Прогнозирование долговечности судового оборудования при кавитационном изнашивании

Слово кавитация происходит от латинского саква — пустота, полость. Явление кавитации заключается в образовании разрывов сплошности в жидкости там, где происходит значительное понижение давления. Кавитационное изнашивание поверхности вызывается ударами струй и капель жидкости при схлопывании кавитационных полостей, когда внешнее давление резко повышается, или когда пузыри сносятся потоком в область повышенных давлений. При смыкании пузыри продавливаются жидкостью, теряют первоначальную форму и распадаются на более мелкие пузырьки с образованием кумулятивных струй, ударяющих по поверхности тела. Разрушение кавитационных полостей происходит за время порядка тысячной доли секунды. Кавитационные полости заполнены насыщенным паром, плотность и давление которого при заданной температуре являются постоянными величинами для конкретной жидкости, поэтому избыток пара мгновенно конденсируется при резком уменьшении объёма полости, и он не оказывает пружинящего воздействия в отличие от ситуации, когда сжимается, например, воздух. Скорость кумулятивных струй может достигать нескольких сот метров в секунду. Этого достаточно, чтобы жидкость, ударившись о поверхность металла, вызвала пластическую деформацию поверхности. Когда число ударов достигнет критической величины, соответствующей исчерпанию пластичности, последует разрушение поверхности.

Неудовлетворительная износостойкость конструкционных материалов при динамическом воздействии кавитирующих потоков является серьёзным препятствием на пути развития техники. Бороться с кавитационным изнашиванием можно двояким образом: с позиций гидромеханики и с позиций материаловедения. Методами гидромеханики осуществляют выбор оптимальных режимов эксплуатации и, как следствие, разработку конструктивных мероприятий, с целью уменьшения интенсивности кавитацион-ного воздействия на поверхность. Материаловеды заняты исследованием механизмов изнашивания, разработкой критериев износостойкости, созданием износостойких материалов и методик их испытаний на лабораторных установках, имитирующих кавитационное воздействие.

Различают гидродинамическую кавитацию, возникающую на поверхностях, при обтекании их потоком жидкости, и вибрационную кавитацию, появляющуюся на поверхностях, вибрирующих с высокой частотой в жидкости. Изнашиванию при гидродинамической кавитации на водном транспорте чаще всего подвергаются элементы движительно-рулевого комплекса судов [1]: лопасти гребных винтов (ГВ), внутренние пояса направляющих насадок, а при вибрационной — втулки цилиндров (ВЦ) судовых дизелей [2].

На ГВ очаги кавитационного износа возникают на лопастях или в их концевых сечениях (транспортные суда), или в корневых сечениях (быстроходные суда на подводных крыльях (СГЖ)), часто переходя в последнем случае на ступицу. Скорость изнашивания составляет 1.20 мм/год, причём более высокие значения характерны для ГВ СПК.

От кавитационного износа при вибрационной кавитации, как правило, страдают водоохлаждаемые поверхности ВЦ и блоков цилиндров высокои среднеоборотных двигателей внутреннего сгорания (ВОД и СОД), при этом скопления раковин кавитационного износа возникают в плоскости качания шатуна. Часто в результате вибрационной кавитации возникает щелевая эрозия в виде канавок в зазорах между ВЦ и блоком в верхней части деталей. Щелевая эрозия в узкостях и сопряжениях инициирует возникновение фреттинг-коррозии, а также возникновение трещин под опорным буртом втулок. Это является одной из причин отрыва части бурта от втулки. В зависимости от конструкции ВЦ, рабочих характеристик и условий эксплуатации двигателей скорость роста глубины раковин кавитационного износа может изменяться в очень широком диапазоне: от 0,05 до 10 мкм/ч. Во многих случаях выбраковка ВЦ проводится по критической глубине очагов кавитационного износа на водоохлаждаемой поверхности, а не по износу внутренней стороны, так называемого «зеркала» цилиндра.

Как следует из вышеизложенного, скорость кавитационного изнашивания сравнительно невелика и составляет в среднем несколько миллиметров в год, однако кавитационному изнашиванию подвергаются в подавляющем большинстве случаев ответственные детали различного оборудования: лопасти ГВ и осевых насосов, плунжеры топливных насосов, вкладыши подшипников скольжения, ВЦ двигателей внутреннего сгорания [14] и др. Для перечисленных деталей установлены высокие требования к качеству поверхности и надежности, что ставит проблему борьбы с кави-тационным изнашиванием в ряд актуальных. Так как полностью исключить кавитационный износ в большинстве случаев невозможно без нарушения оптимального с точки зрения КПД режима работы ответственного оборудования, то на первое место выходит прогнозирование износа такого оборудования, а именно: 1.) появятся ли очаги кавитационного износа на поверхности, 2.) если да, то в каком месте, и 3.) какова будет скорость изнашивания. Осуществить прогнозирование теоретически в вышеперечисленном объёме невозможно. В настоящее время проблему прогнозирования решают в основном применительно к третьему из вышеперечисленных пунктов, производя оценку относительной износостойкости материалов. Предполагают, что, если известна, к примеру, глубина кавитационного износа на натурном оборудовании, то, после применения другого материала, износостойкость которого по отношению к штатному выше в несколько раз, во столько же раз уменьшится и глубина очагов износа в натурных условиях. Оценку относительной износостойкости производят в настоящее время или экспериментально [5−15], или с помощью критериев кавитационной износостойкости [16−28]. Однако при этом не обращают внимания на специфическую кинетику кавитационного изнашивания, которая в отличие от других видов эрозионного изнашивания, например, гидроабразивного, более сложная.

Существенная особенность кавитационного изнашивания — наличие инкубационного периода, в течение которого происходит накопление повреждений поверхностным слоем изнашиваемого металла, и потери массы отсутствуют. Продолжительность инкубационного периода сопоставима со сроками эксплуатации детали до её ремонта или замены вследствие износа и в большинстве случаев эксплуатации натурных объектов составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч часов. Такая продолжительность характерна для кавитационного изнашивания лопастей ГВ транспортных судов, направляющих насадок ГВ, гидротурбин, центробежных и осевых насосов и др. оборудования. При очень высокой интенсивности кавитационного воздействия продолжительность инкубационного периода может сокращаться до нескольких десятков часов, что нередко имеет место при изнашивании корневых сечений лопастей ГВ быстроходных судов, игольчатых затворов ковшовых гидротурбин, клапанных устройств мощных гидропрессов и т. д. Во многих случаях, когда появление очагов кавитационного износа на поверхности ответственной детали может привести к отказу оборудования, актуальной становится проблема прогнозирования и именно продолжительности начального (инкубационного) периода, когда износ еще отсутствует.

Актуальность проблемы прогнозирования инкубационного периода становится ещё более очевидной, если принять во внимание тот факт, что продолжительность инкубационного периода определяет скорость последующего уноса материала с изнашиваемой поверхности. Знание особенностей поведения металлических материалов в инкубационный период позволит не только предложить метод оценки его продолжительности, но и, зная продолжительность инкубационного периода, более достоверно прогнозировать развитие износа.

Таким образом, в зависимости от того, какая деталь подвержена изнашиванию, под её долговечностью в условиях кавитационного воздействия понимают либо продолжительность инкубационного периода (лопасти ГВ транспортных судов, направляющие насадки движителей таких судов), либо величину износа, по достижении которого эксплуатацию детали прекращают из-за возможности возникновения аварийной ситуации (корневые сечения лопастей движителей быстроходных судов, ВЦ дизелей и др.).

Соответственно методики прогнозирования долговечности элементов движительно-рулевого комплекса судов при кавитации должны быть нацелены, прежде всего, на оценку продолжительности инкубационного периода, а методики прогнозирования долговечности ВЦ — на оценку времени по достижении определённого износа, но и в этом случае исходным пунктом методики должна быть оценка продолжительности инкубационного периода.

Следует иметь в виду, что многое оборудование работает при переменных режимах, это затрудняет оценку продолжительности инкубационного периода. Для оценки усталостной долговечности конструкций при переменном нагружении успешно используется гипотеза линейного суммирования повреждений, впервые применённая в 1924 г. Пальмгреном для оценки долговечности подшипников качения. Что касается долговечности поверхностных слоёв при кавитационном воздействии, то ранее никто не проводил экспериментальную проверку линейной гипотезы суммирования повреждений для такого вида нагружения, хотя известны случаи использования гипотезы линейного суммирования повреждений при разработке теоретических моделей кавитационного изнашивания [29, 30].

В настоящее время проблема борьбы с кавитационно-эрозионными разрушениями ВЦ ВОД и СОД еще далека до своего окончательного решения. Это обусловлено высокой степенью сложности и многообразием процессов вибрационной кавитации и эрозии деталей двигателей, отсутствием достоверных физических и математических моделей кавитационного разрушения материалов и конкретных деталей и, как следствие, ограниченностью имеющихся расчетных методов оперативной оценки ресурса деталей при кавитационном воздействии. Оценку кавитационно-эрозионной стойкости ВЦ проводят в основном по статистическим данным, извлекаемым из ремонтных ведомостей и актов освидетельствования состояния деталей при разборках двигателей. Для более активного влияния на негативные последствия вибрационной кавитации в двигателях требуется проведение стендовых испытаний и создание методов расчета долговечности деталей при кавитационном изнашивании.

Существующие немногочисленные методики оценки кавитационно-го износа судового оборудования носят полуэмпирический характер и не учитывают многих особенностей кавитационного изнашивания, например изменения жёсткости напряжённого состояния поверхности при кавитационном воздействии в зависимости от её твёрдости.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию инкубационного периода кавитационного изнашивания судостроительных металлических материалов на магнитострикционном вибраторе (МСВ) с использованием методов микротвёрдости, теории пластичности и механики разрушения, и разработке на основе проведённых исследований методики прогнозирования долговечности судового оборудования при кавитационном изнашивании.

Объектом исследования является кавитационное изнашивание материалов и оборудования.

Предмет исследования — прогнозирование долговечности элементов судовых движителей и ВЦ дизелей при кавитационном изнашивании.

На защиту выносятся:

• зависимости параметров кавитационного изнашивания от площади очага кавитационного износа при испытаниях на МСВ;

• закономерности пластической деформации металлов в инкубационный период кавитационного изнашивания;

• закономерности изменения коэффициента жёсткости напряжённого состояния поверхности стали, её пластичности и размеров частиц износа в зависимости от интенсивности кавитационного воздействия;

• методика прогнозирования долговечности внутреннего пояса направляющих насадок ГВ судов при кавитационном изнашивании с учётом нерегулярности кавитационного воздействия;

• методика прогнозирования долговечности ВЦ судовых дизелей при кавитационном изнашивании.

4.4. Выводы по главе 4.

1. Опытами на МСВ доказана применимость гипотезы линейного суммирования повреждений для оценки продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания металлических материалов.

2. Близость критических значений суммарного повреждения Экр к единице указывает на квазистатический характер разрушения при кавитации, что подтверждает результаты исследований, приведённые в главе 3.

3. Критическое значение суммарного повреждения Дф, оказалось практически нечувствительно к тому, в пределах какого участка кривой усталости идёт изменение режимов кавитационного воздействия. Вместе с тем, значения Икр, полученные при варьировании режимов в пределах верхнего участка кривых усталости, оказались на 10. 15% ниже таковых, полученных при изменении режимов в пределах того участка усталостных кривых, который соответствовал малым амплитудам колебаний.

4. С использованием гипотезы линейного суммирования повреждения разработана методика оценки долговечности направляющих насадок ГВ судов внутреннего плавания.

5. Усовершенствована методика прогнозирования долговечности ВЦ судовых дизелей, основанная на использовании продолжительности инкубационного периода как исходной информации для определения характеристик изнашивания, учёте масштабного фактора, а также твёрдости материала ВЦ, как параметра определяющего жёсткость напряжённого состояния поверхности при кавитационном воздействии.

6. Впервые установлена взаимосвязь шероховатости изнашиваемых поверхностей материалов с продолжительностью инкубационного периода и наибольшей скоростью кавитационного изнашивания, что может служить основой для разработки методики оценки относительной долговечности ВЦ дизелей, основанной на измерении шероховатости поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Продолжительность инкубационного периода определяет скорость изнашивания и износ, поэтому исходным пунктом методик прогнозирования кавитационного износа судового оборудования должна быть оценка продолжительности инкубационного периода.

2. При уменьшении диаметра образцов, испытываемых на МСВ, уменьшается диаметр очага износа на их поверхности и увеличивается продолжительность инкубационного периода. Механизм кавитационного разрушения поверхности с изменением диаметра очага износа остаётся неизменным, а изменяется только механизм передачи энергии от схлопывающихся пузырьков к изнашиваемой поверхности.

3. Изменение долговечности поверхностных слоёв при кавитационном воздействии подчиняется выражению аналогичному по форме известному закону Коффина-Мансона, описывающему малоцикловую усталость при жёстком нагружении.

4. Толщина слоя, упрочнённого при кавитационном воздействии, непрерывно увеличивается в течение инкубационного периода изнашивания и достигает максимума по его окончании. Изменение механизма пластической деформации при кавитационном воздействии с увеличением амплитуды колебаний МСВ ведёт к скачкообразному изменению максимальной толщины упрочнённого слоя.

5. Уточнена зависимость коэффициента жёсткости напряжённого состояния поверхности сталей при кавитационном воздействии от твёрдости поверхности.

6. Переломы и разрывы на кривых усталости поверхностных слоёв металла при кавитации отражают его реакцию на изменение интенсивности кавитационного воздействия, заключающуюся в резком изменении напряжённого состояния поверхности и пластичности, а также скачкообразном (двукратном) изменении размеров частиц износа.

7. Доказана применимость гипотезы линейного суммирования повреждений для оценки продолжительности инкубационного периода кави-тационного изнашивания, с использованием которой разработана методика оценки долговечности направляющих насадок ГВ судов внутреннего плавания.

8. Разработана методика прогнозирования долговечности ВЦ судовых дизелей, основанная на использовании продолжительности инкубационного периода как исходной информации для определения характеристик изнашивания, учёте масштабного фактора, а также твёрдости материала ВЦ, как параметра, определяющего жёсткость напряжённого состояния поверхности при кавитационном воздействии.