FABO AS TECHNOLOGICAL METHOD OF RESOURCE BOOST IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Бугаев А.М.¹, Игнаткин И.Ю.²

¹Кандидат технических наук, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, г. Москва.

²Кандидат технических наук, ФГБОУ ВО МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва

ФАБО КАК ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ДВС

Аннотация

В статье дан обзор состояния вопроса повышения ресурса двигателей внутреннего сгорания в современном машиностроении. Рассмотрены как наиболее целесообразные направления, так и перспективные конструкторские, технологические и эксплуатационные методы, позволяющие повысить ресурс ДВС. Представлены наиболее удовлетворяющие описанным условиям методы ФАБО. На основе рассмотренных данных сделан вывод о перспективности использования ФАБО как наиболее доступного для промышленной реализации технологического метода повышения ресурса двигателей внутреннего сгорания.

Ключевые слова: поверхность, покрытия, двигатели, ресурс, смазка, износостойкость, трение.

Bugaev A.M.¹, Ignatkin I.U.²

¹PhD in Engineering, RSAU – MAA named after K.A. Timiryazev, Moscow

²PhD in Engineering, Bauman Moscow State Technical University, Moscow

FABO AS TECHNOLOGICAL METHOD OF RESOURCE BOOST IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Abstract

The article provides an overview of an issue related to the increase of the resource of internal combustion engines in modern engineering. It considers both the most appropriate directions and forward-looking design, technological and operational methods aimed at the increase of the engine resource. It provides the most satisfying FABO methods that correspond to the described conditions. Considered data allowed us to make a conclusion concerning the potential of FABO methods as the most affordable technique for the industrial implementation of the process method in order to increase the resources of the internal combustion engine.

Keywords: surface coating, engines, resource, lubrication, wear resistance, friction.

Тема повышения ресурса машин и механизмов в последнее время неумолимо приобретает все более выраженную актуальность. Практически во всех технически и экономически развитых странах на исследования, направленные на создание способов и технологий восстановления деталей машин, подвергшихся износу, повышение надежности подвижных соединений, снижение интенсивности различных видов изнашивания деталей машин и механизмов,  ежегодно тратятся значительные средства.

Указанная ситуация сложилась не только в свете постоянного ужесточения эксплуатационных режимов машин, но и в связи с частым отсутствием обоснованных и подтвержденных объективными критериями методик выбора материалов (как конструкционных, так и смазочных), защитных покрытий и способов обработки для конкретных деталей трибосоединений, работающих в определенных условиях, что особенно странно в свете того, что, как известно, путем повышения качества исполнения взаимодействующих поверхностей деталей пар трения и подбора рациональных материалов и эксплуатационных режимов машин, можно значительно  повысить их ресурс.

Ресурс двигателя в целом зависит от износостойкости и работоспособности отдельных составляющих элементов. Для решения задачи увеличения ресурса двигателей необходимо найти способы увеличения ресурса их  соединений.

За последние годы машиностроительные заводы проделали большую  работу по повышению ресурса и качества изготовления двигателей. Однако в целом их межремонтный ресурс составляет 50…60 % от нормативного [1, С. 12].

Низкий ресурс двигателей приводит к издержкам от простоя тракторов и машин. Ряд авторов объясняют это недостатками технологий изготовления и ремонта,  применением некачественных материалов [2, С. 19].

На современной технике различного назначения наиболее часто применяют четырехтактные дизели различных конструкций. Бензиновые двигатели в качестве силовых установок распространены гораздо реже.

Основные трибосопряжения, являющиеся определяющими для ресурсных показателей двигателя, работают в условиях трения скольжения. Ресурсоопределяющими для двигателей считаются сопряжения «гильза цилиндра - поршневое кольцо» и «коленчатый вал – вкладыш», что заставляет производителей обеспечивать ресурс указанных деталей на уровне 70% ресурса ДВС [3, С. 47].

Назначением поршневых колец является уплотнение камеры сгорания и удаление излишков смазочного материала с зеркала гильзы. При больших значениях износов в паре трения «гильза цилиндра - поршневое кольцо» повышается расход масла.

Несмотря на плотное прижатие поршневых колец к стенкам гильзы цилиндра вследствие действия  сил упругости и давления газов в процессе работы двигателя, между кольцом и гильзой сохраняется масляная пленка толщиной около 10 мкм, препятствующая сухому трение указанных деталей.

Материалами для изготовления гильз цилиндров ДВС как правило служат специальный или серый чугуны. В целях повышения износостойкости поверхностей трения гильз цилиндров и поршневых колец, их термообрабатывают и покрывают износостойкими покрытиями. Так, например, нанесение хрома на поверхность зеркала цилиндра может в несколько раз повысить его износостойкость. Тем не менее, на практике хромированию, как правило, подвергают только поршневые кольца. Связано это в первую очередь с низкими триботехническими характеристиками  пары трения «хром – хром». Основными же материалами для изготовления поршневых колец  являются серый чугун и низкоуглеродистые стали, на боковую поверхность которых наносят износостойкие и приработочные покрытия. Маслосъемные, а также нижние компрессионные кольца могут изготавливают из легированных или углеродистых сталей.

Повышение ресурса двигателей возможно путём реализации конструкторских, технологических и эксплуатационных мероприятий

К эксплуатационным мероприятиям относят использование смазочных масел с присадками в начальный период эксплуатации, а также выбор режимов работы двигателя.

К конструкторским мероприятиям можно отнести: выбор материалов пар трения; создание условий для реализации гидродинамического режима смазки; применение геометрической формы деталей, обеспечивающей требуемую механику контакта; поддержание оптимальных температурных режимов в узлах трения и т.д. В настоящее время в данном направлении выполнен ряд важных исследований, приведших к практическим результатам. Так, например, установлено, что при нормальных условиях работы двигателя большинство поршневых колец образуют бочкообразный профиль, обеспечивающий условия гидродинамической смазки. Испытания колец с искусственно закруглённой образующей показали, что их износ до 10 раз меньше износа обычных колец [4, С. 38].

Повышения маслоудерживающей способности и сопротивляемости задиру гильз цилиндров возможно добиться нанесением маслоудерживающего рельефа в виде лунок или канавок вибронакаткой, плосковершинным хонингованием, что обеспечивает увеличение ресурса гильз до 30%. Широкое распространение для предупреждения задиров получили покрытия колец, наносимые химическим и электрохимическим способами: лужение, кадмирование, меднение, фосфотирование, сульфидирование, железнение, пористое хромирование и т.д. Положительным свойством сульфидных покрытий является их способность при трении и износе выделять серу, которая содействует скольжению и предотвращает задиры в условиях граничного трения. Получили распространение молибденовые покрытия на поршневых кольцах, показавшие хорошие противозадирные и износостойкие качества [4, С. 73].

К технологическим мероприятиям относят как повышение точности изготовления и сборки деталей трибосопряжений, так и применение более совершенных способов обработки поверхностей трения. Во втором случае для повышения ресурса гильз цилиндров применяют специальные методы хонингования: плосковершинное, антифрикционно-деформационное, безабразивное. При помощи антифрикционно-деформационного хонингования на поверхности трения получают прочное антифрикционное покрытие из дисульфида молибдена, графита, меди, олова [5, С. 6]. Подобные методы получили называние «Финишная антифрикционная безабразивная обработка» – ФАБО.

Процесс ФАБО заключается в покрытии поверхности трения деталей тонким (до 7 мкм) слоем твердосмазочного материала, придающего им антифрикционные и противоизносные свойства и повышающего контактную жесткость. Поверхности деталей при фрикционно-механическом способе ФАБО обрабатывают как правило инструментом из твердосмазочных материалов с использованием технологических сред, содержащих ПАВ. Структура покрытия, полученного подобным образом, пористая, что способствует удержанию смазочного материала на контактирующих поверхностях.

При ФАБО фрикционно-химическим способом защитная т.н. «сервовитная» пленка образуется в результате физико-химических процессов, происходящих между рабочей средой и обрабатываемой поверхностью при механической активации последней инструментом, причем в качестве инструментальных могут быть использованы и неметаллические материалы. Необходимые для осуществления процесса удельные нагрузки при применении указанного метода значительно меньше, и не превышают 1,0 МПа, а скорость обработки значительно повышается. Данный метод делает возможным получение покрытий с заданной толщиной на различных по форме и размерам деталях.

ФАБО дает возможность повысить износостойкость зеркала гильзы до 2 раз, сократить время приработки, устранить задиры, увеличить ресурс двигателя. Процесс ФАБО не только придает элементам пар трения антифрикционные свойства, но и защищает обработанные поверхности от проникновения водорода, уменьшая водородное изнашивание.

Методы ФАБО не только эффективны для повышения износостойкости поверхностей деталей, но и не требуют применения дополнительного оборудования, то есть практически не увеличивают трудоемкость и себестоимость изготовления и ремонта двигателей, что облегчает их внедрение в производство.

Список литературы / References

1. Пучин Е.А. Надежность технических систем: учебное пособие для инженерных специальностей вузов / Е.А. Пучин, А.В. Коломейченко, В.Н. Логачев и др. – Орел, Изд-во ОрелГАУ, 2012. – 96 с.
2. Соловьев, А.В. Повышение качества и экономичности обкатки отремонтированных двигателей ЗИЛ-130 с использованием приработочных технологических жидкостей.: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 : защищена 22.03.2001: утв. 27.09.2001 / Соловьев Андрей Валентинович. – М., 2001. – 244 с.
3. Пучин Е. А. Практикум по ремонту машин: учеб. пособие / Е.А. Пучин, В.С. Новиков, Н.А. Очковский и др. ; под общ. ред. Е. А. Пучина. – М. : КолосС, 2009. – 327 с.
4. Стрельцов В. В. Трибологические основы повышения ресурса машин: практикум / В. В. Стрельцов, А. М. Колокатов, И. Л. Приходько, и др. – М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2010. – 168 с.
5. Карпенков В. Ф. Финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО) деталей / В. Ф. Карпенков, В. В. Стрельцов, И. Л. Приходько и др. – Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 1996. – 108 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Puchin E.A. Nadezhnost' tehnicheskih sistem : ucheb. posobie dlja inzh. special'nostej vuzov [Reliability of technical systems: a manual for engineering specialties universities] / E.A. Puchin, A.V. Kolomejchenko, V.N. Logachev and others – Orel, Izd-vo OrelGAU, 2012. – 96 p. [in Russian]
2. Solov'ev, A.V. Povyshenie kachestva i jekonomichnosti obkatki otremontirovannyh dvigatelej ZIL-130 s ispol'zovaniem prirabotochnyh tehnologicheskih zhidkostej.: dis. ... kand. tehn. nauk [Improving the quality and efficiency of the running overhauled engines ZIL-130 with the running process liquids].: dis. … of PhD in Engineering: 05.20.03 : defense of the thesis 22.03.2001: approved 27.09.2001 / Solov'ev Andrej Valentinovich. – M., 2001. – 244 p. [in Russian]
3. Puchin E. A. Praktikum po remontu mashin: ucheb. posobie [Workshop on reconditioning: Proc. benefit] / E.A. Puchin, V.S. Novikov, N.A. Ochkovskij and others; edited by E. A. Puchina. – M.: KolosS, 2009. – 327 p. [in Russian]
4. Strel'cov V. V. Tribologicheskie osnovy povyshenija resursa mashin: praktikum [Tribological basis for improving resource machines: Workshop] / V. V. Strel'cov, A. M. Kolokatov, I. L. Prihod'ko, and others – M. : FGOU VPO MGAU, 2010. – 168 p. [in Russian]
5. Karpenkov V. F. Finishnaja antifrikcionnaja bezabrazivnaja obrabotka (FABO) detalej [Finish anti-friction non-abrasive treatment (FABO) details] / V. F. Karpenkov, V. V. Strel'cov, I. L. Prihod'ko and others – Pushhino: ONTI PNC RAN, 1996. – 108 p. [in Russian]