Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка проблемы. цель и задачи исследования 10
1.1. Основные причины отказов тракторных дизелей 13
1.2. Анализ методов повышения износостойкости гильз цилиндров тракторных дизелей 18
1.3. Оценка влияния теплонапряженности деталей на их износостойкость 26
1.4. Восстановление работоспособности гильз цилиндров тракторных дизелей 31
1.5. Выводы, цель и задачи исследования 34
2. Исследование влияния теплонапряженности на износ деталей цилиндро-поршневой группы 36
2.1. Оценка теплонапряженности гильзы при эксплуатации 36
2.2. Математическое моделирование распределения температурного поля гильзы при изменении ее конструкции 40
3. Структура исследования и методические вопросы выполнения работы 53
3.1. Общая структура исследования 53
3.2. Методика исследования температуры наружной поверхности гильзы 56
3.3. Методика исследования износа рабочей поверхности гильзы 59
3.4. Методика проведения эксплуатационных испытаний 63
3.5. Обработка результатов лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний 64
4. Экспериментальные исследования износа гильзы двигателя с воздушным охлаждением 65
4.1. Исследование влияния локальных теплоотводов на теплонапряженность и деформацию стенки гильзы 65
4.2. Результаты сравнительных исследований износостойкости серийных и экспериментальных гильз 70
4.3. Выводы 74
5. Результаты эксплуатационных испытаний 75
5.1. Конструкция гильзы с локальными тепловолноводами 75
5.2. Технологические основы формирования локальных тепловолноводов в стенке гильзы 78
5.3. Определение изменения основных эксплуатационных показателей двигателя с экспериментальными гильзами при эксплуатационных испытаниях 86
5.4. Экономическая оценка результатов исследований 89
Общие выводы 92
Список литературы 94
Приложения 107
- Анализ методов повышения износостойкости гильз цилиндров тракторных дизелей
- Математическое моделирование распределения температурного поля гильзы при изменении ее конструкции
- Методика исследования температуры наружной поверхности гильзы
- Результаты сравнительных исследований износостойкости серийных и экспериментальных гильз
Введение к работе
Несмотря на предпринимаемые Правительством РФ меры, существенных улучшений в АПК до сих пор не достигнуто. Так, техническая оснащенность растениеводческих отраслей снизилась по сравнению с 1990 г. вдвое и уступает развитым странам Запада по этому показателю примерно в пять раз. Наличные парки машин не соответствуют потребностям села ни по количеству, ни по структуре и техническому уровню. Обеспеченность сельских товаропроизводителей основными видами техники на конец агросезона 2002 г. составила: по тракторам — 52 %, зерно- и кормоуборочным комбайнам соответственно 51 и 71 %.
Сегодня по техническим причинам тракторы простаивают более 25 % рабочего времени смены, комбайны — около 40 %. Кроме того, от выполнения сельскохозяйственных работ машины приходится отвлекать для плановых ремонтов и периодических обслуживании, что сокращает продолжительность рабочих смен еще на 5...8 %. Исследования показывают, что в условиях реальной эксплуатации коэффициент оперативной готовности тракторов в хозяйствах не превышает 70...75 %. По этим причинам сельскохозяйственные и другие предприятия должны иметь парк самоходных машин, на 8...15% больший оптимального. Основная тяжесть работ, связанных с сервисом машин и оборудования, лежит на их потребителях (96...98 % суммарного объема работ).
Заводы-изготовители компенсируют снижение выпуска машин повышением отпускных цен, а невозможность организации фирменного сервиса из-за слабых производственных мощностей объясняют дефицитом техники, запчастей и материалов, перекладывая эту заботу на плечи потребителей. Однако сейчас, когда трудовые ресурсы села резко сократились, а уровень надежности машин снизился, решить эту задачу практически невозможно [1]. В этой ситуации накопленный в прошлые годы в сельхозмашиностроении огромный потенциал резко сократился, а предприятия оказались в критическом положении. Заводы простаивают, теряют квалифицированные кадры, вынужденно выводят производственные мощности, сворачивают НИОКР. Неотвратимо нарастает техническое и технологическое отставание предприятий отрасли от ведущих зарубежных фирм.
За последние 12 лет из-за резкого спада платежеспособности сельскохозяйственных предприятий и других обстоятельств парк тракторов в сельском хозяйстве РФ уменьшился примерно вдвое, устарел физически и морально. По обеспеченности АПК тракторами Россия отстает, например, от США в 5,7 раза, и это отставание растет [2].
Поддержка государством сельского хозяйства и связанных с ним отраслей пока еще очень слаба, при этом тракторное и сельскохозяйственное машиностроение находится в критическом состоянии. Достаточно изучить основной экономический закон страны — бюджет, чтобы увидеть, что рост производства продукции сельского хозяйства (во всех категориях хозяйств) к 2004 г. должен составить по отношению к 2000 г. 14,2 %. При этом о формировании материально-технической базы для такого роста не сказано ни слова и не выделено ни копейки.
Благодаря оживлению сельскохозяйственного производства в последние годы отмечен некоторый подъем и в сельхозмашиностроении. Рост объемов производства привел к сокращению просроченной кредиторской задолженности. Так, по итогам 2002 г. ее удельный вес сократился с 52,8 до 38,6 %, однако число предприятий, имеющих ее, все еще велико — 64,5 %. Машиностроители в случае предоставления действенных финансовых гарантий оплаты за выпущенную технику могли бы привлечь коммерческие кредиты и значительно увеличить ее выпуск на имеющихся мощностях.
Чтобы вывести сельхозмашиностроение из кризиса, ежегодные поставки АПК техники и запчастей к ней по оптимальным ценам должны системно вырасти до 61,7 млрд. руб. в 2005 г. с наращиванием годового производства тракторов до 50 тыс. шт., зерноуборочных комбайнов - до 20 тыс. шт., машин для растениеводства - в объеме до 5,9 млрд. руб., машин для животноводства — до 6,1 млрд. руб. Данные меры позволят оптимизировать паритет цен на технику и с.-х. продукцию (за счет относительного снижения цен на технику и увеличения валового сбора сельскохозяйственной продукции) и, что важно, довести парк основных видов машин к 2005 г. до 80.. .90 % уровня 1990 г. [3].
Отечественный производитель, для того чтобы продолжать работать и развиваться, должен выпускать технику, отвечающую не только российским, но и мировым стандартам. Для этого он должен инвестировать деньги в техническое развитие своего производства с целью поднятия качества выпускаемой продукции, с одной стороны, а с другой — снижения ее себестоимости. К сожалению, большинство машиностроительных предприятий либо вовсе не имеют средств для технического развития, либо имеют их немного.
Если по надежности, качеству изготовления узлов и деталей, сборке, производительности российская техника будет соответствовать своим зарубежным аналогам, то можно смело сказать, что конкурентная борьба будет выиграна. Это единственный путь, который позволяет удержать позиции на рынке. Отечественные изделия пока остаются дешевле импортных, поскольку у нас дешевле энергетические составляющие, дешевле труд. Рынок вторичной техники существует, и это объективно. Развивается он совершенно самостоятельно. Любая мощная техника, будь то сельскохозяйственный трактор или дорожностроительная машина, эксплуатируется более чем интенсивно. Задача завода — не столько конкурировать с вторичным рынком техники, сколько выпускать новую продукцию, которая могла бы реально давать гораздо лучшие результаты. Новый трактор должен не ломаться, а продуктивно работать [4].
В сельском хозяйстве широко используется мобильная техника, укомплектованная двигателями внутреннего сгорания с воздушным охлаждением. Типичными представителями такой техники являются тракторы Владимирского тракторного завода: вилочный сельскохозяйственный погрузчик ВТЗ-ЗОСШ-ПВ, самопогрузчик ВТЗ-ЗОСШ-СП, самоходное шасси ВТЗ-ЗОСШ, универсально-пропашной энергонасыщенный трактор ВТЗ-2048А, универсально-пропашные тракторы ТЗО-69, ТЗО-70, ТЗОА-80, Т45А, ВТЗ-2032, ВТЗ-2032-10, универсальный сельскохозяйственный колесный трактор ВТЗ-2032А, фронтальный гидравлический погрузчик ФГП-0,3. Кроме того, выпуском тракторов с двигателями воздушного охлаждения занимаются на Челябинском тракторном заводе (трактор Т-0,2.03.2-1 "Уралец" и трактор Т-0,2.03.3-1 "Уралец"), а также Харьковском тракторном заводе (тракторы малой мощности серии 50 и серии 30).
Кроме того, Владимирский тракторный завод выпускает двигатели воздушного охлаждения следующих модификаций: четырехтактный дизельный двигатель воздушного охлаждения Д-130; четырехтактный дизельный двигатель воздушного охлаждения с турбонаддувом Д-130Т; четырехтактный дизельный двигатель воздушного охлаждения Д-144 (устанавливается на трактора Т-40, ЛТЗ-55, Т28Х4М); четырехтактный дизельный двигатель воздушного охлаждения с турбонаддувом Д-145Т; четырехтактный дизельный двигатель воздушного охлаждения Д-120 (устанавливается на трактора Т25Ф и ХТЗ-2511, самоходные шасси Т-16МГ, малогабаритные погрузчики ПУМ-500, ПУМ-500М, ДП-1604, компрессорные станции ПКСД-1,75, сварочные агрегаты типа АДД, электростанции АД-8-Т400-1ВП, ЭД-8-Т400-1ВП). Перспективный дизельный двигатель В-2Ч 8,2/7,8 с воздушным охлаждением для малогабаритных тракторов выпускает и Челябинский тракторный завод.
Производством двигателей с воздушным охлаждением занимаются и за рубежом от большой мощности - Caterpillar (двигатели серии С-10 с V=10,3 л; 317 кВт; 2100 об/мин; Мкр = 1789 ед. (при 1400 об/мин); массой 932 кг; сертифицирован в классе Евро 2; применяется в составе комплекса Terra Gattor 9105), до малой мощности - TECUMSEH (мощность до 17 кВт, 3.000.000 двигателей в год в составе такой техники как Vantage 35-50, Centura 40-65, HMSK 50-120, OHSK 70-130 (Германия, США); Regency OHV, TC300, MV100S (Швеция); Geoec 35-60 OHV (Англия)).
Двигатели воздушного охлаждения наряду с меньшей металлоемкостью, пониженной чувствительностью к колебаниям температуры, особенно ценной при эксплуатации транспортного средства в районах с жарким или холодным климатом, и простотой обслуживания обладают рядом недостатков, а именно [5-9]:
• неравномерностью охлаждения первого и последующего цилиндров (для последнего худшие условия, связанные с удаленностью от вентилятора принудительного охлаждения, а также закрытостью от потока воздуха предыдущими цилиндрами;
• большой тепловой напряженностью отдельных деталей;
• значительным расходом мощности на привод вентилятора;
• ухудшением наполнения цилиндра, приводящим к тому, что при одинаковых частотах вращения коленчатого вала и других параметрах двигатель с воздушным охлаждением развивает несколько меньшую мощность, чем двигатель с жидкостным охлаждением;
• повышенным шумом при работе.
При воздушном охлаждении интенсивность отвода теплоты от стенок гильз снижается очень сильно, что существенно влияет на надежность двигателя в целом. Так, при неподвижных относительно стенок воды и воздуха и при одинаковых разностях температур коэффициенты теплоотдачи различаются в 30 раз, при движении со скоростью 1-3 м/с воды и 50 м/с воздуха они отличаются в 13-15 раз. При кипении воды интенсивность теплоотдачи превышает интенсивность теплоотдачи в воздух примерно в 40 раз.
Если учесть, что энергетическая интенсивность износа [10] зависит от температуры контактирующих тел, то становится очевидным актуальность исследования зависимости эксплуатационных показателей двигателей от перераспределения температурных полей в гильзах.
Цель: улучшение основных эксплуатационных характеристик двигателей воздушного охлаждения мобильной сельскохозяйственной техники за счет перераспределения температурных полей в гильзе.
Объект исследования: процессы перераспределения температурных полей в теле гильзы и изменение износостойкости ее рабочей поверхности.
Предмет исследования: гильза цилиндра двигателя воздушного охлаждения трактора Т-40 М.
Научная новизна. Получены аналитические зависимости теплопередачи от основного металла гильзы к вставкам из цветных металлов, имеющих более высокую теплопередачу и теплоемкость. Оценена разность температур основного металла гильзы и вставок в начальный период времени и в установившемся режиме.
Практическая ценность. Разработан способ ремонта гильз цилиндров двигателя воздушного охлаждения, обеспечивающий повышение их износостойкости за счет снижения теплонапряженности гильзы, а также конструкция гильзы с вставками из цветных металлов, повышающих теплоотвод от рабочей поверхности гильзы к теплоносителю (воздуху).
Реализация результатов работы. Гильзы, восстановленные с применением предлагаемого способа, и технологический процесс восстановления работоспособности гильз прошли производственную проверку в ЗАО «Кротовский Агропромсервис» Самарской области, эксплуатационную проверку - в колхозе им. Куйбышева Кинельского района Самарской области.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались на научно-техническом семинаре в СГАУ (Саратов, 2004 г.); на Межгосударственном научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ» (Саратов, 2004 г.); на расширенном заседании кафедры «Технология сельскохозяйственного машиностроения» (Саратов, 2004 г.); на научно-техническом семинаре в Институте механики и энергетики мордовского госуниверситета им.Н.П.Огарева (Саранск, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 6 работ в центральной печати и научных сборниках. Объем публикаций составляет 2,25 п.л., в том числе только автору принадлежит 1,17 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 6 таблиц. Список литературы содержит 145 источников.
Положения, выносимые на защиту;
1. математическая модель распределения температурных полей в теле гильзы двигателя внутреннего сгорания с измененными физико-механическими характеристиками;
2. конструкция гильзы двигателя с воздушным охлаждением с вставками из цветных металлов;
3. технологический процесс ремонта гильз, обеспечивающий улучшение эксплуатационных показателей двигателя;
4. результаты эксплуатационных испытаний двигателей с экспериментальными гильзами.
Анализ методов повышения износостойкости гильз цилиндров тракторных дизелей
Современные тракторы и мобильные сельскохозяйственные машины оснащаются форсированными дизельными двигателями с высокой удельной мощностью. Они работают в широком диапазоне нагрузок и скоростных режимов, в различных почвенных и климатических условиях, в условиях повышенной запыленности атмосферного воздуха и значительных перепадов его температуры в течение всего года [28-34].
На износостойкость цилиндропоршневой группы оказывают влияние температура, работа сил трения, состояние и тип смазки, запыленность воздуха, конструкция деталей, способ восстановления и ремонта изношенных деталей, соблюдение технологии ремонта и эксплуатации. К основным параметрам, определяющим работу трибосопряжения, относятся конструкция узла, приложенные внешние силы, условия смазывания, материалы деталей трибосопряжения, вид обработки их поверхностей, наличие или отсутствие вибраций, температура в зоне трения [35-44].
Условия эксплуатации тракторных дизелей характеризуются их большой загрузкой, переменным характером работы и повышенной запыленностью воздуха. Средняя загрузка двигателей тракторов составляет 60-80%, а при выполнении тяжелой пахоты - 85-100%. Во время работы двигателя на цилиндропоршневую группу воздействуют большие переменные динамические нагрузки, абразивные и газовые среды, высокие температуры и давления. Давление газов в цилиндре двигателя достигает 5,5...9 МПа. Температура газов в камере сгорания достигает 1600...2100 С [34-36].
В результате высокой запыленности окружающего воздуха происходит попадание пыли в цилиндры двигателя из-за неэффективности системы питания воздухом, через неплотности во впускном тракте и в результате загрязнения масла и топлива. Наличие пыли в цилиндрах двигателя вызывает абразивный износ деталей и усиливает адгезионное взаимодействие трущихся поверхностей. Попадание пыли в масло, загрязнение моторного масла двигателей водой и топливом являются основными причинами ухудшения служебных свойств масел, обусловленного уменьшением вязкости масла и срабатыванием присадок, что приводит к увеличению изнашивания двигателя [30,32,45-48].
На износ деталей цилиндропоршневой группы влияют взаимное расположение и зазоры деталей кривошипно-шатунного механизма. Непаралельность осей шатунных шеек относительно коренных, неперпендикулярность оси цилиндра к оси коленчатого вала, неточность взаимного расположения осей верхней и нижней головок шатуна приводят к перекосу поршня в цилиндре, что ухудшает приработку поршней, колец и коренных вкладышей коленчатого вала. При перекосе ухудшается контакт колец с цилиндром, повышается расход масла на угар, происходит его быстрое старение и загрязнение продуктами сгорания топлива. Динамические усилия в цилиндропоршневой группе при «перекладках» поршня в значительной мере зависит о начального зазора в соединении поршень-цилиндр, который существенно влияет на перекос поршня [45,49,50-54].
Гильзы цилиндров во время работы воспринимают механические и тепловые нагрузки, а также подвергаются износу. Условия в камере сгорания двигателей обуславливают следующие основные требования, предъявляемые к гильзам цилиндров: - прочность стенок при действии на них сил давления газов; - износостойкость зеркала цилиндра при длительной эксплуатации двигателя; - небольшие потери на трение при перемещении поршня с кольцами в гильзе; - антикоррозионная устойчивость внутренней и наружной поверхностей гильзы; - надежность уплотнения в месте газового стыка.
В тракторных и автомобильных дизельных двигателях устанавливают гильзы мокрого типа с верхним опорным буртом. Гильзы цилиндров автотракторных двигателей изготавливают из высококачественного серого чугуна с присадками никеля и хрома, имеющего перлитную основу с равномерным включением графита.
Для повышения их износостойкости применяют чугуны, легированные ванадием, никелем и хромом. С целью уменьшения износа и увеличения ресурса в верхней части гильз цилиндров устанавливают специальные втулки из чугуна с аустенитной основой (нерезиста). Для повышения износостойкости и противозадирных свойств применяют различные способы термической и химико-термической обработки зеркала гильзы. Твердость внутренней поверхности гильз цилиндров автотракторных дизелей составляет 43...55 HRC3 [28-30,34,55-59].
Гильза цилиндров устанавливается в блоке цилиндров двигателя, и при работе двигателя её поверхности изнашиваются. Характерными дефектами гильз цилиндров дизельных двигателей являются износ внутренней поверхности, износы посадочных поясков и нижней поверхности бурта, кавитационные разрушения. Особую роль в повышении срока службы двигателей играет износостойкость зеркала гильзы цилиндров. Износостойкость внутренней поверхности гильзы цилиндров наряду с износостойкостью поршневых колец и поршня в основном определяет безотказность и долговечность отремонтированного двигателя [53,54,60,61]. Установлено, что лучшей износостойкостью обладают чугуны с аустенитной или ферритокарбидной основой. Но они мало технологичны и применяются для вставок в верхней части гильзы [62-67]. Большой вклад в изучение процессов изнашивания сделали Крагельский И.В., Чичинадзе А.В., Хрущев М.И., Авдонькин Ф.Д., Асташкевич Б.М., Денисов А.С., Гурвич И.Б., Карпенков В.Ф., Стрельцов В.В., Ведерников Д.Н., Ждановский Н.С. и др. [36,42,43,49,57,67-74].
В общем случае режимы трения и смазывания характеризует кривая Герси-Штрибека, представляющая зависимость коэффициента трения от вязкости смазки, скорости и нормальной нагрузки [42,73-75]. При этом играют влияние давление, температура, реверсивное движение или однонаправленное скольжение, геометрические размеры и твердость деталей пары трения. Процесс изнашивания изменяется с течением времени. Выделяют три стадии этого процесса: приработка, установившийся режим и катастрофический износ [42,61,70-72]. Существенную рольв процессах изнашивания играет приработка [54,72,76]
Математическое моделирование распределения температурного поля гильзы при изменении ее конструкции
Как было показано выше двигатели внутреннего сгорания с воздушным охлаждением характеризуются большой тепловой напряженностью отдельных деталей [31,34]. При этом схематически процесс теплопередачи показан на рис.2.4. Кроме того, если два жидких или газообразных тела, имеющих различную температуру, разделены твердым телом, то процесс теплопередачи происходит в три стадии (рис.2.5) [137]. 1. Теплоотдача Qi [Дж] из первой среды к поверхности твердого тела, при этом количество теплоты, проходящее через поверхность соприкосновения выражается формулой: где а - коэффициент теплоотдачи [Вт/м К]; S - площадь поверхности, через которую происходит теплоотдача [м ]; t - продолжительность процесса теплоотдачи [с]; AT — разность температур поверхности твердого тела и газа [К]. 2. Теплопроводность Q2 [Дж] через стенку твердого тела, определяемая формулой где А, — коэффициент теплопроводности материала твердого тела [Вт/м К]; S — поперечное сечение твердого тела [м ]; t — продолжительность процесса теплоотдачи [с]; AT — разность температур поверхности твердого тела и газа; /- длина твердого тела [м]. 3. Теплоотдача с поверхности твердого тела ко второй среде по формуле (2.6). Поскольку тепловой поток Ф [Дж/с] на всех участках теплообмена должен оставаться постоянным, то с учетом (2.6) и (2.7): При этом сумма разностей температур равна общей разности температур AT [К]: Из выражений (2.8) и (2.9) следует: (2.10)
В работах [10,115,118,120] показано, что при прослаивании твердого тела металлом с более высокой теплопроводностью происходит изменение температурного поля. Кроме того, изменяется и износостойкость поверхности трения, поскольку энергетическая интенсивность износа зависит от температуры контактирующих тел. Например, если для сплошного твердого тела было характерно распределение температуры, показанное на рис.2.6, то для него же, но прослоенного в поперечном направлении выявлено снижение общей теплонапряженности в 1,5-2 раза (рис.2.7). Продольное слоение рассматриваемого тела приводило к полной теплоизоляции одного слоя от другого (рис.2.8). В экспериментах приращение температуры регистрировалось на стороне детали, противоположной той, на которую осуществлялось механическое воздействие (трение). Основываясь на формулах (2.6)-(2.11) можно предложить следующую интерпретацию процессов, происходящих в прослоенных телах (рис.2.9). Поскольку теплопроводность слоя выше, чем у основного металла детали, то процесс теплопередачи на границе «основной металл-слой» пойдет более интенсивно, то есть температура основного слоя будет снижаться более интенсивно и по толщине слоя и в единицу времени. В результате температура прослоенной детали должна понизиться на величину:
Методика исследования температуры наружной поверхности гильзы
Исследования проводились с помощью цифрового мультиметра UT-23 Mastech М-837 и термометра ртутного (предел измерений 200С). Методика измерения температуры разных поверхностей гильзы состояла в следующем: гильза (с латунными и медными вставками) устанавливалась на резиновую основу и герметизировалась снизу. Внутрь гильзы заливалась кипящая вода (100С). К наружному выходу латунной вставки и ребру охлаждения гильзы прикреплялись хромель-копелевые термопары, сигнал с которых поступал на цифровые мультиметры UT-23, которые фиксировали температуру контролируемых поверхностей. Температура внутренней поверхности гильзы измерялась с помощью термометра ртутного по температуре воды, залитой в нее. По мере остывания воды — через каждые 10С - фиксировалась температура внутренней поверхности гильзы (воды), ребер охлаждения и латунной (медной) вставки.
Измерения производились троекратно в интервале от 50 до 100С при полном остывании гильзы до комнатной температуры перед повторным экспериментом, после чего усреднялись. Эксперименты проводились при температуре окружающего воздуха 291...295 К.
Схема определения температурного распределения по наружной поверхности гильзы цилиндра показана на рис.3.4.
Деформации гильзы с выполненными в ее теле отверстиями, заштифованными медной проволокой, и стандартной гильзы, годной для дальнейшего использования в двигателе, измерялись на прессе УПТ при приложении осевых нагрузок (рис.3.5).
Количество гильз каждого вида для испытаний выбрали равным трем, которого по ГОСТ 25.503-80 достаточно для определения среднего значения механической характеристики.
Перед испытанием торцы гильз обезжиривали автомобильным бензином ГОСТ 2084-77. Во время испытаний гильзу цилиндра сжимали осевой нагрузкой 2000 Н.
Измерение деформации выполнялась в поясах, расположенных по высоте гильзы через 30 мм, начиная с верхнего торца. Для измерения деформации применяли индикатор часового типа ИЧП 100 ГОСТ 577-68, установленный на индикаторной магнитной стойке нормально к стенке гильзы цилиндров. Величина деформация гильзы цилиндров оценивалась по среднему значению деформаций всех гильз в партии.
Исследовались образцы, прослоенные в поперечном направлении медью марки Ml ГОСТ 859-78. Рабочая поверхность образцов шлифовалась до достижения шероховатости 0,18-0,34 мкм по параметру Ra. После изготовления образцы выдерживались в моторном масле марки МюГгК ГОСТ 17479.1-85 в течение Зч, промывали автомобильном бензине ГОСТ 2084-77.
Противоизносные и антифрикционные свойства деталей трения исследовались на стенде для испытания плоских образцов и на машине трения МИ-1М. Общий вид машины трения МИ-1М показан на рис.3.6.
Испытания проводили по схеме «ролик-колодка» (рис.3.7). Исследуемыми образцами в испытаниях были колодки, вырезанные из стенки гильзы цилиндров. Материал гильзы цилиндров - чугун СЧ, твердость НВ 207...249.
Во время проведения испытаний изучали изнашивание материалов: СЧ с отверстиями, заполненными медью марки Ml ГОСТ 859-78.
В образце были высверлены отверстия, которые были заштифтованы и заплавлены снаружи с помощью ручной аргонодуговой пайки медью марки Ml ГОСТ 859-78. Режимы наплавки: напряжение дуги - 60 В, сила сварочного тока - 60А, диаметр проволки - 1,5 мм, подача проволки - ручная. После наплавки поверхность трения колодки обрабатывалась шлифованием. Размеры колодки: радиус вогнутой поверхности - 35 мм, радиус выпуклой поверхности - 40 мм, ширина - 15 мм, длина - 14 мм. Шероховатость поверхности трения параметру R после шлифования составляла по 0,32-1,2 мкм.
Контртелом во время испытаниях служили ролики, изготовленные из стали 40Х ГОСТ 4543-71 и закаленные до твердости 52...54 HRC. Размеры роликов: наружный диаметр - 70 мм, внутренний диаметр - 15 мм, ширина - 15 мм. Термообработка ролика: закалка на масло при температуре 850С, отпуск - при температуре 180С. После термообработки наружная поверхность роликов обтачивалась до достижения шероховатости Ra=0,82-0,88 мкм.
Для определения нагрузки и момента трения во время испытаний в статическом режиме определялась зависимость нагрузки от величины линейного сжатия пружины и зависимость перемещения пера графопостроителя от момента трения. Жесткость пружины нагрузки определялась на приборе КИ-040-ГОСНИТИ. Зависимость перемещения пера графопостроителя от момента трения определялась с помощью специально изготовленного рычага, установленного одним концом на валу машины трения, и дополнительных грузов, закрепляемых на его конце. Тарировочные графики нагрузки и момента трения приведены на рис.3.8 и 3.9.
Результаты сравнительных исследований износостойкости серийных и экспериментальных гильз
Согласно методике, описанной в разделе 3.3, были проведены сравнительные испытания образцов с измененными физико-механическими характеристиками.
Испытания, проведенные на машине трения МИ-1М, показывают, что образцы со штифтованной стенкой имеют меньшую интенсивность изнашивания, чем сплошные образцы (рис.4.5). Интенсивность изнашивания образцов с канавками, заполненными медью МІ, в среднем на 30% меньше, чем сплошных образцов (погрешность эксперимента не более 6,3%). Интенсивность изнашивания образцов зависит от отношения площади трения антифрикционного слоя к площади трения колодки, которая в эксперименте изменялась в зависимости от количества штифтов в колодке.
Пропорционально площади трения поперечного слоя возрастает количество «натираемого» на поверхность трения металла и количество частиц износа цветного металла на поверхности трения. Это может объясняться влиянием количества продуктов износа цветного металла на поверхности трения, которое сначала положительно влияет на износостойкость. В целом же, эффект «присадки» проявляется при довольно значительном процентном соотношении площадей цветного металла и чугуна — свыше 8% [120].
Одновременно с этим происходит изменение температурного поля стенки в места запрессовки штифтов. При этом, чем больше штифтов приходится на единицу площади, тем выше интенсивность теплоотвода с рабочей поверхности. Следовательно, выше и энергетическая составляющая износа, за счет увеличения которой повышается износостойкость поверхности трения.
Оба эти фактора приводят к повышению способности рабочей поверхности к истиранию. Причем, в рассматриваемом случае, за счет небольшого количества штифтов на рабочей поверхности — с целью обеспечения невысоких деформаций гильзы — большую роль в повышении износостойкости играет снижение тепловой напряженности поверхности.
Во время испытаний наблюдается уменьшение момента трения, что объясняется приработкой образцов (рис.4.6). У образцов со штифтованной поверхностью трения в течение 5/6 ч испытаний момент трения значительно больше, чем у сплошных образцов, а снижение момента трения в отличие от сплошного образца происходит более неравномерно. После 1 ч испытаний момент трения снижается и становится меньше, чем у сплошного образца. После 1,5 ч испытаний наблюдается стабилизация момента трения, когда момент трения не изменяется или изменяется мало — следовательно, можно говорить об окончании периода приработки.
Температура масла во время испытаний достигает своего максимального значения после 3А ч эксперимента, после чего она начинает снижаться и становится постоянной после 1,5 ч эксперимента (рис.4.7). С увеличением момента наблюдается увеличение температуры масла в ванне.
В результате лабораторных испытаний установлено, что при штифтовании стенки образца происходит уменьшение, как их износа, так и интенсивности изнашивания. Интенсивность изнашивания испытываемых образцов зависит от количества штифтов на рабочей поверхности, при этом, чем больше штифтов, тем выше износостойкость. Однако, максимальное количество штифтов ограничивается деформацией стенки гильзы. 1. Проведенные сравнительные испытания показали уменьшение износа образцов на 29...42% со штифтованной стенкой, полученной за счет выполнения в теле образца отверстий, заполненных медью Ml. 2. По результатам испытаний было установлено, что износ образцов со штифтованной стенкой, прежде всего, зависит от отношения его площади трения к площади трения образца и теплопроводности цветного металла. Отношение площадей определяется количеством штифтов, что согласуется с данными теоретических исследований. 3. По результатам лабораторных испытаний и на основании литературных источников для заполнения отверстий в теле гильзы цилиндров была выбрана медь Ml. 4. Деформация стенки гильз цилиндров со штифтованной поверхностью наплавленными винтовыми канавками при осевом сжатии на 6...8% больше деформации гильз со сплошной стенкой, что свидетельствует о незначительном влиянии на условия работы поршневых колец.
С целью реализации в производстве полученных результатов экспериментов были выполнены следующие работы: разработана конструкция гильзы; разработан технологический маршрут ремонта гильзы с повышенными эксплуатационными показателями (Приложение 1); разработаны маршрутные карты.
На образующей тела гильзы (рис.5Л) в виде регулярного макрорельефа например, в шахматном порядке, выполняются отверстия, заполняемые металлами (сплавами) с низким сопротивлением сдвигу и высоким сопротивлением нормальным нагрузкам, а также высокой теплопроводностью -в данном случае медью, - конструктивно выполненные в виде шпилек (рис.4.1). Крепление шпилек в отверстиях тела может быть осуществлено, например, с помощью предварительного натяга. Кроме того, за счет более высокой теплопроводности материала, из которого выполнены шпильки, по сравнению с основным металлом гильзы, будет происходить перераспределение температурного поля тела гильзы (рис.5.2). Через выступающую наружу часть шпилек тепло камеры сгорания будет более интенсивно — по сравнению с прототипом — рассеиваться в окружающей среде, понижая тем самым ее температуру, а также температуру других теплонапряженных деталей цилиндро-поршневой группы, сопряженных с телом гильзы, - поршня и поршневых колец.
