ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

В Мурманском государственном техническом университете совместно с Институтом проблем литья АН УССР отработана технология производства биметаллических стальчугунных цилиндровых втулок (БЦВ) для судовых ДВС.

В изложницу центробежной машины сначала заливают определенную порцию расплавленной стали, затем через небольшой промежуток времени порцию чугуна. Специальные флюсы обеспечивают надежную свариваемость стали и чугуна. Вследствие диффузии углерода между слоями образуется переходная по углероду зона толщиной 1-2 мм, обладающая повышенной твердостью. В качестве чугуна использовался серый чугун Сч 25, рекомендуемый для цилиндровых втулок, а в качестве стали - среднеуглеродистые литейные стали марок 25Л-35Л и 25ГС-35ГС. Могут применяться и другие марки чугуна и стали. Изготовленная из такой отливки БЦВ имеет высокую изностойкость внутренней чугунной поверхности трения. Благодаря наружному стальному слою БЦВ приобретает повышенную кавитационную стойкость со стороны поверхности охлаждения. Галтель под опорным буртом, где чаще всего образовываются трещины в чугунных втулках, теперь оказывается в стальном слое, что увеличивает статическую и циклическую прочность втулки в ее самом опасном месте.

Экспериментальным путем отработаны режимы центробежного литья мало-, средне- и крупногабаритных БЦВ. Изготовление малогабаритных биметаллических втулок наиболее сложный процесс, поскольку скорость охлаждения небольшой порции стали в центробежной машине велика, для обеспечения «свариваемости» слоев остается мало времени до начала заливки чугуна.

Подобран состав флюса, который очищает металл от механических и газовых включений и защищает внутреннюю поверхность жидкой порции стали от окисления и охлаждения. Отработан режим термообработки биметаллических отливок для снятия остаточных литейных напряжений, разработана конструкторская документация устройства, дозирующего заливаемые порции металла, изготовлены рабочие чертежи БЦВ для большинства судовых ДВС, используемых на рыбопромысловом флоте.

В процессе эксплуатации БЦВ подвергается тепловым и механическим нагрузкам, что и аналогичные чугунные втулки. Однако в силу того, что БЦВ состоит из двух материалов с различными физическими свойствами, температурное поле и особенно напряженно-деформированное состояние БЦВ будут принципиально иными.

Для выяснения этих особенностей БЦВ был выполнен большой объем экспериментальных и теоретических исследований. Две биметаллические и одна чугунная цилиндровая втулки среднеразмерного двигателя nvd-48, а также одна биметаллическая и одна чугунная втулки крупногабаритного судового двигателя 6 l525 были подвергнуты термометрированию на различных режимах работы этих двигателей: от холостого хода до 110 % номинальной мощности. Сравнение температурных полей биметаллических и чугунных втулок каждого из двигателей показало, что максимальные температуры зеркала цилиндра у БЦВ лишь на 4-5 градусов выше, чем у чугунных втулок при максимальной нагрузке на двигатель.

Используя расчетную модель втулки, состоящую из опорного кольца и цилиндровой оболочки , при различных способах нагружения втулки с учетом возможного одно-, двух- или трехточечного опирания втулки в блоке исследовалось влияние физико-механических свойств материалов и соотношения толщин слоев на НДС БЦВ, на прочность БЦВ, которую оценивали величиной эквивалентного напряжения по методу Писаренко-Лебедева. Расчеты показали, что при варьировании перечисленных выше физических факторов в реальных пределах их существования для серых чугунов и литейных сталей эквивалентное напряжение в наиболее опасном месте БЦВ изменяется не более, чем на 5-6 %. При увеличении толщины стального слоя эквивалентные напряжения в чугунном слое снижаются, а в стальном слое они сначала снижаются, а затем увеличиваются.

Прочность втулок оценивалась минимальными значениями коэффициентов запаса статической прочности ( n _ст) при трех видах статического нагружения втулок и коэффициентом запаса циклической прочности ( n_ц) в пределах упругости материалов. При самом неблагоприятном сочетании исходных данных n_ст для БЦВ в 1,2-1,6 раза выше, чем у чугунных прототипов, даже при условии, что в качестве стали в БЦВ использована сталь 30Л с невысоким пределом текучести (260 Мпа). При этих же условиях n_ц для БЦВ в 1,7-2,2 раза выше, чем у чугунных втулок. Соотношение толщин слоев слабо влияет на прочность БЦВ. При использовании БЦВ необходимо увеличить минимальный тепловой зазор «втулка-блок», иначе происходит перенапряжение блока по эквивалентным статическим напряжениям после прогрева двигателя по сравнению с использованием чугунных втулок.

Кроме того, было исследовано влияние неравномерности толщины слоев и режима прогрева двигателя на НДС БЦВ. Изменения эквивалентных напряжений и формы втулки при самой максимальной неравномерности толщин слоев не представляют никакой опасности для прочности и работоспособности БЦВ.

Сравнение кавитационной стойкости БЦВ и чугунных втулок производилась по результатам испытаний главных двигателей 8 nvd-48au в реальных условиях эксплуатации двух промысловых судов. После 9 тыс. часов работы двигателя на одном судне и 16 тыс. часов работы второго судна обе чугунные втулки обоих судовых двигателей требовали ремонта (ликвидация кавитационных раковин), в то время, как БЦВ находились в удовлетворительном состоянии. Рост кавитационных раковин в БЦВ прекратится на длительное время, когда они достигнут граничного слоя, обладающего очень высокой твердостью. Изготовленные БЦВ были установлены на промысловых судах, ни одна БЦВ не была забракована из-за трещин под опорным буртом