Повышение качества деталей двигателей внутреннего сгорания с помощью износостойких покрытий
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 16.01.2021 2021-01-16
Статья просмотрена: 76 раз
Библиографическое описание:
Рахматуллина, Э. И. Повышение качества деталей двигателей внутреннего сгорания с помощью износостойких покрытий / Э. И. Рахматуллина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 3 (345). — С. 101-103. — URL: https://moluch.ru/archive/345/77686/ (дата обращения: 19.11.2021).
Основной задачей двигателестроения является повышение надежности и долговечности двигателей внутреннего сгорания. Наиболее распространенной причиной выхода из строя двигателя является не поломка деталей, а именно их износ. Чаще всего изнашиваются детали цилиндро-поршневой группы. Одной из наиболее нагруженной деталью является гильза цилиндра. Это связано с тем, что именно эта деталь подвергается высоким температурам, силам трения и повышенным динамическим нагрузкам. В настоящее время для повышения надежности двигателей на поверхности деталей наносят износостойкие покрытия.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, износ, гильза цилиндра, микродуговое оксидирование, износостойкие покрытия.
В ходе использования механизмов их отдельные сборочные единицы (узлы трения) изнашиваются, т. е. утрачивают свои первоначальные свойства.
Износ — это процесс разрушения, извлечения частиц материала с поверхности детали и накапливания деформации, оставшейся при трении [1]. При изнашивании ухудшается кинематическая точность механизмов, появляются дополнительные нагрузки, шумы и вибрации. Трущиеся детали механизмов в соединениях содержат мелкие неровности в виде шероховатости поверхности. Высота неровностей доходит до 6–10 мкм [2]. Из-за соприкосновения этих неровностей трущиеся поверхности изнашиваются.
При попадании на трущиеся поверхности таких веществ, как песок, металлическая стружка, механический износ развивается, что вызывает увеличение зазора, который возникает между трущимися поверхностями.
Основными причинами износа деталей цилиндропоршневой группы ДВС являются:
– запоздалое предотвращение неисправностей в двигателе;
– применение масла низкого качества;
– плохое состояние топливного и воздушного фильтров;
– агрессивный стиль езды;
– неправильная работа системы охлаждения;
– механическое воздействие при трении двух поверхностей, которые соприкасаются.
Для повышения долговечности двигателя следует защищать от износа гильзы цилиндра, так как именно гильзы являются деталями двигателя, которые в целом определяют его работоспособность. Рассмотрим способы защиты гильз от износа.
Защиту от износа осуществляют применением пористых хромовых покрытий (пористое хромирование). Существует 3 способа получения пористых хромовых покрытий: механический, химический и электрохимический. Широко используется электрохимический способ, который заключается в анодной обработке хромированных деталей в электролите того же состава [3].
Так же для защиты гильз от износа используется нанесения антифрикционного покрытия. Способ состоит из первичной токарной обработки, закаливании внутренней поверхности гильзы высокочастотными токами, финишной обработки и нанесения антифрикционного слоя. На гильзу наносят мягкое покрытие, которое хорошо пристает к поверхности детали. Для нанесения мягкого покрытия на стенки гильзы цилиндра используется фрикционное латунирование [4].
Ещё одним способом защиты гильз является газоплазменное напыление порошкового материала. В основе способа лежит плазменный луч, который плавит порошок и распыляет его по поверхности гильзы. После остывания на стенках образовывается тонкий рабочий слой на основе железа. Затем идет финишная обработка этого слоя, после которого получается буквально «зеркальное» покрытие [5].
Одним из наиболее перспективных способов обработки поверхностей является технология микродугового оксидирования. Процесс заключается в образовании на поверхности детали микродуговых разрядов, благодаря которым формируется высокопрочное износостойкое покрытие. Это покрытие состоит в основном из корунда (α-Al 2 ∙O 3 ) и других окислов алюминия [6].
Достоинства и недостатки вышеприведенных покрытий представлены в таблице 1.
Достоинства и недостатки покрытий
Способ
Достоинства
Недостатки
высокая износостойкость (200…250 % от новых гильз);
толщина 30–35 мкм;
высокая адгезионная прочность
плохая смазываемость и прирабатываемость хромированных покрытий, что приводит к задирам
толщина слоя 0,02–0,03 мм;
хорошая теплостойкость покрытия;
не находит широкого применения при ремонте автомобилей;
необходимость упрочнения рабочей поверхности
Газоплазменное напыление порошкового материала
толщина слоя 0,2 мм;
лучшая теплопроводность; высокая адгезионная прочность;
пористость покрытий; процесс напыления трудоемкий;
при невысоких нагрузках возможно отслоение слоев
Высокая адгезионная прочность;
Стойкость к тепловым ударам;
Толщина 82 мкм [6]
Сложность получения равномерных покрытий.
Таким образом, из вышеприведенной таблицы видно, что для защиты деталей от износа лучше использовать метод микродугового оксидирования, так как этот способ имеет незначительные недостатки, в отличие от других покрытий, а также позволяет получить толстые износостойкие покрытия.
Суть технологии МДО состоит в том, что под действием высокого напряжения, которое прикладывается между находящейся в электролите деталью и электродом, на поверхности детали появляются мигрирующие точечные микродуговые разряды, под термическим, плазмохимическим и гидродинамическим воздействием которых поверхностный слой детали преобразуется в керамическое покрытие, прочносцепленное с основой.
МДО-покрытия отличаются от других покрытий тем, что они имеют:
– высокую прочность сцепления с основой;
– благодаря снижению пористости и росту микротвердости, наблюдается повышение износостойкости в процессе изнашивания;
– наличие остаточной пористости, обеспечивающая возможность удержания смазки, которая снижает коэффициент трения, или специальных пропитывающих средств, которые повышают коррозионно-защитную способность полученных покрытий [7].
Твердость покрытий и их стойкость к износу зависят от толщины покрытия, типа и размеров пор. С помощью микродугового оксидирования получают твердые и износостойкие покрытия на внешних и внутренних поверхностях деталей как простой, так и сложной конфигурации. МДО применяют чаще всего для нанесения толстых покрытий, так как для тонких более выгодно использовать анодирование.
Таким образом, использование износостойких покрытий является основным способом повышения долговечности и надежности двигателей. Одним из наиболее перспективных методов является микродуговое оксидирование. Следовательно, для повышения износостойкости гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, которые работают в условиях высоких температурных и механических нагрузок, целесообразно использовать технологию микродугового оксидирования.
- Крагельский И. В. Трение и износ. — 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1968. — 480с.
- Богданович П. Н., Прушак В. Я. Трение и износ в машинах: учеб. для вузов. — Мн.: Выш.шк, 1999. — 374 с.
- Способ пористого хромирования цилиндров, поршневых колец и других трущихся деталей двигателей внутреннего сгорания: а.с. 69583 СССР. № 9616; заявл. 20.12.1944; опубл. 01.01.1947. 2 с.
- Способ обработки гильзы блока цилиндров с созданием антифрикционного покрытия: пат. 2570683 Рос. Федерация. № 2013111140/02; заявл. 13.03.2013; опубл. 10.12.2015. Бюл. № 26. 2 с.
- Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / под ред. В. С. Степина, Н. Г. Шестеркина: пер. с яп. В. Н. Попова. — М.: Машиностроение, 1985. — 240 с.
- Исследование влияния микродугового оксидирования на износостойкость гильзы цилиндра ДВС из алюминиевого сплава / Н. Ю. Дударева, Р. В. Кальщиков, Н. Х. Мусин, Д. А. Рябова // Вестник ИрГТУ. 2013. № 9 (80). С. 63–70.
- Плазменно-электрическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. В 2-х т. Т. 2 / И. В. Суминов, П. Н. Белкин, А. В. Эпельфельд и др.; под общ. ред. И. В. Суминова. — М.: Техносфера, 2011. — 512 с.
Источник
Увеличение долговечности оборудования: применение покрытий на основе полиуретанов
С.И.Аболин, С.Б.Сивчиков, НПФ «С.П.Б.», Санкт-Петербург
Одним из основных факторов, снижающих долговечность оборудования горнодобывающей промышленности, является выход из строя деталей и узлов в результате воздействия коррозионно-активных сред и абразивного износа. Наиболее подвержены этому рабочие органы, трубопроводы и емкости машин, перемещающих, смешивающих или сепарирующих сырье. Традиционным способом увеличения срока эксплуатации этих деталей является их футеровка смесями на основе каучуков или эпоксидных смол. Применение футеровочных смесей на основе эпоксидных смол оправдано при контакте с агрессивными средами. Как правило, при наличии в потоке абразивных компонентов они достаточно быстро изнашиваются. Резиновые смеси на основе искусственных каучуков успешно применяются для защиты от абразивного износа, так как эластичность футеровки позволяет твердым частицам перемещаться по ее поверхности без разрушения наружного слоя. Эластичная футеровка в значительной степени демпфирует вибрационные и ударные воздействия, предотвращая их передачу на подшипники и другие части оборудования. По данным д.т.н. Н.В.Ампилоговой применение резиновых футеровок приводных барабанов позволяет значительно увеличить тяговую способность приводов ленточных конвейеров за счет увеличения коэффициентов сцепления ленты с поверхностью барабана [1].
Применение футеровок на основе резин позволяет уменьшить абразивный износ и вибрации, а в случае конвейерного транспорта – увеличить тяговую способность приводов. Вместе с тем, использование резиновых смесей имеет и ряд недостатков: быстрое старение, невысокие прочность и несущую способность покрытий, отслаивание и отрыв футеровок от арматуры, щелевая коррозия металла под слоем резины и «охрупчивание» покрытия при низких температурах. Вулканизация резин обычно происходит под высоким давлением в прессформах, что существенно ограничивает или исключает возможность нанесения крупногабаритных или сложных по форме футеровок.
По данным фирмы Engineered Plastic Solution, Inc. применение в качестве материала покрытий полиуретанов позволяет увеличить максимальную нагрузку на изделие до 4-х раз и устойчивость к воздействию абразивного износа до 10 раз по сравнению с резиной. Полиуретаны являются одним из наиболее стойких к абразивному износу материалов. Например, потеря массы полиуретановой пластины при абразивном износе (окись алюминия, угол 60°) составляет 0.05% от веса за 60 мин., в то время как для закаленной стали более 0.5% за 13 мин. [2]. Полиуретановые покрытия имеют и более высокий, по сравнению с резиновыми, коэффициент сцепления, его расчетная величина при футеровке барабанов полиуретаном, в случае чистой сухой поверхности составляет 0.5–0.6 [1]. Полиуретаны мало подвержены старению, имеют низкую температуру стеклования и высокую стойкость к воздействию окружающей среды. Изделия из полиуретанов в основном изготавливаются свободной заливкой, отсутствие давления и значительных нагрузок на литьевую форму позволяет существенно упростить оснастку, а низкая вязкость смесей обеспечивает проливаемость изделий сложной формы.
Научно-производственная фирма «С.П.Б.» с 1992 г. занимается переработкой полиуретанов и внедрением их в различные отрасли промышленности. Широкий спектр применяемых материалов позволяет решать практические задачи и в горнодобывающей промышленности. Основным материалом, применяемым в качестве футеровок, является двухкомпонентный полиуретан Дуотан�(табл.).
Из приведенных в табл. данных видно, что наиболее износостойкими являются марки с твердостью до 65 ед. Шор А, а максимальной прочностью при растяжении и раздире обладают материалы с твердостью 80–90 ед. Шор А. Учет условий эксплуатации является основным фактором при выборе материала для покрытия.
Для уплотняющих изделий, конвейерных роликов, износоустойчивых облицовок, корпусов пережимных клапанов целесообразно использовать материал с твердостью 65 ед. Шор А. Проведенные испытания манжет для гидроцилиндров, изготовленных из Дуотана QA 965 показали, что вынос масла за 100 циклов при давлении 200 кг/см2 не превышает 1.3 г. Успешно эксплуатируются манжеты большого диаметра, уплотняющие роторы турбин гидроэлектростанций и поршни насосов перекачки сточных вод очистных сооружений. Все изделия выполнены методом литья, так как механическая обработка (кроме шлифования) данного материала из-за его высокой упругости и износостойкости невозможна.
Результаты эксплуатации роликов с футеровкой из Дуотана QA 965 на верхней и нижней ветвях ленточного конвейера горно-обогатительного комбината показали, что покрытие улучшает центрирование ленты, снижает износ ее борта и нижней обкладки, устраняет расслоение. Срок службы фильтровальной ткани увеличивается на треть. За полтора года эксплуатации износа покрытия не обнаружено. Устойчивость к абразивному износу определило выбор этого материала для изготовления внутренней рифленой обечайки корпусов гидроциклонов диаметром 150, 300 и 700 мм для обогащения золотоносной породы. С целью обеспечения жесткости и прочности корпуса наружный слой изготавливали из жесткого полиуретана Дуотан QA 990 твердостью 90 ед. Шор А, а между этими слоями вводили корд из арамидной нити, препятствующий «раздуванию» наполненного породой изделия при значительных скоростях вращения изделия. Специалисты фирмы «С.П.Б.» разработали технологию для заливки из полиуретанов аналогичного изделия диаметром 1300 мм. Следует подчеркнуть, что гидроциклоны имеют сложную внутреннюю поверхность с рифлями, отформованными отверстиями и закладными элементами, которую практически невозможно получить в других материалах. Переработка свободной заливкой определила и применение Дуотана QA 965 для изготовления эластичных обойм винтовых насосов давления. Низкая вязкость заливаемого материала гарантирует точное повторение формы закладного шнека и, соответственно, отличные характеристики насоса.
В случае высоких нагрузок покрытия на сдвиг, срез и сжатие целесообразно использовать более прочные марки Дуотана с твердостью 80, 85 и 90 ед. Лопасти импеллера оттирочной машины, эксплуатируемые в водно-песчаной смеси, футеровали Дуотаном QA 980 для защиты от коррозии и абразивного износа. В результате эксплуатации лопастей показано, что срок службы изделия увеличился как минимум в 12–15 раз. Из Дуотана QA 990 и QA 980 изготавливаются также покрытия колес технологического транспорта и различного оборудования.
Высокое качество изделий из полиуретанов Дуотан, в совокупности с простым технологическим процессом, компактным и недорогим оборудованием производства «С.П.Б» позволяет организовать участки по переработке этих материалов в непосредственной близости от потребителей или на их производственной базе. По этому пути пошли производственные фирмы «Центр Ремонтных Технологий» (Владивосток), Devcon (Рига) и «Комбипласт» (Новокузнецк). Специалисты фирмы «Комбипласт» освоили выпуск сит грохотов, классификаторов и сепараторов из материалов Дуотан.
Таким образом, применение футеровочных смесей на основе полиуретанов Дуотан позволяет повысить ресурс отдельных узлов и долговечность использования оборудования в целом. В случае большой потребности в изделиях из полиуретанов, целесообразна организация участка по их переработке непосредственно на производственной базе потребителя.
Источник
