей. В качестве главного критерия оценки качества восстановленных деталей выбран коэффициент вероятности отказов, как отношение числа отказов восстановленных деталей к числу отказов новых деталей при наработке равной среднему числу отказов новых деталей. Разработана общая методология оценки качества восстановленных деталей, включающая: эксплуатационные испытания с получением функций распределения отказов новых и восстановленных деталей; зависимости и порядок их применения для оценки качества восстановления; возможность прогнозирования долговечности объектов с учетом дефектообразования и технологий восстановления.

Показано, что прогнозирование долговечности объектов и системы необходимо осуществлять на основе эксплуатационных закономерностей развития ведущих и сопутствующих дефектов с учетом наиболее эффективных технологий восстановления размеров и упрочнения деталей с применением разработанных и научно обоснованных поправочных коэффициентов, полученных по статистически достоверным данным эксплуатации.

По результатам исследований осуществлены внедрения и даны рекомендации производственного характера. Они могут быть также использованы в смежных отраслях техники при решении проблем машиноведения по повышению безотказности различных объектов и систем.

Ключевые слова: отказ, дефект, вероятность, восстановление, долговечность.

Размещено на Allbest.ru