Содержание к диссертации
Введение
I. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1. I. Объект исследования 9
1.2. Условия работы и причины снижения герметичности газового стыка 9
1.3. Обзор, классификация и выбор конструкции соединения "головка-цилиндр" и уплотнения газового стыка дизеля с воздушным охлаждением 15
1.4. Обзор и анализ методов расчета уплотнений 36
1.5. Выводы и постановка задачи исследования 42
2. Расчегно-экспериментальное исследование работоспособности газового стыка дизеля с воздушным охлаждением 44
2.1. Выбор показателей технического состояния газового стыка и соединения "головка-цилиндр" 44
2.2. Определение допустимой величины утечки через газовый стык дизеля с воздушным охлаждением 46
2.3. Методика расчета герметичности металл-металлических уплотнений 50
2.3.1. Теоретические основы герметичности и выбор модели 50
2.3.2. Исходные уравнения для расчета утечки и принятые допущения , 53
2.3.3. Определение высоты пористого слоя уплотнения 56
2.3.4. Определение проницаемости металл-металлических уплотнений .58
Выбор факторов, влияющих на работоспособность газового стыка 62
Влияние силовых факторов на работоспособность стыка и соединения "головка-цилиндр" 64
Влияние тепловых факторов и коррозионно-механического износа на работоспособность газового стыка 74
Экспериментальные установки и методики исследований 77
Описание безмоторной установки 77
Описание моторной установки 81
Описание приспособления и методика неплоскостности уплотняющих поверхностей и усилия затяжки анкерных шпилек 83
Методика определения влияния утечки газа через стык на показатели дизеля 4 ЧН 10,5/12 85
Описание оборудования и методика исследования топографии поверхности и стыка 86
Методика исследования герметичности металл-металлических уплотнений 90
Методика ускоренных стендовых испытаний газового стыка 97
Методика определения влияния коррозионно-механического износа уплотняющих поверхностей
газового стыка на его работоспособность 100
Исследование совместного влияния основных факторов на работоспособность газового стыка 102
Оценка погрешностей измерений и обработки экспериментальных данных 107
Результаты экспериментальных исследований 107
Исследование топографии уплотнительных поверхностей 107
Экспериментальное определение параметров соединения "головка-цилиндр" ИЗ
Экспериментальное исследование герметичности металл-металлических уплотнений 119
Результаты исследования факторов,влияющих на работоспособность газового стыка 129
Конструктивные и технологические мероприятия, направленные на повышение работоспособности газового стыка дизеля с воздшным охлаждением 144
Снижение теплового состояния газового стыка дизеля путем применения теплоизолирующих покрытий 144
Снижение теплового состояния зоны газового стыка путем применения биметаллических цилиндров 150
Снижение теплового состояния зоны газового стыка путем рационального использования охлаждающего
воздуха 156
Повышение работоспособности газового стыка дизеля поверхностно-пластическим деформированием уплотнительных поверхностей 162
Основные выводы 170
Список литературы
- Условия работы и причины снижения герметичности газового стыка
- Обзор, классификация и выбор конструкции соединения "головка-цилиндр" и уплотнения газового стыка дизеля с воздушным охлаждением
- Определение допустимой величины утечки через газовый стык дизеля с воздушным охлаждением
- Исследование топографии уплотнительных поверхностей
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 г.г. и на период до 1990 года, принятыми ХХУІ съездом КПСС, предусматривается дальнейшее увеличение производства и расширение области применения дизелей. Особое внимание уделено повышению надежности, технического уровня и качества, снижению трудоемкости производства, ремонта и обслуживания двигателей внутреннего сгорания.
К числу важнейших элементов дизеля, определяющих его надежность и технико-экономические показатели, относятся уплотнения и, в первую очередь, уплотнение соединения "головка-цилиндр" (газовый стык).
При создании новых конструкций и форсировании серийно выпускаемых дизелей, требования, предъявляемые к уплотнению газового стыка, значительно возрастают.
Разработка и исследование герметизирующих устройств, обеспечивающих надежную работу стыков при воздействии различных факторов: высоких давлений и температур, вибрации, деформации уплотни-тельных поверхностей и др.- является в настоящее время важной задачей, о чем свидетельствуют систематически проводимые в Дрездене (ГДР) международные конференции по уплотнениям, а также конференции по уплотнительной технике, организуемые Британской ассоциацией инженеров-гидравликов [і,2] . По мнению ряда исследователей, сейчас уже можно говорить о том, что сформировалась самостоятельная область знаний - герметология, изучающая механизм герметизации, закономерности работы, особенности конструирования и другие вопросы, связанные с обеспечением герметичности соединений.
Вопросами разработки и исследования уплотнений газового
стыка двигателей внутреннего сгорания занимаются практически все моторостроительные предприятия и исследовательские организации как в СССР, так и за рубежом. Необходимость проведения этих работ обусловлена значительным числом отказов, происходящих из-за нарушения герметичности соединения "головка-цилиндр". Так, анализ, проведенный исследователями ГДР [з] по дизелю 12 ДН 23/30 (14 Д 40), выявил, что 48,9% отказов комплекта "втулка-головка" является следствием нарушения уплотнения газового стыка.
По данным Государственного научно-исследовательского тракторного института (НАТИ) 18% прокладок двигателей Алтайского, Минского и Харьковского заводов выходят из строя при средней наработке 800-900 часов [4]. Результаты, полученные Японскими специалистами, показали, что число отказов тепловозных и автомобильных дизелей из-за выхода из строя газового стыка достигает 35-40% [5] .
Приведенные цифры говорят о том, что проблема уплотнения газового стыка далеко не решена, при этом единое конструктивное решение, пригодное для всех двигателей вряд ли возможно, и, следовательно, уплотнение должно разрабатываться для каждого отдельного случая.
Сложность решения проблемы обеспечения необходимой герметичности газового стыка на всем периоде эксплуатации дизеля заключается в том, что уплотнение является лишь элементом силового узла, включающего цилиндр, головку и детали крепления, от конструкции которых зависят условия работы, а, следовательно, и надежность уплотнения.
Недостаточность, и в ряде случаев противоречивость имеющихся по данному вопросу сведений затрудняет выбор, разработку и доводку конструкции соединения "головка-цилиндр" и его уплотнения.
Целью настоящей работы является определение путей и средств повышения работоспособности газового стыка дизеля с воздушным охлаждением.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
Исследование механизма герметизации и уточнение методики расчета металл-металлических уплотнений.
Выявление причин снижения герметичности газового стыка.
Обоснование, выбор и расчетно-экспериментальное исследование основных факторов, влияющих на работоспособность газового стыка дизеля с воздушным охлаждением.
Разработка конструктивных и технологических мероприятий, направленных на повышение работоспособности газового стыка дизеля с воздушным охлаждением.
Условия работы и причины снижения герметичности газового стыка
В настоящее время в качестве силового агрегата на сельскохозяйственных и промышленных тракторах классов от 0,6 до 25-30 т тяги получили распространение дизели с воздушным охлаждением.
Владимирским тракторным заводом (ВТЗ) разработаны конструкции и освоено массовое производство 2-х и 4-х цилиндровых дизелей воздушного охлаждения. Кроме тракторов, они устанавливаются на различных передвижных и стационарных установках. Прошел испытания 8-й цилиндровый дизель мощностью ПО кВт.
Челябинским тракторным заводом (ЧТЗ) создано семейство дизелей воздушного охлаждения размерностью 15/16 для промышленных тракторов.
За рубежом производство дизелей с воздушным охлаждением налажено целым рядом фирм ФРГ (Дейтц, Порше, МВМ и др.), Англии (Листер, Дормэн и др.), Италии (Ченто, АМЕ и др.), ГДР (Шенебек, Куневальде), ЧССР (Татра), Японии (Комацу), США (Онан и др.).
Выпуск дизелей с воздушным охлаждением постоянно расширяется, ведутся работы по созданию новых и совершенствованию существующих конструкций. Повышенный интерес к этим двигателям вызван рядом преимуществ системы охлаждения данного типа, которые наиболее полно проявляются именно в нашей стране, расположенной в нескольких климатических поясах.
Настоящая работа выполнялась на дизеле с воздушным охлаждением 4ЧН 10,5/12 производства Владимирского тракторного завода.
Конструкция газового стыка соединения "головка-цилиндр" относится к циклически нагруженным разъемным соединениям.
Для обеспечения нормальной работы уплотнения газового стыка в пределах заданного моторесурса необходимо, чтобы удельное давление на контактирующих поверхностях было не ниже такой величины, при которой утечка уплотняемой среды не превышает предельно допустимого значения.
Конструкция стыка и условия его работы не позволяют получить равномерное распределение давления по всей уплотняющей поверхности [6]. Это обусловлено неравномерной жесткостью деталей, образующих газовый стык, сосредоточенным приложением нагрузок, значительными термическими деформациями и др. Неравномерность температур по периметру стыка может достигать 150С и более, а градиент температур по ширине ЮС/мм [7]. Особенно большую неравномерность имеют двигатели с односторонним расположением выпускных и впускных каналов.
Газовые силы также влияют на распределение давления по уп-лотнительным поверхностям. Так, при рабочем ходе головка цилиндров, растягивая шпильки и прогибаясь, перемещается как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях. Одновременно происходит изменение диаметра цилиндра. Величины этих (циклических) перемещений зависят от конструкции двигателя, режима его работы и могут колебаться в широких пределах, достигая десятков мкм за цикл [8,9]. При изменении режима работы двигателя меняется тепловое и напряженное состояние всех деталей, образующих газовый стык (головка, цилиндр, прокладка, шпильки). Возникающие при этом деформации приводят к появлению дополнительных, сравнительно медленно меняющихся (квазистатических) перемещений, более значительных, чем от давления газов. Наибольших величин (100 мкм и более) эти перемещения достигают на режимах пуска, резкого увеличения и сброса нагрузки (рис.1.1). Таким образом, газовый стык и детали соединения "головка-цилиндр" работают с изменяю щимися по величине пульсирующими напряжениями сжатия и растяжения, что в сочетании с высокими температурами этих деталей способствует развитию объемных и контактных пластических деформаций, приводящих к снижению усилия предварительной затяжки соединения и нарушению плотности газового стыка.
Кроме вышеперечисленных факторов, на герметичность стыка могут влиять коррозионные процессы, происходящие на контактирующих поверхностях. Для развития коррозии есть все необходимые условия и, прежде всего, газовая среда, содержащая углекислый газ, водяные пары, окись углерода, кислород, соединения серы, хлористый водород и др., а высокая температура газа и зоны стыка может значительно ускорить этот процесс. Кроме того, если контактирующие поверхности выполнены из разнородных металлов, то возможно возникновение контактной коррозии [Ю] . Образующиеся при этом продукты имеют, как правило, более высокую твердость.
Относительные перемещения контактирующих поверхностей с малой амплитудой при высоких удельных давлениях и наличие на них твердых окислов могут привести к значительному износу и, следовательно, снижению удельного давления уплотнения. В этом случае имеет место процесс коррозионно-механического изнашивания или фрет-тинг-коррозия [ 11,12], а неравномерность температур, удельных давлений и относительных перемещений по периметру стыка приводят к неравномерной величине износа соприкасающихся поверхностей, о чем свидетельствуют результаты микрометрирования уплотнительнои поверхности головки и цилиндра дизеля 4ЧН 10,5/12 (рис.1.2).
Обзор, классификация и выбор конструкции соединения "головка-цилиндр" и уплотнения газового стыка дизеля с воздушным охлаждением
Все известные конструкции соединений "головка-цилиндр" делятся на разъемные и неразъемные. На основании выбранного признака разъемные соединения можно разделить на фланцевые, соединения с анкерными шпильками (болтами), комбинированные, с подвесными цилиндрами; соединения со свободными фланцами, бугельные.
Неразъемные соединения - на паяные, сварные, прочно-плотные (резьба, вальцовка, обжатие), бесстыковые (моноцилиндр, моноголовка) . Каждая из перечисленных конструкций имеет свои преимущества и недостатки. Преимуществами фланцевого соединения (рис.1.3,а) являются: высокая жесткость, отсутствие изгибающего момента, возможность установки большого числа элементов крепления.
К недостаткам относятся: повышенная сложность, металлоемкость и большие габариты, затруднения в организации охлаждения, сложность сборки.
Положительными сторонами анкерных связей (рис.1. 3 6) являются малые габариты, удобство размещения и монтажа, технологичность изготовления и сборки.
Основными недостатками этого способа крепления являются появления изгибающего момента, неравномерность распределения давления как н осевом, так и радиальном направлениях. Известны конструкции [ЗЗ] , которые исключают некоторые недостатки этого способа крепления, в частности, появление изгибающего момента. Для этого крепление головки осуществляется анкерными шпильками, усилие которых передается на головку через промежуточную жесткую пластину (мост). Пластина размещена таким образом, что ее проекция на кольцевую поверхность стыка является хордой по отношению к средней линии стыка. Такое конструктивное решение позволяет уменьшить количество шпилек, оптимизировать распределение давления по стыку и полностью исключить изгибающий момент.
При комбинированном способе крепления (рис.1.3,в) достигается полная или частичная разгрузка стыка и более равномерное распределение давления по его периметру, но весогабаритные показатели такой схемы хуже, чем у соединений с анкерными шпильками, а конструкция сложней.
Следует отметить, что разгрузка стыка от действия газовых сил в той или иной степени осуществляется при любом способе крепления. Однако большую разгрузку обеспечивают конструкции с жесткими шпильками (болтами) и упругими цилиндрами и прокладками. Высокая жесткость головки так же способствует разгрузке газового стыка.
Существуют конструкции с полной разгрузкой газового стыка (рис. 1.3,д). К ним относятся соединения с подвесной гильзой или цилиндром. Сложность сборки таких схем и повышенные требования к деталям крепления затрудняют их применение в двигателях воздушного охлаждения.
Бугельные соединения (рис.1.3,г) обладают рядом положительных качеств, главными из которых являются равномерное распределение сжимающего усилия и отсутствие изгибающего момента. Стремление к уменьшению изгибающего момента и более равномерному распределению давления по периметру уплотнения привело к созданию стыков со свободным фланцем [34] (рис. 1.3,е).
Недостатками таких конструкций являются большие габариты и металлоемкость, повышенная сложность, ухудшение охлаждения.
Паяные и сварные соединения относятся к наиболее надежным, с точки зрения герметичности, типам соединений, но применение их является крайней мерой и оправдано лишь тогда, когда все другие варианты исчерпали свои возможности [35] .
В настоящее время разработана технология, получены припои и флюсы для пайки и сварки практически всех металлов и сплавов [2l] Тем не менее, применение пайки и сварки встречает значительные трудности и требует использования специального оборудования.
По сравнению со сварными конструкциями паяные соединения лучше работают в условиях вибрации. Кроме того,пайка выполняется более компактным инструментом при более низких температурах.
Еще одним типом соединений являются прочно-плотные 36,37j . В ДВС получили распространение резьбовые соединения головки и цилиндра (рис. 1.3,ж), при этом резьба выполняется плотной, а сборка осуществляется с подогревом. Преимущество такого соединения в высокой надежности и малых габаритах. К недостаткам можно отнести повышенную сложность изготовления, сборки, низкую ремонтопригодность .
К прочно-плотным относятся различные конструкции муфтовых соединений [38] . Их сборка осуществляется обжатием муфты в "холодном" состоянии с применением малогабаритной оснастки, при этом обеспечивается высокая герметичность и прочность соединения.
Особое место занимают конструкции,в которых головка и цилиндр выполнены как единое целое (моноцилиндр, моноголовка) (рис.1.3,д), однако трудоемкость их изготовления и высокая стоимость затрудняет применение таких конструкций для двигателей общего назначения.
Определение допустимой величины утечки через газовый стык дизеля с воздушным охлаждением
Техническое состояние любого уплотнения, в том числе и газового стыка, определяется его герметичностью, характеризуемой величиной утечки уплотняемой среды Q . Величина утечки зависит от многих факторов, включая конструкцию, материал, величину и распределение давления, микро-и макрогеометрию и др.
Контроль состояния газового стыка двигателя по величине утечки сопряжен со значительными техническими трудностями. Ранее проведенные исследования [88] показали, что техническое состояние газового стыка может быть оценено таким показателем как величина относительной неплоскостности уплотняющих поверхностей головки и цилиндра Лh , которая в значительной мере и определяет величину утечки уплотняемой среды (рис. 2.1). Микрогеометрия уплотнительных поверхностей влияет на величину утечки в меньшей степени. Необходимо отметить, что количественная зависимость Q-ffah)справедлива только для конкретного стыка или близкого по конструкции.
Для двигателей ПО Владимирский тракторный завод допустимая величина неплоскостности составляет 50-60 мкм [88] . Внешний вид уплотнительных поверхностей головок с различной величиной л/г приведен на рис, 2.2.
Другим важным показателем технического состояния как газового стыка, так и соединения "головка-цилиндр" в целом, является стабильность усилия затяжки.
Известно, что в процессе работы двигателя происходит снижение затяжки. Это ухудшает условия работы всех элементов соединения и уменьшает плотность стыка.
Как показали измерения, усилие затяжки снижается неравномер но даже в пределах одного соединения "головка-цилиндр". В настоящее время нет данных по количественной оценке влияния снижения и неравномерности усилия затяжки на работоспособность газового стыка.
Исходя из вышеизложенного, при проведении исследований в качестве показателей технического состояния газового стыка и соединения "головка-цилиндр" были принятые Я- величина относительной неплоскостности уплотняющих поверхностей ; Кет коэффициент стабильности усилия затяжки ; Q - утечка уплотняемой среды.
Для оценки эффективности конструктивных и технологических мероприятий при проведении сравнительных испытаний в качестве показателя использовалось также отношение Л п/Т, характеризующее интенсивность роста неплоскостности.
В большинстве работ [25,26,89] , посвященных разработке и исследованию уплотнений газового стыка двигателей, под герметичностью понимается полное отсутствие утечек. Появление утечек считается недопустимым, в противном случае стык признается неработоспособным.
В определенной мере это справедливо для двигателей с жидкостным охлаждением, имеющих мягкие и комбинированные прокладки. Это объясняется высокой плотностью таких уплотнений, достигаемой за счет достаточно полного заполнения пластичным материалом прокладки всех микро-и макронеровностей уплотняемых поверхностей головки и цилиндра. Появление даже незначительных по величине утечек через газовый стык у таких двигателей приводит к интенсивному перегреву прокладки и полному, или частичному ее разрушению (прогоранию) [90J. Следствием этого является падение мощности двигателя, нарушение работы системы охлаждения, попадание охлаждающей жидкости в цилиндр и др.
Переход на металл-металлические уплотнения и беспрокладочные стыки, обусловленный ростом теплового и напряженного состояния двигателя, приводит к необходимости нормирования величины утечек, так как для металл-металлических уплотнений понятие "герметичность" является несколько условным, и утечка имеет место практически всегда [74,75,78,83 ] .
До настоящего времени нормирование утечек через газовый стык не введено, что объясняется недостаточностью экспериментального материала и несовершенством методик расчета металл-металлических уплотнений. Во многих отраслях машиностроения такое нормирование существует, постоянно совершенствуется и уточняется [91 ] .
Для определения допустимой величины утечки необходимо исследовать её влияние на мощностные и экономические показатели двигателя, пусковые свойства, тепловое и напряженное состояние головок и цилиндров, токсичность и др. Величина допустимой утечки для каждого конкретного типа двигателя будет иметь свои значения, зависящие от нормативно-технических требований, предъявляемых к данному двигателю, а также от влияния этой утечки на работоспособность газового стыка.
Исследование топографии уплотнительных поверхностей
Для проведения исследований были подготовлены образцы уплот-нительных поверхностей, обработанные алмазной расточкой, притертые микропорошком и обкатанные роликом. С каждой поверхности снята серия параллельных профилограмм с шагом в 5 мкм. Скорость ощупывающей иглы V была выбрана равной 0,2 мм/мин.
Профилограммы исследуемых поверхностей приведены на рис.4.1.
С каждой поверхности снято 100 профилограмм, имеющих свой порядковый номер. Высота микронеровностей замерена от линии впадин с шагом 0,5 мм. Значения высот занесены в таблицу, которая и является топографической картой исследуемой поверхности с размером ячейки 5x5 мкм. Участок такой таблицы для поверхности обработанной притиркой микропорошком показан на рис. 4.2.
После совмещения двух топографических карт, характеризующих исследуемые уплотнительные поверхности, были построены таблицы зазоров при различной величине сближения 2 . На рис.4.3. приведена часть такой таблицы (при# = 12 мкм), в которой точки соприкосновения поверхностей (контакт) обозначены пробелом.
Из рисунка видно, что при контактировании исследуемых поверхностей наряду со сквозными каналами образуются блокированные зоны, а отдельные каналы перекрыты контактирующими выступами.
При увеличении сближения поверхностей доля блокированных зон и глухих каналов возрастает. Особенно интенсивно этот процесс протекает в начальный период при малых и средних нагрузках.
Полученные таблицы зазоров позволили замерить площадь сквозных каналов, через которые возможна утечка уплотняемой среды, а также площадь блокированных зон и тупиковых каналов в зависимости от величины сближения поверхностей.
По результатам замеров подсчитаны коэффициентыЛд , дающие количественную связь между активной Па и общейП пористостью. Расчет выполнялся по формуле (2.39). Результаты расчета представлены в виде графических зависимостей Ka-f( ) , построенных для трех исследуемых поверхностей, отличающихся видом обработки (рис.4.4).
Из графиков видно, что для каждой контактирующей поверхности существует такая величина сближения, при которой Ка - О, т.е. активная пористость, отсутствует. При таком сближении достигается полная герметичность стыка. Величины этого сближения для уплотнительных поверхностей, обработанных алмазной расточкой, притиркой и обкаткой роликом, соответственно равны 15,6 мкм, 9,0 мкм и 1,4 мкм. Расчет по формулам (2.19), (2.20) и (2.14) показывает, что для уплотнительных поверхностей, выполненных из алюминиевого сплава АЛ-І0В и чугуна, обработанных алмазной расточкой, сближение в 15,6 мкм (при отсутствии волнистости и макроотклонений) может быть достигнуто при уплотняющем давлении 240МПа, что близко к физическому пределу текучести материала головки даже при температуре 20С.
Величина уплотняющего давления, обеспечивающего полную герметичность поверхностей, обработанных притиркой и обкаткой, соответст венно равна 225 МПа и 189 МПа.
Полученные результаты показывают, что микрорельеф поверхностей, обработанных притиркой и обкаткой роликом, обеспечивает более высокую герметичность по сравнению с поверхностями, обработанными точением не только за счет уменьшения высоты микронеровностей Rz , но и благодаря уменьшению активной пористости стыка Л а .
Учитывая, что величина реального уплотняющего давления на контактирующих поверхностях газового стыка дизеля находится в диапазоне 60-120 МПа, полная герметичность стыка обеспечена быть не может.
На рис.4.4 величины сближения & , соответствующие уплотняющим давлениям 60-120 МПа (для каждого вида обработки), выделены штриховкой. Как видно из графиков, значение изменяется в достаточно узком диапазоне и при ориентировочных расчетах может быть принято равным 0,2-0,3. При уточненных расчетах значение берётся из графика (рис.4.4) в соответствии с рассчитанной по формулам (2.19), (2.20), (2.14) величиной сближения в .
Построенные таблицы зазоров позволяют определить извилистость каналов Т , для чего замеряется длина каналов Z , через которые возможна утечка уплотняемой среды, и по формуле (2.40) рассчитывается коэффициент извилистости Т .
Графические зависимости Т= (&) приведены на рис.4.5. Анализ кривых показывает, что при сближениях, соответствующих реальным уплотняющим давлениям (60-120 МПа), наибольшую извилистость каналов имеют контактирующие поверхности, обработанные точением (рис.4.5, кривая 3) и обкатанные роликом (рис.4.5, криваяі). Это можно объяснить образованием кольцевых каналов при обработке поверхностей, которые являются наиболее вероятными траекториями утечек,но расположены перпендикулярно потоку. Несколько меньшие значения извилистости каналов имеют уплотнительные поверхности, обработанные притиркой микропорошком (рис.4.5, кривая 2).
