Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка проблемы. цель и задачи исследования 16
1.1. Анализ факторов, влияющих на износостойкость деталей цилиндро-поршневой группы двигателя 18
1.2. Влияние напряженно-деформированного состояния гильзы на надежность узла уплотнения 30
1.3. Анализ методов повышения долговечности деталей цилиндро-поршневой группы 41
1.4. Условия работы гильз цилиндров «мокрого» типа и определение основных причин кавитационной эрозии их наружной поверхности 54
1.5. Анализ экологической безопасности двигателя 73
1.6. Выводы, цель и задачи исследования 84
2. Общие теоретические предпосылки и методические вопросы выполнения работы 87
2.1. Анализ изменения состояния гильзы на основе теории графов 87
2.2. Определение величины и характера деформаций 93
2.3. Программа и методика исследований 100
2.3.1. Методика определения износостойкости деталей с измененными физико-механическими характеристиками 100
2.3.2. Исследование кавитационно-изношенной поверхности 108
2.3.3. Методика проведения производственных и эксплуатационных испытаний 108
3. Исследование влияния деформации гильзы на герметичность узла уплотнения 114
3.1. Математическое моделирование деформаций стенки гильзы при приложении осевых нагрузок 114
3.2. Исследование деформации гильзы в блоке 124
3.3. Изменение конструкции гильзы с целью снижения деформаций 135
3.4. Определение изменения герметичности камеры сгорания при деформации стенки гильзы 140
Выводы 145
4. Возникновение динамических нагрузок и их перераспределение изменением физико-механических характеристик сопряженных поверхностей 146
4.1. Математическое моделирование перераспределения энергии и температуры в гильзе, имеющей измененные физико-механические характеристики поверхности трения 146
4.2. Экспериментальное исследование перераспределения температурных полей в гильзе 158
4.3. Повышение экологической безопасности двигателя использованием медьсодержащих сплавов 167
Выводы 170
5. Кавитационный износ наружной поверхности гильзы и его влияние на работоспособность 171
5.1. Формирование динамических нагрузок при эксплуатации двигателя 171
5.2. Математическое моделирование процесса вибраций гильзы, как оболочки, окруженной слоем жидкости 177
5.3. Исследование влияния кавитационного износа на деформацию
Выводы 200
6. Теоретическое и экспериментальное обоснование повышения износостойкости узла уплотнения 201
6.1. Теоретическое обоснование процессов изнашивания при изменении физико-механических характеристик сопряженных поверхностей 203
6.2. Экспериментальное исследование износостойкости деталей с измененными физико-механическими характеристиками 217
6.2.1. Исследование износостойкости образцов по отклонениям формы от исходной'. 218
6.2.2. Исследование износостойкости образцов по изменению массы 232
Выводы 250
7. Технологические основы изготовления деталей с улучшенными эксплуатационными показателями 251
8. Производственные и эксплуатационные испытания и оценка экономической эффективности 266
8.1. Результаты стендовых испытаний 266
8.2. Результаты эксплуатационных испытаний 267
8.3. Расчет экономической эффективности 273
Выводы 278
Общие выводы 280
Литература 284
Приложения 316
- Влияние напряженно-деформированного состояния гильзы на надежность узла уплотнения
- Определение величины и характера деформаций
- Изменение конструкции гильзы с целью снижения деформаций
- Экспериментальное исследование перераспределения температурных полей в гильзе
Введение к работе
Актуальность работы. Производство автомобилей КамАЗ, с устанавливаемыми на них дизелями КамАЗ-740, осуществляется с 1974 года. Завод двигателей АО КамАЗ (г. Набережные Челны, Татарстан) обеспечивал все народное хозяйство Советского Союза, производя двигатели (не считая производства в запчасть) для 150000 автомобилей в год. С момента запуска производства двигателей КамАЗ-740 большое внимание уделялось их сервисному обслуживанию и качественному необезличенному ремонту, что было возможно благодаря построенному заводу по ремонту двигателей и более чем 200 центрам по ремонту и сервисному обслуживанию. Качество ремонта было достаточно высоким по сравнению с мелкими станциями и предприятиями, проводящими аналогичные операции, а долговечность отремонтированной техники составляла величину не менее 70% от долговечности новой [148].
В годы перехода на» рыночные отношения благоприятная ситуация с эксплуатацией, сервисным обслуживанием и ремонтом изменилась не в лучшую сторону. В настоящее время в процессе эксплуатации по большинству элементов автомобиля параметр потока отказов имеет тенденцию к возрастанию (рис. 1.1) [ 113]. < 0.4 S, тыс. KM S, тыс. км
Рис. і.І Изменение параметра потока отказов элементов автомобиля КамАЗ в процессе эксплуатации: 1 - автомобиль; 2 - двигатель
В табл. 1.1 приведены данные по отказам элементов автомобиля, устранение которых связано с заменой деталей или сборочных единиц [113].
Таблица 1.1 Работы по устранению отказов автомобилей КамАЗ
Анализ данных показывает, что 58% отказов, 87% трудоемкости устранения отказов, 76% простоев при текущем ремонте, 83% затрат на запасные части приходится на те элементы автомобиля, параметр потока отказов которых в процессе эксплуатации возрастает [113].
По данным ОАО «КамАЗ-Дизель» по отказам были проанализированы 1183 двигателя, и в результате проведенных исследований классифицировано 64 дефекта, из них 19 имели единичные отказы. При этом 10 дефектов встречаются наиболее часто, а вероятность появления каждого из них близка к 0,9 (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Наиболее часто встречающиеся дефекты двигателей
Зависимости, связывающие частоту появления дефектов с пробегом автомобиля, показаны на рис. 1.2 (данные ОАО «КамАЗ-Дизель»). f(S),
Рис. 1.2 Распределение отказов двигателя от пробега автомобиля
В течение последних лет затраты на ремонт сельскохозяйственной техники возросли в 2,3 раза, а наработка на отказ у отремонтированных двигателей снизилась в 1,7...3,5 раза [232,295]. Снижение надежности техники, занятой в сельском хозяйстве, и эксплуатируемой, как правило, круглогодично, приводит к значительному снижению эффективности сельскохозяйственного производства в целом. Например, в период посева и уборки урожая время простоя техники достигает величины 40-50% от рабочего. При этом 35-45% неисправностей приходится на двигатель, а из них, около 50% составляют неисправности деталей цилиндро-поршневой группы двигателя [162,200,250,280,281,328,330] (рис. 1.3). И это, несмотря на то, что до 75% времени технического обслуживания (ТО) приходится именно на двигатель (рис. 1.4).
Важность повышения надежности деталей ЦПГ двигателя определяется тем, что именно от состояния узла уплотнения «гильза-поршень-кольца» зависит срок службы двигателя, а затраты на ремонт, восстановление и замену деталей ЦПГ являются наибольшими по сравнению с затратами на ремонт, восстановление и замену других деталей двигателя.
Прочие
Выплавление вкладыше й
Износ корренных вкладышей
Коррозия блока цилиндров
Задир поршня 4%
Износ ЦПГ 44%
Рис. 1.3 Ресурсные отказы деталей и узлов двигателей КамАЗ-740 Т,% TO-100 |—" 1 і '
Рис. 1.4 Общая трудоемкость технического обслуживания двигателя КамАЗ
Проблема повышения надежности деталей цилиндро-поршневой группы
9 ДВС, состоящей из неподвижной гильзы, контактирующей через кольца с поршнем, совершающим возвратно-поступательные движения, стоит перед конструкторами, технологами, эксплуатационниками и ремонтниками, начиная с момента появления двигателя. Это объясняется тем, что работникам различных направлений приходится сталкиваться с задачами, на первый взгляд, несовместимыми друг с другом. Каждый, по сути, решает свою отдельно взятую проблему: конструктор, например, рассчитывает форму кольца, даже без учета ее контакта с гильзой; технолог в процессе производства пытается всего лишь выдержать, заложенные в технических условиях, параметры; эксплуатационник должен вовремя проводить техническое обслуживание и, в результате, на ремонтника обрушиваются все возможные и невозможные последствия того, что было сделано «неправильно» - расчет, технологический процесс и сервисное обслуживание.
Между тем цилиндро-поршневая группа на всех этапах должна рассматриваться как единый целостный узел, поскольку ее герметичность является определяющим фактором нормальной работы двигателя. Неучет какой-либо составляющей на этапе конструирования и производства, как правило, приводит к нежелательным последствиям при эксплуатации и вызывает дополнительные издержки при ремонте.
Поскольку к этапу ремонта детали приходят как с изменившимися геометрическими размерами, так и с измененными физико-механическими свойствами материалов сопряженных поверхностей, то ремонтные мероприятия представляют собой, зачастую, новый этап конструирования а, иногда и более современные и оригинальные технологии обработки, чем примененные при изготовлении деталей.
Несмотря на большое количество работ, посвященных проблеме повышения долговечности деталей Ці 11 ДВС, отсутствует комплексный подход к обеспечению характеристик этих деталей, составляющих целостную группу. Необходимость поиска решения поставленной проблемы в комплексном виде обусловлена взаимосвязью и взаимовлиянием происходящих процессов. Комплексность предполагает выявление и анализ факторов, обуславливающих эту взаимосвязь, с последующим моделированием происходящих в узле уплотнения процессов. Необходимость рассмотрения потери ЦПГ герметичности, вследствие монтажных деформаций, изнашивания внутренней поверхности, ударно-вибрационных нагрузок и, связанных с ними кавитационного изнашивания наружной поверхности, определяется отсутствием в настоящее время таких данных.
Поэтому предлагается рассмотреть соединение «поршень-кольца-гильза» именно с указанных выше позиций целостности. ЦПГ представляет собой подвижное лабиринтное уплотнение (рис. 1.5) [193], в котором составляющие выполняют следующие функции.
1 2 _3_
0 20 40 60 80 Р,%
Рис. 1.5. Лабиринтное уплотнение, создаваемое ЦПГ: 1 - гильза, 2 - поршневые кольца, 3 - поршень
Поршень, имея сложную форму образующей поверхности и в радиальном, и в осевом направлениях, является формирующим звеном возвратно-поступательного движения, передаваемого от шатуна к кольцам. Поршень воспринимает механическую нагрузку расширяющихся газов камеры сгорания и обеспечивает эффективную теплопередачу через кольца к стенке гильзы (некоторые конструкции имеют дополнительную функцию смесеобразования топливо-воздух). Выполненный из сплава с высокой температурой плавления, в процессе работы он подвергается температурным деформациям, максимально выраженным в области юбки. Поверхностями, находящимися во взаимодействии с другими деталями ЦПГ, являются поршневые канавки, контактирующие торцовыми поверхностями поршневых колец, и юбка, которая при детонационных процессах может соударяться с рабочей поверхностью гильзы. При правильном проектировании и точном выдерживании технологии изготовления поршня за прорыв газов со стороны поршень-кольцо, в основном, отвечают соотношения геометрических размеров кольца и поршневой канавки.
Поршневые кольца - основной элемент, обеспечивающий постоянный в течение, как статического состояния, так и при наличии динамических нагрузок, подвижный контакт со стенкой гильзы. Поскольку кольца -единственный элемент ЦІІ1, имеющий заранее заданные упругие свойства, именно его эпюрой радиальных давлений, определяются основные мощностные и экологические показатели ДВС. На современном этапе при проектировании кольца учитываются физико-механические свойства материала сопряженной с ним гильзы и ее некоторые геометрические размеры. За счет этого кольцо с правильно смоделированной эпюрой, адаптируясь на начальном этапе к монтажным деформациям гильзы, позволяет максимально долго в процессе эксплуатации двигателя поддерживать контакт с ее стенкой. Уникальность колец состоит в их трех состояниях: свободном состоянии, задаваемом или определяемом при расчете, когда его упругость равна нулю, а форма отлична от окружности; состоянии в гибкой ленте на операции контроля, когда форма кольца определяется соотношением его эпюры и геометрических и физико-механических параметров ленты; рабочем состоянии, когда форма близка к окружности и определяется формой рабочей поверхности гильзы, при этом кольцо адаптируется к ней за счет заданного при расчете распределения давления. Вследствие постоянного контакта колец со стенкой гильзы и наличия у них собственных сил упругости рабочая поверхность колец, как правило, покрывается износостойким покрытием (хромом или молибденом), позволяющим выровнять долговечность колец и гильзы.
Гильза двигателя «мокрого» типа - элемент, совместно с кольцами обеспечивающий герметичность камеры сгорания, воспринимающий в процессе работы динамические нагрузки со стороны поршневых колец, осуществляющий теплопередачу от поршневых колец к охлаждающей жидкости и, уже при установке, находящийся в напряженно-деформированном состоянии, обусловленном затяжкой шпилек (болтов) головки блока. Элементом, в основном определяющим процессы изнашивания гильзы, являются поршневые кольца. С одной стороны, более твердое и износостойкое покрытие кольца в неблагоприятных условиях смазывания рабочих поверхностей в камере сгорания оказывает на поверхность гильзы крайне неблагоприятное воздействие. С другой стороны, динамические нагрузки, вызываемые перекладкой поршня и передаваемые через кольца на стенку гильзы, вызывают вибрации стенки гильзы, что, в свою очередь, приводит к кавитационному изнашиванию поверхности, омываемой охлаждающей жидкостью. Напряженно-деформированное состояние только усугубляет эти процессы - в ЦІ 11 реализована, так называемая, положительная обратная связь, когда изменение каких-либо параметров детали или деталей приводит не к компенсации этого изменения параметрами других деталей, а к «раскачиванию» всей системы и более быстрому выходу ее из строя.
Как видно из проведенного анализа, практически отсутствует (за исключением определения формы кольца в гибкой ленте, которую невозможно идентифицировать с точки зрения, например, износостойкости или долговечности в целом) учет контактно-силового взаимодействия деталей Ці 11 . Между тем, именно оно определяет процессы, протекающие в камере сгорания, в течение всего срока эксплуатации ДВС. Чем дольше оно будет сохраняться неизменным или подчиняться заранее установленной зависимости, тем проще будет прогнозировать все мероприятия, связанные с сервисным обслуживанием двигателя или восстановлением его технических характеристик.
Таким образом, можно определить цель исследования и сформулировать несколько задач исследования, направленных на учет контактно-силового взаимодействия деталей Ці 11, решение которых позволит повысить эксплуатационные показатели двигателя в целом.
Работа выполнена в рамках «Концепции развития сельскохозяйственного машиностроения в регионах ассоциации «Большая Волга» (Утверждена решением Совета ассоциации «Большая Волга» от 27.01.1999 г.).
Цель работы. Повышение эксплуатационных показателей автотракторных дизелей путем комплексного решения проблемы по учету контактно-силового взаимодействия сопряженных деталей.
Научная новизна работы заключается в комплексном подходе к решению проблемы повышения эксплуатационных показателей деталей цилиндро-поршневой группы дизелей, применяемых в сельскохозяйственной технике, за счет изменения физико-механических характеристик сопряженных поверхностей (созданием в теле основного материала упорядоченных или неупорядоченных вставок, вкраплений, слоев и пр. из материала, имеющего отличные от основного физико-механические свойства) и оптимизации контактно-силового взаимодействия деталей узла уплотнения, существенно снижающих деформацию деталей и интенсивность их изнашивания. В свою очередь, снижение монтажных деформаций гильз и повышение износостойкости их рабочих поверхностей позволяет снизить расход топлива и масла на угар, повысить мощность двигателя и увеличить его ресурс.
Реализация данного подхода состоит в следующем:
Проведено математическое моделирование деформаций стенки гильзы при приложении осевых нагрузок, позволившее модернизировать конструкцию ее верхнего опорного бурта, снизив, тем самым, радиальные деформации.
Разработана математическая модель перераспределения энергии при динамическом взаимодействии деталей ЦІ 11, позволяющая оценить энергетические потоки в деталях с измененными физико-механическими характеристиками.
Проведено математическое моделирование вынужденных колебаний гильзы двигателя, при этом определены резонансные частоты колебаний гильзы, окруженной слоем охлаждающей жидкости.
Уточнена математическая модель интенсивности изнашивания для деталей с измененными физико-механическими характеристиками сопряженных поверхностей.
Разработаны технологии нанесения покрытий, обеспечивающих неоднородность поверхностей деталей.
Разработаны рекомендации по применению комплектов новых и бывших в эксплуатации деталей в узле уплотнения «поршень-кольца-гильза».
Разработаны рекомендации по применению медесодержащих сплавов для снижения токсичности отработавших газов.
Объект исследования. Монтажные деформации гильз цилиндров дизелей и их износостойкость, а также амплитудо-частотные характеристики гильз в диапазоне частот интенсивного кавитационного изнашивания и перераспределение температурного поля в теле гильзы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с измененными физико-механическими характеристиками рабочей поверхности.
Предметом исследования являются детали цилиндро-поршневой группы двигателей КамАЗ-740 и семейства ЯМЗ, наиболее распространенных в сельскохозяйственном производстве.
Научные положения и результаты работы. На основании выполненных исследований были разработаны теоретические положения, основные направления решения и внедрения технических и технологических положений, позволяющие повысить эксплуатационные показатели двигателей КамАЗ-740 и ЯМЗ.
Положения, выносимые на защиту: теоретическое обоснование деформаций стенки гильзы при приложении
14 осевых нагрузок. математическое моделирование вибраций гильзы «мокрого» типа с исследованием процессов кавитационного изнашивания ее наружной поверхности. теоретическое обоснование процессов изнашивания деталей с измененными физико-механическими характеристиками сопряженных поверхностей. моделирование процессов распространения волн динамического нагружения в теле гильзы с исследованием перераспределения температурных полей. результаты экспериментальных исследований изменения состояния поверхности трения, кавитационно изношенной поверхности, напряженно-деформированного состояния гильзы, а также герметичности лабиринтного уплотнения гильза-кольцо-поршень. технологии изменения физико-механических характеристик сопряженных поверхностей, позволяющих значительно улучшить эксплуатационные показатели Ці 11 дизелей.
Практическая значимость работы состоит в разработке: методов повышения износостойкости сопряженных деталей и их реализации в технологическом процессе (Пат. 2186234); способов оценки влияния конструкционных факторов и внешних воздействий на кавитационное изнашивание гильзы и путей их компенсации; методов нейтрализации вредных выбросов двигателя; конструкций деталей Ці 11 на этапах технического обслуживания и ремонта, обеспечивающих улучшение их эксплуатационных показателей; технологического процесса ремонта гильз с овализированным верхним опорным буртом и измененными физико-механическими характеристиками рабочей поверхности (Пат. 2161294); а также выдаче рекомендаций по применению разработок, в комплексе решающих проблему улучшения эксплуатационных показателей деталей цилиндро-поршневой группы.
Апробация работы.
Основные положения работы получили положительную оценку в процессе обсуждения на следующих семинарах и конференциях:
Научные конференции профессорско-преподавательского состава СИМСХ (г. Саратов, 199І-І994 г.г.) и СГАУ (г. Саратов, 1995-2002 г.г.)
Международные научно-технические семинары «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ» (СГАУ, Саратов, 1993-2002 г.г.). XXIX научно-техническая конференция (ПГАСА, ПЦНТИ, Пенза, 1997).
Международная научно-техническая конференция «Проблемы транспортного строительства и транспорта» (СГТУ, Саратов, 1997).
П-я Международная конференция «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности металлоконструкций и методы их решения». (Санкт-Петербург, 1997).
Научно-технические конференции «Проблемы теории, конструкции, проектирования и эксплуатации ракет, ракетных двигателей и наземно-механического оборудования к ним» (Саратовский филиал Военного артиллерийского университета, Саратов, 1998-2002 г.г.).
Международная научно-практическая конференция «Развитие села и социальная политика в условиях рыночной экономики» (МГАУ имени В.П.Горячкина, 2000).
Международная научно-техническая конференция «Новые методы ремонта и восстановления деталей сельскохозяйственных машин» (Саранск, МордГУ, 2001).
Международная научно-практическая конференция «Совершенствование технологии и организации обеспечения работоспособности машин с использованием восстановительно-упрочняющих процессов» (СГТУ, Саратов, 2002 г.).
Российская агропромышленная выставка «Золотая осень-2002» (Диплом III степени и Бронзовая медаль, Москва, 2002 г.).
Научно-технический семинар во Всероссийском научно-исследовательском институте технологии упрочнения, восстановления и изготовления деталей (ВНИИТУВИД «Ремдеталь», Москва, 2003 г.)
Публикации. По теме исследования опубликована 51 работа, из них 8 в центральной печати, 6 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 1 монография. Общий объем публикаций 25,52 п.л., из них лично автору WJ принадлежит 21,17 п.л.
Влияние напряженно-деформированного состояния гильзы на надежность узла уплотнения
Известно [16,22,69,71,80,87,88,93,94,109-117,127,157,231,266,267,273,272], что овальность (деформация) может возникнуть до появления износа от монтажных деформаций. Такой тип деформации гильзы цилиндра присущ практически всем двигателям - там, где ее величина превышает установленные техническими условиями пределы, производятся дополнительные, как правило, технологические операции, связанные в большинстве случаев с оптимизацией усилий затяжки головки блока. Однако не всегда введение определенных ограничений или рекомендаций на операциях сборки двигателя приводит к положительным результатам. Например, для разделенных головок блока, применяемых в двигателях автомобилей КамАЗ, вышеописанным способом невозможно добиться снижения деформаций. При этом абсолютные величины деформаций доходят до 35 мкм, что выше предельных значений (20-25 мкм), которые могут быть скомпенсированы за счет адаптации поршневых колец к стенке гильзы [16,69,80,87]. Экспериментально установлено, что монтажная овальность гильз цилиндров значительно влияет на расход масла в период приработки двигателей [87].
Величина и характер деформаций цилиндров зависит от конструкции двигателя, и имеют свое определенное распределение. Например, для двигателя СМД-62 деформация распределена раструбом вниз, а наибольшая овализация, достигающая значений 54 мкм, находится в зоне уплотнения резиновых колец с расположением малой оси овала в плоскости качания шатуна [59]. Основными причинами деформаций гильз считаются [273]: - недостаточная жесткость гильз цилиндров; - небрежность при транспортировке гильз, вызывающая деформации ее стенок еще до установки в блок; - запрессовка гильзы в блок; - отклонения в допусках на обработку поверхностей гильзы, блока и головки блока; - конструктивные особенности системы охлаждения; - коробление блоков из-за неоптимальной схемы расположения болтов (шпилек) крепления головки блока; отклонения в толщине и высоте резиновых уплотнительных колец, предотвращающих попадание охлаждающей жидкости в камеру сгорания; - затяжка болтов (шпилек) головки блока. Считается, что наибольший вклад в деформацию гильзы при сборке двигателя вносит затяжка болтов (шпилек) головки блока. Поэтому стандартные исследования деформаций гильз включают в себя измерения формы гильзы: до ее установки в блок; после установки гильзы в блок; после затяжки болтов (шпилек) головки блока в определенной последовательности по всей длине гильзы с выявлением плоскостей максимальных деформаций. Последовательность затяжки болтов, показавшая минимальные значения деформации гильзы, считается оптимальной. При проведении экспериментальных исследований во внимание, обычно, принимаются следующие факторы [273]: - исходная овальность рабочей поверхности гильзы; - отклонения формы и размеров посадочных поясков гильзы; - разнотолщинность верхнего опорного бурта гильзы; - неплоскостность верхней поверхности блока двигателя; - отклонения размеров и формы посадочных поясков под гильзу в головке блока; # - неплоскостность верхней и нижней поверхностей головки блока; - отклонения размеров уплотнительных поясков; - положение гильзы в блоке (номер цилиндра); - момент затяжки болтов (шпилек) головки блока; - последовательность затяжки болтов (шпилек) головки блока. Например, на рис. 1.9 приведена деформация гильзы двигателя СМД-62 в зависимости от момента силы затяжки [273]. На основании проведенных замеров были сделаны выводы об изменении схемы затяжки шпилек головки блока (рис.1.10), что позволило минимизировать деформации стенок гильзы.
Определение величины и характера деформаций
Анализ показал, что сформулированная проблема требует решения комплекса теоретических, практических и производственных вопросов, связанных с учетом контактно-силового взаимодействия деталей ЦПГ дизеля, а именно: снижение монтажных деформаций гильз; повышение износостойкости внутренней рабочей поверхности гильзы цилиндра; повышение кавитационной стойкости поверхностей, омываемых жидкостью; повышение экологической безопасности современного форсированного двигателя.
Поставленная цель работы достигалась путем: теоретического обоснования возможности устранения монтажных деформаций гильз цилиндров при приложении внешних нагрузок; теоретического обоснования повышения износостойкости поверхности изменением ее физико-механических характеристик; теоретического обоснования гашения динамических нагрузок в теле детали с измененными физико-механическими характеристиками; теоретического обоснования вибростойкости гильзы и методов ее повышения; лабораторных и стендовых испытаний, при этом экспериментально решались задачи определения деформаций гильз при различных усилиях затяжки болтов головки блока, от влияния кавитационного износа наружной поверхности, от ремонтных воздействий и конструктивного изменения опорного бурта. Исследовалось влияние деформаций на работоспособность цилиндро-поршневой группы и двигателя в целом; производственных и эксплуатационных испытаний. Схема общей методики приведена на рис.2.2.
Общая методика исследований базировалась на том, что в процессе изнашивания гильзы толщина ее стенок уменьшается как снаружи (под действием схлопывающихся в пристеночной области паро-воздушных пузырьков), так и изнутри (вследствие контактного взаимодействия с поршневыми кольцами и поршнем).
Деформация гильзы рассматривалась и с точки зрения особенностей конструкции двигателя, и с точки зрения основных видов воздействия на стенку гильзы, т.е. путем вычленения составляющих согласно рис.2.3.
На первом этапе изучались условия работы цилиндропоршневой группы двигателя и факторы, определяющие эти условия. Анализировались основные причины отказов двигателей и принимаемые меры по повышению их долговечности. На основании анализа данных были сформулированы цель и задачи исследования, намечены пути решения этих задач.
На втором этапе были проанализированы все выявленные факторы, влияющие на деформацию стенки гильзы двигателя КамАЗ-740 при ее установке в блок двигателя, а также способы компенсации этих деформаций. Построенная математическая модель позволила вычленить один фактор, оказывающий максимальное влияние - неравномерность расположения болтов крепления головки блока. Математическая модель базировалась на законах сопротивления материалов, а именно, на деформации поперечного сечения гильзы при воздействии двух и четырех возмущающих сил (плоская осесимметричная задача). Для решения сформулированной задачи применялось программирование в электронных таблицах MS Excel.
На третьем этапе, согласно основным, сформулированным в математической модели, принципам, определялись деформации стенки гильзы в зависимости от: различных усилий затяжки болтов головки блока; расположении гильзы в блоке; ориентации кавитационно-изношенной поверхности относительно оси коленчатого вала на этапе ее установки в блок; расточки гильзы под ремонтный размер; использовании новых деталей и деталей, бывших в эксплуатации; неравномерности расположения болтов крепления головки блока по периметру гильзы.
Исследования проводились согласно схемы рис.2.4. При проведении лабораторных исследований использовались пресс УТП и электромеханическая машина Р5 (ГОСТ 28840-90. «Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования»).
Стендовые исследования проводились на одном годном к эксплуатации двигателе. Гильзы, бывшие в эксплуатации, отбирались из числа выбракованных по величинам максимального механического износа (по рабочей поверхности, контактирующей с поршневыми кольцами), и жидкостью). Сквозные отверстия и трещины, а также следы ржавчины в гильзах отсутствовали. В качестве эталонных использовались новые гильзы из числа подготовленных к установке в блок.
Изменение конструкции гильзы с целью снижения деформаций
Как показали проведенные эксперименты, для новых гильз овализация проявляется в меньшей степени, а для бывших в эксплуатации это проявление сильно выражено с разницей длин осей овала, доходящих до 90-100 мкм. При этом величина деформации увеличивается с ростом кавитационного износа, как и для случая деформаций гильзы, расточенной до первого ремонтного размера 120,3 мм.
На рис. 3.18 приведен сводный график деформаций стенки гильзы цилиндра в зависимости от усилия на болтах крепления головки блока. Усилия прикладывались «крест накрест», поэтому отметка 160-190 на шкале «Усилие затяжки болтов, Н-м» соответствует затяжке двух болтов с усилием 160 Н-м, а двух других, расположенных к ним под углом 85 или 95, с усилием 190 Н-м.
Из графика видно, что при небольших величинах кавитационного износа пробеги автомобилей (величины механического износа внутренней поверхности гильзы) несущественно влияют на деформацию гильз цилиндров. Например, попытка расположить большую ось эллипса, являющегося следствием механического износа внутренней поверхности гильзы, перпендикулярно большой оси эллипса, являющегося следствием затяжки головки блока, существенно не повлияла на форму деформаций. Кавитационный износ в виде отдельно стоящих групп изъязвлений, расположенных на ограниченной площади, в 1,2-1,3 раза сильнее влияет на деформацию стенки гильзы по сравнению со сплошным кавитационным износом стенки, расположенным по всей высоте гильзы.
Расточка гильзы изменяет деформацию: с одной стороны, увеличиваются ее абсолютные значения, а, с другой - несколько изменяется ее характер. Однако усилия затяжки болтов крепления головки блока величиной 190 Н-м оказывают стабилизирующее действие на деформацию — ее абсолютные значения снижаются, и уменьшается количество пиковых выбросов.
При этом зоны расположения большой оси эллипса для всех проведенных исследований (деформаций) могут быть сведены к единому виду (рис.3.19). Следовательно, этот тип деформаций гильз присущ только ее конструкции, и изменить ее вид можно, только внося конструктивные изменения. На рис. 3.20 показано изменение конструкции гильзы, произведенное согласно теоретическим расчетам. При модернизации происходит перераспределение моментов, действующих по поверхности верхнего опорного бурта гильзы (рис.3.21). большой оси эллипса параллельно оси коленчатого вала (кривая 2). На рис.3.23. показано изменение характера деформаций с модернизированным верхним опорным буртом гильзы при расположении большой оси эллипса перпендикулярно оси коленчатого вала (кривая 2). Разность осей эллипса Д=1 мм.
По результатам проведенной модернизации конструкции верхнего опорного бурта гильзы и исследования деформаций экспериментальной гильзы в блоке можно сделать вывод о возможности снижения деформаций стенки гильзы в 1,9-2,1 раза по сравнению с серийной.
Прорыв газов через кольца в картер приводит к негативным последствиям — снижению мощности двигателя, повышению расхода топлива и масла, ухудшению его экологических показателей, закоксовыванию поршневых колец с возрастающей во времени вероятностью их поломки и т.д. Процесс прорыва газов носит лавинообразный характер, т.е. в результате сгорания моторного масло образуются твердые частицы, которые вовлекаются в процесс абразивного износа. Эти изменения носят необратимый характер, и преодолеть последствия можно, только произведя внеочередной ремонт двигателя, заменив все детали Ц111 .
Правильно заданная эпюра радиальных давлений кольца с выдерживанием ее в пределах минимальных допусков в технологическом процессе может преодолеть, например, последствия изменений диаметра гильзы [127,209,210,212,263,266,267,273]. Ухудшение контакта будет происходить при овализации гильзы. В этом случае наблюдаются резкие перепады давлений на стенку гильзы и, следовательно, при дальнейшей эксплуатации будет наблюдаться повышенный износ и колец и гильзы в этих зонах. Более того, может происходить отрыв рабочих поверхностей кольца и гильзы друг от друга. Тогда дальнейшее функционирование ЦПГ с сохранением исходной герметичности невозможно вообще.
Деформации стенки гильзы, наряду с механическим износом внутренней поверхности гильзы будут существенно ухудшать герметичность ЦПГ, опосредованно снижая все характеристики двигателя.
Для того, чтобы определить насколько критичными являются деформации, создаваемые при затяжке болтов головки блока, для прорыва газов камеры сгорания в блок, были проведены исследования падения давления в ресивере компрессора аэродинамической трубы при моделировании деформации гильзы, характерной для блока двигателя.
Экспериментальное исследование перераспределения температурных полей в гильзе
Для подтверждения основных теоретических положений относительно создания направленных тепловолноводов была проведена серия экспериментов по контролю температуры в прослоенных образцах. Измерение температуры образцов осуществлялось с помощью блока многоточечного контроля, разработанного в СГТУ, и имеющего следующие характеристики: диапазон измеряемых температур: 273...343 К; режим опроса датчиков ручной или автоматический с периодом 1 с; время готовности установки к работе 15 мин; время съема информации 1 мин. Из имеющихся в блоке восьми датчиков, четыре датчика закреплялись равномерно по длине образца со стороны, противоположной механическому воздействию (трению) (рис.4.10). Эксперименты проводились при температуре окружающего воздуха 291...295 К. На рисунках 4.11-4.24 представлены графики изменения температуры следующих образцов. Анализируя представленные зависимости можно сделать следующие выводы. 1. Слои с большей теплопроводностью препятствуют теплопередаче в слои с меньшей теплопроводностью, поэтому при слоении тела детали можно создать направленный волновод, эффективность теплоотвода которого будет являться функцией теплопроводности среды, характеристического импеданса граничащих с ним сред и угла падения импульса напряжения (при наличии динамической нагрузки). 2. Эффективность теплоотвода образца с продольным прослаиванием стали 40 дюралем Діб при ударе остается качественно такой же, как и без него, причем по сравнению со сплошным образцом наблюдается двукратное уменьшение приращения температуры (с 0,6 до 0,3 К). 3.
Продольное с прослаивание образца латунью Л79 вследствие увеличенного на порядок по сравнению со сталью коэффициентом теплопроводности приводит к тому, что вся энергия, выделяемая при трении, «поглощается» латунной прослойкой, причем при ударе - за счет деформирования всех слоев образца - избежать разогрева слоев не удается. 4. Поперечное прослаивание стали 40 дюралем Діб (как в случае удара, так и без него) приводит к сильной, дифференциации показаний датчиков температуры, что несет информацию о создании локальных тепловолнбводов в пределах слоев дюраля (теплопроводность дюраля в 1,5-2 раза ниже, чем латуни). Двигатели российской техники (КамАЗ и МАЗ) не соответствуют европейским нормам по содержанию окиси азота и окиси углерода и не допускаются на дороги Европы. Поэтому перед отечественными учеными встала проблема создания недорогих нейтрализаторов, способствующих снижению уровня токсичности выхлопных газов, так как существующие нейтрализаторы на основе Pt и Pd содержащие около 0,125 грамм/двигатель платино-палладиевой смеси, имеют очень высокую стоимость.
Исследования, проведенные ведущими фирмами, позволяют судить о том, что более дешевыми заменителями дорогостоящих металлов платиновой группы, причем без снижения эффективности очистки, могут выступать некоторые цветные и благородные металлы - Си, Cr, Ni, Mo, Zn, Ті , а также сплавы на их основе [309]. При этом термодинамически возможными при нейтрализации вредных окислов считаются следующие реакции: Осуществление таких реакций возможно в присутствии катализаторов, при определенном температурном режиме и заданном времени контакта очищаемого газа с катализатором. В качестве катализатора использовалась латунь Л79, содержащая 79% меди и 21% цинка, показавшая хорошие трибологические характеристики при проведении износных испытаний. При проведении экспериментов на каталитической лабораторной установке проточного типа для предотвращения дополнительного сопротивления газовому потоку катализатор был представлен в виде стружки. Эксперименты показали, что катализатор активен в процессе комплексной очистки выхлопных газов от СО и NOx в широком температурном интервале 470-870 К, достигая 90% степени очистки по СО и 90-100% по NOx (рис.4.25). Однако, если в диапазоне температур 470-670 К ход кривых, характеризующих степень очистки от СО и NOx, имеет одинаковый характер, то с увеличением температуры картина меняется. Очистка от NOx растет, достигая 100% уже при 770 К, тогда как нейтрализация СО достигает максимума при 570-670 К, а затем начинает снижаться. Эта тенденция находится в полном соответствии с термодинамикой процесса, когда, начиная с 670 К, уменьшается степень превращения СО. Кроме того, из хода кривых видно, что реакция восстановления NOx является превалирующей, следовательно, чем выше степень нейтрализации NOx, тем больше в системе кислорода. Из литературы известно, в частности, что активность рубениевых катализаторов в реакции Сабатье значительно уменьшается при нагревании их в токе кислорода [360], очевидно, это явление может иметь место в рассматриваемом случае при окислении СО.... Регенерация катализатора производится при температуре 770 К в токе воздуха или водорода. Катализатор устойчив к действию ядов (серосодержащих соединений), присутствующих в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. Преимуществом данного катализатора является его высокая активность в процессе комплексной очистки отработавших газов от оксидов азота и углерода, простота его получения и доступность. Катализатор не содержит благородных металлов, а при его изготовлении используется материал промышленного выпуска (латунь марки Л79). Он может быть использован в виде конструкционного материала нейтрализатора или насадки нейтрализующего устройства. В перспективе существует возможность увеличения его активности путем пропитки, например, стружки водными растворами солей металлов Ni, Си, Со и т.д.
