СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИНИМАЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ТРУЩИХСЯ УЗЛАХ МЕХАНИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ АВТОМОБИЛЕЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ПОКРЫТИЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ БЕЗ РАЗБОРКИ АГРЕГАТОВ Российский патент 2019 года по МПК F02B77/02 C23C26/02 C10M125/00 

Изобретение относится к способам обработки поверхностей, в частности к способам формирования покрытий с использованием порошковых материалов. Изобретение может применяться в сфере ремонта автомобилей или других технических систем, содержащих приводы с двигателями внутреннего сгорания.

Известны различные методы снижения механических потерь и восстановления поверхностей в двигателях, как с использованием дополнительных устройств, так и с использованием только одних специфических физико-механических свойств определенных видов порошковых материалов, вводимых в зону контакта трущихся пар.

В качестве примера первого метода рассматривается способ [1] безразборного восстановления трущихся сопряжений двигателя дизель-генераторной установки локомотива.

В данном способе осуществляют восстановление без разбора изношенных узлов ДВС путем нанесения антифрикционного слоя на восстанавливаемые поверхности в цепи анод-катод при использовании в качестве катода ДВС, в качестве источника тока - собственного генератора локомотива с преобразователем тока, обеспечивающим постоянный ток в цепи анод-катод в пределах 10…2000 мА. В качестве анода - растворяющийся составной анод, выполненный составным из последовательно расположенных, начиная с поверхности, слоев цинка, меди, меднографита, графита, который размещают на входе в ДВС в проточной части системы смазки, в качестве которой используют электропроводящую ионообразующую жидкость с присадками, температуру которой в ходе процесса восстановления поддерживают в пределах 80°-90°С до половины времени от начала процесса восстановления, а затем - в пределах 50°-60°С до его окончания. Изобретение позволяет повысить ресурс и долговечность трибосистемы ДВС дизель-генераторной установки.

К недостаткам данного способа относятся: наличие сложной установки для образования антифрикционного слоя; применение материалов (цинка, меди, меднографита, графита), которые не дают полного устранения механических потерь в парах трения; не указываются величины снижения механических сопротивлений в трибосопряжениях.

Известны методы формирования покрытий из порошковых минеральных материалов на поверхностях деталей двигателей без разборки двигателя, заключающиеся в том, что состав, включающий в себя жидкий или гелеобразный носитель, в котором содержится основной материал, формирующий покрытие, вводят в масляную систему двигателя [2].

Основные материалы, входящие в состав, при этом могут быть как однокомпонентными [2], так и многокомпонентными, состоящими из смеси нескольких минеральных веществ [3-8]. При этом процентное содержание основного материала в составе составляет по массе от 0,1 до 8%.

В качестве основного параметра, таким образом, принимают концентрацию основного материала в носителе (связующем веществе) при введении состава в зону трения.

Практически указываемые нормы расхода составов, находящихся в определенных емкостях после промышленной расфасовки, касаются только содержания основного материала в емкости. Поскольку же, при безразборном способе формирования покрытия на поверхностях деталей двигателя неизбежно состав вводится в некоторый объем штатного масла, имеющийся в масляной системе двигателя, то количество основного материала, вводимого в зону трения для формирования покрытия, является неопределенным. Неопределенность количества основного материала обуславливается и отсутствием указаний на количество расходного материала и его вид в емкости с составами, находящимися в продаже.

Количество основного материала, вводимого в зону трения при этом никак не связано с площадью поверхности контакта, толщиной слоя покрытия и другими параметрами покрытия и основного материала. Основные параметры двигателей после формирования покрытий на деталях трущихся узлов без их разборки могут иметь случайные значения. Параметры двигателя получаются отнюдь не оптимальными.

Иллюстрацией к этому являются следующие примеры.

1. Исследования образцов, вырезанных из деталей двигателя, прошедшего 100000 км с применением известного препарата «Форсан» при рекомендуемых фирмой нормах расхода, показали [9], что на поверхности трения не выявлено явных структурных изменений. Исследование микротвердости позволило только выявить наличие слоя с повышенной твердостью. То есть количество основного материала, проникшего в зону контакта, было явно недостаточно для формирования сплошного покрытия с определенной толщиной.

2. Исследования влияния смеси минералов (серпентин-антигорит 6%, тремолит 48%, хлорит 42%, магнетит 6% в количестве 0,25 мас. %) в масляную систему дизеля 2 ч 8,5/11 и после приработки 50 часов показали, что механический КПД двигателя увеличился при нагрузке 90% с 0,68 (при работе со штатным маслом) до 0,76 (при работе с испытуемым составом).

Данные результаты говорят о том, что для получения максимальных параметров двигателя при формировании антифрикционных покрытий без разборки двигателя требуется учитывать как физико-механические характеристики материала, так и режимы формирования покрытий. Имеющиеся способы формирования покрытий дают покрытия с мало предсказуемыми свойствами:

- толщина покрытия колеблется в весьма широких пределах - 0,005-0,02 мм;

- физико-механические свойства поверхности не регламентируются.

Недостатком применяемых способов формирования покрытий на деталях двигателей внутреннего сгорания без его разборки является то, что при помещении не нормированного количества минерального материала между двумя контактирующими поверхностями при имеющихся в данном двигателе эксплуатационных нагрузках режим формирования покрытий и механические характеристики основного материала, формирующего покрытия, могут на сочетаться между собой и не давать нужного результата, а характеристики минерального материала и параметры режима работы механизма не нормируются.

Кроме этого, данные способы не касаются прочих агрегатов автомобиля, таких, как коробки передач, рулевые устройства, подшипниковые узлы и пр.

В качестве прототипа выбран способ обеспечения минимальных механических потерь в цилиндро-поршневых группах двигателей внутреннего сгорания при формировании покрытий поверхностей деталей без разборки двигателя. [10].

Технический результат определяется тем, что формируют покрытия поверхностей деталей без разборки двигателя путем ввода в масляную систему двигателя заданного количества порошкового минерального материала, причем вводимый материал имеет дисперсность до 20 мкм при твердости частиц до 2100 HV и ниже 1 мкм при твердости частиц свыше 2100 HV, при этом адгезионное число материала [11]. составляет не менее 750, производят обкатку двигателя, при этом частоту вращения коленчатого вала назначают в зависимости от твердости частиц материала, при твердости частиц до 700 HV - 0,4-0,06 от номинальной частоты вращения, при твердости частиц свыше 700 HV до 2100 HV - от частоты вращения на холостом ходу до 0,4 от номинальной частоты вращения, при твердости частиц свыше 2100 HV не более 0,4 от номинальной частоты вращения, при этом время обкатки составляет от 10 минут для малых автомобильных двигателей, до 30 минут для крупных двигателей и 1,5 часа для больших силовых установок, критерием наличия минерального слоя на трущихся поверхностях деталей после обкатки является повышение компрессии в каждом из цилиндров не менее чем на 5 Н/см².

Результаты применения способа определяются следующими примерами.

Пример 1. Объект минимизации механических потерь - цилиндропоршневая группа двигателя автомобиля ВАЗ 21093, 1997 г.выпуска с пробегом двигателя на момент проведения работ 130 тыс.км. В картер двигателя введено 15 см³ порошка серпентинита Уральских месторождений крупностью не более 20 мкм. После этого проведена обкатка двигателя с частотой вращения 2100 об/мин в течение 10 мин. В исходном состоянии и после обкатки были проведены замеры компрессии по цилиндрам при одинаковых условиях. В результате компрессия по цилиндрам увеличилась: в первом с 9 до 13,5; во втором с 7 до 14; в третьем с 11 до 14 и в четвертом с 9 до 13,5 кгс/см². Замеры механического КПД, проведенные мотор-тестером типа К297 после 200 км пробега, показали следующие значения КПД: 0,985; 0,981; 0,992. Общий пробег автомобиля за время наблюдений составил 805594 км. После каждых 120000 км вместо капитального ремонта в масло добавляли по 2 см³ того же материала. В конце пробега замеры компрессии по цилиндрам показали среднее значение 13,5 кгс/см². Стабильное значение компрессии показало, что износ в цилиндрах, а следовательно, и механические потери минимальны.

Пример 2. Объект минимизации механических потерь - цилиндропоршневая группа двигателя автомобиля Волга ГА3-24 с пробегом двигателя на момент проведения работ 220 тыс.км. В картер двигателя введено 20 см³ порошка серпентинита месторождений Кольского п-ва, дисперсностью до 20 мкм. После этого проведена обкатка двигателя с частотой вращения 1800 об/мин в течение 7 мин. В исходном состоянии и после обкатки были проведены замеры компрессии по цилиндрам при одинаковых условиях и баланса мощности на мотор-тестере К-297. В результате компрессия по цилиндрам увеличилась: в первом с 7,5 до 8,2; во втором с 7,5 до 8,5; в третьем с 7,0 до 8,0 и в четвертом с 7,5 до 8,5 кгс/см². Замеры механического КПД показали следующие значения КПД: до обкатки в исходном состоянии: 0,832, 0,830, 0,831; после обкатки 0,985; 1,000; 0,987 (при точности измерений 2%). После этого двигатель автомобиля сохранял эти показатели на протяжении 432000 км пробега, после чего наблюдение закончилось.

Пример 3. Объект минимизации механических потерь - цилиндропоршневая группа двигателя (дизеля) автопогрузчика «Комацу». В масло двигателя введено 28 см порошка кварца дисперсностью до 10 мкм и твердостью частиц 1700 HV-2100 HV. После этого проведена обкатка двигателя с частотой вращения 300 об/мин в течение 15 мин. В исходном состоянии и после обкатки были проведены замеры компрессии по цилиндрам при одинаковых условиях. В результате компрессия по цилиндрам увеличилась: в первом с 28 до 33; во втором с 28 до 33; в третьем с 27 до 30 и в четвертом с 28 до 32 кгс/см².

Прототип дает существенный результат, однако, имеет следующие недостатки:

- количество вводимого материала при безразборном восстановлении цилиндро-поршневой группы назначается приблизительно и не согласуется с размерами поверхности деталей;

- механические характеристики вводимого материала, кроме твердости частиц, не заданы;

- время обкатки выбирается случайным путем и может оказаться недостаточным для формирования полной поверхности;

- формирование поверхностей производится только в цилиндро-поршневой группе двигателя и не затрагивает другие агрегаты.

В основу изобретения ставится задача при введении в полости агрегатов порошкового минерального материала с заданными свойствами и в определенном количестве путем проведения обкатки агрегатов по оптимальной процедуре обеспечить необходимые свойства покрытия, тем самым достигнув минимальных механических потерь в агрегатах автомобиля.

Технический результат - обеспечение минимальных механических потерь в трущихся парах механических агрегатов автомобилей после обкатки автомобиля в заданном режиме, достигается тем, что:

- для формирования покрытий используется природные минеральные материалы, обладающие дисперсностью частиц не более 20 мкм, допускаемым удельным давлением в парах трения в компактном состоянии не менее, чем в 4 раза превышающим нормируемое допускаемое удельное давление для материалов пары трения без покрытия, пределом прочности на срез в исходном массиве сырья не более 15 Н/мм²;

- объем вводимого материала определяют исходя из площади поверхности покрываемых деталей с учетом толщины слоя в 10-20 мкм и коэффициента запаса 1,2;

- материал вводят в размешанном состоянии в порции штатного масла (смазки), жидкого (консистентной), используемого в данном узле трения;

- обкатку узлов с формированием поверхностей из минерального материала под рабочим давлением для данного узла производят при штатном режиме работы автомобиля на скоростях не более 60 км/час в течение 15 минут для легковых автомобилей и 30 минут для крупных грузовых автомобилей;

- критерием наличия минерального слоя на трущихся поверхностях деталей агрегатов автомобиля после обкатки являются: повышение степени сжатия (компрессии) в каждом из цилиндров двигателя не менее чем на 5 Н/см², снижение шума и вибрации работы двигателя и других агрегатов, изменение динамических характеристик автомобиля, в частности, снижение времени разгона до назначенной скорости.

При выполнении этих условий достигается максимальное изменение механических и эксплуатационных характеристик двигателя.

Технический результат иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1 Карьерный самосвал БЕЛА3-7519 использовался в карьере на постоянном маршруте со строго определенным количеством рейсов и скоростью передвижения. До обработки имел степень износа 70-80% и перерасход топлива 3800 л/мес относительно паспортных значений. После введения минерального материала с характеристиками и в количествах, по заявляемому способу в двигатель, мосты, ходовую часть, коробки передач, коробки отбора мощности, и обкатки на холостом ходу снижение расхода топлива относительно паспортной составило 700 л/месс. При дефектации механических передач визуальным осмотром обнаружено, что все детали двигателя имеют отличный внешний вид без износа.

Пример 2 Двухтактный лодочный мотор с трансмиссией мощностью на выходном валу 3 лошадиные силы.

После обработки всех трущихся пар и обкатки на холостом ходу замер мощности на выходном валу показал величину 5,2 лошадиные силы.

Пример 3 Автомобиль УАЗ.

Автомобиль УАЗ давал перерасход топлива 160 л/месс и был значительно изношен. После формирования покрытий заявляемым способом в двигателе, трансмиссиях, мостах произведены инструментальные замеры ряда характеристик и получены результаты:

- экономия топлива составила 160 л/месс;

- время разгона до скорости 100 кМ /час снизилось в 2 раза;

- амплитуда вибрации двигателя при пусках снизилась в 9 раз %

- шум в мостах снизился на 8 Дб

Приведенные примеры показывают, что заявленный способ позволяет получить минимальные механические потери в агрегатах автомобилей и двигателей разных типов.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1 RU 2554236 Способ безразборного восстановления трущихся сопряжений двигателя дизель-генераторной установки локомотива. 20.03.2015 Бюл. №8

2. Балабанов В.И. Безразборное восстановление трущихся соединений автомобиля. Методы и средства. Москва. Астрель. ACT 2002.

3. RU 2345176. Способ формирования восстанавливающего антифрикционного и износостойкого покрытия для узлов и деталей машин и механизмов. 27.01.2009 Бюл. №3.

4. RU 2043393. Твердосмазочное покрытие. 10.09.95. Бюл. №25.

5 RU 2129461. Способ геоэнергетической интенсификации массообменных процессов. 27.04.99.

6. RU 2149741. Способ безразборного восстановления трущихся соединений 27.05.2000. Бюль. №15.

7 RU 2199609. Способ безразборного восстановления эксплуатационных паракметров пар трения 27.02.2003. Бюль. №6.

8 RU 2205249. Способ восстановления поверхностей узлов трения при эксплуатации 27.05.2003. Бюль. №15.

9. Петров В.М., Васильев А.С, Федосов А.В., Чулкин С.Г. Исследование влияния ремонтно-восстанавливающих препаратов на параметры точности и микрогеометрии поверхности деталей машин. «Инструмент и технологии». 2002. №9-10, с. 31-37.

10. RU 2309274. Способ обеспечения минимальных механических потерь в цилиндро-поршневых группах двигателей внутреннего сгорания при формировании покрытий поверхностей деталей без разборки двигателя. 27.10.2007. Бюль. №30

11 Лазарев С.Ю. Новая методика количественной оценки адгезионной способности минералов и других твердых тел. Обогащение руд 2001 №6. С. 13-17.

Изобретение относится к способам обработки поверхностей с использованием порошковых материалов. Предложен способ обеспечения минимальных механических потерь в трущихся узлах механических агрегатов автомобилей при формировании покрытий без разборки агрегатов, в котором для формирования покрытий используются природные минеральные материалы, обладающие дисперсностью частиц не более 20 мкм, допускаемым удельным давлением в парах трения в компактном состоянии, не менее чем в 4 раза превышающим нормируемое допускаемое удельное давление для материалов пары трения без покрытия, пределом прочности на срез в исходном массиве сырья не более 15 Н/мм². Объем вводимого материала определяют исходя из площади поверхности покрываемых деталей с учетом толщины слоя в 10-20 мкм и коэффициента запаса 1,2. Материал вводят в размешанном состоянии в порции штатного жидкого масла или консистентной смазки, используемых в данном узле трения, обкатку узлов с формированием поверхностей из минерального материала под рабочим давлением для данного узла производят при штатном режиме работы автомобиля на скоростях не более 60 км/час в течение 15 минут для легковых автомобилей и 30 минут для крупных грузовых автомобилей. Технический результат - повышение степени сжатия (компрессии) в каждом из цилиндров двигателя не менее чем на 5 Н/см², снижение шума и вибрации работы двигателя и других агрегатов, изменение динамических характеристик автомобиля, в частности снижение времени разгона до назначенной скорости. 3 пр.

Способ обеспечения минимальных механических потерь в трущихся узлах механических агрегатов автомобилей при формировании покрытий поверхностей деталей без разборки агрегатов, отличающийся тем, что для формирования покрытий используются природные минеральные материалы, обладающие дисперсностью частиц не более 20 мкм, допускаемым удельным давлением в парах трения в компактном состоянии, не менее чем в 4 раза превышающим нормируемое допускаемое удельное давление для материалов пары трения без покрытия, пределом прочности на срез в исходном массиве сырья не более 15 Н/мм², объем вводимого материала определяют исходя из площади поверхности покрываемых деталей с учетом толщины слоя в 10-20 мкм и коэффициента запаса 1,2, материал вводят в размешанном состоянии в порции штатного масла (смазки), жидкого (консистентной), используемого в данном узле трения, обкатку узлов с формированием поверхностей из минерального материала под рабочим давлением для данного узла производят при штатном режиме работы автомобиля на скоростях не более 60 км/час в течение 15 минут для легковых автомобилей и 30 минут для крупных грузовых автомобилей, а критерием наличия минерального слоя на трущихся поверхностях деталей агрегатов автомобиля после обкатки являются: повышение степени сжатия (компрессии) в каждом из цилиндров двигателя не менее чем на 5 Н/см², снижение шума и вибрации работы двигателя и других агрегатов, изменение динамических характеристик автомобиля, в частности снижение времени разгона до назначенной скорости.