Введение к работе
Актуальность проблемы, Одним из направлении развития сельского хозяйства в условиях региона Сродней Азгп является улучшение использования сельскохозяйственно* техники, по-повышение яхЭксплуатационной надежности и ресурса. Улучшение эксплуатационных показателей энергетических установок в условиях Среднеазиатского региона б значительной степени определяется техническим состоянием ЦПГ. Методологические концепций оценки и повышения эффективности работы ЦПГ целесообразно рассматривать как динамическую систему (гкльза-колъца-поршень) во взаимодействии с ресурсными диагнестичео-кими параметрами и показателями работы даззля применительно к условиям Средней Азии.
. Повышенный износ деталей ЦПГ в процессе эксплуатации приводит к повышению угора масла, количества газа про-' рывающегосл в картер и другим качественным показателям, что является одной из важнейших причин столь малого, особенно послеремоятного, ресурса работы двигателя в условиях Среднеазиатского региона.
В общей проблеме улучшения ресурсных показателей дизелей применительно к условиям Среднеазиатского региона одним из важнейших является разработка требоваяай и принципов совершенствования деталей ЦПГ с целы? повышения герметичности камеры сгорания, стабилизации эксплуатационных показателей рабочего процесса дизеля и улучшения технического состояния двигателя и, в конечном итоге, повышения ресурса как новых, так и, особепно, отремонтированных двигателей, количество которых в общем парке тракторов АПК составляет до С0~70%.
Цель исследования. Увеличение доремонтных и псслере-
монтных эксплуатационных ресурсов двигателей сельскохозяй
ственных тракторов, работающих в регионах Средней Азии, за
счет совершенствования и улучшения эксплуатационных показа
телей ЦПГ. ' .
Научную новизну и основные положения, выносимые на зз-щиту, составляют:
I.Математические модели «ункшонироі'анпя ЦІІГ цвигаталеД с воздушным охлаждением, устр.навжзлюише взаимосвязи геометрических
.1
параметров поршней, поршневих колец и цилиндров с параметрами рабочего процесса, герметизации камеры сгорания, угаром масла и прорьша газов и в конечном итоге, ресурса двигателя;
-
Математические модели связи диагностических параметров с параметрами технического состояния ЦПГ;
-
Теоретические предпосылки, методика и принципы решения, позволяющие уменьшить начальные зазоры между поршнем и цилиндром sa счет овіш>но-бочкообразного профиля поршня;
-
Математическое моделирование и расчеты на ЭВМ основных параметров ЦПГ, методика и средства сравнительных испытаний .ШЗ с серийной и усовершенствованной ЦПГ.
Практическая значимость работы4 Усовершенствование ЦПГ, повышающее герметичность камеры сгорания тракторных дизелей с воздушным охлаждением создают реальные пути по увеличению в.регионе Средней Азии доремонтного и послеремонтного ресурса тракторных дизелей, улучшению их топливной экономичности, снижению эксплуатационных затрат.
Реализация результатов исследования. Разработанная методика по создание поршней с овально-бочкообразным профилем юбки для тракторных дизелей принята к производству Владимирским тракторным заводом, Самаркандским заводом "Красный двигатель",
Результаты исследований и разработанные на этой основе рекомендации по контролю качества поршневых колец и взносов деталей ЦПГ приняты Ленинским мотороремонтным заводом, колхозами "60 лёт Октября", "Октябрь", "Правда" и "Ленинград" Шахраханского района Андижанской области и Андижанским "Обдоельхозснебремонтсм", а такне применяются в учебном процессе АСХІ1. ...
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на научно-техническим конференциях во Всесоюзном сельскохозяйственном инотятуте заочного образования (1970-1976 гг<), на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Андижанского института хлопководства (1978-1989 гг.), на юбилейной научно-технической конференция ЧШ1ЭС1 (1991 г.), на научно-производственной конферен- . цва-профессорско-преподавательского состава ТШШЗХ (1991 г.),
на Всесоюзной научно-техническо конференции Туркменского сельскохозяйственного института (ІУ9І г.).
Публикация. По теме диссертации опубликовано 2Q научных работ, в т.ч..одна монография.
Объем работы. Диссертация содержит стр. машинописного текста, включая НО рис. и 13 таблиц . Состоит из введения, пяти частей,10 глав и общих выводов.. Список использованной литературы вклвчазт ^s7 наименований, в том числе 21 зарубежных авторов.
Во введении раскрываются актуальность и общая характеристика проблемы, указываются основные направления решения поставленных задач.
1. Условия эксплуатации дизеле-! тракторов на возделы
вании хлопчатника и их влияние на эксплуатационные показа
тели двигателя.
Самым суровым климатом в Средней Аеии является климат пустынно-полупустынных районов. Он характеризуется интенсивной солнечной' радиацией, доходящей до 130-160 ккал/см в году и температурой до 50С в тени. Ооадки самме минимальные - 70...150 мм, а испарение влаги составляет 800-900 мм.
Климат хлопкосеющих районов республики Узбекистан является менее суровым, чем климат пустынных И ПОЛІ'пустынных зон Средней Азии. Лето продолжительное к каркое, еязж-ность воздуха и количество осадков уменьшается именно в тот период, когда усиливается интенсивность эксплуатации тракторов при обработке хлопчатника к других культур,
Проведенные наблюдения за новыми двигателями показывают, что. ресурс при-их эксплуатации в условиях хлопководства составляет в основном 1700...2500 іюточасов. Особенно непродолжительный ресурс имеют отремонтированние двигатели тракторов. Их ресурс составляет 400...800 моточасоз,
2. Состояние проблемы герметизации камеры сгорания
двигателей и задачи исследования.
Показателями герметичности камеры сгорания работающего двигателя являются относительный угар масла и прорыв
газов в картер. Предельные значения этих характеристик
достигшг or 1,8 до 2% к расходу топлива.
Эксплуатация двигателей в относительно тяжелых условиях Среднее Азии и непрерывное их форсирование, а также неправильная оценка или пренебрежение некоторыми важными факторами при определении пераметров ЦПГ приводят к нарушению герметичности камеры сгорания, и, следовательно, к повышения рэохоць масла на угар и, в конечном итоге, к снижению ресурсе.
Одним из основных факторов, влияющих на герметичность камері; сгорания, является рабочий зазор между поршнем и цилиндром, выбор которого обусловлен противоречивыми факторами .
Этому вопросу, а также определению технического состояния двигателя посвящена многочисленные работы таких учених как адановскии-Н.С, Кофинов С.А., Аллилуев.В.А., Би-лшк.Ш.М., Гурзич К.Б., Костин А.К., Кадыров СМ., Михлин В.М., Пакмон А.Р., Ншшлаенко А.В., Никитин Е.А., Терских И.II., Улитовский Б.А. и других.
На основе изучения долговечности поршневых колец разработан ряд действенных мер, повышающих герметичность камеры сгорания. Однако, как правило, при отом недостаточно учитываются такие важные ректоры, как влияние, с учетом почвеняо-климатических условий зоны, износа цилиндра w искажений его формы на образование просвета мекду кольцом и цилиндром, зависимость герметичности камеры сгорания от 'просветоЕ колец, соотношение между "теоретической" и "реальной" долговечностьо колец, определение предельных просветов и др.
Исходя т изложенного сформулированы задачи настоящего исследования..
-
Разработка модели функционирования ЦПГ двигателя с воздушным охлаждением, характеризующее ресурс двигателя в' составе мобильных хлопкоуборочных агрегатов.
-
Разработка динамической математической модели связи диагностических .параметров с параметрами технического состояния ЦПГ.
-
Разработка'методик выбора и расчета параметров прогрессивного проілля поршня и износа поршневых колец.
4. Разработка динамичеокой модели износа поршневих кэлец, учитывающая одновременный износ цилиндра и его формы, , 5. Проведение сравнительных экспериментальных исследований серийных и модернизированных-тракторных дизелей в условиях Средней Азии и разработка рекомендаций по организации контроля и повышению эксплуатационного ресурса двигателей .
6. Оценка эффективности результатов исследования.
3. Разработка математическое модели езязч параметров технического состояния цПГ с ресурсом .двигателя.
Из проведенного аналитического обзора (глава 2) ясно, что на увеличение ресурса двигателя влияет улучшение герметичности камеры сгорания, которое, в свою очередь, зависит от технического состояния ЦПГ, херактеризуемое изкоса-ми своих деталей.
Остаточний ресурс двигателя в значительной степени характеризуется скоростью изнашивания деталей ЦПГ.
При определении скорости износа кольца использована известная закономерность, которая может быть представлена математической зависимостью вида
где f - радиальный износ пормневого кольца, мій; Г -время, за которое происходит износ кольца, час; с - коэффициент пропорциональности; /% - давление от сил упругости изношенного кольца с учетом износа цилиндра, МПа; jg - среднее давление по окружности нового кольца, МПа; f - отношение среднего давления гяэв в пространстве за кольцом к среднему давлению на окружности кольца.
Аналитическое исследование износа поршневого кольца с учетом одновременного износа цилиндра представляет определенные, трудности. Для облегчения репенип задачи были приняты допущения о том, что цилиндр изнашивается одновпз-г менпо как по окружности, так и по васоте, и износ происходит под действием среднего давления кольца по окружности.
В результате получено дпуТеренциельпоє уравнение для определения о , которое имеет следующий вид
где 0s - относительны;! износ кольца, S-f/t ; js> -безразмерный коэффициент; = Тц к среднему износу кольца Г^ ; 4р -средний относительные износ кольца, ЙГ = tcp/t ; t - радиальная толщинь поршневого кольца, j/ - угловая координата сечения сжатого кольца при отсчете от его спинки.
Уравнение (2) позволяет определить давление по окружности кольца в зависимости от времени при учете износа цилиндра и выявить момент появления просвета между кольцом и цилиндром.
Подставляя (2) в (I) получаем дифференциальное уравнение для определения скорооти износа кольца с учетом одновременного износа цилиндра.
=«1
»^-мИ-^]
(3)
где р - давление по окружности изношенного кольца без учета износа цилиндра.
Уравнение (3) решается численным методом в конечных разностях при известных начальных и граничных условиях для значений коэффициентов f в 0; 0,5( 1,0; j = 0; 2; и Ь я 2,6.
Не рис.1 представлены расчетные и экспериментальные еависимости износа поршневого кольца от времени. Расчетная зависимость получена в результате решения уравнения (3) при t al, т.е. когда скорость изнашивания цилиндра и кольца одинакова. Экспериментальная зависимость получена в.результате разборки и определения износа 20 двигателей, побивавших в зксплуатации.
Данные кривые аппроксимируются зависимостями вида
Тк -- о,Ш9 + о,о$л (nfi),
LK,LK
шив=
500 I0O0 isoo zoco t,zac
Рис.1. Расчетная (T^) и экспериментальная '&„) зависимости износа кольца от времени
Проводя измерение начального износа порпневого кольца в любой проверяемый момент времени и зная зависимость износа кольца во времени, определяется ресурс ЦПГ.
4. Разработка динамической математическое модели связи диагностических параметров с параметрами технического состояния ЦПГ.
Герметичность камеры сгорания работающего двигателя оценивают по величинам относительного угара масла а прорыва газов в картер. Диагностирование но угару масла не получило широкого растространения из-за большой трудоемкости контроля этого параметра.
О нашей точки зрения наиболее информативным параметром технического состояния ЦПГ является величина прорыва газов в картер двигателя.
Для определения величини прорыва газов в зависимости от герметичности кшлерн сгорания и паршлетров рабочего-процесса целесообразно использовать выражение
где t/tmi - максимальний коэффициент расхода при критическом перепаде давления; J^CA - условное проходное сеченио, определяемое всеми неплотностями кольцевого уплотнения;
^ - относительная расходная функция по среднему перепаду давления; Тко - температура последнего компрессионного кольца; /g - среднее по времени давление в цилиндре.
Условное проходное оечение f зависит от зазора между поршнем и цилиндром, кольцом и канавкоіі, а также от величины замка кольца.
&*-&*+$ +ькчг-г , 16)
'где 6.,
площадь зазора между поршнем и цилиндром, шг; Л;- птощадь зазора в замке, мм ; uk - подъем кольца над поверхностью канавки, мм. Величина йк изменяется э пределах зазора между кольцом и канавкой поршня по высоте.
Однако известно, что в большинстве случаев кольца устанавливают в цилиндры с начальными просветами, ото приводит к дополнительному увеличению прорыва газов через эти просветы. Дополнительная величина прорыва газов при постоянстве остальных параметров определяется как
t-«*ju-i-i,jfe : (6>
где і - проходное сечение просветов. Если выражение (6) учитывает проходное сечение просвета между кольцом и цилиндром, то общее количество прорыва газов уже с учетом просве-г та колец определяется суммированием виражений (4) и (6), т.е.
Следует сказать, что монтажные зазоры меаду поринем и цилиндром, кольцом и канавкой, определяемые параметром >\ftA всегда имеют место и их дальнейшее увеличение из-за износа деталей ЦПГ, как показали опыты, слабо влияет на величину прораЕа газов. В таком случае ощутимое влияние могут оказать начальные просветы и появившиеся в процессе работы двигателя иа-за износи Кольца и цилиндра. Известно, что воз-"ииказдий просвет мелду кольцом и цилиндром, бывает двух типов - "провис" или "подпор". Тогда величина проходного сечения просвета с учетом дальнейшего изиооа кольца и цилиндра
определяется следующим образом: - для просвета типа "провис"
Jn = 4^ ь(,-е*мЛ і 8)
для просвета типа "подпор"
" h* ї^5ЩІ*-^'^№^+4"<«"11 > (9)
где "Э - диаметр цилиндра, мм; йа - увеличение (уменьшение) диаметра цилиндра из-за износа кольца и цилиндра, мм; «4» - угол потеря контакта кольца и цилиндра, град.. Если известны величины износа кольца и цилиндра, то значение А о определяется как
4, = 2(^1-2^) , -I0J
где ТГЦ , ^ - средние изчос.ч цилиндра и кольце., мм; А - начальное увеличение цилиндра, мм.
Если начальный просвет отсутствует, то А в (10) равен нулю.
Как видно из выражений (8) и (9) величина проходного сечения кольца зависит от угла п0 .
Угол потери контакта кольца и цилиндра о60 определяется следующим образом:
- для просвета типа ."провис"
Ла =агс coj(i-3S- ^ ) ( и)
- для просвета типа "подпор"
L4 + L,tp+ ~ eajv -ft'/i-^-г^-t-ie/uda 42)
Таким образом, для определения прорыва газов в картер двигателя с учетом наличия просвета кольца имеем выражение вида:
- для просвета типа "провис"
- для просвета типа "подпор"
^-~ш^х т. {t-+ *
Учитывая, что параметры ,/*„,„„ , ^ , R , Т«о остаются постоянными для конкретного двигателя.модно определить вегіичину прорыва газов, соответствующую предельной величине просвета кольца, с которой нельзя устанавливать его"в двигатель, т.е.
Чг*-к'^'Іпм» (15)
Величина среднего давления в цилиндре ({, не остается постоянной, а уменьшается с увеличением величины просвета jn . Поэтому, для определения ^yw необходимо уметь ке нарушая герметичности камеры сгорания измерять величину среднего давления в цилиндре. Для этого можно воспользоваться методом оценки индикаторных параметров дизеля по услозним индикаторным параметрам, разработанным в С.-Петербургском аграрном университете. Среднее давление в цилиндре определяется
г ti
а=е,
U(t)dt-i\v(i)dt (іб)
Ц %
где. 01 - величина, постоянная для определенного скоростного режима работы дизеля; if (і) - выходное напряжение датчика вибрации; t - время, в течение которого совершается .один такт..
5. Методы и принципы совершенствования профиля поршня в- обеспечении гермзтичнооти камеры сгорания.
Проведен анализ размеров и конфигурации серийных поршней двигателей, результаты измерения температур поршня и ци^«.ндра, расчет и обоснование параметров нового профиля юбки поршня.
С целью снижения зазора'меиду поршнем и цилиндром мно-. гасли авторами предложено вести исследования по подбору ма-
териалов для поршня, теплоизолирующих покрытий на днище иэршня, масляному охлаждению поршня и т.д. Признавая эффек-тишость указанных способов все же следует сказать, что они не привели к ожидаемым результатам по снижению зазора меэду поршнем и цилиндром. На основе анализа профиля серийного поршня установлено, что причина, препятствующая снижению этого зазора, кроется в самом профиле серийного поршня.
Известно, что юбка серийного поршня имеет прямолинейные образующие, состоящие из цилиндрической формы на длрнє 33 мм и конической формы на длине 40,5 мм. Направляющая часть поршня также имеет коническую форму, причем конусность уменьшается по. мере прлближения к днищу поршня. С целью определения формы поршня в горячем состоянии и зазора между ним и цилиндром, измерены температуры поршня и цилиндра в различных поясах по их высоте с помощью термопары. При измерении передача термо-ЭДС от спая термопар к измерительному прибору осуществлялась с помощью токосъемника периодического действия. -Анализ размеров серийного поршня с учетом значений температур поршня и цилиндра, измеренных экспериментальным путей, показал, что конфигурация поршня в горячем состоянии становится корсетной, контактируя с цилиндром по кромкам вверху и внизу юбки. Такая форма и такой характер контакта юбки поршня с цилиндром и являются главной причиной, препятствующей снижению зазора между поршнем и цилиндром. Болев того, чтобы не образовались задиры в местах кромочяых контактов, необходимо заведомо увеличить эти зазоры.
Эффективным направлением снижения этого зазора является изменение существующего профиля юбки, то есть выполнение юбки поршня овальной по поперечному сечению и бочкообразной по высоте.
Оптимальный профиль юбки презде всего должен обеспечить минимальный зазор как между юбкой поршня и цилиндром, так и между головкой поршня и цилиндром. Кроме того, бочкообразный профиль юбки не только должен компенсировать кор-* сетность юбки, но и должен сохранять некоторую бочкообраэ-ность в рабочем состоянии.
В этом направлении наиболее доступной является методика профилирования юбок порлнеіі, раэработаннея профессором Гинц-бургом Е.Я. Применение этой методики для конкретного двига-
теля с обоснованием таких параметров как максимальная стрелка бочкообразного профиля Умаке , максимально необходимый зазор между поршнем и цилиндром А„им и координата точки касания юбки поршня с цилиндром при его наклоне в цилиндре ^ в пределах имеющихся зазоров, дает оптимальные пробили юбки поршня.
В соответствии с этим общая стрелка бочкообразного профиля в холодном соотоянии определена как:
«,=# +У , (17)
где у - стрелки бочкообразного профиля юбки, исчезающие в рабочем состоянии поршня; у стрелки бочкообразного профиля юбки, остающиеся в рабочем состоянии поршня. Величина у и у определялись по формулам:
X=і JL.; ffo 0» у = т~* -Н*< 0 (їв)
При этом значение уу1акс_ обоснуется с учетом условия работы поршня конкретного двигателя, а величина определяется по выражению
Уг^Г** С19)
где сС3 - разность расширений- юбки поршня по верхне- и нижнему сечениям; - относительная координата сечения от верхней кромки юбки поршня; Рг - безразмерный параметр;^, ^!) , іґк і\ - функции, зависящие от безразмерных, параметров к\ » К и і ;
Кроме того, внизу юбки поршня, с целью исключения кромочного контакта, выполняется плавный сход на длине б мм.
По разработанной методике выбраны для конкретного порш-
. ня величины умя>кв , Д^ии и I исходя из минимально-
го яазора з дросселирующей части поршня и угла наклона поршня в цилиндре.
Например, для двиг-атеяя Д 144 значения параметров
Укакс > &*ш« И ft СООТВЄТСТВЄННО рВЕНЫ 0,01...0,015 ММ,
0,05 и 0,1.
Овальность должна компенсировать всг. виды деформации nSm поршня и цилиндра. Во время работы двигателя ябка пори-12'"
ня деформируется под действием бокових сил, газовой нагруз-;«:., термических нагрузок вследствие неравномерного распределения температур по окружности юбки поршня, а цилиндр -под действием газових сил и затяжки аякерных болтов. В работе определены все виды деформации ибкц поршня и цилиндра экспериментально-аналитическим путем. Установлено, что для компенсациивсех видов деформация требуется выполнять юбку . поршня овальной с величиной овала в = 0,08...0,120 мм.
6. Исследования прилегаемости кольца с учетом износа кольца и цилиндра.
Дальнейшее повышение герметичности камеры сгорания связано с изучением долговечности и приспособляемости поршневых колец, которые зависят в основном от изнашивания колец и цилиндров, деформации цилиндров и т.д. Установлено, что по мере износа поршневого кольца происходит перераспределение начального давления по окружности кольца и давление н зоне замка падает быстрее, чем в других местах и наступает такой момент, когда это давление равняется нулю. Работа поршневого кольца до этого момента названа его "теоретической" долговечностью. В дальнейшем, если кольцо не будет снято с поршня, то он будет работать с просветом между цилиндром. Чтобы увеличить "теоретическую" долговечность рекомендовано выполнять поршневые кольца с горректнровамдм давлением в зоне замка. Эти кольца имеют большую долговечность, чем кольца, имеющие равномерное давление по окружности.
Однако, в исследованиях долговечности кольца, проведенных до сегодняшнего дня, не учтен такой ванккД фактор, как износ цилиндра, т.е. работа поршневого кольца в цилиндре измененного размера и формы. Учет этих факторов позволит приблизить аналитические выводы к потребностям практики и наиболее достоверно объяснить механизм появления просвета между кольцом и цилиндром, приводящего к повышенному угару масла и прорыву газов во время работы двигателя, а результаты таких исследований внесут определенные коррективы при подборе начального давления по окружности кольца.
По уравнению (3) первоначально были проведены исследования колец с равномерным началышм давлением. Результаты
приведеш на рис.2. Видно, что учет износа цилиндра приводит к повсеместному снижении давления по окружности кольца и примерно в S-5 раз ускоряется процесс появления просвета в ионе замка при изменении относительного износа цилиндра от 0 до 1,0. Следует ответить, что при этом снижение давления до нуля происходит только в зоне замка.
Если к учету износа цилиндра добавить наличие давления в пространстве за кольцом ( ^ = 2), то при незначительных изнооах кольце' ( Тк ~ 0,12 мм) и цилиндра ( t"^ = 0,06 мм) происходит появление просвета з зоне замка.
Известно, что ь тракторних двигателях применяются кольца с корректировавшем давлением. На рис.Ь приведены результати исследования одного из них, широко распространенного па практике.
Рис,?,. Относительное давление IP,/ft ) кольца, первоначально имевшего равномерное давление, в зависимости от параметров у , t и J- и безразмерного параметра дремени к .
Исследования поршневих колец с корректированным давлением показали, что учет износа цилиндра приводит также к перераспределению давления и повсеместному снижению давления по окружности кольца. Кроме того, просветы между кольцом к цилиндром появляются не только в зоне замка, но и в середине полукольца, что является новім в теории долговеч-чосш кольца.
14'
Рис.3. Изменение относительного давления (Р,/ро ) кольца с корректированным давлением ( J, - 2,66) з зависимости от параметров у/- , (; ,^ и безразмерного параметра времени К .
Как показали исследования, без учета износа цилиндра зона отрицательного давления не появляется дако до износа толщины хрома (0,2 км) на поверхности кольца, а с учетом износа цилиндра (когда износ цилиндра равен износу кольца) зона отрицательного давления в середине полукольца появляется при износе кольца, равном примерно 0,12...0,14 мм, т.е. раньше, чем двигатели будут отправлены на капитальный ремонт.
Кроме того, установлено, что наличие давления в пространстве за кольцом является дополнительным фактором, ускоряющим появление просвета меяду кольцом и цилиндром.
Таким образом, учет износа цилиндра является ваклым и он должен приниматься во внимание при определении долговечности кольца. Кроме того, выполненная работа раскрывает новый механизм появления просвета п этот механизм начинает действовать в процессе работ» двигателя, т.е. до отправки' двигателя на капитальный ремонт.
В связи с вншеизлояешшм, представляет интерес уста-
ковление момента появления просвета на работающем двигателе и изучение влияния атого просвета на величину угара масла и прорыв газов при дальнейшей работе двигателя.
На практике имеются случаи, когда новые неизношенные кольца устенавливяются в цилиндры увеличенного или уменьшенного размеров. В связи с втим возникает необходимость научения работы поршневих колец в этих цилиндрах с точки зрения герметичности камеры сгорания и экспериментально виявить влияние просвзта на дореыэнтный и межремонтный ресурсы .
Известно, что при установке поршневых колец в цилиндр увеличенного диаметра образуется просвет на угле <^а тиса "пговис",'а'при установке в цилиндр уменьшенного диаметра -тиса "подпор" на угле l0 . Начальное давление при этом перераспределяется на длине дуги (-Р-^о ), где имеется контакт. Разделяя контактную длину на участки и определяя значения даьлениіі на этих участках определена формула для определения давлении на поверхности изношенного кольца в изнапш-ьаюцем цилиндре, имевшем первоначально увеличенные размеры, следующего вида:
где L - номер участка на длине контакта кольца с цилиндром; Ь^ - относительное увеличение радиуса цилиндра, \-A/t і А - начальное увеличение (уменьшение) радиуса цилиндра Ъ . Здесь знак "+" относится к работе кольца в цилиндре увеличенного размера, а знак "-" - в цилиндре уменьшенного размера. Момент для каждого участка имеет следующие значения:
^ЛлА^кЛ^КАґКА* > (2І)
где Ь,, , >,4, Ь, 4, &,,, Ь - коэффициенты, зависящие от угла просвета^ x'JL^J^bX, ,,,,&
КО,Зфї'ИЦИЄН'ГН.
Тема износа кольца определяется выражением (4 ), в котором_ bmqcxq ft / ft, используется формула для определения /ра ,
Результати исследования для кольца корректированного давления приведены на рис.4. Видно, что при работе кольца в цилиндре увеличенного размера Л = 0,1 мм происходит перераспределение давления 'и увеличивается угол потери контакта кольца с цилиндром, а давление по окружности кольца повсеместно снижается. Положение усугубляется, если учесть и износ цилиндра. Таким образом, работа кольца в цилиндре увеличенного размера не приводит н положительным результатам в процессе работы двигателя с точки зрения герметичности камеры сгорания. Влияние этого случая на угар масла и прорыв газов проверены экспериментально.
Другие результаты получены при исследованиях колец при их работе в цилиндре уменьшенного размера. Угол потери контакта, появляющегося при установке колец в цилиндр уменьшенного размера, по мере износа цилиндра и кольца уменьшается и через некоторое время равняется нулю, а затем будет увеличиваться. Однако, при установке нового кольца в цилиндр уменьшенного размера нужно обратить внимание на сохранение теплового зазора.
а? as
0.3
o.i
о а і
Рис.4. Изменение относительного давления (pt/po ) по окружности кольца при его работе в цилиндре увеличенного диаметра (зпюра 7).
I?
Результаты теоретических исследований показали, что в процессе работи двигателя появляются просветы между кольцом и цилиндром, которые неизбежно приводят к нарушению герметичности камеры сгорания. Экспериментально необходимо было проверить имеет ли место это явление на практике и влияет ли оно на экспериментальные параметры двигателя. С этой целью проведена работа по определению технического состояния поршневых колец, устанавливаемых в каштально отремонтированные двигатели, и влияния начального просвета на величини угара масла, прорыва газов в межремонтный период и максимального давления в цилиндре двигателя. Установлена взаимосвязь между моментом появления просвета и угаром масла и его дальнейшее изменение после появления просвета.
Установлена такяе степень влияния начального просвета пп доремонтны/i и поолеремонтныл периоды. Вышеперечисленные исследования проведенії с помочью безмоторных установок, в лабораторных и эксплуатационных условиях.
7. Методика и результаты экспериментальных исследований а) по выбору профиля коришя:
Исследования проводились на двигателях ДІ44.
Для исследования были подготовлены опытные поршни с овалі!.;)-бочкообразніі;л профилем юбки. В ходе исследования . 'уточнены величины овала юбки. Овальность в пределах 0,08... 0,120 ш дала хороше результаты, что подтвердило правильность методики подбора овала.
В ходе испытания установлено, что овально-бочкообразные портки не имели кромочного касания с цилиндром, следа приработкч показали, что контакт юбки по высоте не доходил до верхней кромки, а,но окружности происходит на дуге примерно - 45 грод. от ппоскости качания шатуна. Исследования, проведенные по определению износа с помощью нарезанных лунок па поверхности юбок иоршнеи, показали полную картину прирабатывав'юстк юбок к цилиндру как по округшости, .так и по высоте и подтвердили ати выводы.
Для сє.мв/ісїза тракторных двигателей с воздушным охлаждением овалыш-бочкообра-эные поршни позволили снизить зазоры метлу поршнем и цилиндром до 0,13...О,14 мм вместо
0,20...0,24 мм, а диаметр дросселирующей части увеличить до 104,61...104,62 ш вместо 104,50...104,56 мм.
Снижение зазора мезду поршнем и цилиндром позволили уменьшть количество маслосъемннх колец в поршне. На рис.5 приведены результаты сравнительных ксгштаяиіі по определению угара картерного масла. При атом сери/лше поршни имели два маслосъемннх кольца, а опытные поршни - один. Однако серийные поршни имели зазоры между поршнем и цилиндром 0,20... 0,24 мм, а опытные поршни - 0,1Ь...0,14 мм. Видно, что величины угара масла почти одинаковые, в пределах погрешности.
Рис.5. Зависимость угара масла от формы юбки и зазора мезду юбкоЛ поршня и цилиндром 1-е опытными поршнями; 2-е серийными поршнями. Дальнейшая работа по герметизации камеры сгорания должна быть связана с вопросами долговечности и приспособляемости поршневых колец и их техническим состоянием. б) по прилегаемости колец; Для этого подвергались контролю 257 шт. поршневых колец, снятых с линии сборки.
В результате коатголяенределялись наличие, расположение и величины просветов по округлости,величины диач&тргль
ных усилии скатйя кольца до номинального диаметра, овальность кольца на гибкой ленте и коробление.
Для определения просвета применялся калибр и специальный фонарь г/одели 0007.12 конструкции ОКТИПК.
Результаты показали, что примерно 74$ поршневых колец имеют просветы, в остальных просвета не обнаружено. Длина каждого просвета оказалась на длине дуги от 20 град, до 70 гред. Просветы находились за пределами 10 град, от замка кольца.
Выяснилось, что просветы между кольцом и цилиндром не только появляются в процессе работы, но и имеются в самом начале работы двигателя. Этому также способствуют деформации цилиндре из-за его износа и затяжки анкерных болтов, что требует улучшения приспособляемости поршневых колец.
Приспособляемость поршневых колец двигателя к деформациям цилиндров определена с помощью специально созданной установки. На этой установке имеется возможность одновременно изменять величину овальности цилиндра и просвета, появляющегося мевду кольцом и цилиндром. Преимущество данного устройства заключается в возможности установки как новых поршневых колец в цилиндр, так и после любого этапа эксплуатации в "свой" цилиндр. Такой подход к определению приспособляемости поршневых колец или прилегаемости поршневых колец к' стенке цилиндра имитирует условия работы их в цилиндре в большей степени по сравнении с определением приспособляемости поршневых колец в кольце-калибре.
Результаты исследований показали, что с увеличением овальности цилиндра появляется просвет типа "подпор". У колец, це имеощих начального просвета, начинает появляться просвет при овальностицилиндра ровной 0,07...0,08 мм, а при овальности, равной С,1 мм, просвет появляется уже на дуге IB0...15. При дальнейшем увеличении овальности цилиндра угол отсутствия контакта растет.
. Контролю подвергались такие кольца, имеющие начальные просветы. Установлено, что величины начальных просветов до определенной величины овала цилиндра не испытывают заметного повышения, затем увеличиваются с той величины, какой она была вначале. Величина'опала, при котором начи-
го .
нают увеличиваться просветы, тем меньше, чем меньше длина цуги начального просвета. Так, например, начальный просвет на дуге 10 град, начинает .увеличиваться при овальности цилиндра примерно на 0,025 мм, на дуге.30 град. - при 0,045... 0,05 мм, на дуге 50 град, при 0,075...0,1 мм.
Как показали исследования, овальность цилиндра в основном может иметь начальную величину до 0,05 мм. Использование в таких цилиндрах поршневих колец, имеющих начальные просветы, кралнв нежелательно с точки зрения ухудшения герметичности камеры сгорания. Поэтому возникает необходимость изучения влияния просвета на величину угара масла и прорыва газов в картер, определяющих ресурс двигателя.
Эта работа первоначально проведена на безмоторной установке, позволящел поддерживать постоянное давление над поршнем и измерять количество воздуха, проходящего черрз зазоры между поршневыми кольцами к цилиндром. При этом используются серийные поршневые комплекты и цилиндры. Утеч'.са воздуха через просветы измерена с помощью прибора №-17999 (ГОСНИТИ).
Исследованию подвергались кольца беспросветные и с начальным просветом в цилиндре круглого размера величиной от 30 град, до 40 град. Овальность цилиндра обеспечивалась с помощью дополнительного приспособления. Давление в надпора-невом пространстве создалось сжатым воздухом через редуктор , поддерживающий постоянную заданную величину давления. Измерение расхода воздуха через неплотности мевду поршневыми кольцами и цилиндром осуществлялось при давлениях 1,0; 1,5; 2,0 дШа. Для комплектов поршневых колец величина зазора находилась в пределах 0,35...0,4 мм.
Результаты исследования показати, что утечка воздуха через зазор кольцо-цилиндр увеличивается с увеличением давления воздуха в яадпоршневом пространстве, т.е. с 82...80 л/мин при 1,0 МПа до.132...133 л/мин при 2,0 іШа, а.при наличии просвета с 92...93 л/мин при 1,0 МПа до 154...155 л/мин при 2,0 МПа. Увеличение овальности цилиндра приводит к увеличению пропуска воздуха, т.е. увеличение овальности цилиндра до 0,1 мм приводит к увеличении пропуска восдуха с 154...155 л/мйн до 164...165 л/мри Еря давлении 2,0 КПа. В дальнейшем атот вопрос исследован на работающем двигателе.
21.
в) по определении технического состояния двигателя:
Вначале проводились исследования в лабораторных условиях по определению влияния герметичности камеры сгорания яа индикаторные показатели диэелл. Для этой цели в двигатель были установлены три варианта колец:
новые кольца без просвета;
новые кольца с просветами на дуге от 80 до 50 град.;
"кольца с наработкой 800-:1000 моточасов. Измерения проводилась на одном скоростном режиме о изменением нагрузки с льезокварцевым датчиком индицирова-ния по стандартной методике и с пьезоакселерометром ДІ4 по методике, разработанной б Санкт-Петербургском Государственном аграрном университете. Результаты исследовании приведены яа рис.6 и 7. Анализируя представленные зависимости моаяо сдолать следующие выводы:
МПа A to
0.12
SO ISO iso
Рис.б. Изменение . среднего давления в цилиндре от нагрузки и состояния поршневых колец I - с новыми кольцами без просветов; 2-е кольцами, имеющими наработки; 5-е новыми кольцами с просветами. I. Новые кольца с просветами приводят к уменьшению максимального давления в цилиндре.
-
Показателе двигдтоля с новыми кольцами, имеацими просвети, значительно ниаа показателей двигателя о кольцами, имеющими наработку порядка 1000 часов.
-
Для условий эксплуатации в качество диагностического параметра, характеризующего герметичность камеры его-, рання, возможно применение амплитуды вибросигшла от максимального давления в цилиндре с соответствующей обработкой по методике, разработанной в С.-П.ГАУ.
Мд Й50 РгНн
Рис.7. Изменение амплитуды вибросигнала максимального давления от нагрузки и состояния поршневых колец 1-е новыми кольцам без просветов, 2-е новыми кольцами с просветами. Затем исследовалось влияние зазора мваду кольцом и канавкой по высоте, а также зазора между кольцом и цилиндром на угар картерного масла. Работа проведена в лабораторных условиях по ГОСТу 18509-88, Величина угара картерного масла определена методом непрерывного измерения в работающем двигателе с помощью прибора КИ-24006 (ГОСКИТИ), так как метод слива масла до и после испытания не пригоден для этого случая иэ-за большей неточности. Устройство КИ-24006 основано на использования компенсационного метода измерения, предусматривающего непрерывное определение массы масла, необходимого для поддержания постоянного уровня масла в картере испытываемого дизеля при постоянных скоростном, нагрузочном и тепловом режимах. О этсА
целью масляный радиатор дизеля был помещен б термостат.
Измерение прорыва газов в картер двигателя осуществлено с помощью прибора КИ-І7999. .
Влияние зазора vieg&v кольцо л и канавкой на угар масла и прорыв газов определялось при работе двигателя с нормальний зазором 0,115...0,120 мм и повышенным зазором на 30 мкм, т.е. при 0,145...0,150 мм, так как на практике эксплуатации двигателей типа Д44 йазора больше этой величины не встречается. Двигатель работал сначала с поршневыми кольцами, имеющими нормальные зазоры в сопряжении кольцо-канавка по высоте, затем с кольцами, имеющими повышенны! зазор между ними. Параметры поршневых колец при этом соответствовали техническим условиям, а зазор между поршнем и цилиндром составил для каждого комплекта в пределах 0,16...0,19 мм.
Проведенные исследования показали, что значения угара масла и прорыва газов в картер двигателя с увеличением зазора с нормального до величины, определяемой максимальным износом кольца и канавки в условиях эксплуатации, практически не меняются.
Злияние прплегое.иости кольца к цилиндру на угар масла и прорыв газов определены также в лабораторных условиях при работе двигателя с различными поршневыми кольцаїли, имеющими просолы между кольцом и цилиндром различной величины. Для 'отого отобраны кольца, имеющие просветы на одном, двух и более местах по окружности кольца. Длина каждого просвета составила не дуге 20...30.
На основе микрометража деталей ЦПГ установлены зазоры мезду канавкой и кольцом в пределах 0,095...0,135 мм, мел-ду маелос-ьеглнчм кольцом и квяэекой в пределах 0,07...0,135 tm я между поршнем и цилиндром в пределах 0,16...0,20 мм.
Исследования показали, что величины угара масла после их стабилизации в двигателе с комплектом поршневых колец, не имеющих начальные просветы, и с комплектом поршневых колец, имеющих начальные просветы на длине дуги в пределах 20...28, близки по зпачелию. Однако, с увеличением количества просветоз аеличина угара масла имеет повышенное значение. Так, например, при работе двигателя с поршневыми комплектами, имеющими просветы в двух местах величина угара месла составляет около 1%, ас просветами в трех местах ве-24-
личина угара масла составляет 1,3...1,4$ к расходу топлива.
Анализируя результаты исследования, можно сказать, что увеличение общей длины просветов приводит к увеличению расхода масла на угар.
Такую же зависимость имеет значение прорува газов в картер двигателя от наличля просвета кольца, т.е. наличие просвета на длине дуги БО...50 град, приводит к увеличению прорыва газов с 78...84 л/мин до S3 л/мин.
В результате проведенных исследований мояно сделать вывод о необходимости контроля наличия просветов у поршневых колец перед их установкой в двигатель.
Учитывая то, что критерием отправки в капитальный,ремонт является изменение эксплуатационных параметров двигателя, на величины которых, как установлено, влияют наличие просветов и их размеры, били проведены исследования двигателя по ускоренное методике. В задачи этих исследований входило следующее:
определение времени работы двигателя до появления просвета кольца.и его влияние па дальнейшее изменение величины угара масла, и амгошту >у вябросигнала максимального давления в цилиндре;
определение значения амплитуды вибросишала максимального давления в цилиндре, соответствующего предельному значению величины просветов поршневых колец;
определение времени работы .двигателя до предельного значения угара масла с комплектами колец, имеющими начальные просветы, и без них.
Сравнительные испытания двигателей с комплектами поршневых колец с просветами и без них производились Е условиях лаборатории ускоренным методой с добавлением в топливо раствора МЛ-4Д в количестве 0,5...0,75^.
Величина угара масла после стабилизации составила у комплекта поршневых колец, имеющих начальные просвета в пределах 0,85...0,9 к расходу топлива. Эта величина соответствует, как показала проверка, величине vrapa масла капитально отремонтированных двигателей. Л величина угара масла в двигателе с комплектом поршневых колец, не имеющих просветы, составила 0,5...0,61 к расходу топлива.
В обоих случаях 8язоры между поршнем и цилиндром, кольцом и канавкой соответствовали ТУ. При этом амплитуда вибросигнала составила Ь9 мВ и 46 мВ соответственно.
.Результати исследования показали, что d двигателе с комплектом поршневых колец, имеющих начальные просветы, величине угара масла относительно быстрее доходит до предельного значения, в нашем случае за 10 циклов, а с кольцами не имеющими просветов - за 14 циклов работы двигателя (рис.8), т.е. двигатели с комплектом поршневых колец с просветаші, имеют ресурс примерно на 30,3 меньше, чек с кольцами без просветов. Амплитуда вибросигнала, соответствующая предельному значению параметров Щ1Г, при которых двигатель отправляется в капитальны;; ремонт равна ".8 мВ на холостом хода и 42 мВ при нагрузке Б00 Н-м. Такие же результаты получены при испытаниях двигателей в условиях эксплуатации.
- Определение времени работы двигателя до появления пдосвета между кольцом и цилиндром осуществлено при работе двигателя в лабораторных условиях и результаты сравнивались с результатами эксплуатационных испытаний двигателей. Для отого двигатели укомплектовывались поршневыми кольцами, параметры которых полностью соответствовали ТУ на их изго-' товлзиие. В процессе работы двигателя измерялся расход топлива на угар и прорыв газов в картер, а кольца 2-го цилиндра после.каждого цикла работы двигателеЛ проверялись на просветы.
Исследования показали, что после восьмого цикла работы двигателей появились просветы между кольцами и цилиндром (рис.8), что указывало на окончание их "теоретической" долговечности к этому'моменту. Угари картерного масла и прорыв газов в картер двигателя составили соответственно 1,05... 1,12 и 95...105 л/мин. В дальнейшем кольца двигателей до достижения предельного значения угара масла работают с просветами, прячем интенсивность угара после появления просвета больше, чем до появления. Так, например, до появления просвета ме.еду кольцом и цилиндром интенсивность угара масла составила 0,06$ за цикл, о после появления - 0,13$
26 .
за цикл, то есть интенсивность увеличивается примерно вдвое.
Сравнение износа поршневых колец за период до появления просвета с износом колец двигателей, испытанных в условиях эксплуатации показало, что они соответствуют ресурсу 1700...2500 моточасов.
Если учесть, что максимальный ресурс двигателей в условиях. Средней Азии до поступления б капитальный ремонт 2500...3500 моточесов, то двигатели после появления просвета между кольцом и цилиндром работиют непродолжительное время.
И цикл
Рис.8. Изменение величины угара масла (.',.;;;,~^).
прорыва газов в картер С ) в режиме ускоренного
ИСІШТ8НИЯ .двигателей.
1,2,3 - с беспросветными кольцами, 4-е просветными
кольцами.
Таким образом, наличие начального просвета между кольцом и цилиндром является главным фактором повышения расхода масла на угар и прорыва газов в картер, т.е. сокращения ресурса двигателей.
На основе теоретических исследований износа порткевнх колец установлено, что в процессе работы двигателя появляются просветы между ними и цилиндром, которые, как это подтверждено экспериментально, являются причиной повышения угара масла и прорыва газов, приводящие к сокращению доремонтных и послеремонтных ресурсов. С другой стороны
известно, что тепло от поршня, в основном, отводится через поршневые кольца. Поэтому требуется полная прилегаемость кольца к стенке цилиндра, а наличие просвета между кольцом и цилиндром должно привести к повышению температуры поршня ь той 8оне, где расположен проовет. Это предположение проверено экспериментально. Для этого в поршне в зоне расположения гроовета первого компрессионного кольца установлены спаи хромель-копелевых термопар. Передача термо-ЭДС от термопар к измерительному прибору осуществлялась с помощью токосъемника периодического действия.
Исследования по измерению температуры поршня проводились в.два этапа. На первом этапе двигатель комплектовался сериішми.поршневыми кольцами, не имеющими просветов между цилиндром. На втором этаце двигатель оснащался комплектами поршневых колец, имеющих просветы между цилиндром на дуге 40-45. Температура поршня определялась на скоростном и нагрузочном режимах работы двигателя. При этом тем- поратура. масла поддерливалесь постоянней и равноіі 80 - 1С.
Исследования показали, что наличие просвета между кольцом и цилиндром влияет на температуру поршня в зоне расположения просвета. Температура в этой зоне на скоростном режиме возросла на 6,..9С, а на нагрузочном режиме -на І6...І8С по сравнению с тем,-когда поршневые кольца не имели проовета.
Таким обрезом, наличие начального просвета между цилиндром не только приводит к увеличению температуры поршня в соответствующем месте, но и приводит к неравномерному нагреву самого кольца, что является причиной изменения его параметров, заложенных в нем во время изготовления.
Проведенные экспериментальные исследования и проверка технического состояния поршневых колец, поступающих на ремонтные предприятия, показали, что, в основном, в капиталь-. ко отремонтированные двигатели устанавливаются кольца, имеющие начальные просвети, и именно они обуславливают работу двигателе?, с более высоким расходом масла на угар во время эксплуатации их в сослеремонтный'период и является причиной преждевременного их-износа.
8. Эффективность от реализации результатов исследования
В результате внедрения результатов исследовании еко-плуатационниіі ресурс узеличен на 0-40?!, что приводит к уменьшению количества двигателей, отправляемых в капитальный ремонт. Снижение количества маслосъеглшх колец ц металлоемкости поршня, улучшение, условие смазывания поршкеіі приводит к снижению механических потерь.
Выбор оптимального профиля поршня и улучшение герметичности камеры сгорания позволили уменьшить удельный расход топлива па о-5 г/кВт.час.
