Основы технологии ремонта и защиты цилиндровых втулок судовых двигателей эрозионностойкими покрытиями

Детали цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) в процессе эксплуатации подвергаются весьма жесткому силовому, температурному, гидрои газообразивному воздействию, а также различным видам изнашивания трибосопряжений поршневые кольца — цилиндровая втулка [7, 8, 12].

Значительное число работ посвящено способам предотвращения кавитационной эрозии блоков цилиндров и втулок со стороны охлаждающей жидкости и еще больше — повышению износостойкости внутренней поверхности втулок, так называемого «зеркала» при трении скольжения в условиях гидродинамической и граничной смазки, а также в режиме полусухого трения при адгезионном и абразивном изнашивании пары втулка — кольцо [12, 19, 27, 28, 32, 33, 34, 38, 39, 40].

Ресурс (долговечность) втулок по допустимой глубине эрозионных раковин на водоохлаждаемой поверхности примерно в четыре раза меньше ресурса по изнашиванию «зеркала». Это означает, что выбраковка цилиндровых втулок ВОД и СОД двигателей во многих случаях производится по кавитационным разрушениям, а не по износу внутренней поверхности. В связи с этим для достижения примерно одинаковой долговечности втулок при изнашивании с наружной и внутренней стороны следует существенно снизить интенсивность эрозии водоохлаждаемых поверхностей ДВС при вибрационной кавитации.

Известны различные способы борьбы с кавитационной эрозией цилиндровых втулок, в основном конструкционного и материаловедческого характера. Целью конструкционных мероприятий является снижение виброактивности втулок, а материаловедческое направление заключается в применении эрозионностойких материалов и покрытий. Практическая реализация указанных мероприятий производится, как правило, без учета режимов эксплуатации ДВС, которые для двигателей одного и того же типа могут быть существенно различными. Так, например, при эксплуатации двигателей 8НФД36 температура охлаждающей воды может изменяться в пределах от 44 до 78 °C. При этом скорость изнашивания «зеркала» втулки уменьшается с ростом температуры охлаждающей воды в три раза, т. е. имеет место квадратичная зависимость [37−40].

Приведенный пример свидетельствует о том, что при недогретом двигателе рабочий процесс может быть далек от оптимального, что сопровождается повышением скорости изнашивания деталей Hill', увеличением расхода топлива и масла.

Очевидно, что при стремлении повысить надежность деталей ЦПГ двигателей наилучшим решением было бы такое, которое одновременно защитило бы втулку от гидроэрозии и обеспечило бы оптимальные условия для протекания рабочего процесса двигателя со всеми вытекающими из такого комплексного решения благоприятными последствиями [40].

При обозначенном комплексном подходе актуальность и значимость проблемы повышения надежности деталей ЦПГ ДВС значительно возрастет. Опыт показывает, что технически эта проблема может быть успешно решена путем разработки состава композиционного эрозионностойкого теплоизоляционного покрытия и технологии его нанесения на водоохлаждаемые поверхности цилиндровых втулок ДВС.

Целью работы является обоснование целесообразности применения предложенной технологии для защиты водоохлаждаемой поверхности цилиндровых втулок от эрозии, повышающей надежность деталей и эффективность эксплуатации судовых ДВС по наиболее важным показателям.

Методы испытаний. При моделировании особенностей воздействия жидких сред на поверхность деталей применялся структурно — энергетический подходнадежность материалов и покрытий оценивалась уровнем энергетических и физико — механических характеристик, в частности — акустическим сопротивлением деформируемых сред. Сравнительные испытания материалов и покрытий производились на магнитострикционных и ударно — эрозионных стендах, адекватно воспроизводящих условия кавитационно — эрозионного изнашивания водоохлаждаемых поверхностей ЦВ в действующих ДВС.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Предложена структурно — энергетическая (гидродинамическая) модель взаимодействия внешней среды с эластичным покрытием, раскрывающая сущность защиты упрочненных деталей от кавитационной эрозии.

2. Разработана методика расчета толщины теплоизоляционного эрозионно стойкого композиционного покрытия по высоте водоохлаждаемой поверхности ЦВ с учетом отличия температуры охлаждающей воды от оптимальной.

3. Установлены физико-механические критерии, определяющие поведение металлических материалов, пластмасс и комбинированных покрытий на полимерной основе в условиях динамического воздействия на них неоднородных жидких сред.

Заключение

.

1. Обоснована методика оценки износостойкости и долговечности материалов и деталей по установленным физико — механическим критериям кавитационно — эрозионной стойкости.

2. Разработана структурно — энергетическая (гидродинамическая) модель взаимодействия внешней среды с эластичным покрытием, раскрывающим сущность защиты упрочненных деталей от кавитационной эрозии.

3. Разработана гидродинамическая модель динамического взаимодействия жидкостей с эластичными поверхностями деталей, объясняющая их повышенную износостойкость за счет локального демпфирования микроударного внешнего воздействия.

4. Разработана схема определения оптимальной толщины синтетического покрытия цилиндровых втулок, с учетом условий эксплуатации двигателей.

5. Проведены сравнительные испытания материалов и покрытий на износостойкость.

6. Оценено влияние втулок с покрытиями на важнейшие эксплуатационные характеристики ДВС, на стендах и в натуральных условиях.

7. Разработан и внедрен технологический процесс нанесения на водоохлаждаемую поверхность цилиндровой втулки защитного композиционного покрытия, состоящего из эпоксидного компаунда, армированного стеклотканью в виде стекложгута.

Реализация этой технологии на практике примерно в два раза увеличивает долговечность ЦВ С ДВС по предельной глубине эрозионных повреждений и обеспечивает 5. .6% экономию топлива и масла.

Личный вклад автора заключается в предложении новой методики прогнозирования, расчета и зашиты цилиндровых втулок и цилиндропоршневой группы от эрозии и коррозии. Данный подход позволяет решить ряд задач связанных с энергосбережением и повышением энергетической эффективности ДВС. Так же, становится возможным снизить выбросы вредных (загрязняющих) веществ в атмосферу, в частности такого, как окислы азота (NOx).

Практическую ценность представляют:

1. Результаты сравнительных испытаний на надежность при кавитационно — эрозионном изнашивании на лабораторных стендах широкого круга материалов и покрытий — сталей, чугуна, сплавов цветных металлов, газотермических покрытий и покрытий на синтетической основе, применяемых для защиты новых деталей и восстановления изношенных.

2. Методики оценки износостойкости и долговечности материалов и деталей по установленным физико — механическим критериям кавитационно — эрозионной стойкости.

3. Результаты продолжительных испытаний, упрочненных покрытиями втулок судовых ДВС в условиях эксплуатации.

4. Технология нанесения защитных покрытий на поверхность цилиндровых втулок.

5. Материалы теоретических и практических разработок диссертации использовано в учебном процессе Санкт —Петербургского гос. унт-та водных коммуникаций при изучении дисциплины «Надежность судовых технических средств».

Достоверность полученных результатов обеспеченным корректным использованием методов математической статистики при обработке экспериментальных данных, критическим сопоставлением установленных критериальных параметров начала кавитации и эрозии с известными (классическими) закономерностями с оценкой адекватности структурно — энергетических моделей реальным процессам и, наконец, удовлетворительной корреляцией результатов лабораторных исследований надежности материалов и покрытий с данными продолжительных испытаний опытных деталей в условиях эксплуатации.