Влияние качества обработки трущихся поверхностей на скорость износа изучали многие научные учреждения, сделавшие определенные выводы, суть которых сводится к следующему.
Теоретически, экспериментально и практически установлено, что чем больше шероховатость обработки трущихся поверхностей, тем больше их износ в первоначальной стадии работы. Этот период имеет решающее значение для дальнейшей работы дизеля и особенно пары втулка — кольцо.
Известно, что значительный начальный износ происходит вследствие того, что имеющиеся микро- и макрогеометрические погрешности поверхностей трения и неточностей в их взаимоположении обеспечивают весьма малую фактическую площадь контакта деталей по сравнению с геометрической расчетной площадью, а это приводит к резкому повышению давлений и сил трения.
Даже наиболее тонко отполированные плоские детали имеют реальную контактную поверхность, равную лишь 1/1000 расчетной. Но уже после того как глубина приработки достигнет всего лишь 0,0004 мм, площадь фактического контакта увеличится в 50 раз. Если при таком характере контакта трущихся поверхностей дизелю сразу дать эксплуатационную нагрузку, на поверхностях возникнет значительное тепловыделение, что приведет к перегреву и заеданию детали.
Если же процесс приработки проведен согласно инструкциям, по заранее разработанной программе, то участки первоначального контакта поверхностей или сминаются, или разрушаются, вследствие чего на поверхностях трения создаются и постепенно увеличиваются опорные площадки и опасность задира уменьшается.
Насколько большое значение имеет правильно проведенный режим приработки, говорят следующие цифры. Износ цилиндровых втулок мощных судовых дизелей за первый год эксплуатации в среднем составляет 10% максимально допустимого. Еще более это показательно для высокооборотных дизелей. Так, начальный износ новых автомобильных и тракторных двигателей достигает 33% общего износа, а у двигателей, прошедших капитальный ремонт, начальный износ бывает еще больше. Однако скорость износа в начальный период работы трущейся пары не имеет прямой связи с чистотой обработки поверхности и нельзя утверждать, что чем чище обработаны поверхности, тем меньше будет первоначальный износ.
Многочисленные опыты показали, что при высоких скоростях и небольших нагрузках трущиеся поверхности, доведенные обработкой до высокой степени гладкости, через некоторое время оказываются матовыми или разъеденными. Ухудшение качества поверхности объясняют появлением на ней микровпадин, количество и размеры которых в большей степени зависят от свойств материала поверхности и в меньшей — от скорости движения и вязкости масла.
Очагами зарождения, роста и распространения микровпадин по трущейся поверхности являются микродефекты этой поверхности. В точке, где имеется микродефект, образуется местное завихрение потока масла. Это завихрение вырабатывает в металле ямку с приподнятыми кромками, которые действуют как новый дефект, и процесс продолжается до тех пор, пока вся поверхность не покроется ямками.
Таким образом, первоначальное состояние поверхности сохраняется только некоторое время. Затем грубо обработанные поверхности становятся чище, а очень гладкие — грубее.
Свойства поверхностей, приобретенные после приработки, называются оптимальными, или эксплуатационными. При правильной эксплуатации механизма эти свойства сохраняются до тех пор, пока износ поверхностей и зазор между ними не приблизятся к предельно допустимым величинам.
Очевидно, что исходные свойства поверхностей должны быть как можно ближе к оптимальным. Отклонения исходной чистоты обработки в сторону как большей, так и меньшей шероховатости приведут к более значительным^ износам в первоначальный период работы пары. При этом, если чрезмерно чистая обработка поверхностей, кроме несколько повышенного первоначального износа, не сулит каких-либо неприятностей, то при грубо обработанной поверхности возможно образование крупных частиц продуктов износа, которые могут вызвать абразивное трение, резко увеличивающее скорость износа и приводящее к задирам поверхностей.
Однако скорость износа, связанная с состоянием поверхности деталей, зависит не только от чистоты обработки, но и от механических свойств металла и характера обработки поверхности. Так, заметную роль играет направление штрихов обработки в зависимости от направления движения детали. Доказано, что если штрихи обработки шейки подшипника расположены вдоль оси, а не вкруговую, как это обычно делается, то скорость износа шейки уменьшается и возрастает усталостная прочность вала. Несмотря на явные преимущества такой обработки шеек валов, для морских дизелей ее применяют еще сравнительно редко, так как здесь необходимо специальное оборудование.
Для упрочнения поверхности шеек валов высокооборотных дизелей применяют дробеструйную и термодиффузионную термообработку, а также обкатку галтелей коленчатых валов роликами. Основной целью таких видов обработки является увеличение усталостной прочности коленчатых валов, но и в увеличении стойкости против износа они играют существенную роль.
В малооборотных главных дизелях эти виды обработки (особенно термическую) применяют только для деталей топливной аппаратуры и газораспределительного устройства.
Если физико-механическая природа износа пары шейка — вкладыш в достаточной степени изучена и ненормальные износы пары возникают только в случаях грубых нарушений технологии изготовления, то для основной трущейся пары втулка — кольцо многое еще не совсем ясно. Не говоря уже о том, что эта пара работает в тяжелейших температурных условиях, в которых трудно организовать соответствующую смазку, сам материал трущихся деталей обладает некоторыми свойствами, трудно уловимыми в процессе изготовления деталей.
Как известно, физико-механические свойства чугуна зависят не столько от его химического состава, сколько от структуры, полученной в процессе окончательной термообработки. Получить же равномерную и нужную структуру на поверхности втулки диаметром до 1000 мм и высотой более 2000 мм —задача чрезвычайно трудная. Установлено, что наилучшей, в отношении сопротивления износу, структурой литого чугуна является перлит с мелкопластинчатым графитом, но одно дело — эксперимент, проведенный на образцах, и другое — деталь крупного дизеля.
Условия работы пары втулка — кольцо осложняются еще тем, что нередко втулки деформируются в процессе работы и в таких случаях качество обработки ее поверхности теряет свое значение.
Кроме того, кинематика кривошипно-шатунного механизма и резкие изменения давления газов по высоте цилиндра уже обусловливают неравномерный износ втулки как по высоте, так и по направлению ее диаметров.
Столь сложные условия работы этой трущейся пары заставляют НИИ и лаборатории ведущих дизелестроительных фирм продолжать изучение влияния многочисленных факторов на износ. Можно отметить, что строители малооборотных дизелей не стремятся к достижению высокой чистоты первоначальной обработки рабочей поверхности и не идут дальше грубого хонингования.
В начале 60-х годов фирмы «Зульцер» и «Бурмейстер и Вайн» применили новый, весьма оригинальный способ обработки рабочих поверхностей втулок. Экспериментами было установлено, что при неизбежных отклонениях от макрогеометрии поверхности, возникающих при обработке, волнистые поверхности, способные удерживать между волнами большое количество смазки, оказываются более износостойкими в том случае, если волнистость поверхности имеет какую-либо закономерность. На основании этого фирма «Зульцер» стала применять для втулок дизелей RD76 и RD90 в конечной стадии обработки нанесение на рабочую поверхность винтовой канавки (рис. 40). Глубина канавки всего лишь 0,03—0,05 мм, но этого достаточно для удержания смазки на всей поверхности втулки и создания барьеров на пути абразивных частиц.
Рис 40. Профиль специальной нарезки на рабочей поверхности цилиндровой втулки дизеля Зульцер RD76 (R — радиус цилиндра)
После приработки втулки на ее рабочей поверхности видны чередующиеся темные и светлые полосы, которые значительно снизили скорость износа поверхности, особенно при первоначальной приработке. Эксплуатация дизелей RD90 показала, что эти полосы срабатываются только за 10 000—20 000 ч, несмотря на столь малую глубину канавки, и скорость износа в начальный период чрезвычайно мала.
В дальнейшем, по мере срабатывания выступов и приближения поверхности к обычному виду, величины удельного износа приближаются к обычным, свойственным втулкам, не имевшим специальной обработки. Как видим, винтовая нарезка на втулке не только способствовала хорошей приработке ее поверхности, но и удлинила срок службы втулки на 8000—10 000 ч.
В 1972 г. в Японии запатентован другой метод обработки рабочих поверхностей втулок высоко нагруженных судовых дизелей. На поверхности втулки создают однородный мелкоячеистый рельеф, способствующий удержанию смазки и ускорению приработки. Такого рельефа достигают путем вибрации резца в процессе расточки втулки при частоте вращения шпинделя 25 об/мин, с автоматической подачей в 0,3 мм/об и глубиной резания 0,05 мм. Для создания упругих сил, обеспечивающих вибрацию резца, применяют резцедержатель в виде стального прутка диаметром 8 мм и длиной 500 мм.
В результате обработки втулок с диаметром 400 мм создается ячеистая структура поверхности с размерами ячейки вдоль образующей 0,3 мм и по окружности втулки 0,016 мм. Максимальная глубина ячеек соизмерима с глубиной резания.
Заявители патента утверждают, что время приработки втулок с таким микрорельефом поверхности сокращается в 3—5 раз.
Имеется много и других исследований влияния качества обработки рабочих поверхностей втулки и колец на скорость их износа, так как именно эта пара определяет необходимость переборки
или ремонта дизеля.
Насколько меньшее значение имеет износ других трущихся пар дизеля, например пары кулачок — ролик, показывают исследования, проведенные в ЛИВТе. В результате исследований установлено, что износ поверхностей кулачных шайб за весь срок службы судовых дизелей уменьшает коэффициент наполнения топливного насоса всего на 1%, а удельный расход топлива увеличивается при этом менее чем на 0,5%. Также незначительны износы деталей топливной аппаратуры, за исключением пары игла —гильза у форсунок, и клапанов, требующих периодической притирки, не лимитирующих величину эксплуатационного периода. Разумеется, все это справедливо при условии высокого качества узлов и деталей.
Судовые механики не изготавливают деталей и, следовательно, на качество их поверхности никакого влияния оказать не могут. Однако при профилактических переборках дизелей на трущихся деталях часто обнаруживаются такие дефекты, как излишняя шероховатость, натиры, задиры и натяги баббита, которые должны быть или ликвидированы, или доведены до такого состояния, которое не будет способствовать дальнейшему развитию дефекта. В этих случаях от действия механиков будет зависеть нормальная работа узлов после их переборки.
Из изложенного ясно, что все дефекты поверхностей втулки и поршня, которые обычно расположены вдоль оси цилиндра, следует сглаживать вручную при помощи крупнозернистого наждачного камня так, чтобы штрихи обработки располагались перпендикулярно вертикальному направлению дефекта. При этом дефект нужно именно сглаживать, а не стараться вывести его совсем. Не следует забывать, что всякий дефект на поверхности трущейся детали представляет собой впадину, а не выступ, хотя на нем и ощущаются выступающие края.
Поверхность втулки после полной ликвидации задира выглядит весьма благополучно и внешне мало отличается от остальной поверхности, но при последующем вскрытии цилиндра на этом месте можно обнаружить черное пятно, покрытое недогоревшим маслом, перемешанным с продуктом износа. Какую опасность представляют такие пятна, объяснять излишне.
Иногда в районах продувочных и выпускных окон образуются наработки, которые механики периодически обрабатывают: явно ощутимую ступеньку при помощи наждачного круга превращают в плавный переход от впадины до нормальной рабочей поверхности. Чем плавнее этот переход, т. е. чем больше он по высоте втулки, тем больше гарантия, что в дальнейшем наработок не возникнет. При этой операции фирма «Зульцер» рекомендует работать наждачным кругом таким образом, чтобы следы обработки перекрещивались под углом 45° к образующей цилиндра.
Верхних наработков у современных дизелей обычно не образуется, так как верхнее кольцо заходит за кромку втулки.
Так же следует поступать и при устранении дефектов на поверхности шеек: шлифовать поврежденную поверхность следует вдоль оси шейки, а не вкруговую, как это делалось раньше. То же самое относится и к поверхности вкладыша подшипника.
Нужно тщательно наблюдать и за состоянием поверхностей запасных трущихся деталей, которые лежат в кладовых судна иногда годами без периодической проверки в расчете на хорошую консервацию. Эти расчеты не всегда оправдываются и нередко под слоем консервации обнаруживается коррозия, которая может безнадежно испортить деталь.
Таким образом, судовые механики, если и не в силах создать требуемое качество поверхности вновь, то вполне могут поддерживать его в первоначальном виде.
Теоретически, экспериментально и практически установлено, что чем больше шероховатость обработки трущихся поверхностей, тем больше их износ в первоначальной стадии работы. Этот период имеет решающее значение для дальнейшей работы дизеля и особенно пары втулка — кольцо.
Известно, что значительный начальный износ происходит вследствие того, что имеющиеся микро- и макрогеометрические погрешности поверхностей трения и неточностей в их взаимоположении обеспечивают весьма малую фактическую площадь контакта деталей по сравнению с геометрической расчетной площадью, а это приводит к резкому повышению давлений и сил трения.
Даже наиболее тонко отполированные плоские детали имеют реальную контактную поверхность, равную лишь 1/1000 расчетной. Но уже после того как глубина приработки достигнет всего лишь 0,0004 мм, площадь фактического контакта увеличится в 50 раз. Если при таком характере контакта трущихся поверхностей дизелю сразу дать эксплуатационную нагрузку, на поверхностях возникнет значительное тепловыделение, что приведет к перегреву и заеданию детали.
Если же процесс приработки проведен согласно инструкциям, по заранее разработанной программе, то участки первоначального контакта поверхностей или сминаются, или разрушаются, вследствие чего на поверхностях трения создаются и постепенно увеличиваются опорные площадки и опасность задира уменьшается.
Насколько большое значение имеет правильно проведенный режим приработки, говорят следующие цифры. Износ цилиндровых втулок мощных судовых дизелей за первый год эксплуатации в среднем составляет 10% максимально допустимого. Еще более это показательно для высокооборотных дизелей. Так, начальный износ новых автомобильных и тракторных двигателей достигает 33% общего износа, а у двигателей, прошедших капитальный ремонт, начальный износ бывает еще больше. Однако скорость износа в начальный период работы трущейся пары не имеет прямой связи с чистотой обработки поверхности и нельзя утверждать, что чем чище обработаны поверхности, тем меньше будет первоначальный износ.
Многочисленные опыты показали, что при высоких скоростях и небольших нагрузках трущиеся поверхности, доведенные обработкой до высокой степени гладкости, через некоторое время оказываются матовыми или разъеденными. Ухудшение качества поверхности объясняют появлением на ней микровпадин, количество и размеры которых в большей степени зависят от свойств материала поверхности и в меньшей — от скорости движения и вязкости масла.
Очагами зарождения, роста и распространения микровпадин по трущейся поверхности являются микродефекты этой поверхности. В точке, где имеется микродефект, образуется местное завихрение потока масла. Это завихрение вырабатывает в металле ямку с приподнятыми кромками, которые действуют как новый дефект, и процесс продолжается до тех пор, пока вся поверхность не покроется ямками.
Таким образом, первоначальное состояние поверхности сохраняется только некоторое время. Затем грубо обработанные поверхности становятся чище, а очень гладкие — грубее.
Свойства поверхностей, приобретенные после приработки, называются оптимальными, или эксплуатационными. При правильной эксплуатации механизма эти свойства сохраняются до тех пор, пока износ поверхностей и зазор между ними не приблизятся к предельно допустимым величинам.
Очевидно, что исходные свойства поверхностей должны быть как можно ближе к оптимальным. Отклонения исходной чистоты обработки в сторону как большей, так и меньшей шероховатости приведут к более значительным^ износам в первоначальный период работы пары. При этом, если чрезмерно чистая обработка поверхностей, кроме несколько повышенного первоначального износа, не сулит каких-либо неприятностей, то при грубо обработанной поверхности возможно образование крупных частиц продуктов износа, которые могут вызвать абразивное трение, резко увеличивающее скорость износа и приводящее к задирам поверхностей.
Однако скорость износа, связанная с состоянием поверхности деталей, зависит не только от чистоты обработки, но и от механических свойств металла и характера обработки поверхности. Так, заметную роль играет направление штрихов обработки в зависимости от направления движения детали. Доказано, что если штрихи обработки шейки подшипника расположены вдоль оси, а не вкруговую, как это обычно делается, то скорость износа шейки уменьшается и возрастает усталостная прочность вала. Несмотря на явные преимущества такой обработки шеек валов, для морских дизелей ее применяют еще сравнительно редко, так как здесь необходимо специальное оборудование.
Для упрочнения поверхности шеек валов высокооборотных дизелей применяют дробеструйную и термодиффузионную термообработку, а также обкатку галтелей коленчатых валов роликами. Основной целью таких видов обработки является увеличение усталостной прочности коленчатых валов, но и в увеличении стойкости против износа они играют существенную роль.
В малооборотных главных дизелях эти виды обработки (особенно термическую) применяют только для деталей топливной аппаратуры и газораспределительного устройства.
Если физико-механическая природа износа пары шейка — вкладыш в достаточной степени изучена и ненормальные износы пары возникают только в случаях грубых нарушений технологии изготовления, то для основной трущейся пары втулка — кольцо многое еще не совсем ясно. Не говоря уже о том, что эта пара работает в тяжелейших температурных условиях, в которых трудно организовать соответствующую смазку, сам материал трущихся деталей обладает некоторыми свойствами, трудно уловимыми в процессе изготовления деталей.
Как известно, физико-механические свойства чугуна зависят не столько от его химического состава, сколько от структуры, полученной в процессе окончательной термообработки. Получить же равномерную и нужную структуру на поверхности втулки диаметром до 1000 мм и высотой более 2000 мм —задача чрезвычайно трудная. Установлено, что наилучшей, в отношении сопротивления износу, структурой литого чугуна является перлит с мелкопластинчатым графитом, но одно дело — эксперимент, проведенный на образцах, и другое — деталь крупного дизеля.
Условия работы пары втулка — кольцо осложняются еще тем, что нередко втулки деформируются в процессе работы и в таких случаях качество обработки ее поверхности теряет свое значение.
Кроме того, кинематика кривошипно-шатунного механизма и резкие изменения давления газов по высоте цилиндра уже обусловливают неравномерный износ втулки как по высоте, так и по направлению ее диаметров.
Столь сложные условия работы этой трущейся пары заставляют НИИ и лаборатории ведущих дизелестроительных фирм продолжать изучение влияния многочисленных факторов на износ. Можно отметить, что строители малооборотных дизелей не стремятся к достижению высокой чистоты первоначальной обработки рабочей поверхности и не идут дальше грубого хонингования.
В начале 60-х годов фирмы «Зульцер» и «Бурмейстер и Вайн» применили новый, весьма оригинальный способ обработки рабочих поверхностей втулок. Экспериментами было установлено, что при неизбежных отклонениях от макрогеометрии поверхности, возникающих при обработке, волнистые поверхности, способные удерживать между волнами большое количество смазки, оказываются более износостойкими в том случае, если волнистость поверхности имеет какую-либо закономерность. На основании этого фирма «Зульцер» стала применять для втулок дизелей RD76 и RD90 в конечной стадии обработки нанесение на рабочую поверхность винтовой канавки (рис. 40). Глубина канавки всего лишь 0,03—0,05 мм, но этого достаточно для удержания смазки на всей поверхности втулки и создания барьеров на пути абразивных частиц.
После приработки втулки на ее рабочей поверхности видны чередующиеся темные и светлые полосы, которые значительно снизили скорость износа поверхности, особенно при первоначальной приработке. Эксплуатация дизелей RD90 показала, что эти полосы срабатываются только за 10 000—20 000 ч, несмотря на столь малую глубину канавки, и скорость износа в начальный период чрезвычайно мала.
В дальнейшем, по мере срабатывания выступов и приближения поверхности к обычному виду, величины удельного износа приближаются к обычным, свойственным втулкам, не имевшим специальной обработки. Как видим, винтовая нарезка на втулке не только способствовала хорошей приработке ее поверхности, но и удлинила срок службы втулки на 8000—10 000 ч.
В 1972 г. в Японии запатентован другой метод обработки рабочих поверхностей втулок высоко нагруженных судовых дизелей. На поверхности втулки создают однородный мелкоячеистый рельеф, способствующий удержанию смазки и ускорению приработки. Такого рельефа достигают путем вибрации резца в процессе расточки втулки при частоте вращения шпинделя 25 об/мин, с автоматической подачей в 0,3 мм/об и глубиной резания 0,05 мм. Для создания упругих сил, обеспечивающих вибрацию резца, применяют резцедержатель в виде стального прутка диаметром 8 мм и длиной 500 мм.
В результате обработки втулок с диаметром 400 мм создается ячеистая структура поверхности с размерами ячейки вдоль образующей 0,3 мм и по окружности втулки 0,016 мм. Максимальная глубина ячеек соизмерима с глубиной резания.
Заявители патента утверждают, что время приработки втулок с таким микрорельефом поверхности сокращается в 3—5 раз.
Имеется много и других исследований влияния качества обработки рабочих поверхностей втулки и колец на скорость их износа, так как именно эта пара определяет необходимость переборки
или ремонта дизеля.
Насколько меньшее значение имеет износ других трущихся пар дизеля, например пары кулачок — ролик, показывают исследования, проведенные в ЛИВТе. В результате исследований установлено, что износ поверхностей кулачных шайб за весь срок службы судовых дизелей уменьшает коэффициент наполнения топливного насоса всего на 1%, а удельный расход топлива увеличивается при этом менее чем на 0,5%. Также незначительны износы деталей топливной аппаратуры, за исключением пары игла —гильза у форсунок, и клапанов, требующих периодической притирки, не лимитирующих величину эксплуатационного периода. Разумеется, все это справедливо при условии высокого качества узлов и деталей.
Судовые механики не изготавливают деталей и, следовательно, на качество их поверхности никакого влияния оказать не могут. Однако при профилактических переборках дизелей на трущихся деталях часто обнаруживаются такие дефекты, как излишняя шероховатость, натиры, задиры и натяги баббита, которые должны быть или ликвидированы, или доведены до такого состояния, которое не будет способствовать дальнейшему развитию дефекта. В этих случаях от действия механиков будет зависеть нормальная работа узлов после их переборки.
Из изложенного ясно, что все дефекты поверхностей втулки и поршня, которые обычно расположены вдоль оси цилиндра, следует сглаживать вручную при помощи крупнозернистого наждачного камня так, чтобы штрихи обработки располагались перпендикулярно вертикальному направлению дефекта. При этом дефект нужно именно сглаживать, а не стараться вывести его совсем. Не следует забывать, что всякий дефект на поверхности трущейся детали представляет собой впадину, а не выступ, хотя на нем и ощущаются выступающие края.
Поверхность втулки после полной ликвидации задира выглядит весьма благополучно и внешне мало отличается от остальной поверхности, но при последующем вскрытии цилиндра на этом месте можно обнаружить черное пятно, покрытое недогоревшим маслом, перемешанным с продуктом износа. Какую опасность представляют такие пятна, объяснять излишне.
Иногда в районах продувочных и выпускных окон образуются наработки, которые механики периодически обрабатывают: явно ощутимую ступеньку при помощи наждачного круга превращают в плавный переход от впадины до нормальной рабочей поверхности. Чем плавнее этот переход, т. е. чем больше он по высоте втулки, тем больше гарантия, что в дальнейшем наработок не возникнет. При этой операции фирма «Зульцер» рекомендует работать наждачным кругом таким образом, чтобы следы обработки перекрещивались под углом 45° к образующей цилиндра.
Верхних наработков у современных дизелей обычно не образуется, так как верхнее кольцо заходит за кромку втулки.
Так же следует поступать и при устранении дефектов на поверхности шеек: шлифовать поврежденную поверхность следует вдоль оси шейки, а не вкруговую, как это делалось раньше. То же самое относится и к поверхности вкладыша подшипника.
Нужно тщательно наблюдать и за состоянием поверхностей запасных трущихся деталей, которые лежат в кладовых судна иногда годами без периодической проверки в расчете на хорошую консервацию. Эти расчеты не всегда оправдываются и нередко под слоем консервации обнаруживается коррозия, которая может безнадежно испортить деталь.
Таким образом, судовые механики, если и не в силах создать требуемое качество поверхности вновь, то вполне могут поддерживать его в первоначальном виде.
Комментариев нет:
Отправить комментарий
Примечание. Отправлять комментарии могут только участники этого блога.