Содержание к диссертации
Введение
Постановка задач исследования 7
1.1 Поршень - наиболее слабое звено в надежности работы судовых дизелей 7
1.2 Влияние износов поршней на экономические показатели дизелей 11
1.3 Анализ способов восстановления и упрочнения поршней из алюминиевых сплавов 13
1.4 Выводы по обзору. Постановка задач исследования 17
2 Влияние износа поршневых канавок под компрессионные кольца па основные показатели рабочего процесса дизеля 19
2.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов 19
2.2 Оценка погрешностей нахождения измеряемых параметров 24
2.3 Анализ результатов эксперимента 26
2.4 Основные результаты исследования. Выводы 31
3 Восстановление поршней комбинированным мето дом 32
3.1 Технология восстановления поршней 32
3.2 Влияние термической обработки алюминиевых поршней на остаточные напряжения в их материале 42
3.3 Влияние термической обработки на свойства поршневого сплава АК 4-1 47
3.4 Основные результаты исследования. Выводы 53
4 Исследование тепл напряженности, работоспособности и экономической целесообразности практического применения восстановленных алюминиевых поршней 54
4.1 Определение коэффициента теплопроводности алюминиевых сплавов 54
4.2 Исследование теплового состояния восстановленных поршней. 61
4.3 Исследование ресурса восстановленных поршней 69
4.4 Экономическая эффективность от внедрения технологии восстановления алюминиевых поршней комбинированным методом судовых дизелей NVD26A-3 76
4.5 Основные результаты исследования. Выводы 78
Заключение 80
Литература
- Влияние износов поршней на экономические показатели дизелей
- Оценка погрешностей нахождения измеряемых параметров
- Влияние термической обработки алюминиевых поршней на остаточные напряжения в их материале
- Исследование ресурса восстановленных поршней
Введение к работе
Опыт эксплуатации дизелей показал, что наиболее слабой с точки зрения надежности и долговечности является их поршневая группа. Здесь следует отметить, что специфической особенностью работы главных судовых двигателей ' является необходимость их периодической, а иногда довольно частой, форси-ровки. Это вызывается условиями эксплуатации теплоходов (прохождение судна через перекаты, быстрины, крутые повороты фарватера реки и т.д.). Форси- ровка дизелей вызывает дополнительную тепловую нагрузку на поршни, снижая надежность их работы. Последнее особенно характерно для алюминиевых поршней, замена которых преждевременно выводит суда из эксплуатации, повышает себестоимость перевозок, вызывает непроизводительные затраты. Кроме этого, сама замена поршней является, весьма дорогой операцией. Поэтому разработка относительно дешевых мероприятий по увеличению срока службы алюминиевых поршней и по их восстановлению является актуальной научно-технической задачей.
Для решения поставленного вопроса в данной работе сделано следующее:
На основе анализа литературных источников показано, что наиболее слабым элементом алюминиевых поршней являются поршневые канавки верх- них поршневых колец. Именно их износ в большинстве случаев вызывает необходимость замены поршней.
В ряде исследований показано, что при износе поршневых канавок значительно увеличивается интенсивность их дальнейшего разрушения, а также возрастает угар масла. Наряду с этим имеется очень мало сведений о влиянии износа поршневых канавок на утечку рабочего тела из камеры сгорания (КС) дизеля в его картер и на экономичность двигателя по расходу топлива.
Посредством анализа выбраны наиболее рациональные операции по восстановлению алюминиевых поршней с изношенными поршневыми канавка-
5 ми.
Разработана и создана экспериментальная установка для изучения влияния износа поршневых канавок на основные показатели дизеля 248,5/П. Исследования показали, что данный дефект практически не влияет на утечку га-' зов из КС и на расход топлива. Наоборот, износ поршневых канавок вызывает значительное увеличение угара смазочного масла.
С использованием материалов анализа литературных источников, а так- -же в результате собственных исследований разработан комбинированный метод восстановления алюминиевых поршней с изношенными поршневыми канавками. Метод включает в себя следующие операции:
-деформация поршня под действием гидравлического пресса (восстановление геометрии поршневых канавок);
- электродуговая наплавка деформированной части донышка поршня;
-термическая и механическая обработка поршня.
Метод отличается относительной простотой в осуществлении, эффективностью в действии и относительно низкой стоимостью. Он принят к внедрению на ряде судоремонтных предприятий Западно-Сибирского речного пароходства.
Посредством эксперимента, проведенного на приборе ИТ-Х-400 и спе-' циально разработанной методики пересчета получены зависимости коэффициентов теплопроводности деформированного сплава АК4-1 и наплавленного сплава АК 5 от температуры. Данные величины оказались несколько ниже, чем у соответствующих исходных материалов. Это может привести к увеличению теплонапряженности некоторых элементов восстановленных алюминиевых поршней.
Исследование теплонапряженности алюминиевых поршней двигателей 415/18 и 410,5/13 показало, что их восстановление при помощи разработанного комбинированного метода не вызывает заметного изменения в них температур-
ных полей. Поэтому нет опасений сокращения по данной причине ресурса рассматриваемых деталей,
8. Длительные производственные испытания восстановленных поршней
показали, что изиосы их поршневых канавок и поршневых колец существенно
меньше, чем у штатных двигателей. Это обеспечивает заметное увеличение ре
сурса их работы. Кроме того, при использовании восстановленных поршней от-
«Ч мечено сокращение расходов топлива и смазочного масла.
9. Экономические расчеты, проведенные на основе производственных ис
пытаний, показали, что широкое внедрение разработанной технологии восста
новления поршней с изношенными поршневыми канавками экономически це
лесообразно-
Согласно содержанию работы на защиту выносятся:
1. Материалы по исследованию влияния износа поршневых канавок на
основные показатели работы дизеля (расходы топлива и смазочного масла,
утечка рабочего тела из КС дизеля в его картер).
щ 2, Результаты экспериментальных исследований влияния закалки и ста-
рения алюминиевого сплава АК 4-1 на остаточные напряжения и основные механические свойства этого материала.
Новый комбинированный метод восстановления алюминиевых поршней с изношенными поршневыми канавками,
Опытные зависимости коэффициента теплопроводности деформиро- , ванного сплава АК 4-І и наплавленного сплава АК 5 от температуры.
Результаты расчетного исследования тешюнапряженности восстановленных и штатных поршней двигателей 415/18 и 410,5/13 на номинальном режиме их работы,
Оценка экономической целесообразности применения комбинирован-ного метода восстановления алюминиевых поршней с разбитыми поршневыми канавками.
Влияние износов поршней на экономические показатели дизелей
Износы поршней имеют следствием увеличение утечек рабочего тела из КС дизеля в его картер. В свою очередь утечки газа вызывают; -уменьшение давления сжатия и максимального давления цикла, а, следовательно, снижение термического КПД двигателя; - снижение коэффициента избытка воздуха, что сопровождается ухудшением процесса горения, а, следовательно, снижением индикаторного КПД дизеля; - снижение давления воздуха в цилиндре дизеля в момент впрыскивания топлива, что ухудшает параметры смесеобразования и также снижает индикаторный КПД дизеля.
Все это подтверждается целым рядом исследований [74, 149, 153 и др.] В работе [172] автор выводит зависимость расхода топлива от зазора в стыке колец у двигателя 6ЧСП18/22 G,= 25?6 + 0T129(g-l,2)l,5]-0?278-I0 Tr/c (1.1) где Gj - расход топлива двигателя, г/с; g - зазор в стыке колец, мм. В этой же работе установлено, что угар смазочного масла растет с увеличением зазора в стыках маслосъемных колец G2=[G0+40(gcp-l,2)2]-0,278-10-3,r/c (1.2) где G2 - угар смазочного масла у двигателя, г/с; G0 - угар масла при монтажном зазоре в стыках маслосъемных колец, равном 1,2 мм, г/с; gcp - средний зазор в стыке маслосъемных колец, мм.
Возрастание расхода смазочного масла в зависимости от наработки [153] для дизеля 6ЧСШ5/18 представлено в табл, 13, из которой видно, что с увеличением времени работы двигателя расход масла возрастает.
Исследования [154] показали, что при износе всех поршневых канавок двигателя 48,5/11 на 0,3 мм угар масла увеличился примерно в 14 раз. При этом надо отметить, что имеется очень мало сведений по влиянию износа поршневых канавок на утечку газов из КС двигателя в его картер и на его расход топлива, Интересные сведения приведены в работе [71], где изложены сведения по испытаниям двигателя 248,5/11 с разной степенью износа цилиндровых втулок. Установлено, что с увеличением зазора между юбкой поршня и цилиндровой втулкой утечка газа из КС двигателя и расходы топлива и масла заметно f і возрастают. Таким образом, показано, что техническое состояние деталей ЦПҐ существенно влияет на качество рабочего процесса дизеля. Их износ вызывает зна чительное снижение экономичности работы двигателя по расходу топлива и смазочного масла.
При больших расходах топлива и смазочного масла двигатель обычно разбирают. При этом заменяют поршневые компрессионные кольца, а при существенных разрушениях поршневых канавок - отбраковывают и сами поршни. Последняя операция (замена поршней) весьма дорогая. Поэтому возникает задача - найти и исследовать достаточно эффективный для судоремонтных пред-" приятии метод упрочнения и восстановления отбракованных поршней.
Из сделанного обзора возникает еще одна важная задача - исследовать влияние износа поршневых канавок на утечку рабочего тела из КС двигателя и воздействия последней на расход топлива.
В настоящее время известно много методов увеличения ресурса работы поршней. По назначению их можно разделить натри группы; 1. Методы упрочнения материала поршня. 2. Методы, обеспечивающие теплозащиту поршней от тепловых потоков, исходящих из КС двигателей. 3. Комбинированный метод, основанный на применении первых двух.
Характерным примером методов первой группы является способ, основанный на термообработке поршней [1]. Метод используется для поршней, изготовленных из литейных сплавов системы «алюминий-кремний-медь-магний» и включает в себя нагрев, выдержку и закалку. При этом нагрев" проводят до 550-600 С, выдержку в течении 25-30 минут, а закалка осуществляется в кипящем водяном растворе с последующей обработкой до заданных размеров.
Оценка погрешностей нахождения измеряемых параметров
Примерно аналогичная картина имеет место и при h =0,37 мм. Здесь также при переходе от номинального значения зазора (h, =0,2 мм) к более высоким (И, =0,4 мм) расход топлива и утечка газа уменьшается.
При дальнейшем увеличении hj и числа разбитых канавок рассматриваемые параметры (утечка газов и расход топлива) возрастают и становятся заметно больше, чем при номинальном значении h, =0,2 мм.
Появление утечек при h =0,37 мм можно объяснить увеличением зазора в стыках компрессионных колец. Так при переходе от h =0,2 мм к случаю, когда h =0,37 мм, величина зазора в стыках колец возрастает более чем на 1 мм. Последнее приводит к выравниванию давлений, действующих на разные торцовые поверхности колец со всеми вытекающими отсюда последствиями.
При увеличении значений h иїї, ,а также числа изношенных поршневых « канавок расход масла существенно возрастает. Так, при h =0,2 мм при увеличении h, с 0,2 мм до 0,8 мм угар масла вырос в 2,7 раза. При h =0,37 мм аналогичное увеличение її, привело к росту расхода масла на 46 %, т.е. здесь темп роста расхода масла ниже, чем в первом случае. Одной из причин последнего может быть утечка газов и ее рост. Встречный поток тормозит продвижение масла в КС двигателя.
Влияние на расход масла величины h, можно объяснить так называемым «насосным эффектом», когда кольца, перемещаясь «вверх-вниз» по поршневым канавкам подкачивают масло к камере сгорания дизеля. Это происходит, главным образом, в течение процессов выпуска и наполнения когда давление газов минимально. Оценим теперь погрешность определения расхода смазочного масла. Эту операцию будем проводить на основе анализа экспериментальных диаграмм расхода масла. Анализ этих материалов показал, что абсолютное отклонение экспериментальных точек от аппроксимирующих кривых расхода масла примерно одинаковое для всех экспериментальных диаграмм. Тогда, со- , гласно зависимости (2.5) максимальная относительная погрешность будет для случая минимального часового расхода масла, т.е. для первого варианта (см. табл. 2.3). Эта диаграмма приведена на рис. 2.5, из которого следует, что средняя арифметическая абсолютная погрешность расхода масла равна 4,1 г. Отнеся эту цифру к десятичасовому расходу масла, получим относительную погрешность угара этого нефтепродукта в принятых условиях эксперимента, т.е. " .
Зависимость расхода масла от времени работы дизеля 248,5/11 Рассмотрим еще одну особенность работы поршневого компрессионного кольца в изношенной поршневой канавке. Нетрудно представить себе, что с увеличением hj будет иметь место интенсификация процесса износа поршневых канавок. Это объясняется ростом динамических нагрузок на их боковые поверхности. Последнее может привести к разрушению перегородок между поршневыми канавками, задирам и выходу двигателя из строя.
Доводить поршень до такого состояния нельзя. Критерием технического состояния поршневых канавок может служить расход масла, наблюдая за которым можно вовремя определить момент, когда необходимо заменить поршень, а изношенный - отправить на восстановление.
Основные результаты исследования. Выводы
1. Разработана методика и создана экспериментальная установка для исследования влияния износа поршневых канавок дизелей на утечку газов из камеры сгорания в его картер и экономичность дизеля по расходу топлива и смазочного масла.
2. Сделана оценка погрешностей нахождения основных параметров двигателя (расхода топлива и смазочного масла, эффективной мощности, удельного эффективного расхода топлива). Показано, что эти величины не выходят за пределы допустимых по ГОСТ 10488-80.
З.В результате проведенного эксперимента установлено, что при номинальном значении зазора между юбкой поршня и цилиндровой втулкой износ поршневых канавок приводит к существенному уменьшению утечки рабочего тела из КС двигателя в его картер, что сопровождается ростом экономичности дизеля по расходу топлива. Дано объяснение этому наблюдению.
4. Аналогичная картина имеет место и при заметном увеличении зазора между юбкой поршня и цилиндровой втулкой по сравнению с номинальным значением. Однако здесь имеет место утечка рабочего тела из КС дизеля, а об- щий уровень расхода топлива заметно выше.
5. Износ поршневых канавок ведет к существенному увеличению расхода смазочного масла. Последний может служить критерием технического состояния поршневых канавок компрессионных колец.
Влияние термической обработки алюминиевых поршней на остаточные напряжения в их материале
Как известно [97], при пластической деформации алюминиевого сплава происходит изменение некоторых его механических свойств. В частности это влияние проявляется в увеличении остаточных напряжений. Последнее, совместно ьс напряжениями, которые возникают в поршне при работе дизеля (сила-давления газов, сила инерции, термические напряжения) могут привести к разрушению этой детали. Поэтому одним из важных методов ловышения работоспособности восстановленных поршней является уменьшение остаточных на- г пряжений. Кроме этого материал поршней после их восстановления необходимо укрепить. Обычно это достигается посредством соответствующей термической обработки. Наиболее распространенным методом последней является закалка и искусственное старение. Рассмотрим эти способы более подробно.
Эффективное снижение возникших остаточных напряжений при закалке можно осуществить за счет снижения температурного градиента по сечению поршня. Для этого необходимо создать такие условия при закалке, которые снизили бы скорость охлаждения. Это можно получить путем увеличения температуры закалочной среды.
Влияние температуры закалочной среды на свойства алюминиевых сплавов изучалось неоднократно рядом авторов [22, 60, 151,152 и др.].
В рамках данной работы выполнены исследования влияния различных режимов термической обработки на величину остаточных напряжений в опытных образцах, взятых от поршней, изготовленных из термопрочного сплава сие- \ темы Al-Cu-Mg-Fe-Ni марки АК4-1, который до настоящего времени находит широкое применение при изготовлении поршней ДВС, Химический состав опытных образцов приведен в табл. 3.1.
Термическая обработка проводилась в следующей последовательности: нагрев под закалку в электрической печи при температуре 535±5 С (температура закалки сплава АК 4-1), выдержка в течении 2 ч, закалка и искусственное старение. Режимы термической обработки приведены в табл. 3.2.
Снижение скорости охлаждения достигалась повышением температуры] воды в закалочном баке от 20 до 100 С.
В процессе охлаждения измеряли температуру поверхности элементов поршня с помощью термопар. Эти данные для четырех режимов охлаждения приведены на рис. 3.17. Из приведенных графиков следует, что кривые охлаждения образцов, закаленных в воде при температурах 20, 60 С, почти совпадают между собой. С повышением температуры в закалочном баке до 80, 100 С охлаждение поверхности образна резко замедляется. 5 Рис. ЗЛ7 Кривые охлаждения образцов сплава АК 4-1: 1-охлаждение в воде при температуре 20 С; 2-охлаждение в воде при температуре 60 С; 3-охлаждение при температуре 80 С; 4-охлаждение при температуре 100 С В табл. 3.3 приведены средние скорости охлаждения опытных образцов для двух периодов охлаждения. Первым периодом условно принято охлаждение в интервале температур от 535 до 350 С; вторым периодом - интервал температур от 350 до 250 С.
Из материалов таблицы следует, что с повышением температуры воды в закалочном баке до 60 С скорость охлшвдения изменяется мало. Дальнейший рост температуры охлаждающей жидкости вызывает заметное уменьшение скорости охлаждения закаливаемой детали.
Приведенный на рис. 3.18 график максимальных растягивающих и сжимающих тангенциальных напряжений в зависимости от скорости охлаждения показывают, что величина остаточных напряжений убывает с понижением скорости охлаждения при закалке. Так закалка в кипящей воде, значительно снижая скорость охлаждения образцов, уменьшает напряжения в два с половиной раза с 223 до 90 МПа (рис, 3.18 и 3.19).
Величина остаточных напряжений определялась методом твердости. Впервые влияние остаточных напряжений на твердость установлена ЛА. Гликманом [44]. Достаточно интересным является способ измерения твердости, изложенный в работе Sines and Carlon [189].
Результаты исследования показали, что повышение температуры искусственного старения от 180 до 200 С (3.20а) несколько уменьшает величину остаточных напряжений.
Исследование ресурса восстановленных поршней
Таким образом, в качестве расчетного коэффициента теплоотдачи использовалось среднее значение из полученных в расчетах при каждом угле поворота коленчатого вала с шагом 1 ПКВ. Температуры и давления при , і разных углах ПКВ были получены по результатам теплового расчета рабочего процесса дизеля, проведенного с помощью программы «Diagramma», разработанной Калашниковым С.А. и Лебедевым СХЮ. В качестве температуры было использовано значение средней результирующей температуры, определенной по формуле
В ряде работ указывается, что коэффициент теплоотдачи по поверхности донышка поршня распределен неравномерно [57, 86].
Для остальных поверхностей поршня данных по оценке граничных условий найдено не было, однако, в литературе указываются возможные диапазоны изменения этих величин. Для коэффициента теплоотдачи со стороны картерно-го пространства от 45 Вт/(м-К) [65] до 516 Вт/(м-К) [145], температура около 100 С, Для периферийной зоны выше поршневых колец - от 35 Вт/(м-К) [28] до ( 950 Вт/(м-К) [107]. И для зоны нилсе поршневых колец по тем же источникам от : 40Вт/(мК) до 1750Вт/(м-К) [57]. Коэффициенты теплоотдачи в районе порш невых колец принимается около 15000 Вт/(м-К) [86]. Из-за большого зазора ме-жду цилиндрической поверхностью канавки и кольцом теплообменом пренеб- і регагот [86].
При расчете поршень условно разбивается на элементы, представляющие собой кольца. Если рассматривать сечение поршня, то эти элементы будут представлять собой прямоугольники. Кроме того, реальный профиль сечения поршня заменяется условным, составленным с помощью различных типовых элементов, приведенных в приложении 2 Для каждого элемента составляется система уравнений, описывающих теплообмен с соседними элементами или окружающей средой. Затем температура в центре рассматриваемого элемента выражается через температуры окружающих его элементов. Полученные зависимости так же приведены в приложении 2.
Основными уравнениями при расчете являются: — Уравнение Ньютона-Рихмана 0 = ct-S ДТ, (4.10) где Ф - тепловой поток, Вт; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м К); S - площадь теплообмена между элементами, м2; ДТ - разность температур соседних элементов, С. -Уравнение Фурье, записанное для случаев теплопередачи через плоскую и цилиндрическую поверхность Ф = Я 8---ДТ, (4.11) где X - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м К); - расстояние между центрами элементов, м; Ф" 7- (4-12) Г2 — In \ти IX где r2,rL - радиусы центров масс сечений элементов, м; b - длина теплопередающей поверхности, м. При расчетах были сделаны следующие допущения; - температура в центре сечения элемента равна температуре в сечении; - теплообмен с окружающими элементами происходит только по ребрам; - тепловое поле поршня симметрично относительно оси; изменение температуры по образующей поршня подчиняется линейно му закону; - коэффициент теплоотдачи по радиусу изменяется согласно [86]; -расчет исходного и восстановленного поршней проведен при одинако вых граничных условиях.
Поскольку диапазоны изменения граничных условий существенны, то для получения достоверных результатов необходимо иметь данные по термометри- рованиго поршней хотя бы в нескольких точках для их уточнения. В нашем случае были в наличии результаты, полученные на поршнях двигателя 415/18, снятые при испытаниях на заводе «Барнаултрансмаш» в условиях работы двигателя на номинальном режиме. Поэтому расчет был проведен для поршня данного двигателя при указанных условиях. Граничные условия, при которых проводились расчеты, после уточнения приведены в табл. 4.2.
Результаты расчета теплового поля поршня двигателя 415/18 приведены на рис. 4.4. Температура донышка поршня в центре согласно экспериментальным данным составляла 285 С, по данным расчета - аналогично. На периферийной части значения температур также совпали - 256 С.
Похожие диссертации на Повышение эффективности судовых дизелей применением комбинированного метода восстановления поршней из алюминиевых сплавов
