CC BY
52
УДК621.891
КАВИТАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ ВЫСОКОФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ
А. А. Симдянкин, доктор техн. наук, профессор
ГОУ ВПО «Саратовский ГСЭУ», т. 8 (8452) 333-028, e-mail: simdyankin@ssea.runnet.ru
Б. П. Загородских, доктор техн. наук, профессор; А. М. Хамсин, аспирант
ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», т. 8 (8452) 749-652
В статье рассматриваются вопросы кавитационной стойкости гильз цилиндров дизелей и приводятся данные экспериментальных исследований повторного использования в двигателе гильз с кавитационно изношенной поверхностью.
Ключевые слова: гильза, кавитация, вакуумный пузырек, износ, деформация, герметичность
В высокофорсированные дизели КамАЗ-740 устанавливаются два типа гильз цилиндров: 7406.1002021, изготавливаемые из серого специального чугуна, упрочненного объемной закалкой, и 7406.100202120, изготавливаемые из специального легированного серого чугуна, не термообра-батываемые. В соединении гильза - блок цилиндров наружная полость между ними уплотнена резиновыми кольцами круглого сечения, при этом в верхней части установлено одно кольцо в проточке гильзы, в нижней части - два кольца в расточке блока цилиндров. Таким образом, гильза закреплена консольно и имеет возможность отклоняться в нижней части, обращенной к коленчатому валу, под воздействием возмущающих сил со стороны поршня в пределах толщины уплотнительного кольца.
По данным различных исследователей, основной кавитационный износ находится в зонах максимального воздействия боковой силы N [1, 2]. В результате такого воз-
действия только на долю гильзы приходится 10...12 % аварийных повреждений от общего количества повреждений деталей и узлов дизеля. Известно, что воздействие сил давления газов на цилиндропоршне-вую группу фактически является ударом [3], при этом в камере сгорания могут возникать импульсы с резонансной частотой 7.8 кГц, которые достигают величины 10.15 бар (рис. 1) и вызывают вибрации гильз цилиндров.
Известно, что сила соударения поршня и гильзы превышает боковую силу перекладки поршня N в 2.10 раз и зависит от скорости соударения, величины боковой силы N и радиуса кривизны бочкообразного профиля поршня [3]. При этом колебания гильзы в районе верхней мертвой точки повторяют колебания газов в цилиндре, а виброскорости несколько смещены по фазе относительно пульсаций давления газов.
Существенным фактом для понимания явления кавитации является то, что гильза
Рис. 1. Ударное воздействие сил давления газов: а - индикаторные диаграммы (1 - полная подача топлива; 2 - холостой ход; 3 - прокрутка); б - пульсации давлений (п = 2600 мин-1, нагрузка 75 %; 1 - исходная кривая; 2 - сглаженная кривая)
цилиндра под действием боковой силы N ведет себя как оболочка и деформируется по первой форме. При этом большая ось овала гильзы расположена вдоль действия силы N (поперек оси коленчатого вала), а точки, расположенные под углом ± 45°, не перемещаются.
В результате при работе дизеля кави-тационные разрушения проявляются как на наружной поверхности гильз, так и на сопряженных поверхностях нижних посадочных поясов блока цилиндров [4]. Гильзы разрушаются в плоскости качания шатуна в
виде отдельных каверн или их цепочки на наружной поверхности, начиная со средней части и переходя вниз на посадочную поверхность (рис. 2), при этом интенсивность кавитационных разрушений неодинакова по номерам цилиндров.
У блока разрушается в основном верхний поясок нижнего посадочного места, а также области, расположенные в плоскости качания шатуна. При этом наиболее интенсивно кавитационные разрушения происходят при работе двигателя на воде, менее интенсивно - на охлаждающих жидкостях
а б
Рис. 2. Кавитационные разрушения стенки гильзы: а - двигателя КамАЗ-740; б - двигателя GM 6.5, устанавливаемого на Hummer
Таблица 1
Кавитационная стойкость некоторых металлов и сплавов
Металл/сплав Потеря массы образцов через 2 ч, мг
горячекатаная алюминиевая бронза (Си 83 %; А110,3 %; Ре 5,8 %) 3,2
литая алюминиевая бронза (Си 83,1 %; А1 12,4 %; Ре 4,1 %) 5,8
наваренная в два слоя нержавеющая сталь (Сг 17 %; N1 7 %) 6,0
отпущенная катаная нержавеющая сталь (Сг 12 %) 9,0
литая нержавеющая сталь (Сг 18 %; N1 8 %) 13,0
литая сталь 105,0
алюминий 124,0
латунь 156,0
чугун 224,0
типа «Тосол» [1]. Материал гильзы - серый специальный чугун - обладает высокой износостойкостью, однако в ряду используемых в двигателе материалов является одним из самых подверженных кавитаци-онному разрушению (табл. 1).
Блоки двигателей по нижнему посадочному пояску иногда ремонтируются наплавкой, но в большинстве случаев выбраковываются из-за сложности обработки. Гильзы двигателей с цепочкой каверн обычно выбраковываются, хотя допускается их повторное использование, поскольку для большинства отечественных двигателей выбра-ковочные параметры по кавитационному износу гильз точно не определены.
и, мкм о
180
Рис. 3. Деформация гильз в блоке: 1 - новая гильза; 2 - гильза с пробегом 70000 км и кавитационным износом в виде групповых «сверлений» в ее теле
Как показали исследования, гильзы с кавитационным износом можно использовать повторно с очень большой осторожностью, поскольку уменьшение толщины
стенки гильзы существенно влияет на ее деформацию при установке в блок и затяжке шпилек (рис. 3, ось 0.180°, параллельная оси коленчатого вала).
В свою очередь деформации гильзы существенно ухудшают герметичность камеры сгорания из-за того, что поршневые кольца теряют контакт с рабочей поверхностью гильзы. Ниже приведены зависимости изменения давления в надпоршневом пространстве для новой цилиндропоршне-вой группы (ЦПГ) (рис. 4) и ЦПГ, укомплектованной гильзой с кавитационным износом (рис. 5), при деформации стенки гильзы, смоделированной на основе данных, полученных в блоке двигателя при затяжке шпилек головки блока. Давление в надпоршневом пространстве создавалось путем подключения ресивера поршневого насоса через фланцы к гильзе со стороны ее верхнего опорного бурта, на поршень устанавливалось только верхнее поршневое кольцо.
На рис. 6, 7 приведены графики изменения давления кольца на стенку гильзы при ее деформации (эпюра радиальных давлений кольца - грушевидная со степенью коррекции z=1,4; начало графика соответствует спинке кольца).
Механизм кавитационного износа базируется на схлопывании вакуумного пузырька, образующегося вследствие разрыва сплошности охлаждающей жидкости при отклонении стенки гильзы вследствие удара по ней поршневых колец и поршня, в пристеночной области. При этом различают три типа замыкания полости вакуумного пузырька в зависимости от смачиваемости жидкостью охлаждаемой поверхности [5]:
1)кавитационный пузырек сначала приближается к сферической форме, а затем быстро сплющивается в направлении, перпендикулярном испытываемой поверхности (наихудший вариант с точки зрения разрушения поверхности);
2) после того как кавитационный пузырек достиг поверхности, ближе к его верхней части, параллельно поверхности, возникает кольцевая струйка жидкости, делящая пузырек на верхнюю и нижнюю части;
3)граница разделения пузырька все ближе подходит к поверхности, при этом струйка жидкости, перпендикулярная поверхности, направлена в основном в сторону от поверхности, тем самым снижается кавитационное изнашивание поверхности.
Исследования гильз с кавитационным износом показывают, что изменения химического состава материала гильзы не наблюдается (табл. 2, данные получены на масс-спектрометрической установке с ионным зондом), но происходит уплотнение кавитационно изношенной поверхности (рис. 8), о чем говорит снижение площади фигуры под кривой отклика (получено на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3,0 с Fe-ka излучением (Л=1,93728 Á).
р-10;Па
7,5
6,0
4,5
3,0
1,5
1
2 1 I
\ /
\ \j
X ^ f
0
30
60
90
120
150
Ч>
Рис. 6. Распределение давления кольца на стенку гильзы (зона ф=155...165° от спинки -потеря контакта) при овализации гильзы, больший диаметр овала расположен вдоль оси спинка-замок кольца: 1 - исходная эпюра радиальных давлений; 2 - эпюра кольца в деформированной гильзе
10^ Па
3,0
2,4
1,8
1,2
0,6
0
2 / \ /
____ 1—'
/
Ч /
30
60
90
120
150
Ф
0
Рис. 7. Распределение давления кольца на стенку гильзы (зона ф=173...180° от спинки -потеря контакта) при овализации гильзы, больший диаметр овала расположен перпендикулярно оси спинка-замок кольца: обозначения те же
Р^гс/см2 1 3,5
3,0
2,5
2,0
1,8
1,0
1 у
\ \ /
ч ^ у/
* 1 ^^^ 3
- V 4
- 2
0
50
100
150
200
с
Рис. 4. Падение давления в надпоршневом пространстве при использовании новых деталей ЦПГ (поршень находится в н. м. т.): 1 - гильза не деформирована; 2 - деформация смоделирована параллельно оси поршневого пальца;3 - деформация смоделирована перпендикулярно оси поршневого пальца
Рис. 5. Падение давления в надпоршневом пространстве при наличии кавитационного износа на наружной поверхности гильзы (обозначения те же)
На практике применяют различные методы повышения кавитационной стойкости поверхностей или устраняют возможности для появления кавитации: более совершен-
ное конструирование системы охлаждения, включающее устранение резких переходов в сечениях; внесение мелкодисперсных присадок в охлаждающую жидкость; созда-
ние дегазационных камер в потоке охлаждающей жидкости; нанесение пластичных покрытий на рабочую поверхность гильзы; нанесение упрочняющих (слоев с повышенной твердостью) и демпфирующих (пластических, неметаллических) покрытий на наружную поверхность гильзы; уменьшение зазоров в ЦПГ; повышение жесткости цилиндропоршневой группы.
Таблица 2
Химический состав наружной поверхности гильзы (%)
Рис. 8. Уплотнение чугуна на наружной поверхности гильзы при кавитационном износе: 1 - наружная поверхность новой гильзы; 2 - наружная поверхность гильзы, подвергшаяся кавитационному изнашиванию
Поскольку боковая сила N зависит от конструктивных особенностей двигателей, то основным средством предупреждения кавитационного разрушения гильз и блоков является более совершенное конструирование, включающее устранение резких переходов в сечениях, уменьшение турбулентности, уменьшение зазоров и повышение жесткости цилиндропоршневой группы.
Однако следует иметь в виду, что устранение резких переходов в сечениях и уменьшение турбулентности приведет к снижению присоединенной составляющей кавитации, в то время как уменьшение зазоров и повышение жесткости цилиндропоршне-вой группы - к снижению вибрационной составляющей.
Хорошо известны подходы к уменьшению вредного воздействия кавитации, основанные на внесении мелкодисперсных присадок в охлаждающую жидкость [1]. Например, предлагается способ, состоящий в постоянном пополнении присадки в охлаждающей жидкости посредством использования фильтра, установленного в системе охлаждения двигателя [6].
Известны также методы нанесения покрытий типа N1-8, М-Р, №-Со-Р на рабочую поверхность гильзы [7], позволяющие одновременно с улучшением скольжения колец по поверхности гильзы и повышением ее антикоррозионных свойств частично демпфировать ударные нагрузки со стороны поршня.
К другой группе мероприятий относится способ создания дегазационных камер в потоке охлаждающей жидкости [8], обладающий высокой эффективностью, но достаточно затратный с точки зрения реализации.
Известны методы нанесения упрочняющих слоев и демпфирующих покрытий на наружную поверхность гильзы. Последние разработки в этом направлении предлагают формирование на наружной поверхности твердого инертного слоя, образующего сеть каналов и состоящего из кристаллов Мп5Н2(Р04)4-4Н20 размером 2...8 мкм, плотно сцепленных с поверхностью гильзы [9]. В результате схлопывание вакуумных пузырьков происходит на поверхности твердых кристаллов, в удалении от основного металла гильзы.
Преимущества описанных выше методов можно было бы сочетать как за счет использования материалов покрытий, так и за счет управления процессами их нанесения. Например, используя электроискровую обработку наружной поверхности гильзы с нанесением на нее бронзы (табл. 1), можно было бы обеспечить защиту основного металла гильзы в процессе износа за счет:
• на первом этапе пластической деформации покрытия под воздействием ударных нагрузок со стороны вакуумных пузырьков;
• на втором этапе отделения частиц покрытия вследствие его разрушения и обра-
Элемент Наружная поверхность новой гильзы Наружная поверхность гильзы с кавитационным износом
Мо 0,27 0,34
А1 0,13 0,17
Б1 0,06 0,09
Са 0,14 0,18
И 0,08 0,63
V 0,06 0,03
Сг 0,38 0,34
Мп 1,05 0,65
Ре 97,10 96,58
N1 0,19 0,33
Си 0,53 0,65
зования в охлаждающей жидкости мелкодисперсной взвеси, на поверхности частиц которой происходит схлопывание вакуумных пузырьков.
При этом при нанесении покрытия возможно формирование на поверхности основного металла гильзы сети каналов, сетки, «шахматной доски» и пр., что обеспечит дополнительную защиту наружной поверхности гильзы.
Литература
1. Иванченко, Н. Н. Кавитационные разрушения в дизелях / Н. Н. Иванченко, А. А. Скуридин, М. Д. Никитин. - Л.: Машиностроение, 1970. - 183 с.
2. Симдянкин, А. А. Контактно-силовое взаимодействие деталей цилиндропорш-невой группы / А. А. Симдянкин. - Саратов: Изд. Сарат. ГАУ, 2003. - 144 с.
3. Никишин, В. Н. Формирование и обеспечение показателей качества автомобильных дизелей на стадии их проектирования и доводки : автореф. дис. д - ра техн .
наук: 05.04.02, 01.02.06 / В. Н. Никишин. -Москва, 2007. - 34 с.
4. Техническое состояние двигателей КамАЗ, поступающих в ремонт // Техническое сообщение № 15/03-312.82-84 / НАМИ. -М., 1984. - 17 с.
5. http://www.engine.aviaport.ru/issues/03 /page24. html
6. http://www.google.ru/url?sa=t&source= web&ct=res&cd=28&url=http%3A%2F%2Fww w.tidewaterfleetsupply.com%2Ferosion. doc&ei= 3alUScquNIP60AWtaGEBA&usg=AFQjCNHf GeP_edvDnnH_TJAyf37TExGpXQ&sig2=t_Z mHKEZnV4mPTP_SFyD-g
7. http://www.patentstorm. us/patents/5148780 /fulltext. html
8. Patent «hydraulic actuated cavitation chamber with integrated fluid rotation system» AB01F1100FI, 366114/ Ross Alan Tessien -Impulse Devices, Inc., Birmingham, Al Us
9. Anti-cavitation diesel cylinder liner. US Provisional Application No. 60/609,906 filed September 14, 2004.
