О сновы комплексного решения проблемы повышения надежности элементов цилиндро-поршневой группы судовых дизелей

Из целого ряда проанализированных методов был выбран метод химического никелирования защищаемых поверхностей. Никель широко применяется в качестве защитного покрытия и характеризуется хорошими механическими свойствами и стойкостью ко многим агрессивным средам. В электрохимическом ряду он занимает промежуточное положение: φ_Ni²⁺_|Ni = - 0,25 В, поэтому он более благороден чем железо. Он термодинамически устойчив в нейтральных и умеренно щелочных растворах и способен к пассивации путем формирования поверхностного слоя NiO или Ni(OH)₂.

Особенно ценным качеством этой пассивной пленки является ее способность сохраняться в хорошем состоянии в сильно турбулентных и эрозионных условиях. Однако в процессе эксплуатации двигателя нанесение гальванического покрытия невозможно, а осаждение никеля восстановлением из раствора присадки к охлаждающей жидкости представляется вполне реальным.

Покрытие образуется путем восстановления ионов никеля из раствора при воздействии на них определенных реагентов. В качестве восстановителя может быть использован гидразин, гипофосфит натрия или борогидрид натрия. Главное преимущество данного метода состоит в том, что осаждение никеля идет при почти постоянной скорости по всей сложной форме поверхности деталей системы охлаждения. Тонкие осадки никеля имеют тенденцию к воспроизведению топографии основной поверхности, а более толстые проявляют эффект выравнивания (сглаживания) рельефа поверхности. Этот факт весьма важен для защиты поверхностей охлаждения дизелей, имеющих сложный профиль, а также местные эрозионные и коррозионные разрушения. Покрытия, полученные без наложения электрического тока, характеризуются хорошей адгезией, пластичностью, мелкокристаллической структурой, а также имеют преимущество по коррозионной стойкости и механическим свойствам перед другими методами защиты.

Проверка эффективности и выбор оптимального количественного состава присадки ПВТУ-2002 осуществлялись экспериментальным путем. В качестве независимых варьируемых факторов в эксперименте были приняты концентрации компонентов присадки. Функцией отклика в эксперименте являлось количество осажденного на металлический образец никеля, получаемое как разность весов образца до эксперимента и после его окончания.

Для осуществления химического никелирования образцов, изготовленных из серого чугуна СЧ-24, из исходных компонентов были приготовлены растворы присадки ПВТУ-2002 различных концентраций, реализовавшие все возможные сочетания независимых факторов, что означает проведение полного факторного эксперимента. В результате проведенного эксперимента наблюдалось приращение массы испытуемых образцов и появление на их поверхности равномерного блестящего никелевого покрытия.

Исследование антиэрозионных свойств присадки ПВТУ-2002 осуществлялось с использованием магнитострикционного вибратора. Лабораторные испытания проводились на образцах, изготовленных из серого чугуна СЧ-24, предварительно отшлифованных и обезжиренных. В качестве присадок сравнения были выбраны присадки ЭКСТРОЛ и NALCOOL.

Моделирование условий процессов изнашивания в системах охлаждения осуществлялось в испытательной камере, в которую помещались два испытуемых образца: «пассивный» и «активный». Активный образец посредством резьбового соединения жестко закреплялся на концентраторе магнитострикционного вибратора, совершающего продольные колебания с частотой 22 кГц. Зазор между пассивным и активным образцами составлял 20 мм и рассчитывался по критерию подобия Рейнольдса, моделируя величину зарубашечного пространства двигателя 4Ч8,5/11. Расход воды в контуре регулировался байпасным клапаном и контролировался расходомером жидкости.

Критерием оценки служила потеря образцом массы за время одного опыта. Продолжительность опыта составляла 4 часа. Каждый опыт повторялся три раза. Изменение массы образца при изнашивании регистрировалось путем взвешивания на аналитических весах ВЛР-200 г-М с точностью до 5·10^-5 г. Результаты эксперимента приведены в виде графических зависимостей скорости изнашивания образцов от концентрации присадки на рис. 10.

Рис. 10. Зависимость скорости изнашивания активного образца от концентрации присадки ПВТУ-2002 при:

Анализ результатов эксперимента показал, что оптимальные концентрации для присадки ПВТУ-2002 - 2,5-3 %. Дальнейшее повышение концентрации присадки не влияло на скорость изнашивания.

Повышение температуры до 80⁰ С не повлияло на рабочие качества присадки ПВТУ-2002 при различных расходах охлаждающей жидкости. В ходе опытов также наблюдалось приращение массы образцов и отсутствие следов разрушений на их поверхности.

В растворах присадки ПВТУ-2002 наблюдалось приращение массы активных и пассивных образцов. Максимальное значение приращения массы образцов соответствует 2-процентному раствору присадки при температуре 80⁰С и расходе охлаждающей жидкости 0,282 дм³/ч. Это объяснялось тем, что данные условия являются наиболее благоприятными для осуществления реакции химического никелирования. При других сочетаниях условий проведения эксперимента приращение массы пассивных образцов было почти одинаковым, то есть осаждение никеля идет при постоянной скорости по всей поверхности образца. В растворах присадок сравнения ЭКСТРОЛ и NАLCOOL наблюдалось уменьшение массы образцов и эрозионные повреждения поверхности.

Полученные в результате эксперимента данные анализировались методами математической статистики. Были найдены параметры уравнений регрессии изнашивания активных и пассивных образцов в растворах присадки ПВТУ-2002 при различных условиях проведения эксперимента:

- для активного образца:

m = - 69 + 14 C + 6,13 Q - 10 t + 6,38 CQ – 2,13 Ct - 10 Qt ; (29)

- для пассивного образца:

m = - 531 + 465 C - 127 Q - 81 t + 144 CQ + 81 Ct - 60 Qt . (30)

где C - концентрация присадки; Q - расход охлаждающей жидкости; t - температура охлаждающей жидкости.

1. 
   Проведен анализ существующих методик расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок судовых дизелей и дана их оценка с точки зрения учета ими условий, существенно влияющих на параметры вибраций втулок.
   
2. 
   Разработана математическая модель, которая адекватно описывает физические процессы возбуждения и протекания колебаний цилиндровых втулок в ходе рабочего процесса, что подтверждается согласованием расчетных кривых с экспериментальной осциллограммой вибраций втулки работающего двигателя. Показано, что разработанная модель позволяет вести расчет вибрационных характеристик при любом количестве опор и учитывать физические условия закрепления втулки в блоке без нарушения общности расчетных методик. Показано также, что полученная модель может использоваться для оценки влияния конструкционных изменений втулок на уровни их вибрации и напряжений и, следовательно, использоваться для разработки оптимальных конструкций.
   
3. 
   Разработана имитационная модель втулки и поставлен виртуальный эксперимент в среде автоматизированного проектирования Electronics Workbench для втулки двигателя 4Ч8,5/11, в ходе которого были получены осциллограммы вибраций, вызванных импульсным воздействием, и определена частота свободных затухающих колебаний. Разработанная модель позволяет определять характеристики процесса вибраций цилиндровых втулок на стадии их проектирования и тем самым предотвращать возможность кавитационных явлений в системах охлаждения дизелей.
   
4. 
   Проверена адекватность разработанных моделей путем постановки физического эксперимента по определению частоты колебаний втулки 4Ч8,5/11. Получено хорошее согласование данных натурного и виртуального экспериментов с данными, рассчитанными с помощью математической модели.
   
5. 
   С помощью разработанных моделей для втулки двигателя 4Ч8,5/11 проведена оценка наиболее подверженных коррозионно-эрозионному разрушению зон поверхности со стороны охлаждения. Показано, что расчетные показатели текущего объемного износа и критерия кавитационного изнашивания для данной конструкции монотонно возрастают вдоль оси цилиндра и достигают максимальных значений в районе нижнего посадочного пояса. Показано согласование расчетных показателей с фактической картиной разрушения втулки этого типа.
   
6. 
   Выполнены расчеты вибрационных напряжений для втулки двигателя 4Ч8,5/11. Установлено, что максимум вибрационных напряжений наблюдается в зоне верхнего опорного бурта втулки. Определена амплитуда асимметричного цикла растягивающих напряжений в опасном сечении бурта втулки в зависимости от периода рабочего процесса двигателя.
   
7. 
   Выполнена оценка влияния упругого демпфера деформациям втулки в районе верхнего посадочного бурта на уровень напряжений, а также на показатели текущего объемного износа и критерия кавитационного изнашивания. Показано, что установка демпфирующей прокладки под буртом втулки приводит к снижению амплитуд вибрационных напряжений в опасном сечении бурта на порядок, снижая вероятность образования усталостных трещин в галтелях, а также к снижению показателей текущего объемного износа и критерия кавитационного изнашивания в районе нижнего посадочного пояса.
   

9. Создана качественно новая присадка к воде теплоэнергетических установок (ПВТУ-2002), обладающая высокой адсорбционной способностью и позволяющая создать на защищаемой поверхности высокопрочное антиэрозионное покрытие путем безтокового никелирования.

10. Проведено экспериментальное исследование антиэрозионных свойств присадки ПВТУ-2002 в сравнении с применяемыми в эксплуатации присадками ЭСТРОЛ и NALCOOL экспресс методом на лабораторном стенде с использованием магнитострикционного вибратора. Присадка ПВТУ-2002 показала самые высокие защитные свойства. Промышленные испытания присадки на эксплуатируемых судовых дизелях подтвердили лабораторные исследования.

11. Выявлено, что в интервале концентраций от 2 до 4% от общей массы охлаждающей жидкости, присадка ПВТУ-2002 обладает стабильными противокоррозионными свойствами и защищает металл от кавитационной эрозии, то есть осуществляет комплексную защиту теплообменных поверхностей систем охлаждения.

12. Разработаны регрессионные модели зависимости величины разрушения образцов от концентрации присадки ПВТУ-2002 при различных значениях температуры и расхода охлаждающей жидкости.

Результаты, полученные в диссертации, позволяют сделать вывод, что сформулированная в начале исследований цель о разработке основ комплексного решения проблемы повышения надежности элементов цилиндро-поршневой группы судовых дизелей, в частности цилиндровых втулок, достигнута.

1. Пимошенко А.П., Валишин А.Г. Комплексные методы повышения надежности цилиндровых втулок судовых дизелей: Учеб. пособие – М.: Колос, 2007. - 168 с.

2. Пимошенко А.П., Валишин А.Г., Комовникова Г.Г., Рюмин И.В., Астраух О.В. Присадка к воде теплоэнергетических установок. Патент на изобретение № 2192505 от 10.11.2002.

3. Валишин А.Г., Астраух О.В. Комплексная присадка к системам охлаждения дизелей // Двигателестроение: - 2003. - № 4. – С. 44-45.

4. Валишин А.Г., Астраух О.В. Исследование влияния поверхностно-активных свойств присадки на электрокапиллярные явления на границе раздела фаз системы газ – жидкость // Безопасность мореплавания и надежность судовых технических средств: Труды БГАРФ. - Вып. № 57. - СПб: Наука, 2005. - С. 242-252.

5. Пимошенко А.П., Валишин А.Г., Шабанов В.Г. Использование энергетического принципа при выборе способа повышения кавитационной стойкости цилиндровых втулок двигателей (статья) // Безопасность мореплавания и надежность судовых технических средств: Труды БГАРФ. - Вып. № 57. - СПб: Наука, 2005. - С. 207-217.

6. Валишин А.Г. Использование метода линейных механических цепей для моделирования вибрационных характеристик цилиндровых втулок судовых дизелей // Вестник Астраханского техн. университета - 2005. - № 4. – С. 116-121.

7. Валишин А.Г., Порошина С.О. Методика расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС.: Тез. докл. XXVI Российской школы по проблемам науки и технологий. - Миасс.: УрО РАН, 2006. - С. 196-198.

8. Валишин А.Г., Порошина С.О. Методика расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС / В кн.: Наука и технологии. Том 1. Труды XXVI Российской школы. - М.: РАН, 2006. – С. 240-247.

9. Валишин А.Г., Порошина С.О. Моделирование вибраций цилиндровых втулок ДВС методом электро-механических аналогий. // Двигателестроение. – 2007. - № 1. - С. 10-12.

10. Валишин А.Г., Пимошенко А.П., Астраух О.В. Исследование адсорбционной способности присадки к воде теплоэнергетических установок // Безопасность мореплавания и надежность судовых технических средств: Труды БГАРФ. - Вып. № 57. - СПб: Наука, 2005. - С. 236-242.

11. Валишин А.Г., Астраух О.В. Особенности практического применения присадки ПВТУ-2002 // Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSN’2005: Сб. матер. V Международной конференции - Калининград: БГАРФ, 2005. - С. 138-140.

12. Valishin A. Application of the linear mechanical chains method for the modeling of vibration characteristics of the cylinder liners in ships diesel engines // Zeszyty naukowa NR 10(82), EXPO – SHIP 2006, Akademia morska w Szczecinie, 2005 - P 391-397.

13. Valishin A., Pimoshenko A. Development and testing of a new kind of additive // Zeszyty naukowa NR 10(82), EXPO – SHIP 2006, Akademia morska w Szczecinie, 2005 - P 399-406.

14. Валишин А.Г., Порошина С.О. Математическое моделирование при исследовании колебаний цилиндровых втулок в ДВС: Пятая международная конференция «Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSN’2005». - Калининград: БГАРФ, 2006. - С. 220-226.

15. Валишин А.Г., Пимошенко А.П., Шабанов В.Г. Присадка для систем охлаждения двигателей внутреннего сгорания. // Материалы 26 международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» - Ялта: 2006. - С. 290-291.