ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ КОМПРЕССОРОВ ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЛЕКСНЫХ ПОКРЫТИЙ (НА ПРИМЕРЕ АВТОМОБИЛЕЙ

Из (1) видно, что максимальное значение ресурса обеспечивается приработочным эффектом и высокой износостойкостью поверхностных слоев HB1(2), HB2(1). Таким образом, для повышения ресурса трибосопряжения необходимо наличие в поверхностных слоях деталей соединений с малым сопротивлением сдвигу, улучшающих приработку в начальный период работы, а в более глубоких слоях соединений высокой твердости, обеспечивающих износостойкость в установившемся режиме работы. Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют комплексные химические покрытия. Кроме того, такие покрытия обладают рядом других достоинств: низкотемпературный режим обработки (130–150 °С), что позволяет получать покрытия на сложнонапряженных и тонкостенных деталях без коробления последних; простота технологии нанесения покрытий; дешевизна и доступность химикатов и их экологичность.

Для создания математической модели изнашивания деталей трибосопряжения была использована компьютерная программа Simulink, которая является приложением к пакету MATLAB (Version 7.2.0.232, License Number 161051). При моделировании с использованием Simulink пользователь на экране из библиотеки стандартных или своих блоков создает математическую модель и осуществляет расчеты.

Структурная схема математической модели изменения износа во времени представлена на рис. 1.

Рисунок 1 – Структурная схема математической модели изменения износа

Блоки In1, In2 подсистемы являются ее входом. Сигнал, подаваемый на входной порт подсистемы через блок, передается внутрь подсистемы. В нашем случае входной порт In1 будет показывать величину HB твердости детали. Блок In2 передает значение пластичности поверхностного слоя . Блоки U0, U1 являются источниками линейно изменяющегося воздействия. Блок Saturation устанавливает значение износа, полученного при приработке. Umax – блок, содержащий значение максимального износа, останавливающий (блок Stop Simulation) работу модели при выполнении определенного равенства (блок Relational Operator). Блок Product выполняет умножение сигналов его входов. Out1 – блок, выводящий на виртуальный осциллограф U графики износа или на цифровой дисплей, отображающий значение сигнала в виде числа. Результат моделирования представлен на рис. 2.

Рисунок 2 – Графики износа поверхности: 1 – без покрытия, 2 – с покрытием

Также разработаны математические модели изменения температуры в зоне трения и момента от сил трения.

Формирование покрытия на поверхности детали происходит в ванне с раствором химически активных компонентов. За основу был выбран известный состав для сульфидирования, содержащий 48 % воды, 48 % NaOH, 1 % S, 1 % Na2S, 2 % Na2S2O3. Сульфидирование деталей производится при температуре 140–150 °С в течение 50–60 мин. Однако это покрытие, сокращая время приработки трущихся поверхностей, не обеспечивает повышения их износостойкости в установившемся режиме. В ходе анализа химических веществ, способных образовывать с некоторыми металлами и их оксидами соединения высокой твердости, был выбран титан сернокислый Ti2(SO4)3. Для повышения прирабатываемости был добавлен сульфид меди CuS, а для улучшения экологических параметров исключен серноватистокислый натрий, что также положительно сказалось на качестве наносимого покрытия.

При химико-математическом моделировании процесса нанесения антифрикционного износостойкого покрытия установлено взаимодействие компонентов ванны с поверхностью деталей, образующих новые структурные соединения, а также оптимальное соотношение химических компонентов в ванне. В основе построения химико-математической модели лежит основной закон теории химических реакций, гласящий, что скорость химических реакций при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций веществ, участвующих в реакции.

В результате химического взаимодействия основного металла и активных элементов ванны оксид титана TiO2 выпадает в виде осадка и образует покрытие детали, поэтому учитываются только две реакции, в результате которых образуется TiO2:

2Ti2(SO4)3 + 12NaOH = 4Ti(OH)3 + 6Na2SO4,

4Ti(OH)3 + O2 = 4TiO2 + 6H2O.

Толщина покрытия Y(t) пропорциональна массе осадка TiO2X(t), т.е. Y(t) = KX(t), где X(t) – зависимость массы осадка TiO2 от времени; K – коэффициент пропорциональности.

Пусть в момент времени t в результате реакций получилось X(t) = TiO2, причем X(t)=X1(t)+X2(t)

Учитывая молекулярные массы веществ, участвующих в приведенных выше реакциях: M(4Ti(OH)3) = 395,6; M(Ti2(SO4)3) = 767,6; M(6H2O) = 108; M(12NaOH) = 480, а также сами эти реакции, определяем, что на получение X(t) было израсходовано:

Ti2(SO4)3 = ;

NaOH = .

Так как при образовании Ti(OH)4 вода и кислород берутся в избытке, то можно считать, что масса Ti(OH)4 пропорциональна времени. Преобразуя реакции, получаем новое уравнение:

2Ti2(SO4)3 + 12NaOH + O2 = 4TiO2 + 6Na2SO4 + 6H2.

Исходя из основного закона теории химических реакций получим:

.

Коэффициент пропорциональности K1 при фиксированной температуре можно найти опытным путем, но мы определяем его аналитически, добавив несколько начальных условий: X(0) = 0. Концентрации TiO2 в момент времени t1 = 0,5 мин; t2= = 1 мин; t3= 1,5 мин установлены опытным путем: X(0,5) = 0,1, X(1) = 0,2, X(1,5) = 0,3. Находим коэффициент K1, воспользовавшись разностной схемой с шагом t = 0,5, i = 0,12.

Получим среднее значение K1 = 0,0013.

Тогда окончательно x = 0,0013[40 – 1,5x1][400 – 0,9x2].

В результате определено оптимальное содержание компонентов в ванне, химический состав которых обеспечивает образование комплексного покрытия с высокими триботехническими свойствами (табл. 1).

Таблица 1 – Состав ванны для титаномедьсульфидирования

Компонент	Массовая доля, %	Температура, °С	Время выдержки, мин
Вода H2O	51	140–150	50–60
Едкий натр NaOH	40
Сернистый натрий Na2S	1,9
Сульфид меди CuS	4,0
Титан сернокислый Ti2(SO4)3	3,1

Также опытным путем было установлено оптимальное время - 50–60 мин., необходимое для нанесения покрытия на поверхность деталей.

В четвертом разделе «Экспериментальные исследования и их результаты» приведены результаты триботехнических сравнительных испытаний на машине трения, а также результаты стендовых и эксплуатационных испытаний.

Испытания осуществляли согласно разработанной методике, изложенной в разделе 2. Результаты испытаний представлены на рис. 3–5.

Рисунок 3 – Изменение момента трения при испытании образцов на машине трения

Рисунок 4 – Изменение температуры при испытании образцов на машине трения

Как видно, наиболее эффективным оказалось титаномедьсульфидированное покрытие. Момент трения и температура поверхностных слоев в зоне трения стабилизировались уже через 90 мин при моменте трения 4–5 кНсм и температуре 40-45°С, которые оставались постоянными до конца опыта.

Понижение температуры в процессе трения у модифицированных поверхностей можно объяснить тем, что суль­фидные соединения, расположенные в поверхностных слоях, способствуют устранению очагов схватывания, уменьшают и облегчают деформирование соприкасающихся микронеровностей, уменьшают разрушения микроконтак­тов под действием тангенциальных сил, а также лучше адсорбируют смазку на поверхности. При этом процесс приработки протекает без видимого схватывания. Площадь прилегания рабочих поверхностей образцов без покрытия при испытании достигала 85–90%, образцов с комплексными покрытиями – 95–100 %. Нагрузка схватывания увеличилась в 1,8 раза по сравнению с образцами без покрытия.

При этом установлено, что расхождение теоретически полученных значений с экспериментальными данными не превышало 8-10%.

На рис. 5 представлен износ образцов (колодка) при испытаниях на машине трения в течение 180 мин.

Рисунок 5 – Износ образцов (колодок) при испытании на машине трения, г

Снижение износа титаномедьсульфидированных образцов в 1,7 раза по сравнению с образцами без покрытия обусловливается наличием легкодеформируемых сульфидных соединений и образованием в более глубоких слоях соединений высокой твердости на основе титана.

Рентгенофазовый анализ показал, что исходный образец (без покрытия) состоит из -Fe. Обработанный образец более сложен по своему составу. На дифрактограмме появляются дополнительные пики, указывающие на наличие титана, сульфидов, а также меди. Толщина покрытия составила 1,1 мкм. После испытаний на машине трения глубина залегания соединений на основе титана увеличилась в 1,5 раза, что говорит о диффузии атомов титана вглубь матрицы образца. При этом титан внедряется в решетку железа, образуя соединения с общей кристаллографической решеткой типа интерметаллического соединения FeTi, обладающего высокой твердостью. Послойные замеры микротвердости титаномедьсульфидированных образцов показали, что твердость данных соединений на 30 – 50% выше твердости основного металла.

Оценку полученных при стендовых и эксплуатационных испытаниях результатов производили по величине массопотерь поршневых колец и линейного износа шатунных шеек коленчатого вала и цилиндров. Продолжительность эксплуатационных испытаний составляла 25–35 тыс. км. Результаты испытаний показали снижение износа соответствующих деталей экспериментальных компрессоров в 1,5–1,7 раза по сравнению с серийными (рис. 6–7).

Рисунок 6 – Результаты стендовых испытаний

Рисунок 7 – Результаты эксплуатационных испытаний

Это позволяет повысить прогнозируемый ресурс компрессоров автомобилей КамАЗ на 40-50%.

На рис. 8 представлена схема технологического процесса нанесения титаномедьсульфидированного покрытия.

Технология нанесения комплексного покрытия внедрена на ряде предприятий Саратова и Саратовской области.

Рисунок 8 – Схема технологического процесса титаномедьсульфидирования деталей компрессоров автомобилей КамАЗ

В пятом разделе «Технико-экономическая оценка результатов исследований» рассчитан экономический эффект от внедрения в производство комплексного покрытия. Он составляет 136 815 руб. при годовой производственной программе 500 компрессоров автомобилей КамАЗ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных и патентных источников показал, что наибольший процент отказов автомобилей КамАЗ при эксплуатации приходится на двигатель – до 30 %, а на компрессор 8–10 %. Одними из наиболее «слабых» узлов компрессоров тормозной системы автомобилей КамАЗ являются трибосопряжения «поршневое кольцо – цилиндр» и «коленчатый вал – вкладыш».
2. Теоретически обоснован способ повышения долговечности ресурсоопределяющих трибосопряжений компрессоров. Применение комплексных химических покрытий позволяет увеличить их ресурс на 40–50 %.
3. Разработаны математическая модель изнашивания и химико-математическая модель процесса нанесения комплексного титаномедьсульфидированного покрытия на трущиеся детали компрессоров. При этом установлено, что расхождение теоретически полученных значений с экспериментальными данными не превышало 8-10%. Оптимизирован состав ванны для нанесения покрытия. Наиболее эффективно процесс модифицирования поверхностей деталей протекает при температуре 120-150°С и продолжительности 50–60 мин.
4. Сравнительные триботехнические испытания на машине трения образцов без покрытия и с покрытием показали, что комплексное покрытие обеспечивает снижение момента от сил трения в 2 раза, ускорение процесса приработки в 1,5–1,8 раза и повышение износостойкости в 1,5-1,7 раза по сравнению с серийными образцами без покрытия. Противозадирная стойкость титаномедь­сульфидированных образцов в 2,2 раза выше, чем у образцов без покрытия и в 1,5–1,7 раза выше, чем у боросульфидированных и сульфомолибдированных образцов.
5. Рентгеноструктурными и металлографическими исследованиями установлена двухслойность комплексного покрытия: сульфидный слой улучшает прирабатываемость деталей с наименьшими начальными износами, а упрочненный слой повышает износостойкость трибосопряжения в установившемся режиме. Глубина диффузии атомов титана достигает 1,6 мкм, что способствует улучшению служебных свойств трибосопряжений.
6. Стендовые и эксплуатационные испытания компрессоров тормозной системы автомобилей КамАЗ в условиях предприятий г. Саратова и Саратовской области показали снижение износа их трущихся деталей при использовании комплексного титаномедьсульфидированного покрытия в 1,5–1,8 раза по сравнению с серийными, что позволяет повысить прогнозируемый ресурс компрессоров на 40-50%.
7. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан экономичный и несложный для осуществления в условиях производства технологический процесс упрочнения деталей низкотемпературным титаномедьсульфидированием, обосновано и подобрано оборудование для участка обработки деталей. При программе ремонта 500 компрессоров автомобилей КамАЗ в год экономический эффект от внедрения предлагаемой разработки составит 136815 руб.

Основные положения диссертации

опубликованы в следующих работах:

Подписано в печать 19.08.2010.

Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times.

Печ. л. 1,0. Тираж. 100. Заказ № 328.

ООО «Формат»

410003, г. Саратов, ул. Мясницкая, 54/1