Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1. Условия работы и требования, предъявляемые к материалу поршней двс 12
1.2 Анализ неисправностей, возникающих при работе поршней двс 16
1.3 Анализ способов восстановления и упрочнения поршней двс 22
1.4 Анализ способов нанесения упрочняющих и теплоизолирующих покрытий 33
1.5 Обоснование темы, цель и задачи исследований 45
2 Теоретическое обоснование снижения износа поршней двигателя внутреннего сгорания
оксидированием рабочих поверхностей головок 47
2.1 Теоретические предпосылки снижения температуры поршня 47
2.2 обоснование влияния толщины оксидированного слоя на термический кпд 54
2.3 Теоретическая оценка влияния свойств поверхности трения поршневых канавок на интенсивность изнашивания деталей сопряжения «поршневая канавка – поршневое кольцо» 56
2.4 Теоретическое обоснование снижения износа деталей сопряжения «поршневая канавка – поршневое кольцо» 61
Выводы 65
3. Программа и методика экспериментальных исследований 67
3.1 Программа экспериментальных исследований
3.2 Методика лабораторных исследований оксидированного слоя на рабочих поверхностях головок поршней 67
3.2.1 Методика микродугового оксидирования опытных образцов шлифов фрагмента поршня 67
3.2.2 Методика определения толщины, структуры и элементного состава оксидированного слоя на рабочих поверхностях головки поршня 70
3.2.3 Методика определения фактической микротвердости оксидированного слоя на рабочих поверхностях головки поршня 72
3.2.4 Методика определения температуры наружной и внутренней поверхностей днища типового поршня и поршня с оксидированными рабочими поверхностями головки 74
3.2.5 Методика определения температуры на внутренней поверхности типового поршня и поршня с оксидированными рабочими поверхностями головки 76
3.3 Методика сравнительных стендовых исследований двигателя в штатной и экспериментальной комплектациях 78
3.3.1 Методика стендовых исследований двигателя в штатной и экспериментальной комплектациях 78
3.3.2 Методика стендовых исследований двигателя с типовыми поршнями и поршнями с оксидированными рабочими поверхностями головок 80
3.3.3 Методика микрометража поршневых канавок, поршневых колец
и гильз цилиндров 81
Выводы 83
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 85
4.1 результаты лабораторных исследований оксидированного слоя на рабочих поверхностях головок поршней 85
4.1.1 Результаты исследований опытных образцов оксидированных шлифов фрагмента поршня 85
4.1.2 Результаты исследований толщины, структуры и элементного состава шлифа фрагмента оксидированного слоя на рабочих поверхностях головки поршня. 88
4.1.3 Результаты исследования фактической микротвердости оксидированного слоя на рабочих поверхностях головки поршня 93
4.1.4 Результаты исследований температуры наружной и внутренней поверхностей днища типового поршня и поршня с оксидированными рабочими поверхностями головки 94
4.1.5 Результаты исследований температуры на внутренней поверхности типового поршня и поршня с оксидированными рабочими поверхностями головки 96
4.2 Результаты сравнительных стендовых исследований двигателя в штатной и экспериментальной комплектациях 97
4.2.1 Результаты стендовых исследований двигателя в штатной и
экспериментальной комплектациях 97
4.2.2 Результаты стендовых исследований двигателя с типовыми
поршнями и поршнями с оксидированными рабочими поверхностями головок... 100
Выводы 106
5 оценка экономической эффективности от использования поршней с оксидированными рабочими поверхностями головок на автомобильных двигателях 108
Выводы 116
Общие выводы 117
Список использованной литературы
- Анализ способов восстановления и упрочнения поршней двс
- Методика лабораторных исследований оксидированного слоя на рабочих поверхностях головок поршней
- Методика стендовых исследований двигателя в штатной и экспериментальной комплектациях
- Результаты исследований опытных образцов оксидированных шлифов фрагмента поршня
Введение к работе
Актуальность темы. В процессе эксплуатации автомобиля наибольшему износу подвержены детали пилиндропоршневой группы (ЦПГ), что негативно влияет на работу двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в целом.
Наиболее нагруженной деталью ЦПГ в процессе работы ДВС является поршень. Одним из выбраковочных критериев поршня являются геометрические параметры первой поршневой канавки, так как детали сопряжения «первая поршневая канавка -поршневое кольцо» изнашиваются больше, чем другие. В основном это связано сочетанием нескольких факторов: возвратно-поступательным движением поршня и давлением газов на поршень, вибрацией поршневых колец и действующих на них нагрузок, температурными и смазывающими режимами и др.
В практике двигателестроения для снижения износа поршней ДВС используют термообработку, вставки из износостойкого материала, упрочняющие покрытия и ряд других мероприятий. Однако их применение ограничивается сложностью и высокой стоимостью необходимого оборудования, увеличением массы и изменением геометрических параметров поршня.
Одним из эффективных способов снижения износа поршней является формирование упрочняющего и теплоизолирующего покрытия на рабочих поверхностях головки (днище и поршневые канавки) поршня методом микродугового оксидирования (МДО), который обладает физико-механическими свойствами, отличающимися от его основного материала.
Поэтому исследования, направленные на снижение износа поршней оксидированием рабочих поверхностей головок, являются актуальными и практически значимыми для страны и АПК России.
Степень разработанности темы. Применение упрочняющих и теплоизолирующих покрытий рассматривается в научных работах Дударевой Н.Ю., Ждановского Н.С., Захарова Н.И., Казанцева И.А., Кровякова К.С., Костина А.К., Никитина М.Д., Сибрикова Д.М., Хохлова А.Л., Чигриновой Н.М., Шпаковского В.В. и других ученых. Одной из основных проблем при нанесении упрочняющих и теплоизолирующих покрытий является их непрочная связь с основой материала, а также длительность процесса нанесения покрытия и необходимость последующей механической обработки поршня до номинальных размеров. Микродуговое оксидирование рабочих поверхно-стеи головок поршней позволяет формировать оксидированный слои с износостойкими и теплостойкими свойствами, отличающимися от исходных свойств основного материала. Применительно к поршню автомобильного двигателя показатели физико-механических свойств оксидированного слоя (толщина, микротвердость и др.), а также влияние их на износ деталей сопряжения «поршневая канавка - поршневое кольцо», исследованы не достаточно, поэтому данные вопросы требуют дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.
Работа выполнена по плану научно-исследовательских работ ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА, тема «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго-и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства» (номер государственной регистрации 01.200.600147) при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в рамках научно - инновационного конкурса «У.М.Н.И.К» (договор № 16841 от 01.04.2012).
Цель исследований. Снижение износа поршней двигателя внутреннего сгорания оксидированием рабочих поверхностей головок.
Задачи исследований:
1. Теоретически обосновать снижение износа деталей сопряжения «поршневая ка
навка - поршневое кольцо» формированием оксидированного слоя на рабочих поверх
ностях головок поршней.
2. Обосновать технологический режим микродугового оксидирования для форми
рования на рабочих поверхностях головок типовых поршней автомобильного двигателя
оксидированный слой с заданными свойствами и провести лабораторные исследования
шлифов фрагмента экспериментального поршня по микротвердости, структуре и эле
ментному составу оксидированного слоя.
-
Провести сравнительные стендовые исследования бензинового двигателя в штатной (поршни типовые) и экспериментальной (поршни с оксидированными рабочими поверхностями головок) комплектациях.
-
Оценить экономическую эффективность от использования поршней с оксидированными рабочими поверхностями головок на автомобильном двигателе.
Объект исследований. Процесс изнашивания деталей сопряжения «поршневая канавка - поршневое кольцо» поршней бензинового двигателя.
Предмет исследований. Показатели, оценивающие процесс изнашивания деталей сопряжения «поршневая канавка - поршневое кольцо» и структурные изменения рабочих поверхностей оксидированной головки поршней двигателя УМЗ - 421.
Научную новизну работы составляют:
теоретически обоснованные параметры (толщина и микротвердость) оксидированного слоя на рабочих поверхностях головки поршня, влияющие на термический КПД двигателя и износ деталей сопряжения «поршневая канавка - поршневое кольцо»;
экспериментально обоснованный технологический режим микродугового оксидирования, влияющий на формирование требуемой микротвердости и толщины оксидированного слоя на рабочих поверхностях головки поршня;
поршень двигателя внутреннего сгорания с оксидированными рабочими поверхностями головки, имеющий упрочняющее покрытие на днище и канавках компрессионных и маслосъемных колец;
численные значения мощностных, топливно-экономических и экологических показателей автомобильного двигателя, оснащенного поршнями с оксидированными головками.
Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на полезную модель № 130003 «Поршень двигателя внутреннего сгорания».
Теоретическая и практическая значимость работы. Рекомендуемый режим технологического процесса микродугового оксидирования рабочих поверхностей головок поршней позволяет получить оксидированный слой на днище поршня и поршневых канавках толщиной 24...31 мкм и микротвердостью 1299... 1313 МПа. Использование поршней с оксидированными рабочими поверхностями головок в двигателе УМЗ-421 позволяет снизить износ первых поршневых канавок в 1,67 раза по сравнению с типовыми поршнями, повысить эффективную мощность на 5,3 % и максимальный крутящий момент на 6,5 %, снизить часовой и удельный эффективный расходы топлива соответственно на 5,7 % и 9,4 %, содержание в отработавших газах оксида углерода на 13 % и углеводородов на 9,3 %.
Реализация результатов исследований. Сравнительные стендовые исследования двигателя в штатной и экспериментальных комплектациях проводились в лаборатории стендовых испытаний отдела главного конструктора ОАО «Ульяновский моторный завод». Результаты НИОКР переданы в ООО «ИНЭКС» Ульяновской области
для организации экспериментального производства оксидированных поршней для двигателей УМЗ.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории трибологии, методов математической статистики, сопоставления теоретических и экспериментальных данных.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и частных методик. За метод исследований принят метод сравнительных стендовых исследований двигателя в штатной и экспериментальных комплектациях. Обработка опытных данных выполнялась на персональном компьютере с применением прикладных программ Statistica 6.0, MathType 6.7, Microsoft Excel и др.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
аналитические выражения, характеризующие зависимость термического КПД двигателя от толщины оксидированного слоя на рабочих поверхностях головки поршня, а также износа деталей сопряжения «поршневая канавка - поршневое кольцо» от микротвердости оксидированного слоя;
параметры технологического режима для формирования на рабочих поверхностях головки поршня оксидированного слоя с оптимальной толщиной и микротвердостью;
- количественные оценки показателей бензинового двигателя, оснащенного
поршнями с оксидированными головками.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов подтверждается сравнительными лабораторными исследованиями оксидированного слоя по параметрам микротвердости, толщины, структуры и элементного состава рабочих поверхностей головки поршня, изменению температуры поршня и температуры на внутренней поверхности поршня, а также результатами сравнительных стендовых исследований бензинового двигателя в штатной и экспериментальной комплектациях по мощно-стным, топливно - экономическим, экологическим и износным показателям.
Основные положения диссертации и ее результаты доложены и одобрены на региональных, всероссийских и международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ» (2012 г., 2013 г.), ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (2012 г., 2013 г.), ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА (2012 г., 2013 г.), ФГБОУ ВПО Ульяновская ГСХА (2012 г., 2013 г., 2014 г.), ТИ-филиал ФГБОУ ВПО Ульяновская ГСХА (г. Димитровград, 2012 г.), IX international research and practice conference «Modern Scientific Achievements» (г. Прага, 2013 г.), НП «Сибирская АК» (г. Новосибирск, 2013 г), III international research and practice conference «Science and Education» (г. Мюнхен, 2013 г.), X международная научно-практическая конференция «Новости передовой науки - 2014» (ООО «Руснаучкнига», г. София, 2014 г.). Технические решения и результаты исследований представлялись на конкурсах «У.М.Н.И.К.» (2012 г, Ульяновск), Минобрнауки (Москва, 2012 г.), «АРХИМЕД» (Москва, 2013 г.), «НТТМ ПФО» (г. Ульяновск, 2015 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 18 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых изданиях, 2 статьи в зарубежных изданиях, получены патенты РФ на изобретение и полезную модель, без соавторов опубликована 1 статья. Общий объем публикаций составляет 4,52 п.л., из них 1,31 п.л. принадлежит автору.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 177 наименований и приложения на 47 с. Работа изложена на 139 с, содержит 66 рис. и 5 табл.
Анализ способов восстановления и упрочнения поршней двс
Поршень — главная деталь автомобильного двигателя [35, 36, 38, 47, 58]. Поршень эволюционировал вместе с развитием двигателей и достиг высшей степени совершенства. Конструктивные особенности поршня должны строго соответствовать характеристикам двигателя, иначе возможны нецелесообразные материальные затраты при производстве и эксплуатации двигателя [37, 39, 40, 47, 50, 59].
Поршень — это деталь, предназначенная для циклического восприятия давления расширяющихся газов и преобразования его в поступательное механическое движение, воспринимаемое кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) [35-41, 46, 47]. Поршень служит для осуществления вспомогательных тактов по очистке и наполнению камеры сгорания [4, 34-36, 40, 41, 46], испытывая при этом не только интенсивные переменные механические (газовые и инерционные силы) и тепловые (циклическое изменение температуры поршня) нагрузки, но и силы трения [27, 31, 41, 42, 61].
Во время работы двигателя существенное влияние на поршень оказывает воздействие усилия сжимаемых газов на такте сжатия и расширяющихся газов на такте сгорания. Максимальное давление в камере сгорания высокофорсированного двигателя достигает 8…10 МПа [35, 38, 58], давление в камере сгорания обычного автомобиля - 5,5…6 МПа. И если принять, что диаметр поршня среднего автомобиля равен 92 мм, то в момент максимального давления поршень испытывает усилие от 5,3 до 6,6 тонн [46, 47]. Таким образом, поршень автомобиля, как и другие детали КШМ, испытывает огромные механические нагрузки, постоянно меняющиеся как по направлению, так и по величине. Энергия, заключенная в топливе, очень быстро превращается в тепло в цилиндре двигателя и является основным источником тепловых нагрузок. Тепло, воздействующее на поршень, связано со значительным ростом температуры и давлением газов. Температура сгоревших в цилиндре газов может достигать 2000…2500 оС, что значительно превышает температуру плавления поршня (700 оС) [38, 46, 58-60]. Под воздействием этих газов и высоких температур образуются термонапряжения от разности температур в теле поршня, которые накладываются на напряжения, возникающие под влиянием инерционных сил и сил давления расширяющихся газов в камере сгорания, происходит снижение предела прочности материала поршня [4, 40, 60]. Поэтому необходимо отводить тепло от наиболее нагруженных в тепловом режиме деталей двигателя и, разумеется, от поршней
Из общего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно через поршневые кольца в охлаждаемую стенку гильзы цилиндра отводится 60…70 %, через юбку – 20…30 % и 5…10 % [35, 36, 51, 58] тепла отводится во внутреннее пространство поршня или через поршневой палец передаётся на шатун, рассеиваясь во внутреннем пространстве картера двигателя.
Поскольку поршень во время работы двигателя перемещается с большой скоростью, то подвести охлаждающую жидкость, циркулирующую в системе охлаждения к поршню, невозможно. Поэтому необходимо сконструировать поршень и поршневые кольца так, чтобы излишнее тепло передавалось через поршневые кольца и юбку к стенкам цилиндра двигателя.
При возвратно-поступательном движении поршня возникают значительные силы инерции. Инерция – это физическое свойство тела, заставляющее неподвижное тело оставаться неподвижным, а движущееся тело – продолжать двигаться [59]. Для уменьшения сил инерции, возникающих вследствие непрерывно изменяющейся скорости движения, его масса должна быть как можно меньше. Удовлетворить эти противоречивые требования можно, придав поршням рациональную форму [41, 30, 60] и изготовив их из соответствующих материалов [47, 61-63]. В настоящее время для изготовления поршней ДВС в основном применяют алюминиевые сплавы, высокопрочный и серый чугун, а также стали [34-39, 58].
Алюминиевые сплавы обладают низкой плотностью [37, 39, 50, 64], что приводит к уменьшению массы поршня, а также свойственное данным материалам низкое термическое сопротивление и хорошая теплопроводность позволяют снизить температуру нагрева детали. К достоинствам алюминиевых сплавов следует также отнести низкий коэффициент трения в паре с чугунными или стальными гильзами.
В практике автомобильного двигателестроения наиболее широкое применение получили два типа алюминиево-кремнистых сплавов: эвтектические (11…13 % Si) и заэвтектические (17…25 % Si) [35, 39, 62, 63]. Эвтектические сплавы (KS1275, KS270, SAE332, SAE334) обладают достаточной прочностью и пластичностью, имеют высокие антифрикционные качества и хорошие технологические и литейные свойства в условиях массового производства [38, 39]. Такие сплавы широко применяются для изготовления поршней бензиновых и нефорсированных дизельных двигателей. Заэвтектические сплавы (Mahle 138, KS280, W63, S - 12) имеют меньший коэффициент линейного расширения и повышенную термостойкость, но обладают по сравнению с эвтектическими сплавами низкими литейными качествами [38, 62]. Чугун (СЧ 24, СЧ 45 и ВЧ 45-5), используемый в качестве основного материала для поршней ДВС, обладает более высокими физико-механическими, износостойкими и теплостойкими свойствами по сравнению с алюминиевым сплавом [35, 50, 64]. В настоящее время проводятся разработки новых видов высокопрочных чугунов с шаровидным графитом. Применение таких поршней позволяет уменьшить толщину стенки юбки и днища поршня, что снижает его массу до уровня массы алюминиевого поршня. Кроме того, чугунные поршни из-за меньшего коэффициента их линейного расширения можно устанавливать в гильзы с меньшими монтажными зазорами [38, 39, 64].
Поршни, изготовленные из стали (2ОХЗМВФ) используются на высоконагруженных (в механическом и тепловом отношении) двигателях [35, 38, 58]. Этот материал обладает целым рядом положительных качеств, таких как: высокая температура плавления, низкий коэффициент линейного расширения, высокая прочность, твердость, хорошая износостойкость, жаропрочность и другие [38, 64]. Отрицательным качеством является большой вес стали по сравнению с алюминиевыми поршнями. Эти качества позволяют изготовлять поршни с более тонкими стенками и более высоким расположением верхнего поршневого кольца. В результате масса поршня приближается к массе алюминиевого поршня.
Кроме тепловых и механических нагрузок, поршень ДВС подвергается износу [2, 27, 51]. В настоящее время для снижения износа поршней возможно вместо эвтектических силуминов использовать заэвтектические силумины [62], повышение плотности материала поршня методом рафинирования и дегазирования, армирование поршневой канавки стальной или нирезистовой вставкой [4, 48, 49].
Из анализа условий работы поршня и комплекса требований к нему следует, что поршень должен быть легким и абсолютно жестким, т.е. не менять свои геометрические параметры. Тепловые нагрузки не должны его деформировать. Вес поршня должен приближаться к нулю, а износ от контакта в сопряжении с гильзами цилиндра или поршневыми кольцами должен отсутствовать [50, 51, 58, 61].
Методика лабораторных исследований оксидированного слоя на рабочих поверхностях головок поршней
Анализ толщины, микротвердости, пористости, структуры и элементного состава оксидированного слоя экспериментального поршня осуществляли методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) с рентгеновским микроанализом. Анализ проводили в центре коллективного пользования «Облучение – материаловедение – исследовательский центр» ОАО "Государственный научный центр – Научно-исследовательский институт атомных исследованиях использовался комплекс, состоящий из автоэмиссионного растрового микроскопа сверхвысокого разрешения Zeiss SUPRA 55VP (Германия) (рисунок 3.3) (сертификат соответствия Zeiss SUPRA WDS 55VP Serial No. 3096 по DIN EN ISO 9001 reg.-no 278002 QM) в комплекте с энергодисперсионным спектрометром Inca Energy 350, волновым спектрометром Inca Wave 500 и системой регистрации и анализа дифракции отраженных электронов HKL EBSD Premium System (сертификат соответствия на все оборудование фирмы Oxford Instruments (Великобритания) по BS EN ISO 9001:2000 номер FM 29142), микротвердомера MicroMet 5114 фирмы «Buehlerреакторов" г. Димитровград [166].
В ». В исследованиях также использовалась мера ширины и перехода специальная МШПС-2.0К, внесенная в Государственный реест средств измерений (рег.номер 33598-06).
Принцип действия микроскопа основан на сканировании электронным зондом поверхность исследуемого образца, а также в распознавании образующего вследствие этого широкого спектра излучений. Для получения изображения служат сигналы вторичных, отраженных и поглощённых электронов. При этом, рентгеновское излучение применяется с целью получения дополнительных данных о химическом составе материала исследуемого образца.
Вышедшие из объекта электроны улавливаются соответствующими детекторами. Зарегистрированные детектором электроны преобразовываются в электрический сигнал, который усиливается предварительным усилителем, затем поступает в видеосигнальный тракт, где вновь усиливается до нужного уровня, обрабатывается и далее выводится на монитор.
Принцип получения изображения в микроскопе заключается в модуляции яркости монитора видеоконтрольного устройства сигналами, пропорциональными числу зарегистрированных вторичных или отраженных электронов, образующихся при сканировании сфокусированного электронного зонда по поверхности объекта. Шлиф представлял собой фрагмент оксидированного поршня из алюминиевого сплава толщиной около 2 мм. Исследуемый образец помещали в вакуумную камеру микроскопа. Элементный анализ оксидированного слоя проводили по четырем маршрутами (рисунок 3.4). Все маршруты имели протяженность 100 мкм от наружной поверхности поршня и состояли из 10 уровней с шагом 10 мкм (первый уровень – наиболее близкий к поверхности).
Для получения фотографии топографического контраста проводили тщательную промывку оксидированных образцов растворителем. В целях предотвращения загрязнения углеводородами образцы обезжиривали методом ультразвуковой очистки в ультразвуковой ванне УЗВ – 15М.
Методика определения фактической микротвердости оксидированного слоя на рабочих поверхностях головки поршня
Исследования фактической микротвердости оксидированного слоя на рабочих поверхностях головки поршня осуществляли вдавливанием по методу восстановленного отпечатка на приборе ПМТ-3М (рисунок 3.5), на поперечных микрошлифах (рисунок 3.6) по толщине оксидированного слоя, учитывая требования ГОСТ 9450-76.
Микрошлифы изготавливались вырезанием сегментов из головки поршня. Перед проведением исследований образцы предварительно шлифовали шлифовальными шкурками до устранения рыхлого слоя, а после этого полировали.
Для нанесения отпечатка микрошлиф устанавливали под микроскоп и выбирали на нем место, в котором необходимо измерить микротвердость, расстояние от края микрошлифа до центра отпечатка должно соответствовать расстоянию, равному не менее двойного размера отпечатка, а расстояние между центрами близких друг от друга отпечатков должно превышать размер отпечатка более чем в 3 раза. Затем плавным поворотом предметного столика против часовой стрелки до упора перемещали микрошлиф так, чтобы выбранное место оказалось под острием четырехгранной пирамиды с углом при вершине 13620. Медленно и плавно поворачивали рукоятку приблизительно на 180 и производили укол алмазной пирамидой под нагрузкой 0,196 Н.
После выдержки на протяжении 10 с под нагрузкой поворачивали рукоятку в прежнее положение. Поворачивали предметный столик в начальное положение, а для измерения диагоналей отпечатков использовали микрометр фотоэлектрический окулярный ФОМ-2. Число микротвердости HV оксидированного слоя определяли из выражения [167]: HV = Щ , (3.1) d 2 где Р - нагрузка, МПа; d - средняя длина диагоналей отпечатка, мм [167, 168]. 3.2.4 Методика определения температуры наружной и внутренней поверхностей днища типового поршня и поршня с оксидированными рабочими поверхностями головки Лабораторные исследования проводили для определения температуры днища типового поршня и поршня с оксидированными рабочими поверхностями головки.
Суть метода заключалась в определении температуры внутренней поверхности днища поршня в зависимости от температуры наружной поверхности днища поршня. Для этого использовали нагревательный прибор LРО-400, встроенную термопару «хром-копель», установленно в днище поршня на глубину 2...3 мм и цифрового мультиметра М 890G (рисунок 3.7) [142, 169].
Для установки термопары на внутренней поверхности днища поршня по оси симметрии на расстоянии 1 мм от наружной поверхности днища поршня высверливали отверстие диаметром 3 мм. В песчаную ванну устанавливали цилиндр, предварительно высверлив отверстие в нижней части для фиксирования термометра, с пределами измерения от 273 до 573К, при помощи которого измеряли температуру речного песка (т. А.). В цилиндр устанавливали исследуемый поршень (рисунок 3.7, рисунок 3.8).
Установка термопары на внутренней поверхности днища поршня Исследования температуры осуществляли до 230 оС, которая соответствует средней температуре в центральной части днища поршня за рабочий цикл двигателей УМЗ-421, при этом температуру внутренней поверхности днища поршня и речного песка замеряли через каждые 60 секунд.
Методика стендовых исследований двигателя в штатной и экспериментальной комплектациях
1. Экспериментально установлено, что толщина и микротвердость оксидированного слоя, формируемые на поверхности опытных образцов шлифов фрагмента поршня, зависит от времени оксидирования. При времени оксидирования 60 мин формируется оксидированный слой толщиной 26…30 мкм с микротвердостью оксидированного слоя 1274…1326 МПа (таблица 4.1). При меньшем времени оксидирования и времени, превышающем 60 мин, оксидированный слой имеет меньшую толщину и микротвердость (соответственно 8…23 мкм и 1062…1263 МПа). Изготовлены экспериментальные комплекты поршней с оксидированными головками при следующих режимах МДО: концентрации ортофосфорной кислоты в водном растворе – 180 г/л; плотности тока – 4 А/дм2; напряжении, подаваемом к днищу поршня - 250 В; температуре электролита – 25 оС; времени оксидирования – 60 минут
2. Анализ результатов лабораторных исследований шлифа фрагмента оксидированного слоя поршня, показывают, что оксидированный слой имеет хорошую адгезию с основным материалом алюминиевого сплава, четкий рельеф и неоднороден по своему составу, трещин и изломов в области контакта «основной материал – оксидированный слой» не прослеживается, отчетливо наблюдается взаимопроникновение оксидированного слоя в основу материала, с толщиной оксидированного слоя 24…31 мкм, микротвердостью 1299…1313 МПа и пористостью 10…11 %.
По результатам элементного состава в атомных концентрациях, нормализованных к 100 %, установлено, что насыщение кислородом в оксидированном слое на днище поршня увеличилось на 25,9 %, на боковой поверхности головки поршня на 5,3 %, на верхней и боковой поверхностях поршневой канавки под первое компрессионное кольцо соответственно, на 13 % и 2,7 %, по сравнению с типовым поршнем.
Формирование оксидированного слоя на рабочих поверхностях головки поршня позволяет снизить температуру на внутренней поверхности поршня в среднем на 23,6 %, температура днища поршня оксидированного поршня на 25% ниже температуры днища типового поршня.
3. Использование поршней с оксидированными головками в двигателе УМЗ-421 позволяет снизить износ поршневых канавок под первые компрессионные кольца в 1,67 раза, повысить эффективную мощность на 5,3 %, максимальный крутящий момент на 6,5 %, снизить часовой и удельный эффективный расходы топлива соответственно на 5,7 % и 9,4 %, содержание в отработавших газах оксида углерода на 13 % и углеводородов на 9,3 %, по сравнению с типовыми поршнями. сумму расходов. За исходные данные для экономического расчёта принимаем существующие нормативные значения различных коэффициентов, годового пробега автомобилей, тарифные ставки рабочих, стоимость топлива и поршней с оксидированными рабочими поверхностями головок.
Расход топлива, требуемый для работы автомобилей УАЗ с двигателями, оснащенным типовыми поршнями и поршнями с оксидированными рабочими поверхностями головок, принимаем по результатам проведенных стендовых исследований.
В общем виде экономическая эффективность внедрения новых технических средств определяется [175-177]: где П1 , П2 – приведённые затраты в базовом (индекс 1) и внедряемом (индекс 2) вариантах, руб; В1 , В2 – годовые пробеги автомобилей, км; Р1 , Р2 – доли отчисления от балансовой стоимости двигателя на восстановление, км;
Иі , И2 - расходы на эксплуатацию двигателя у потребителей, руб; К} , К2 -сопутствующие капитальные вложения, руб; А - количество обслуживаемых изделий; ЕН - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений. При внедрении технических средств сопутствующие капитальные вложения Кі , К2 отсутствуют, а величина П/ в большинстве случаев не является определяющей, тогда формула (5.1) примет вид: Э = {И, -И2)/{Р2 + ЕН). (5.2) Расчёт годового экономического эффекта от использования поршней с оксидированными рабочими поверхностями головок на автомобильных двигателях, определяется по формуле: ЭГ=ИХ-И2, (5.3) где И/ - годовые эксплуатационные расходы при работе двигателя УМЗ-421 в штатной комплектации, руб.; И2 - годовые эксплуатационные расходы при работе двигателя, оснащенного поршнями с оксидированными рабочими поверхностями головок, руб. Годовые расходы на эксплуатацию автомобилей определяем по формуле: Г = З + Т + А + Р + П, (5.4) где З - зарплата водителя, руб.; Т - затраты на бензин, руб.; А - расходы на амортизацию основных средств, руб.; Р - расходы на техническое обслуживание и ремонт автомобиля, руб.; П - прочие прямые расходы, руб. Зарплата водителей: З = Л-СЧ-КО-ТГ, (5.5) где Л - количество водителей, чел.; СЧ - часовая тарифная ставка, руб. (часовая тарифная ставка водителя 3-го класса 55,48 руб./ч); КО -коэффициент увеличения оплаты труда по тарифу; ТГ - годовой объем работ, чел.ч; (2300 чел.ч). по где Kj - коэффициент дополнительной оплаты за перевезённую продукцию; К2 - коэффициент увеличения зарплаты за классность водителя; К3 -коэффициент, учитывающий дополнительную зарплату водителя; К4 -коэффициент начисления на выплату страховых взносов; К5 - коэффициент, учитывающий оплату за отпуск.
Результаты исследований опытных образцов оксидированных шлифов фрагмента поршня
Удельный эффективный расход топлива (gе) при частоте вращения коленчатого вала 2200 мин-1 у экспериментального двигателя составил 272,9 г/кВтч, что на 9,4 % меньше, чем у типового двигателя, удельный эффективный расход топлива которого составил 301,2 г/кВтч. Часовой расход топлива (GТ) при частоте вращения 4200 мин-1 у экспериментального двигателя №1 составил 23,1 кг/ч и 24,5 кг/ч у типового двигателя. Анализ полученных нагрузочных характеристик показывает (рисунок 4.17), что на режиме малых нагрузок часовой расход топлива у экспериментального двигателя при минимальной мощности 6,52 кВт составил 4,05 кг/ч, тогда как у типового двигателя при мощности 5,54 кВт часовой расход составил 4,04 кг/ч.
На том же режиме удельный эффективный расход топлива у исследуемых двигателей соответственно составил 426,33 и 475,88 г/кВтч. В процессе исследования было установлено также изменение содержания в отработавших газах оксида углерода (СО) и углеводородов (СН). У экспериментального двигателя снижение составило СО и СН, по сравнению с типовым двигателем соответственно 13 % и 9,3 % [88].
По результатам проведенных исследований установлено следующее: использование поршней с оксидированными рабочими поверхностями головок в двигателе УМЗ-421 позволяет повысить эффективную мощность на 5,3 %, максимальный крутящий момент на 6,5 %, снизить часовой и удельный эффективный расходы топлива соответственно на 5,7 % и 9,4 %, содержание в отработавших газах оксида углерода на 13 % и углеводородов на 9,3 %, по сравнению с типовыми поршнями.
Результаты стендовых исследований двигателя с типовыми поршнями и поршнями с оксидированными рабочими поверхностями головок
Степень износа поршневых канавок, поршневых колец и гильз цилиндров двигателя определяли линейным методом (Приложение 2.2).
Максимальный износ гильз цилиндров с типовыми поршнями и поршнями с оксидированными головками у двигателя №2 составил 12 мкм на расстоянии 10 мм от верхнего края гильзы цилиндра соответствующий верхней мертвой точке; наименьший износ составил 7 мкм на расстоянии 70 мм от верхнего края гильзы цилиндра (рисунок 4.18).
Использование поршней с оксидированными рабочими поверхностями головок не приводит к повышению износа рабочей поверхности штатных гильз цилиндров (Приложение 2.2).
Результаты измерения износа поршневых канавок по высоте под первое и второе компрессионные кольца: износ (в среднем по 4 точкам) у типовых поршней составил 9,37 мкм и 5,12 мкм, тогда как у оксидированных поршней – 5,62 мкм и 3,37 мкм соответственно (рисунок 4.19, рисунок 4.20). Анализ результатов измерения износа первого и второго компрессионных колец: износ (в среднем по 5 точкам) составил 23,3 мкм и 6,3 мкм у типовых поршней, тогда как у оксидированных поршней – 25,3 мкм и 7,5 мкм соответственно (рисунок 4.21, рисунок 4.22).
Износ поршневых канавок под маслосъемные кольца и маслосъемных кольца незначительный. Таким образом, средний износ деталей сопряжения «первая поршневая канавка - первое поршневое кольцо» у типовых поршней составил 32,67 мкм, тогда как у оксидированных поршней – 30,47 мкм (рисунок 4.23) (Приложение 2.2).
Износ деталей сопряжения «вторая поршневая канавка второе компрессионное кольцо» Средний износ деталей сопряжения «вторая поршневая канавка второе компрессионное кольцо» у типовых поршней составил 11,42 мкм, тогда как у оксидированных поршней – 10,87 мкм (рисунок 4.24) (Приложение 2.2). 106 ВЫВОДЫ 1. Экспериментально установлено, что толщина и микротвердость оксидированного слоя, формируемые на поверхности опытных образцов шлифов фрагмента поршня, зависит от времени оксидирования. При времени оксидирования 60 мин формируется оксидированный слой толщиной 26…30 мкм с микротвердостью оксидированного слоя 1274…1326 МПа (таблица 4.1). При меньшем времени оксидирования и времени, превышающем 60 мин, оксидированный слой имеет меньшую толщину и микротвердость (соответственно 8…23 мкм и 1062…1263 МПа). Изготовлены экспериментальные комплекты поршней с оксидированными головками при следующих режимах МДО: концентрации ортофосфорной кислоты в водном растворе – 180 г/л; плотности тока – 4 А/дм2; напряжении, подаваемом к днищу поршня - 250 В; температуре электролита – 25 оС; времени оксидирования – 60 минут
Анализ результатов лабораторных исследований шлифа фрагмента оксидированного слоя поршня, показывают, что оксидированный слой имеет хорошую адгезию с основным материалом алюминиевого сплава, четкий рельеф и неоднороден по своему составу, трещин и изломов в области контакта «основной материал – оксидированный слой» не прослеживается, отчетливо наблюдается взаимопроникновение оксидированного слоя в основу материала, с толщиной оксидированного слоя 24…31 мкм, микротвердостью 1299…1313 МПа и пористостью 10…11 %. По результатам элементного состава в атомных концентрациях, нормализованных к 100 %, установлено, что насыщение кислородом в оксидированном слое на днище поршня увеличилось на 25,9 %, на боковой поверхности головки поршня на 5,3 %, на верхней и боковой поверхностях поршневой канавки под первое компрессионное кольцо соответственно, на 13 % и 2,7 %, по сравнению с типовым поршнем.