Дослідження трибологічних властивостей мідно - фторопластових композицій та розробка комбінованого поршня Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 78 Дудчак Т.В. Подільський державний аграрно-технічний університет, м. Кам’янець-Подільський, Україна E-m ail: dvp48@i.ua ДОСЛІДЖЕННЯ ТРИБОЛОГІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МІДНО-ФТОРОПЛАСТОВИХ КОМПОЗИЦІЙ ТА РОЗРОБКА КОМБІНОВАНОГО ПОРШНЯ УДК 621.891.631.31 Зр облено анал із впливу зазору між юбкою пор шня і гільзою на пер екладку пор шня і зносостійкість деталей двигу на вну тр ішнього згоряння (ДВЗ). Пр опону ється комбінований пор шень із вставками з мідно-фтор опластової композиції, які забез печать нанесення тонкої плівки міді на повер хні тер тя на пр отязі всього р есур су р оботи ДВЗ, що значно зменшить задир и, натир и і збільшить зносостійк ість детал ей циліндр о-пор шневої гру пи (ЦПГ). М етодом ба- гатофактор ного експер именту визначений оптимальний склад антифр икційної ко мпозиції. Клю чові слова: поршень, ги льза, коль цо, фтороплас товая композиция, перекла дка. Вступ В процесі роботи під дією ме ханічного, теп лового і хімічного впливу змінюю ться поча ткові розміри і форма деталей ЦПГ, їх фізико-ме хан ічн і власти вості, що призво ди ть до ін тенси вного спрацю- вання спряжень і як наслідок до зни ження моторесурсу двигуна внутр ішнього згоряння. Підвищення зносостійкос ті і довговічності де та лей ЦПГ вирішується комплексом конс труктивно те хнологічни х і експ луатац ійни х засобів, з я ки х необ хідно вибрати оп тимальн і, першочергові, я кі б за- безпечили при мінімаль ни х ви трата х максимальн ий економічний ефект. З 1970 року по теперішній час ресурс роботи ДВЗ до капітального ремонту зріс з 100 ... 150 тис. км до 500 ... 600 тис. км (10000 ... 12000 мотого дин). Основн і засоби по збільшенню ресурсу роботи дета лей ЦПГ пре дс тавле ні на рис. 1. Велика кількіс ть факторів, які вп ливаю ть на спрацювання дета лей ЦПГ ускла днює вибір з ни х найважли віши х, домінуючи х. Одним з факторів, я кий вп ливає на зносостій кіс ть і довговічніс ть спряжень: гільза – кільце – поршень є монтажний зазор між гільзою і юбкою поршня, а та кож зб іль шення його в процесі роботи ДВЗ. Забезпечення найменшого і рівномірного зазору в спряженн і поршень – гіль за оди н із шля хів підвищен ня надійнос ті і довговічності поршневої групи. При ве ли кому діаметральному зазорі між юб- кою поршня і гіль зою (особливо при непрогрітому дви гуні) під дією газови х сил і нормальної бокової сили відбувається перекла дка поршня, я ка супроводжується у дарами його по дзеркалу гільзи . Перекла д- ка є причиною вібрації, п ідвищено го шуму, втомленого і кавітац ійного руйнування де талей ЦПГ. При перекладці поршня вини кає ін тенси вне спрацювання гіль зи, юбки поршня, поршневи х канавок, торців поршневи х кілець та ін. Мета і пос тановка задачі Підвищення зносостійкос ті і довговічності де талей ЦПГ. Ви кла д основного матер іалу В зв’язку з тим, що коефіц ієнт лін ійно го розширення алюмінієви х сп лавів (17 ... 25) · 10-6 майже в 2 рази більше ніж у чавуна (10 ... 12) · 10-6 , то виникаю ть проблеми з забезпеченням рівномірного (по всій довжин і юбки поршня) теп лового зазору в спряжені поршень – гіль за. Крім того піс ля ме хан ічної обробки і збирання відхилен ня від ци лін дричності гільзи дося гає 0,05 - 0,07 мм. За кордоном рішення цієї проблеми пропонується застосуванням полімерних композиц ійни х матеріалів. Та к в США [1] запате нтува ли дви гун з поршнями, поршневими кільцями, гільзами ци ліндр ів і блоками цилін дрів, виго товленими з вугле плас тиків. В дви гуні суттєво зменшені теп лові зазори між де- талями ЦПГ, що в свою чергу зменшує удари при перекла дц і поршнів, прорив газів з камери згоряння, вики дів не згорівши х вуглево дородів. В Німеччині [2] пропонується поршень виго товлений з вуглецю . Мето д виго товлен ня конструкц ійного матеріа лу з вуглецю включає пресування гранул вуглецю п ід високим тиском при високій температурі. Поршень з вуглецю має низь кий коефіцієн т тертя і теплового розширення , може надійно працювати на деяки х режима х в умова х су хого тер тя. Маса поршня набага то менша маси металічни х поршн ів. Також пропонується конс трукція поршня з зас тосуванням вуглецеви х вста вок в стінка х юбки поршня, сприймаючи х бокові наван таження . Дослідження трибологічних властивостей мідно - фторопластових композицій та розробка комбінованого поршня Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 79 Рис. 1 – Конструктивно-технологі чні заходи по збільше нню довгові чності спряже нь: цилі ндр - кіль це - порше нь Застосування в Д ВЗ поршнів з ова льно - бочкоподібним профілем направляючо ї частини запро- поновано д-ром. те хн . наук Б.Я. Гин цбургом. Для визначення оптималь ни х параметрів профілю юбки поршня в роботі [3] висунуті нас тупн і вимоги : 1. Максимальн ий діаметр юбки повине н бути розташован ий на висоті віс і поршневого пальця , що забезпечить мін імальне значення на хилу поршня в цилін дрі, ко ли поршень при тиснутий до його стінки . Дослідження трибологічних властивостей мідно - фторопластових композицій та розробка комбінованого поршня Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 80 2. М іж ци лін дром і максимальним діаметром поршня повинен бути мін імальний зазор, який гарантує роботу поршня без за кли нювання . 3. При можливи х на хила х поршня в межа х зазору в ци лін др і повинно гаран тува тись відсутн іс ть кромочного контакту як ввер ху так і внизу юбки. Однак при цьому, по можливості повинна бути за діяна найбіль ша довжина юб ки, та к я к можливі натири на кромках юбки або її ін тенсивне спрацюван ня. Метод проектування бочкоподібного профіля юбки поршня дозволяє, зап ланувавши форму юбки поршня в гарячому стані визначи ти форму поршня в холо дному стан і. Нада ння направляючій частин і поршня бочкоподібного профілю необ хідно для покращення умов змащення. Автори роботи [4] пропонують повер хню направляючої час тини поршня викона ти криволінійною, тобто спроектува ти форму юбки поршня самовстановлюючу, яка б забезпечила рідинне тертя і дозволи ла утворити масляний клин при різному на хи лі і направленні ру ху поршня. Показано, що від зазору між юбкою поршня і цилін дром залежить товщина с тін ки поршня. Зменшення товщини с тін ки юбки поршня збіль шує її деформації від дії бокової сили N, що приводи ть до на хи лу поршня і нега тивно впли ває на роботу поршневи х кілець. Автори роботи [5] на основі теоретични х за лежнос тей стверджую ть, що досягнути рівномірного зазору в спряженні поршень-гільза на робочому участку любим профілюванням юбки поршня неможли- во. Для зменшення за зору в спряженні доц ільно усунути вп лив ме хан ічни х деформацій поршня шля хом вида лення мета лу в місця х на йбільшої деформації. Ви хо дячи з умов те хнологічності автори пропонують виконати юбку ци лін дричну внизу з пере хо дом в конус, тобто цилін дрично – кон ічного профілю. Розра хункове і е ксперименталь не дослідження поперечного переміщення бочкоподібни х поршнів зроблено в роботі [6]. Вс тановлено, що при мали х за зора х між поршнем і ци ліндром (0,05 мм в робочих умовах) профіль бочкоподібно го поршня мало вп ливає на перекла дку, при ве ли ки х зазора х (0,15 мм і більше ) від продо льного профілю юб ки за лежа ть такі параметри, я к ве личина і розташування пятна кон такту, спрацюванн я торців кілец ь і поршневи х канавок, вібрація цилін дра. Вище приве дений ана ліз свідчи ть, що від ве личини зазору між юбкою поршня і гіль зою, в робо- чому стані, су ттєво за лежи ть ін тенсивн іс ть спрацюва ння де талей ЦПГ, тоб то конс труктивн і і те хнологічні параметри потребують удосконален ня. Розробка комбінованого поршня. Для зменшення зазору між поршнем і гільзою пропонується комбінований поршень [7] із вс тав- ками (рис. 2). В с тан дартному поршні ди зельно го дви гуна з товщ иною стінки 5 мм і біль ше профрезеро- вані два па зи в вигля ді “лас тівчина хвоста” в які вс тановлен і вс тавки з композиційного полімерного м а- теріа лу на основі фтороплас ту Ф4. Різниця в коефіцієн та х термічного лін ійного розширення дас ть мож- ливіс ть „вибира ти” за зори між поршнем і гільзою. Рис. 2 – Комбі нований поршень : 1 – порше нь ; 2 – вставка Рис. 3 – Схема приладу для вимі рювання моменту те ртя: 1 – контртіло; 2 – вал; 3 – колода; 4 – поліме рна композиці я; 5 – пі дшипник коче ння; 6 – вантаж; 7 – каретка; 8, 9 – регулюваль ні гвинти; 10 – важіль; 11 – сило вимі рювач; 12 – тензодатчик; 13 – вимі рювач деформації ; 14, 15 – ре гулюваль ні упори; 16 – бачок для мастила; 17 – нагрі вач Вс тавки з мідно-ф торопластово ї композиції забезпечать нанесенн я тон кої п лівки міді на поверхні тер тя на протязі всього ресурсу роботи Д ВЗ, що значно прис корить припрацюван ня (обка тку), зменшить задири і на тири, збільши ть зносостійкіс ть і довговічн ість де та лей ЦПГ . Дослідження трибологічних властивостей мідно - фторопластових композицій та розробка комбінованого поршня Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 81 Розробка ком позиці й на ос нові ф тороплас ту Ф4 Для антифрикцій ної полімерної композиції на основі фтороплас ту Ф4 були взя ті наступн і ком- поненти : політе трафторети лен ГОСТ 10007-78, вуглецева тканина ТГН-2М (попередн ьо подрібнена ) по- рошкова мідь ПМ С-1, дисульф ід моліб дену МоS2 (9,10). Д ля змішуванн я і по дрібнення компонентів за- стосовували м лин М РП-2 (7000 хв-1). На гідравлічному пресі ПСУ-250 в пресформі двос торонньої дії пресувались заготовки при Р = 70 ... 75 МПа . Термообробка заготовок проводилась при температурі 380 °С ± 5° в печі СШО-3,2. Ви готовлення вс тавок для поршн ів і зразків для дос ліджен ня проводи ли механ ічною обробкою на токарному і фрезерному верстата х. Лабораторні дослідження по визначенню інте нсивності зношування і коефіц ієн ту тер тя прово- ди ли на машині тер тя СМ Ц-2 по с хемі „вал-вкла диш” , причому для ви значення моменту тер тя застосо- вували с пеціа льний прила д [8]. Конс трукція прила ду пере дбачає можливіс ть визначення моменту тер тя безпосередньо від переміщення колодки (3) яке фіксується на ц ифровому вимірювачу деформації ИДЦ-1(13) і дозволяє збільш ити точніс ть вимірювання. Для вкладиша (4) використовува ли зразки з а люмін ієвого сп лаву, з якого виго товлен і поршня ав- тотракторни х дви гунів і композицію на основі фтороплас ту Ф4. Кон тртіло (1) було виго товлено з чавуну з якого зроблені гільзи двигун ів. Шви дкіс ть ковзан ня зразків по контр тілу скла дала 1,0 м/с, наван таження 0,5 М Па. Дослідження триботехнічних властивос тей фторопластової ком позиції Для дос ліджен ня викорис товували с тандар тний рото табельний п лан другого порядку. Оп тимізац ію с кла ду ан тифрикц ійно ї композиції для вс тавок поршнів проводи ли шля хом оцін ки ін тенсивнос ті зношування і коефіц ієн ту тертя (рис. 4, рис. 5). а б Рис. 4 – Графі чна і нтерпретаці я математичної моделі і нте нсивності зношування (а) і двомі рний пе ре рі з функції f (Xi,Yi,Zi) при Zк = 0 а б Рис. 5 – Графі чна і нтерпретаці я математичної моделі коефі ці єнту те ртя (а) і двомі рний пе ре рі з функції f (X1,Y1,Z1) при Zк = 0 Дослідження трибологічних властивостей мідно - фторопластових композицій та розробка комбінованого поршня Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 82 Піс ля ви ключення незначими х коефіц ієн тів одержані нас тупн і поліноміна льн і залеж ності ін тенсивнос ті зношуванн я І і коефіц ієнту тер тя f від трьо х фактор ів: скла ду дисульф іду молібдену (X), вуглецево ї ткан ини (Y), порошкової міді (Z). Залежніс ть ін тенси вності зношування (J × 10-10) має вигляд: І = 0,5234 – 0,0208Х + 0,3315Z + 0,1984Х2 + 0,2053У2 + + 1,1128Z2 – 0,0075ХУ + 0,03УZ – 0,075 Х Z. (1) Залежніс ть коефіц ієнту тер тя має вигля д: f = 0,0314 – 0,0005Х + 0,0025У + 0,01322Z + 0,0072Х2 + + 0,0089У2 + 0,0465Z2 – 0,002ХУ – 0,001УZ – 0,0015ZХ. (2) Перевірка с та тистичної гіпоте зи, зробленої по кри терію Фішера, пока зала а деква тн іс ть регресивної моделі по функції відгуку при рівн і значимості  = 0,05. Аналіз рівн янь (1, 2) і резу ль тати досліджень ви яви ли, що оптимальним є скла д, ва г. ч.: фторопласт Ф4 – 100; дисульф ід моліб дену – 3,7 … 3,9; вуглецева тканина – 7,5 … 9,4; порошкова мідь – 140 … 160. При оптима льному скла ді композиції коефіцієн т тер тя дорівнює 0,032, ін тенсивн іс ть зношуван - ня 0,52 · 10-10. Висновки Застосування вставок в поршня х забезпечи ть в зоні конта кту на тирання тон кої плівки міді, яка значно знизи ть сили тер тя і збільши ть зносостійкіс ть де та лей ЦПГ. Різниця в коефіц ієнта х термічного лінійно го розширення (а люмін ієвий с плав – фтороплас това композиція) дас ть можли віс ть „вибрати” за- зори між поршнем і гіль зою, що зменши ть удари і вібрації при перекладка х поршня. Літе ратура 1. Па т. 6044819 США , МПК F 02 F 75/06. USA Administrator of the National Aeronautics and Space Admin istration, Rivers H.Kev in, Ranson Philip O., Northa m G.Burton, Sch wind Francis A. №08/ 808290; Заявл. 28.02.1997; Опубл. 04.04.2000; НПК 123/ 193. 2. Поршень. Заявка 19954334 Германія, МПК7 F 02 F 3/00, F 02 F 3/02. Federal-Modul Nürnberg Gmb H, Linz Roland (HOFFMANN∙EIT LE, 81925 München). № 19954334.8; зая вл. 11.11.1999; Опубл. 23.05.2001. 3. Гинцбург Б.Я. Профилирование овально-бочкообразны х юбок поршней // Автомобильная про- мышленность №1. – 1972. – С. 16-20. 4. Костров А.В., Макаров А.Р. Выбор оптимальной жесткости направляющей части поршня дви - гате ля // Автомобильная промышленность . – №10. – 1979. – С. 7-9. 5. Попов В.Н., Че тошников В.И. К вопросу выбора формы поршня обеспечения минимального зазора в сопряжении поршень-цилиндр // Труды ЧИМЭ СХ. – №88. – 1975. – С. 135-139. 6. Панкратова Н.П., Перель ди к Г.И., Бронш тейн Б.Э. Расчетное и эксперименталь ное исследова - ние поперечного перемещения бочкообразных поршней // Автомобильная промышленность. – №5. – 1978 – С. 11-14. 7. Спосіб відновлення поршн ів і ан тифрикц ійна композиція для його здійснення. Пат. на вина хід Україн и №61442А, СО8F114/26/ Дудча к В.П. Зая вл. 06.02.2003. Опубл. 17.11.2003. Бю л. №11. 8. Прибор для измерения момента трения подшипников ско льжения . А.с. №1223730 СССР / Пет- ров Ю.Н., Дудчак В.П., Ко ляско И.В. Опубл. 8.12.1985. Бю л. №47. 9. Дудчак В.П., Ос тапенко Р.М ., Дудчак Т.В. «Антифрикцій на полімерна композиція» Патен т на корисну модель № 82869. Бюл. № 16 від 27.08.2013. 10. Дудчак В.П., , Ос тапен ко Р.М., Дудчак Т.В. «Спос іб одержання пористої ан тифрикц ійно ї композиції на основ і ф торопласту» Па тен т на корисну модель № 82868. Бюл №16 від 27.08.2013. Поступи ла в редакц ію 03.06.2015 Дослідження трибологічних властивостей мідно - фторопластових композицій та розробка комбінованого поршня Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 83 Dudchak T. V. In vestigation of tribological properties of copper-fluoropolymer compositions and the devel- opment of a combined piston. The analy sis of the influence of the clearance between the p iston skirt and cy linder liners for the relinin g of the p is- ton and the durability of p arts of the internal combustion engin e. One factor that affects the wear resistance and durability p airing: sleev e-rin g-p iston, this clearance is p resent be- tween the bushing and the p iston skirt, and the increase in his service. To ensure dimensi and even gap in coup ling the p iston and sleeve is one way of increasin g the reliability and durability of the p iston. When the large diametrical clearan ce between the p iston skirt and liner, esp ecially with a cold engine under the action of the gas forces normal and lateral force o ccurs re- linin g of the p iston, which is accomp anied by p unches him in the mirror of the sleeve. Relinin g is the cause of vibration, in- creased noise, f atigu e and cavitation destruction of the p arts. With the shifting of the p iston leads to intensive wear of the liner, p iston skirt, p iston grooves, the ends of the p iston rings. Prop osed combined p iston with inlays of copp er-fluorop oly mer comp ositions that will ensure the app lication of a thin film of cop p er on the surface of friction throughout the life of the internal combustion en gin e, which will greatly reduce scuffing, rubb in g and in crease the wear r esistance of p arts of the cy linder-p iston group . M ethod of multifactorial exp eriment determined the op timal comp osition of the anti-friction comp osition. Key words: p iston, sleeve, rin g , of cop p er-fluorop oly mer, relinin g. References 1. Pat. 6044819 SShA, MPK F 02 F 75/ 06. USA Administrator of the National Aeronautics and Space Admin istration, Rive rs H.Kevin, Ranson Philip O., Northa m G.Burton, Schwind Franc is A. №08/ 808290; Za- javl. 28.02.1997; Opubl. 04.04.2000; NPK 123/193. 2. Porshen'. Zajav ka 19954334 Ge rmanіja, MPK7 F 02 F 3/00, F 02 F 3/ 02. Federal-Modul Nürnberg GmbH, Linz Ro land (HOFFMANN∙EIT LE, 81925 München). № 19954334.8; zajav l. 11.11.1999; Opubl. 23.05.2001. 3. Gincburg B.Ja. Profilirovanie oval'no-bochkoobraznyh jubok porshnej// Avtomobil'na ja promyshlen- nost' №1, 1972 s. 16-20. 4. Kostrov A.V., Ma karov A.R. Vybor optima l'noj zhestkosti napravljajushhej chasti porshnja dviga- telja. Avtomobil'naja p ro myshlennost' №10, 1979 s. 7-9. 5. Popov V.N., Chetoshnikov V.I. K voprosu vybora formy porshnja obespechenija min ima l'nogo za- zora v soprja zhenii porshen'-cilindr. Trudy ChIMJe SH, №88, 1975 s. 135-139. 6. Pankratova N.P., Pere l'd ik G.I., Bronshtejn B.Je. Raschetnoe i je ksperimental'noe issledovanie pop- erechnogo peremeshhenija bochkoobraznyh porshnej. Avtomobil'naja pro myshlennost' №5, 1978 s. 11-14. 7. Sposіb vіdnovlennja porshnіv і antifrikcіjna ko mpozic іja dlja jogo zdіjsnennja. Pat. na vinahіd Ukraїn i №61442A, SO8F114/26/ Dudchak V.P. Za javl. 06.02.2003. Opubl. 17.11.2003. Bjul. №11. 8. Pribor d lja izme renija mo menta trenija podshipnikov skol'zhenija. A.s. №1223730 SSSR / Petrov Ju.N., Dudchak V.P., Ko ljasko I.V. Opubl. 8.12.1985. Bjul. №47. 9. Dudchak V.P., Ostapenko R.M., Dudchak T.V. «Antifrikc іjna polіme rna ko mpo zic іja» Patent na korisnu model' № 82869. Bjul. № 16 vіd 27.08.2013. 10. Dudchak V.P., Ostapenko R.M., Dudchak T.V. «Sposіb oderzhannja poristoї antifrikc іjnoї ko mpozicії na osnovі ftoroplastu» Patent na korisnu model' № 82868. Bjul №16 v іd 27.08. 2013.