05.02.08 "Технологія машинобудування"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/20278
Переглянути
1 результатів
Результати пошуку
Документ Підвищення ефективності виготовлення елементів торцевих імпульсних ущільнень турбомашин нанесенням функціональних покриттів(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Жуков, Олексій МиколайовичДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. Об’єкт дослідження – технологічний процес формування функціональних покриттів на поверхні елементів торцевих імпульсних ущільнень турбомашин. Предмет дослідження – закономірності технологічного процесу формоутворення поверхні із заданими експлуатаційними властивостями, що забезпечують необхідну якість (довговічність, зносостійкість, працездатність) торцевих імпульсних ущільнень турбомашин. Метою дослідження є забезпечення працездатності торцевих імпульсних ущільнень (ТІУ) турбомашин шляхом виготовлення кілець із композиційних матеріалів, що поєднують у собі механічну міцність основи й захисні властивості покриттів, підвищують зносостійкість торцевих поверхонь кілець, герметичність і захист елементів вторинного ущільнення від фретинг-корозії. Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі: − Провести аналіз технології виготовлення й особливостей експлуатації ТІУ. − Розробити методику спрямованого вибору технології забезпечення необхідної якості робочих поверхонь кілець ТІУ залежно від умов роботи ущільнення й властивостей навколишнього середовища. − Удосконалити метод електроерозійного легування (ЕЕЛ) для здійснення процесів сульфідування й сульфоцементації енергоефективними й екологічно чистими методами, альтернативними хіміко-термічній обробці. − Розробити новий метод збільшення товщини шару підвищеної твердості шляхом формування на попередньо зміцнених цементацією методом ЕЕЛ торцевих поверхнях кілець ТІУ комбінованих електроерозійних покриттів; − Провести дослідження якісних параметрів поверхневих шарів, сформованих методом іонного азотування, конденсованого іонного бомбардування та карбонітрацією. − Розробити метод зниження фретинг-процесу для контактуючих поверхонь ущільнювальних елементів ТІУ. − Розробити технологічні рекомендації виготовлення ТІУ залежно від умов роботи та перекачуваного середовища. − Упровадити результати досліджень у практику виготовлення ТІУ турбомашин. У вступі обґрунтований вибір теми дисертації та наукових завдань, сформульовані мета й завдання дослідження, визначені наукова новизна й практичне значення одержаних результатів, а також наведена інформація про апробацію, структуру та обсяг роботи. У першому розділі виконано аналіз проблем підвищення якості елементів ТІУ. Наведено загальні відомості про торцеві ущільнення, розглянуті їх конструктивні особливості, галузі застосування, матеріали і види руйнувань. Досліджено технологічні методи підвищення якості робочих поверхонь ТІУ. Все це дозволило сформулювати мету й завдання дисертації. У другому розділі на основі теоретичного розгляду вимог до якості функціональних покриттів робочих поверхонь деталей роторних машин були розроблені система й критерії спрямованого вибору технології забезпечення необхідної якості робочих поверхонь кілець ТІУ шляхом аналізу і синтезу існуючих аналогів, досвіду промисловості та рекомендацій у вітчизняній і зарубіжній літературі. Система спрямованого вибору технології забезпечення необхідної якості робочих поверхонь кілець ТІУ охоплює весь їх життєвий цикл, що включає матеріал кілець та їх елементів, технологію їх виготовлення, технологію ремонту та ін. Всі вони розглядаються через спеціальні методи спрямованого вибору. До того ж враховується вплив обраних методів один на одного, який у кінцевому підсумку буде позначатися на якості виробу. Варіанти реалізації технологій, що задовольняють рішення були подані орієнтованим графом, вузлами якого є етапи розв’язання задачі, а ребрами – трудомісткість їх розв’язання (технологічна собівартість). Результат пошуку зводиться до розв’язання задачі цілочислового програмування комбінаторного виду, в якій розв’язок шукають на кінцевій множині можливих значень змінних. Як метод оптимізації використовували комбінаторний метод «гілок і меж». Результатом спрямованого вибору технології, що забезпечує необхідні експлуатаційні властивості робочих поверхонь торцевих імпульсних ущільнень, обирався мінімізований за критерієм собівартості технологічний процес формування функціональних покриттів. Третій розділ присвячений методиці експериментальних досліджень впливу різних технологій на якість поверхонь елементів ТІУ. Були розглянуті особливості технології електроерозійного легування (ЕЕЛ) при обробці поверхонь елементів ТІУ. Подано результати досліджень процесу обробки торцевих поверхонь ТІУ іонним азотуванням, конденсованим іонним бомбардуванням, карбонітрацією. Наведена методика досліджень трибологічних властивостей елементів ТІУ, виготовлених різними способами. Подано методику дослідження впливу способів виготовлення кілець ТІУ на механічні властивості. Наведені стендові випробування газового торцевого імпульсного ущільнення. У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень підвищення якості робочих поверхонь елементів ТІУ сформованих різними методами. Розглянуті питання підвищення якості поверхні кілець ТІУ методом ЕЕЛ, іонного азотування, конденсованого іонного бомбардування, карбонітрації. Підвищення зносостійкості робочих поверхонь вуса та втулки. Подані результати досліджень нових технологій сульфідування та сульфоцементаціі реалізованих на базі методу ЕЕЛ. Наведений аналіз особливостей методів, що застосовуються для підвищення якості елементів ТІУ. У п’ятому розділі наведені результати дослідження впливу способів підвищення якості елементів ТІУ на механічні властивості. Подано результати порівняльних трибологічних випробувань поверхонь ковзання ТІУ, сформованих різними методами. Наведені результати впливу припрацювальних покриттів на трибологічні властивості поверхонь ковзання ТІУ, результати досліджень зносостійкості контактуючих поверхонь деталей пар тертя ТІУ. Розроблені технологічні рекомендації спрямованого вибору найкращого матеріалу кілець ТІУ і технологій підвищення їх якості. Згідно з розробленою методикою спрямованого вибору, виходячи з експлуатаційних властивостей функціональних покриттів і показників якості поверхні, таких як: шорсткість, мікротвердість, зносостійкість, мікроструктура поверхневого шару, які необхідно забезпечити, відбувається спрямований вибір технологічних методів, якими можна вирішити поставлену задачу. До того ж критерієм вибору є мінімальна технологічна собівартість реалізації інтегрованої технології в умовах конкретного підприємства. Практична корисність розробленої методики представлена технологічними рекомендаціями, наведеними у зведеній таблиці. Ця таблиця містить механічні й триботехнічні властивості функціонального покриття, а також інформацію про інтегровану технологію, що дозволяє забезпечити ці властивості. Здійснені натурні випробування імпульсного газового торцевого ущільнення для компресора вуглекислого газу. Відповідно до поставленої мети та задач у роботі отримані наступні результати: 1. Аналіз технології виготовлення й експлуатації ТІУ засвідчив, що резервом зниження собівартості й підвищення якості ТІУ можуть бути технологічні методи ЕЕЛ, ЦЕЕЛ, ІА, КІБ, КН та ін., що дозволяють створювати на підкладках зі сталей і сплавів композиційні матеріали, що поєднують захисні властивості покриттів із механічною міцністю основи. 2. На підставі теоретичних досліджень розроблена формалізована методика визначення раціонального варіанта технології виготовлення елементів ТІУ, яка відрізняється тим, що кожному варіанту відповідає план реалізації можливих комбінацій рішень, мінімізований за трудомісткістю виконання. Розроблено модель синтезу інтегрованої технології, що враховує умови експлуатації ТІУ, фізичні принципи роботи устаткування та дозволяє відповідно до технологічних обмежень формувати функціональні покриття на робочих поверхнях елементів ТІУ. Проведені дослідження були передумовами для створення системи спрямованого вибору технології виготовлення ТІУ турбомашин, що дозволяє формувати робочі поверхні кілець ТІУ, а також контактуючої поверхні вторинного ущільнення й захисної втулки із заданими експлуатаційними властивостями. 3. Набув подальшого розвитку метод ЕЕЛ для здійснення процесів сульфідування й сульфоцементації, застосовуваних для запобігання схоплюванню й зміцненню контактуючих поверхонь ТІУ. 4. Визначено, що для зміцнення сталевих кілець ТІУ методом ЕЕЛ найкращим є КЕП складу ВК8 + Cu + ВК8, нікелевих сплавів – ВК8 + ВК8 + Cu і ВК8 + ВК8 + Ni, а для берилієвої бронзи – хром. Водночас товщину зони підвищеної твердості можна збільшити за рахунок попередньої ЦЕЕЛ. 5. Установлено, що при зміцненні методом ІА, сталі 40Х і 38Х2МЮА товщина зміцненого шару досягає 250 і 500 мкм, а мікротвердість – 8 820 і 9 950 МПа відповідно. Найбільша товщина 250 мкм і мікротвердість зміцненого шару 11 190 МПа, при ІА сталі 40Х належать комбінованому способу зміцнення ІА + ЦЕЕЛ. При зміцненні зразків зі сталі 12Х18Н10Т і Р6М5 методом КІБ товщина покриттів становить ~ 2–3 мкм, мікротвердість основи відповідно для сталі Р6М5 і 12Х18Н10Т становить ~ 6,8 і ~ 2,5 ГПа, а покриття – ~ 18 і 14,5 ГПа. При зміцненні зразків зі сталі 38Х2МЮА методом КН формуються поверхневі шари товщиною до 0,5 мм і мікротвердістю ≥ 10 000 МПа. 6. Запропоновано новий спосіб зниження фретинг-корозії контактуючих поверхонь вторинного ущільнення, виготовлених зі сплаву ХН58МБЮД або БрБ2, за якого перед ЦЕЕЛ на одну поверхню сплаву ХН58МБЮД методом ЕЕЛ наносять покриття з міді або нікелю, а на іншу – з міді. Відповідно до іншого способу перед ЦЕЕЛ на одну з контактуючих поверхонь із бронзи БрБ2 наносять покриття з міді. 7. Розроблено технологічні рекомендації виготовлення ТІУ, адаптовані до умов їх роботи. Аналіз поданих даних дозволяє в першому наближенні вибрати найбільш кращий матеріал для їх виготовлення, а також метод підвищення якості їх елементів. Використання в парах тертя припрацьовувальних КЕП сприяє зниженню сили й коефіцієнта тертя. Дослідження показало, що кільця із застосованих матеріалів мають низький, середній і високий параметри PV і їх можна застосовувати в I, II і III категоріях ущільнень. 8. Результати дисертаційної роботи впроваджені на двох підприємствах та в навчальному процесі Наукова новизна одержаних результатів: 1. Вперше розроблена система спрямованого вибору технології виготовлення ТІУ турбомашин, що дозволяє формувати робочі поверхні кілець, а також контактуючі поверхні вторинного ущільнення та захисної втулки із заданими експлуатаційними властивостями. 2. Набула подальшого розвитку технологія ЕЕЛ елементів ТІУ, які працюють в агресивних середовищах і виготовляються зі сталевих, нікелевих та бронзових сплавів, що дозволило формувати торцеві поверхні кілець і контактуючі поверхні вторинного ущільнення з необхідними експлуатаційними характеристиками. 3. Доведена доцільність нанесення на робочі поверхні сталевих кілець і кілець із нікелевих сплавів ТІУ багатошарових комбінованих електроерозійних покриттів, сформованих відповідно послідовностями ВК8 + Сu + ВК8 і ВК8 + ВК8 + Сu та цементації методом ЕЕЛ, що збільшує товщину шару підвищеної твердості. 4. Обґрунтована доцільність застосування технології сульфідування та сульфоцементації, здійснюваних у практиці зміцнення сталевих поверхонь хіміко-термічнною обробкою, альтернативними, екологічно чистими та більш енергоефективними методами ЕЕЛ. 5. Дістав подальшого розвитку взаємозв’язок між технологічними методами формування покриттів, що забезпечують підвищення зносостійкості торцевих поверхонь кілець, та експлуатаційними характеристиками ТІУ. Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці технологічних рекомендацій по виготовленню елементів ТІУ, адаптованих до умов роботи насосних та турбокомпресорних агрегатів та перекачуваного середовища. Аналіз поданих даних дозволяє в першому наближенні вибрати найбільш кращий матеріал для їх виготовлення, а також метод підвищення якості їх елементів.