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

СНОВЫ КОМПЛЕКСНОГО РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Калининград - 2008

Работа выполнена в Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ

Мясников Юрий Николаевич;

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: ФГУ «ГИПРОРЫБФЛОТ»

Защита состоится 15 мая 2008 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д223.002.02 при Государственной морской академии им. адм. С.О. Макарова по адресу: г. Санкт-Петербург, ВО, Косая линия, 15.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГМА им. адм. С.О.Макарова по адресу: г. Санкт-Петербург, ВО, Косая линия, 15.

Автореферат разослан «____» февраля 2008 г.

Диссертационного совета,

доктор технических наук,

профессор Петухов Валерий Александрович

Колебания втулок, а также пульсация рабочего давления в цилиндрах двигателей создают условия циклического нагружения бурта и как следствие, образование усталостных трещин в галтелях бурта втулки. В диссертации проведены исследования влияния циклических нагрузок на напряженность материала бурта втулки, разработаны мероприятия по снижению напряжений методом демпфирования.

Поскольку основной причиной вибрации цилиндровых втулок являются ударные импульсы поршней при перекладках шатуна, то ряд разделов диссертационной работы посвящен определению параметров вибрации цилиндровых втулок тронковых дизелей методами математического и виртуального моделирования. На основе учета динамических нагрузок разработана математическая модель для определения частоты колебаний цилиндровой втулки, представляющая результирующую частоту колебаний втулки как сумму частоты свободных колебаний и частоты вынужденных колебаний от изменения давления газов в цилиндре. Доказана адекватность полученной математической модели реальным процессам путем сопоставления её с моделью, разработанной в виртуальной среде «Electronics Workbench» и проведенным физическим экспериментом с цилиндровой втулкой судового дизеля 4Ч 8,5/ 11 на стендовой установке.

Разработана методика демпфирования колебаний цилиндровых втулок путем установки упругой прокладки под буртом.

Разработана и испытана присадка нового типа к системам охлаждения судовых дизелей, показавшая высокую эффективность защиты поверхностей охлаждения от коррозионного и эрозионного разрушений. Показана практическая реализация разработанных в процессе исследования теоретических результатов. Получен патент на разработанную присадку.

Актуальность проблемы. Коррозионно-эрозионное изнашивание в системах жидкостного охлаждения дизелей является фактором, снижающим их эксплуатационную надежность. Статистика отказов свидетельствует, что выбраковка цилиндровых втулок средне- и высокооборотных двигателей часто происходит по причине эрозионных повреждений боковой поверхности и на посадочных поясах. Примерно столько же втулок выбраковывают из-за трещин под посадочными буртами. При этом по износу «зеркала» цилиндра наработка втулок составляет не более 60% от расчетного ресурса.

Согласно современным представлениям, эрозионные разрушения цилиндровых втулок развиваются в виде одновременно протекающих с различной интенсивностью процессов чисто механического разрушения при кавитационной эрозии и коррозии.

Анализ причин коррозионно-эрозионных повреждений стенок втулок и образования трещин под посадочными буртами, позволяют сделать вывод, что полностью исключить эти процессы в большинстве случаев невозможно. Однако изменения конструкции цилиндровых втулок, ведущих к снижению уровня вибраций, позволяют снизить интенсивность эрозионных разрушений и величину напряжений в опасных сечениях буртов и тем самым продлить срок службы втулок.

Методологическую и теоретическую основу исследования вибрационных процессов цилиндровых втулок и оценки их влияния на эрозионное разрушение составили труды ученых Л.И. Погодаева, А.А. Самарского, С.Н. Кана, С.П. Тимошенко, Н.Н. Иванченко, А.А. Скуридина, А.П. Пимошенко, О.К. Безюкова, В.В. Пахолко.

Несмотря на глубокие и обстоятельные исследования ученых в области коррозионно-эрозионного разрушения поверхностей охлаждения судовых дизелей, такие актуальные вопросы как влияние конструкционных особенностей втулок на уровни их вибраций и напряжений, учет фактических условий закрепления втулок в блоке цилиндров при создании расчетных моделей, проверка расчетов уровней вибраций цилиндровых втулок, разработка методов демпфирования колебаний и снижения кавитации охлаждающей жидкости продолжают оставаться не до конца решенными.

Существующие в настоящее время методики расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок не в полной мере отвечают задачам разработки оптимальных конструкций. Отсутствие учета фактических условий закрепления втулки в блоке и воздействия на стенки сил газового давления в цилиндре, а также использование в методиках расчета эмпирических коэффициентов, приводят к сложности определения распределения амплитуд вибраций по поверхности втулки и применения данных методик на этапе конструирования детали.

Поэтому необходимость усовершенствования методов расчета и разработки новых подходов к оценке вибрационных характеристик цилиндровых втулок обусловлена также тем, что при расчете ресурса втулки требуется учитывать неравномерность распределения и наличие локальных зон разрушений, обусловленных повышенными значениями виброускорений и напряжений в этих зонах.

Среди способов повышения коррозионно-эрозионной стойкости цилиндровых втулок, а также блоков дизелей можно выделить три основных направления: конструктивные улучшения деталей цилиндро-поршневой группы, технологическая обработка материала втулки и использование различных эксплуатационных мероприятий по снижению интенсивности коррозионно-эрозионных разрушений поверхностей охлаждения. Если конструктивные и технологические мероприятия, проводимые на стадии проектирования и изготовления двигателя, решают проблему повышения надежности строящихся машин, то повышение коррозионно-эрозионной стойкости охлаждаемых деталей эксплуатируемых дизелей должно решаться путем снижения агрессивного воздействия охлаждающей среды. Это может быть достигнуто применением специальных присадок комплексного воздействия, позволяющих снизить скорости процессов коррозии и эрозии. Таким образом, проблема повышения надежности втулок и блоков цилиндров судовых дизелей является актуальной для всех типов двигателей.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. 
   Выполнить всесторонний анализ существующих методик расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок дизелей с оценкой их теоретической базы.
   
2. 
   Разработать математическую модель втулки, которая позволяет вести расчет вибрационных характеристик при любом количестве опор и их взаимном расположении с учетом условий посадки втулки на этих опорах и при возбуждении колебаний ударом поршня и силами газового давления в цилиндре.
   
3. 
   Создать имитационную модель втулки с постановкой виртуального эксперимента для оценки ее вибрационных характеристик.
   
4. 
   Разработать имитационную модель демпфирующего устройства и методику выбора его механических характеристик.
   
5. 
   Провести физический эксперимент для проверки адекватности разработанных моделей.
   
6. 
   Разработать присадку к охлаждающей жидкости, которая осуществляла бы комплексную защиту теплообменных поверхностей систем охлаждения судовых дизелей от коррозионно-эрозионного повреждения.
   

- методы расчета характеристик вибраций втулки, основанные на различных модификациях математической модели для различных условий заделки втулки в блоке цилиндров;

- имитационная модель втулки на основе методов электромеханических аналогий и постановка виртуальных экспериментов с её помощью в среде Electronics Workbench;

- результаты исследования влияния сопротивлений упругим деформациям в местах закрепления втулок на их вибрационные характеристики;

- основы моделирования и расчета параметров демпфирующих устройств цилиндровых втулок;

- состав и технология использования новой присадки к охлаждающей жидкости судовых дизелей, позволяющей осуществлять комплексную защиту поверхностей охлаждения от коррозионных и эрозионных разрушений.

- результаты исследования антиэрозионных свойств новой присадки на чугунных образцах с учетом её поверхностной и адсорбционной способностей;

- методика контроля концентрации присадки в охлаждающей жидкости.

Для исследования процесса вибраций цилиндровых втулок был применен метод компьютерной имитации путем реализации на ЭВМ виртуальной математической модели, включающей систему динамических уравнений. При переходе от механических параметров модели к электрическим использовался метод электро-механических аналогий. Для обработки экспериментальных данных, полученных в ходе натурного эксперимента, применялись методы математической статистики и теории вероятностей.

Достоверность полученных результатов была подтверждена их проверкой на стендовой установке путем проведения измерений вибрационных характеристик цилиндровой втулки судового дизеля 4Ч8,5/11.
Эффективность разработанной присадки проверялась на стендовой установке с использованием магнитострикционного вибратора, широко используемого в практике исследования эрозионного разрушения металлов.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработана математическая модель процесса вибрации втулки, позволяющая вести расчет вибрационных характеристик при любом количестве опор и любом их взаимном расположении с учетом условий посадки втулки на этих опорах при совместном возбуждении колебаний ударом поршня и силами газового давления в цилиндре;

- разработана имитационная модель втулки и выполнен виртуальный эксперимент для получения ее вибрационных характеристик путем измерений в виртуальной среде;

-разработана имитационная модель и методика определения параметров демпфирующего устройства;

- разработана присадка для охлаждающей жидкости, обладающая высокими антикоррозионными и антиэрозионными свойствами, обеспечивающая комплексную защиту теплообменных поверхностей систем охлаждения судовых дизелей.

Практическая ценность работы. Разработаны математическая и имитационная модели цилиндровых втулок и процедуры их использования, которые обеспечивают получение данных о вибрационных параметрах втулок без проведения натурных испытаний, что позволяет осуществлять подбор оптимальных конструктивных решений на этапе проектирования и осуществлять демпфирование вибраций втулок при эксплуатации дизелей.

На основе результатов использования разработанной математической модели получены практические данные влияния условий закрепления втулки в блоке на частоту и амплитуду вибраций, а также на величину вибрационных напряжений в области бурта втулки дизеля.

Практическая ценность разработанной присадки к воде теплоэнергетических установок подтверждена патентом на изобретение № 2192505, выданным Российским агентством по патентам и товарным знакам 10 ноября 2002 г.

Присадка испытана и принята к использованию на судах Управления технологического флота ОАО «Лукойл – Калининградморнефть».

Результаты работы приняты к внедрению в Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота в учебном процессе и реализованы в научной работе студентов и аспирантов судомеханического факультета.

Апробация работ. Основные научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на Пятой международной конференции «Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSN’2005» (г. Калининград, БГАРФ); научно-технической конференции «Наука и образование - 2005» (г. Мурманск, МГТУ); научно-техни-ческой конференции «XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий» (г. Миасс, 2006); 4 MIEDZYNARODOWA KOFERENCJA NAUKOWO – TECHNICZNA «EXPO – SHIP 2006» (Szczecin, Akademia morska);

Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты многолетних исследований, полученных автором самостоятельно, а также совместно с аспирантами, работавшими под руководством автора.

Лично автору принадлежат:

- разработка математической модели цилиндровой втулки;

- выбор и постановка задач по разработке и исследованию процессов вибраций цилиндровых втулок судовых дизелей;

- разработка программ и конкретизация теоретических и экспериментальных направлений исследования процессов вибрации цилиндровых втулок и создание комплексной присадки к системам охлаждения дизелей;

- разработка имитационной модели втулки цилиндра и постановка виртуального эксперимента;

- разработка стендовой установки и проведение натурного эксперимента по определению вибрационных характеристик цилиндровой втулки дизеля;

- разработка имитационной модели демпфирующего устройства цилиндровых втулок и создание методики выбора его механических характеристик.

Показана актуальность работы, раскрыта сущность проблемы и новизна, сформулированы основные цели и задачи исследования.

Наиболее значительный вклад в разработку методов защиты поверхностей охлаждения судовых ДВС от коррозионно-эрозионного разрушения внесли Н.Н. Иванченко, А.А. Скуридин, Л.И. Погодаев, А.П. Пимошенко, И.С. Полипанов, О.К. Безюкова, В.В. Пахолко.

Установлено, что коррозионно-эрозионное изнашивание внутренних полостей систем охлаждения судовых ДВС происходит под воздействием целого комплекса различных по своей природе факторов, а механизм самого разрушения весьма сложен, так как имеет место совокупность происходящих почти одновременно механических, химических, тепловых и электрохимических процессов. Основную причину таких разрушений деталей дизелей все исследователи усматривают в генерировании звукового давления в охлаждающей жидкости колебаниями цилиндровых втулок, возникающего вследствие воздействия ударных импульсов поршня при перекладках шатуна и порождающие явление поверхностной кавитации. Поэтому эффективными путями снижения процесса коррозионно-эрозионного разрушения деталей многие исследователи считали конструктивные мероприятия, которые позво-ляли бы создавать узлы и детали дизеля с заданными характеристиками: либо с высокой эрозионной стойкостью, либо с высокими демпфирующими свойствами, не создающими высокие звуковые давления в охлаждающей жидкости при их колебании.

Технологические мероприятия по повышению коррозионно-эрозионной стойкости охлаждаемых поверхностей чаще всего сводились к рациональному выбору материалов и покрытий, к разработке технологий изготовления и упрочнения деталей, нанесения защитных покрытий на их поверхности.

Для изготовления цилиндровых втулок обычно применяется серый чугун, недостатками которого является низкая коррозионно-эрозионная стойкость и механическая прочность. Повышение износостойкости серого чугуна достигается за счет введения в его состав легирующих присадок. Однако дополнительное легирование незначительно повышает кавитационную стойкость цилиндровых втулок.

Комплекс повышенных эксплуатационных характеристик материала цилиндровых втулок может быть обеспечен путем биметаллизации. Наиболее широкое распространение производства биметаллических цилиндровых втулок получили следующие способы: получение чугунного слоя в стальной отливке непосредственно при литье и центробежное поочередное литье стали и чугуна. Изготовленные такими способами биметаллические сталь-чугунные втулки для двигателя 6Д50М (по данным профессора Пимошенко А.П.) после 10 тыс. часов работы имели показатели износа рабочей поверхности в пределах нормы.

Среди других технологических мероприятий по защите полостей охлаждения ДВС от кавитационно-коррозионных разрушений широко применяются защитные металлические покрытия. Обычно для этого используется электролитически осажденный хром. Применение хромовых покрытий существенно увеличивает срок службы втулки при невысоких уровнях вибрации. Однако при более высокой интенсивности вибрации происходит отслоение хромового покрытия от поверхности втулки. Энергия, схлопывания каверн инициирует «рождение» новых каверн в объеме жидкости, удаленном от поверхности. Такое вторичное рождение повторяется несколько раз в зависимости от интенсивности генерируемой звуковой волны. В этом случае увеличиваются разрушения противолежащих стенок блока. Конструктивные и технологические мероприятия являются достаточно эффективными способами защиты охлаждаемых поверхностей от эрозионных разрушений, и они должны быть предусмотрены на стадии проектирования и изготовления двигателя, в то время как на работающих дизелях должны применяться эксплуатационные способы снижения интенсивности коррозионно-эрозионных разрушений, включающие в себя водоподготовку и применение различных специальных присадок. По реализации механизма защиты присадки делятся на два типа: замедлители коррозии и эмульгирующие. Первый тип – это неорганические присадки. Наиболее широкое применение получили присадки на основе хроматов и бихроматов, а также ингибиторы борнитритного и силикатного типов. Они являются анодными замедлителями коррозии, однако не защищают металл от эрозионных разрушений. Кроме того, эффективность этих присадок зависит от их концентрации в воде, что требует постоянного контроля.

Кроме неорганических присадок для защиты систем охлаждения дизелей широкое распространение получили эмульгирующие присадки органического происхождения. Они хорошо растворяются в воде и создают высокодисперсную эмульсию типа «масло-вода», которая повышает демпфирующие свойства охлаждающей жидкости. Однако защитные свойства этих присадок ограничиваются сравнительно низким пределом интенсивности колебания втулок, их термостабильность не превышает 180^о С, а также они оказывают разрушающее воздействие на детали, изготовленные из резины, и при длительном использовании образуют на поверхностях охлаждения слои отложений, нарушающие процесс теплопередачи.

Анализируя отмеченные проблемы обеспечения защиты поверхностей охлаждения от коррозионно-эрозионного разрушения, можно сделать следующие предположения:

- повышение коррозионно-эрозионной стойкости охлаждаемых деталей, в частности цилиндровых втулок, связано со снижением их вибрационной активности. При этом необходимо отметить, что существующие методики не позволяют адекватно определять вибрационные параметры (частоту колебаний и амплитуду), вследствие их перегруженности эмпирическими коэффициентами;

- для эксплуатируемых дизелей применение присадок к охлаждающим жидкостям является наиболее простым и достаточно дешевым способом защиты. Поэтому для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научно-технические задачи:

-разработать методику расчета параметров вибрации цилиндровых втулок с учетом тех силовых факторов, которые воздействуют на втулку (ударный импульс от поршня, пульсация давления газов в цилиндре);

- разработать методику расчета демпфирующих устройств для снижения вибрационных параметров колебания цилиндровых втулок;

- разработать качественный и количественный состав присадки для охлаждающей жидкости;

• 
  исследовать поверхностные и антиэрозионные свойства присадки;
  
• 
  разработать метод контроля за концентрацией присадки в растворе.