сотрудник
Россия
сотрудник
сотрудник
Россия
аспирант
Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
В процессе эксплуатации любое техническое изделие, имеющее узлы трения, по мере изнашивания деталей теряет свою работоспособность и в результате не может выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации. На сегодня во всем мире исчерпаны технологические возможности изготовления различных машин и механизмов без заметного износа сопрягаемых поверхностей узлов трения. Износ практически исключить невозможно. Поэтому поиск новых способов для продления ресурса работы технических устройств путем воздействия на поверхности трения является актуальной задачей. Эти требования относятся и к топливной аппаратуре автотракторных и комбайновых дизельных двигателей. В данной работе проведен анализ известных технологий нанесения покрытий для упрочнения и восстановления деталей топливной аппаратуры. Сформулирована методология выбора оптимального процесса нанесения покрытий с целью упрочнения и восстановления деталей топливной аппаратуры. В соответствии с данной концепцией выбора технологии повышения долговечности деталей топливной аппаратуры финишное плазменное упрочнение с нанесением многослойных износостойких покрытий является перспективной технологией. В работе представлены результаты исследования физико-механических свойств алмазоподобных покрытий типа DLCPateks (a-C:H/a-SiOCN), полученных на поверхностях трения транспортировкой атомарного и молекулярного потока частиц паров жидких химических соединений плазменной струей дугового плазмотрона атмосферного давления. Образуемый на рабочих поверхностях слой представляет собой неметаллическое аморфное многослойное покрытие с низким коэффициентом трения, повышенной микротвердостью, химической инертностью, гидрофильностью, высокой жаростойкостью и диэлектрическими характеристиками. Чтобы минимизировать возможную дефектность основного материала на заключительной стадии изготовления деталей топливной аппаратуры предлагается наносить на них тонкопленочные покрытия.
восстановление, покрытие, финишное плазменное упрочнение, износ, шероховатость, твердость, износостойкость, ресурс
Топливная аппаратура включает в себя топливный насос высокого давления (ТНВД), муфту опережения впрыскивания топлива (АМОВТ), регулятор подачи количества топлива в цилиндры (РОВ), топливный насос низкого давления (ТННД) и форсунки. Практика показывает, что порядка 25-30 % всех отказов дизельных двигателей приходится на топливную аппаратуру. Из этих отказов 60 % доли приходится на ТНВД (рисунок 1). У ремонтников принято считать, что основной износ в ТНВД связан с плунжерной парой. Однако исследования показали, что большинство подвижных сопряжений при первом же техническом обслуживании ТНВД требуют восстановления своих геометрических размеров (рисунок 2). Лишь часть подвижных сопряжений (поз. 5,6,8 – 11) могут находиться в пределах своих допустимых параметров до следующего технического обслуживания. Следовательно, при ремонте ТНВД возникает необходимость восстановления не только плунжерных пар, но и всех деталей его кинематической цепи [1].
В связи с этим разработка эффективных технологий упрочнения и восстановления деталей топливной аппаратуры является перспективным направлением исследований [1 – 11].
Величина износа деталей топливной аппаратуры, в большинстве случаев, не превышает 0,2-5 мкм, поэтому возможно применение тонкопленочных покрытий при их восстановлении.
Топография поверхностного слоя стали ШХ-15 представлена на рис. 3. Условия эксплуатации ТНВД облегчают деформирование (пластифицирование) поверхностного слоя деталей трибосопряжений (эффект Ребиндера). При этом пленка топлива в условиях минимальных зазоров имеет тенденцию к разрыву, что приводит к схватыванию выступов одной поверхности трения с другой [12]. С целью обеспечения антисхватывающих свойств целесообразно на поверхности трения наносить химически инертные покрытия, например, из неметаллических материалов.
В качестве оценки износостойкости деталей топливной аппаратуры в зависимости от качества материалов и технологий их изготовления может служить анализ физико-механических свойств поверхностного слоя, трибологических характеристик в условиях трения скольжения, параметров шероховатости, распределения технологических остаточных напряжений по глубине и результатов испытаний на микроабразивный износ.
Применяемые материалы и методика проведения исследований. При исследовании свойств покрытия DLCPateks, нанесенного по технологии ФПУ, в качестве материала подложки использовалась термообработанная сталь ШХ15. Толщина нанесенного покрытия, измеренная методом калотестирования с использованием Tribotester PC101 (Плазмацентр, Россия), составляла порядка 1 мкм. Физико-механические характеристики покрытия
определялись наноиндентором TI 750Ubi (Hysitron, США). Коэффициент трения покрытия DLCPateks измерялся при испытаниях на трибометре TRB-S-DE (CSM-Instruments, Швейцария) по схеме «шар-диск» с использованием шаров диаметром 3 мм, изготовленных из нитрида кремния Si3N4. Нагрузка на контртело составляла 5 Н. Линейная скорость скольжения - 10 см/с. Путь трения – 80-100 м. При испытаниях применялось моторное масло Nissan SAE 5W-40. Исследования аморфности покрытия проводились с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEM 2100 (JEOL, Япония). Для измерений параметров шероховатости по EN ISO 13565-2:1996 использовался измерительно-вычислительный комплекс «Профиль». Адгезия покрытия DLCPateks к стали ШХ15 измерялась сканирующим нанотвердомером НаноСкан-3D (Россия) методом скреч-тестирования (scratch test) с определением нагрузки начала разрушения при продольном перемещении и переменном её усилии на алмазный индентор Берковича.
Результаты исследований и их обсуждение. Анализ существующих технологий получения износостойких тонкопленочных покрытий для упрочнения и восстановления деталей топливной аппаратуры позволяет их условно разбить на три группы:
1. Твердость ≤ 5 ГПа (менее твердости основного материала)
- фрикционно-механическое латунирование. Недостатки – повышенная трудоемкость из-за индивидуальной обработки деталей, неэффективность применения для серийных изделий.
- Алюмохромофосфатирование. Недостатки – многостадийность, высокая температура (600-620°С) и длительность процесса.
- Электрохимикомеханическая обработка с использованием реновационной жидкости в виде раствора полиэтиленгликоля с цинком. Недостатки – сложность контроля за изменением геометрических размеров деталей топливной аппаратуры, временем их повышенной долговечности, трудность определения необходимого количества реновационной жидкости для длительной эксплуатации.
- Ионно-плазменное напыление покрытия TiN-Cu-MoS2. Недостатки – возможность снижения твердости деталей с низкой температурой отпуска из-за повышенных температур процесса, не высокая адгезионная прочность покрытия.
- Электроискровое нанесение медно-графитовых покрытий. Недостатки - необходимость окончательной операции доводки, наведение растягивающих напряжений в поверхностном слое, возможная несплошность покрытия.
1. Шарифуллин С.Н. Повышение эксплуатационной надежности топливных насосов высокого давления автотракторных дизельных двигателей: дис… д-ра техн. наук: 05.20.03 /Шарифуллин Саид Насибуллович. - М., 2009. - 369 с.
2. Тополянский П.А. Испытания трибологических покрытий на микроабразивное изнашивание /П.А. Тополянский, С.А. Ермаков, А.П. Тополянский. //Механика и трибология транспортных систем. Ростов-на-Дону, 8-10.11.2016 г.: в 2 т. - Ростов н/Д: ФГБОУ ВО РГУПС. - 2016. - Т. 2. - С. 217 - 223.
3. Адигамов Н.Р. Плазменные технологии в повышении эффективности работы топливных насосов высокого давления дизельных двигателей / Н.Р. Адигамов, В.П. Лялякин, Р.Ю. Соловьев, С.Н. Шарифуллин. //Сварочное производство. - 2016. - № 2. - С. 49 - 51.
4. S.N. Sharifullin. Improving the quality indicators fuel pump of plasma technology /S.N. Sharifullin, A.S. Pirogova //IOP Conference Series: Journal of Physics: Conf. Series. - 2017. - V. 789. doihttps://doi.org/10.1088/1742-6596/789/1/012051
5. R. Y. Solovev Plasma technology for increase of operating high pressure fuel pump diesel engines /R. Y. Solovev, S. N. Sharifullin, N. R. Adigamov //IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - V. 669. doihttps://doi.org/10.1088/1742-6596/669/1/012050.
6. Sharifullin, S.N. On the mechanism of formation of wear-resistant coatings on the friction surfaces of technical products in the presence of these drugs Tribo / S.N. Sharifullin, A.V. Dunayev //IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 134 (2016). doihttps://doi.org/10.1088/1757-899X/134/1/012025.
7. Dounaev, A., Sharifullin, S. Friction surfaces modification using tribo-compounds (2014) World Applied Sciences Journal, 31 (2), pp. 272-276.
8. SharifullinS.N. Surface hardening of cutting elements agricultural machinery vibro arc plasma /S. N. Sharifullin, N. R. Adigamov, N. N. Adigamov, R. Y. Solovev, K. S. Arakcheeva //IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - V. 669. doihttps://doi.org/10.1088/1742-6596/669/1/012049.
9. Варнаков Д.В. Теоретические основы концепции технического сервиса машин по фактическому состоянию на основе оценки их параметрической надежности// Д.В. Варнаков, О.Н. Дидманидзе // Аграрная наука Евро-Северо-востокаю - 2017 . - №2(57). - С. 67-71.
10. Варнаков В.В. Улучшение эксплуатационных свойств углеводородных топлив на основе резоонансного крекинг-процесса как способ повышения эффективности работы двигателя / В.В. Варнаков, О.Н. Дидманидзе, Д.В. Варнаков, Е.В. Ботоногов // Ремонт. Восстановление. Модернизация. - 2009. - №6. - С. 20-23.
11. Жачкин С.Ю. Повышение адгезии гальванических композитных покрытий, используемых при восстановлении плунжерных пар ТНВД /С.Ю. Жачкин, М.Н. Краснова, Н.А. Пеньков, А.И. Краснов,// Труды ГОСНИТИ. - М, 2015. - Т. 119. - Ч 1. - С. 54 - 60.
12. Лозовский В.Н. Надежность и долговечность золотниковых и плунжерных пар /В.Н. Лозовский. - М.: Машиностроение. - 1979. - 135 с.
13. Соснин Н.А., Ермаков С.А., Тополянский П.А. Плазменные технологии. Руководство для инженеров. Санкт-Петербург: Изд-во Политехнического ун-та. 2013. - 406 с.
