УДК 67.04

ПРИМЕНЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ  ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КЛАПАННЫХ ПАР

 

APPLICATION OF WEAR RESISTANT COATINGS TO IMPROVE THE PERFORMANCE OF VALVE PAIRS

 

Карпов А.А.  (Брянский государственный технический университет, г. Брянск, РФ)

Karpov A. A. (Bryansk state technical University, Bryansk, Russia)

 

Рассматривается возможность нанесения функциональных покрытий для улучшения условий работы и герметичности клапанных пар, разработка методов их испытания на изнашивание.

The possibility of applying functional coatings to improve the working conditions and the tightness of the valve pairs, development of methods of testing for wear.

 

Ключевые слова: твердосмазочные покрытия, клапанные пары, герметичность, работоспособность.

Key words: solid lubricating coating, pair valve, tightness, performance.

 

Основным показателем работоспособности клапанных пар является обеспечение требуемой герметичности на протяжении жизненного цикла. Потеря работоспособности связана с изменениями состояния уплотнительных поверхностей вследствие износа, наблюдаемого при  действии ударных нагрузок и микросдвигах при посадке клапана на седло. С целью снижения износа на контактирующую поверхность клапана целесообразно нанесение твёрдосмазочного покрытия (ТСП) MoS2 , что приводит к существенному повышению эксплуатационной герметичности.

Для оценки эффективности нанесения ТСП проводились исследования пары управляющих электромагнитных клапанов, где  уплотнительные поверхности «седло-клапан» были выполнены из стали 9Х18Ш, термообработанной до  HRC 55-80. Нагрузка на клапанную пару составляла 15Н, а энергия удара принималась равной 1 Дж.

В процессе исследований изменения на уплотнительных поверхностях фиксировались по измеренной величине утечки через уплотнительный узел, визуальным осмотром с помощью микроскопа, а также профилографированием уплотнительных поверхностей до и после испытаний [1]. Обобщённые характеристики контактирующих поверхностей исходных клапанных пар металл-металл до и после испытаний приведены в таблице.

В процессе испытаний в начальный их период наблюдалось постепенное уменьшение величины утечки через клапанную пару по мере увеличения числа ее срабатываний. Этому соответствует  период ее приработки и уменьшение высоты неровностей исходной шероховатости. Затем  величина утечки начинает возрастать, что  связано с усталостным износом и  формированием равновесной шероховатости.  В то же время эксперименты показали, что при энергии удара клапана о седло менее 1 Дж в пределах 1 - 3 циклов срабатываний износ уплотнительных поверхностей не имеет катастрофического характера. Это позволяет сделать вывод, что требуемая степень герметичности может быть достигнута применением покрытия уплотнительных поверхностей ТСП.

 

Таблица

 

 

Интервал

значений

 

Клапан

Седло

Наибольшая высота неровностей профиля Rmax , мкм

Отклонение формы

,мкм

Наибольшая высота неровностей профиля Rmax , мкм

Отклонение формы

,мкм

До испытаний

После испытаний

До испытаний

После испытаний

До испытаний

После испытаний

До испытаний

После испытаний

min

0,15

0,18

0,06

-

0,08

0,13

-

-

max

1,68

0,54

0,16

0,05

1,25

0,45

0,1

0,2

                                                                        

Для выяснения этого были проведены исследования клапанных пар с покрытием из MoS2 , нанесённого фрикционным натиранием и вакуумным ионно-плазменным напылением на установке «Булат». В ходе испытаний определялась зависимость утечки воздуха в атмосферу через клапан при избыточном давлении 0,6 МПа от числа срабатываний при температурах 20 и 80. Сравнение экспериментальных данных по клапанным парам с натёртым слоем дисульфида молибдена с контактом металл-металл позволяет сделать вывод, что утечка воздуха через клапанные пары с покрытием из дисульфида молибдена существенно меньше чем через клапанную пару металл-металл. Кроме того, зависимость герметичности от числа циклов срабатывания  в пределах 1-1 практически постоянна и эксплуатационная герметичность отличается от исходной в пределах статистической погрешности экспериментов. Повышение температуры также не оказывает существенного влияния на результаты экспериментов.

 Эксперименты показали, что покрытие натёртым слоем MoS2 металлической поверхности клапана толщиной ~ 1мкм приводит к уменьшению утечки через клапанную пару в 2-4 раза.

Экспериментальные данные по клапанным парам с плёнкой MoS2, нанесённых ионно - плазменным способом, показали их существенно меньший ресурс (от   до 1 циков) по сравнению с плёнками, нанесёнными фрикционным натиранием (1 циклов ресурс не исчерпан). Это связано с тем, что потеря герметичности клапанной пары происходит при отделении, в результате разрушения таких покрытий, крупных частиц износа, наличие которых в межконтактном зазоре приводит к резкому увеличению утечки через клапанную пару.

Применить к покрытиям такой толщины, разработанные модели контактного взаимодействия трибосопряжений с ТСП, не представляется возможным из - за принятых в них ограничениях.

Нанесение тонких покрытий из MoS2 не является достаточным для обеспечения работоспособности клапанных пар. Это связано, во – первых, с разрушением твёрдосмазочного покрытия ударной нагрузкой с образованием крупных частиц (при ионно-плазменном напылении), а также с неоднородностью и разнотолщинностью покрытия MoS2, наносимым на уплотнительную поверхность клапана методом натирания. В результате этого возникает нестабильность результатов испытаний от пары к паре, что не гарантирует обеспечения требуемой степени герметичности каждой отдельной пары.

Конструктивная схема клапанной пары с покрытием, применяемой в УПЭК представлена на Рисунке 1.

клапан.jpg

1- клапан, 2- полимерное покрытие, 3- седло клапана, 4-крышка клапана, 5- пружина

 

Рисунок 1 - Конструктивная схема клапанной пары с покрытием

 

Исследование поверхности клапана, покрытого полиуретановым лаком, показал значительный износ полимерного покрытия.

Наблюдалось равномерное выдавливание материала покрытия в месте контакта с уплотнительным пояском седла и отслоение его значительных частей (до 1 мм). Устойчивая утечка после 700000 циклов обусловлена массовым отслоением покрытия с поверхности клапана. Причиной невысокого ресурса покрытия явилось применение пружины в клапанной паре УПЭК рассчитанной на контакт металл-металл и высокая энергия ударного воздействия клапана о седло. Кроме того недостаточно хорошо отработана технология нанесения покрытия на поверхность клапана.

Таким образом, клапанные пары, имеющие ТСП из MoS2, наносимого методом натирания, обеспечивают требуемую работоспособность пары при выполнении требований к исходной герметичности, но несовершенство технологии нанесения ТСП  даёт значительный разброс исходной герметичности.

Важным фактором повышения долговечности клапанных пар является использование более надежных методов экспериментальных исследований и повышение их износостойкости за счет применения высокоизносостойких конструкционных материалов [2,3,4,6] и эффективных  упрочняющих технологий [5,7,8].

Список использованных источников:

1.    Научные основы инженерных методов проектирования триботехнических систем с твёрдосмазочными покрытиями: автореф. дис. на соиск. уч. ст. док. наук: 05.02.04 / О.В. Сутягина; Тверской государственный технический университет. Тверь, 2005. 39 с.

2.    Исследование износостойкости твердосплавного инструмента для штам­повки поковок клапанов / Т.А. Лившиц, И.Л. Акаро, Е.А. Памфилов, В.С. Рыжеванов, A.M. Буглаев // Автомобильная промышленность. 1979. № 7. С. 30-31.

3.    Установка для определения износостойкости материалов в условиях циклического изменения температуры и нагрузки / Е.А. Памфилов В.С. Рыжеванов, A.M. Буглаев, Т.А. Лившиц // Заводская лаборатория. 1979. № 4. С. 372-374.

4.    Исследование износа некоторых твердых сплавов при циклическом изменении температуры и нагрузки / Т.А. Лившиц, Е.А. Памфилов, В.С. Рыжеванов, В.А. Фальковский, A.M. Буглаев,  И. В. Баранов // Твердые сплавы: сб. науч. тр. М., 1981. № 22. С.52-56.

5.    Повышение износостойкости твердых сплавов лазерным упрочнени­ем/ Е.А. Памфилов, Т. Г. Борзенкова // Вестник машиностроения. 1982. № 3. С. 61-63.

6.    Формирование качества поверхностей при лазерной обработке / Е.А. Памфилов, В.Д. Северин // Вестник машиностроения. 1982. № 4. С. 46-48.

7.    Способ получения износостойкой поверхности: а. с. 1259147 МПК СССР: G 01 N 3/56 / Е.А. Памфилов, Н.М.Петренко, В.В. Покидышев; заявитель Брянский технологический институт. № 3889413/25; заявл. 24.04.85; опубл. 23.09.86, Бюл. № 35.

8.    Прогнозирование износостойкости твердых лазерных покрытий при ударе на основе прочностных критериев / Е.А. Памфилов, Ю.В. Колесников, Ю.В.  Жостик // Трение и износ. 1997. Т.18. № 3. С. 399-403.