CC BY
68
УДК 621.43.06
О. Г. Гасангусенов
МОДЕЛЬ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЕ ТОРЦЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СОПРЯЖЕНИЯ КАНАВКА ПОРШНЯ-ПЕРВОЕ ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО В МАЛОРАЗМЕРНОМ ДИЗЕЛЕ
Сопряжение канавка поршня-поршневое кольцо обеспечивает герметичность рабочего объема цилиндра и отвод теплоты от головки поршня при контакте с горячим рабочим телом и движении поршня с переменной по величине и направлению скоростью. При этом необходимо предотвратить перекачку излишней смазки в камеру цилиндра и обеспечить приемлемые значения потерь на трение и ударные нагрузки при перекладке поршня в момент его перехода через верхнюю мёртвую точку (ВМТ).
Работа, затрачиваемая на преодоление трения поршневых колец о стенки цилиндра, составляет значительную часть потерь на трение в дизеле. Для её снижения ограничивают число компрессионных и маслосъемных колец и уменьшают их высоту.
Силы трения и инерции, действующие на поршневые кольца в процессе работы дизеля, меняют свои направления и заставляют последние перемещаться относительно канавки поршня в пределах торцевого зазора.
Обычно эти перемещения кольца совершают при впуске и выпуске, когда давление газов в цилиндре снижается и не может противодействовать силам инерции и трения.
Кольца перемещаются вниз при подходе поршня к нижней мёртвой точке (НМТ) и вверх при подходе поршня к ВМТ, т. е. на участках замедления движения поршня, когда сила инерции, действующая на кольцо в направлении движения, начинает превышать тормозящее усилие трения.
Кроме движения вверх и вниз в канавке поршня в пределах торцевого зазора поршневые кольца совершают радиальные колебания в канавках из-за движения по микронеровностям зеркала цилиндра, высокочастотных колебаний стенки цилиндра и перекладки поршня от одной стенки к другой в момент его перехода через ВМТ.
В этой связи работоспособность сопряжения канавка поршня-поршневое кольцо прежде всего, зависит от температуры в зоне его размещения и качества моторного масла. Если температура в рассматриваемой зоне достигает значений 500^520 К, т. е. температуры коксования моторного масла, то кольцо в канавке поршня «залегает», теряет подвижность и перестает уплотнять рабочую полость.
Таким образом, сопряжение канавка поршня-поршневое кольцо работает в чрезвычайно тяжелых условиях, характеризующихся воздействием высоких давлений и температуры газов, сил инерции и трения, создающих давление как в осевом направлении - для прижатия кольца к торцу канавки, так и в радиальном - для усиления удельного давления на зеркало цилиндра. Радиальные давления способствуют возникновению граничного трения и скольжению кольца в канавке поршня при высокой температуре, наличии абразивных частиц и высокочастотной вибрации стенки цилиндра, обусловленной перекладкой поршня от одной стенки к другой. В результате отмечается износ торцевых поверхностей канавки поршня и поршневого кольца, а сопряжение канавка поршня-первое поршневое кольцо оказывается лимитирующим назначенный ресурс до переборки малоразмерного дизеля.
Так, торцевой зазор в сопряжении канавка поршня-поршневое кольцо при сборке кривошипно-шатунных механизмов (КШМ) дизелей Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 составляет 0,08^0,1 мм. Увеличение указанного зазора в эксплуатации до 0,4^0,5 мм, т. е. в 5 раз, обусловливает необходимость переборки дизеля для замены изношенных поршневых колец и поршней. При этом назначенный ресурс до переборки малоразмерного дизеля 4Ч 8,5/11 с вихревой камерой сгорания составляет 6 000 ч. При замене вихревой камеры сгорания на камеру сгорания в поршне, вследствие повышения давления сгорания Рг с 6,0 до 8,3 МПа [1] и температуры поршня в зоне размещения поршневых колец с 390 до 480 К [1], назначенный ресурс до переборки дизеля 4Ч 8,5/11 не превышает 4 500 ч или оказался меньше на 25 %. Отмеченное снижение назначенного ресурса до переборки дизеля можно объяснить увеличением темпа износа торцевых поверхностей канавки и поршневого кольца вследствие повышения удельного давления и температуры на по-
верхностях трения. Необходимо учитывать также скорость скольжения кольца в канавке поршня. Эти три фактора можно принять за параметры, оказывающие решающее влияние на износ и срок службы сопряжения канавка поршня-поршневое кольцо.
Для поиска технических решений по снижению темпов износа торцевых поверхностей канавки и кольца весьма важно определить как факторы, оказывающие решающее влияние, так и вклад каждого фактора в повышение срока службы сопряжения канавка поршня-первое поршневое кольцо.
Факторы, оказывающие наибольшее влияние на срок службы рассматриваемого сопряжения для малоразмерных дизелей, были определены на основе анализа данных технической экспертизы и микрометража до 2 000 КШМ 50 дизелей, отработавших 1 500^6 000 ч в ходе длительных стендовых испытаний. Анализ показал, что такими факторами являются:
— давление газов в цилиндре Рг, определяющее удельное давление на торцевые поверхности канавки и кольца;
— температура поверхностей трения сопряжения, оказывающая влияние как на износ торцевых поверхностей, так и на нагарообразование и попадание абразивных частиц на трущиеся поверхности из-за коксования масла;
— путь и скорость скольжения торцевых поверхностей поршневого кольца по торцевым поверхностям канавки поршня.
Задача сохранения или повышения срока службы рассматриваемого сопряжения при неизбежном повышении давления газов в цилиндре с Р2 = 6,0 до Р2 = 8,3 МПа из-за замены вихревой камеры сгорания на камеру сгорания в поршне решается подбором износостойких материалов, выбором оптимальных посадок, применением электролитических покрытий и армированных вставок [2].
Указанная задача при повышении температуры в зоне размещения канавок поршня и поршневых колец решается: размещением на головке поршня над первым поршневым кольцом выступа, выполняющего роль теплового барьера; охлаждением внутренней поверхности поршня моторным маслом; созданием жарового пояса для выведения рассматриваемого сопряжения в хорошо охлаждаемую зону втулки цилиндра, омываемую снаружи охлаждающей жидкостью.
Весьма важным для малоразмерных дизелей при решении рассматриваемой задачи является поиск технических решений для уменьшения пути и скорости скольжения поршневого кольца в канавке поршня. Объясняется это существенным зазором (не менее 0,2 мм) между зеркалом цилиндра и поршнем в зоне размещения колец вследствие изготовления поршня горячим деформированием из алюминиевого сплава АК4-1 с наиболее высокими техническими свойствами и повышенным коэффициентом линейного расширения с а = 24-10-6 1/град. Используемые для большинства двигателей поршни изготовлены из алюминиевых литых сплавов ЛЬ25^ЛЬ30 с содержанием кремния от 13 до 22 % и имеют а = 16-10-6 1/град, что позволяет существенно сократить зазор между поршнем и зеркалом цилиндра.
В этой связи для малоразмерных дизелей представляет целесообразным использовать для поршней взамен АК4-1 алюминиевый сплав ВКЛЖС с содержанием 20^22 % 81, применяемый для поршней дизеля ЯМЗ-240Н с целью уменьшения зазора между головкой поршня и цилиндром.
Таким образом, существуют технические решения для устранения негативных последствий повышения давления в цилиндре, температуры трущихся поверхностей, увеличения скорости и пути скольжения последних. Однако целесообразность применения того или иного технического решения для малоразмерного дизеля необходимо определить на основе реального эффекта, полученного в ходе испытания конкретного дизеля.
В этой связи целесообразно на первом этапе установить конкретный вклад каждого из указанных факторов, оказывающих наибольшее влияние на срок службы сопряжения канавка поршня-поршневое кольцо.
Представляется возможным решить указанную задачу на основе модели трения и изнашивания торцевых поверхностей канавки и кольца в малоразмерном дизеле. Поэтому, согласно [3], совместно были применены метод размерностей и теория подобия, которые позволили рассчитать масштабный фактор для модельной системы путем разработки модели исследуемого процесса; выбора базисных параметров процесса и определения критериев подобия; составления уравнений подобия в симплексной форме.
Физическая модель процесса трения и изнашивания сопряжения канавка поршня-поршневое кольцо относится к числу сложных и неоднородных явлений, на характеристики которых наибольшее влияние оказывают скорость скольжения, условия теплоотвода, твердость, температура трения, характер смазки и наличие абразивных частиц в смазке, микро- и макрогеометрия поверхностей трения, геометрические характеристики узла трения. От полноты выбора перечисленных параметров в качестве базисных и краевых условий зависит достоверность результатов исследований.
В качестве базисных параметров были приняты скорость скольжения V, удельная нагрузка Р, температура в сопряжении I, комплекс геометрических размеров Кг и продолжительность испытаний или трения т . Задачи по определению масштабных коэффициентов перехода от модели к натуре по каждому параметру и обобщенных переменных в виде безразмерных степенных комплексов, составленных из параметров процесса, были решены методом размерностей [3, 4], в котором каждый параметр выражается в системе СИ при помощи размерности: Ь - дли-
[К] = [М2Ь6Т 00]; коэффициент теплоотдачи [а12] = [М2Ь0Т~60 —2].
В результате, в соответствии с теоремой Бэкингэма, уравнение подобия было записано с числом критериев 14 плюс 4 базисных критерия в симплексной форме, что позволило получить систему линейных уравнений. Решение системы уравнений относительно симплекса известного параметра, т. е. отношения комплекса геометрических размеров модели и натурного образца, позволило получить определитель системы в виде таблицы, состоящей из 14 строк и 17 столбцов, который путем введения дополнительных условий был преобразован в стандартный вариант 14^14.
Расчеты позволили получить формулы масштабных коэффициентов перехода, достаточно удобные для вычислений 5 определяющих и 10 побочных параметров в виде:
Анализ результатов расчета определяющих параметров относительно комплекса геометрических параметров Сг1,2 = 5 канавки поршня и поршневого кольца позволяет количественно оценить роль температуры, удельного давления в паре трения и скорости скольжения поршневого кольца в канавке поршня в процессе трения и изнашивания их торцевых поверхностей.
на скорость скольжения, - 50,44 = 1,997, или 40 %.
Таким образом, моделирование трения и изнашивания торцевых поверхностей канавки поршня и поршневого кольца на основе анализа условий работы сопряжения канавка поршня-поршневое кольцо малоразмерного дизеля позволяет установить параметры, определяющие срок службы сопряжения, и доли износа, относящиеся на температуру, удельное давление и скорость скольжения в паре трения. На основе полученных данных можно осуществить выбор технических решений для повышения срока службы рассматриваемого сопряжения до уровня целесообразной долговечности кривошипно-шатунного механизма, т. е. уровня, достигнутого для остальных сопряжений механизма.
1. АливагабовМ. М. Двигатели спасательных шлюпок и катеров. - Л.: Судостроение, 1980. - 224 с.
2. Двигатели армейских машин. Часть вторая. Конструкция и расчет / П. М. Белов и др. - М.: Воениз-дат, 1972. - 568 с.
3. Браун Э. Д., Евдокимов Ю. А., Чичинадзе А. В. Моделирование трения и изнашивания в машинах. -М.: Машиностроение, 1982. - 191 с.
4. Теория подобия и размерностей. Моделирование / П. М. Алабужев, В. Б. Геронимус, Л. М. Минке-вич, Б. А. Шеховцев. - М.: Высш. шк., 1968. - 204 с.
на; М - масса; Т - время; 0 - температура, т. е. [V] = [М0 Ь Т 10°]; [Р] = [МЬТ 2 0°];
с ________с 0,44, с __________с 0,333, с __________с
V—- ,, V- у. . V—- л V- у. . V—- л- V- у.
V ’ р г ’ т г
0,333.
Так, доля износа, отнесенная на температуру, составляет 50,166 = 1,3, или 26 %, доля износа, отнесенная на удельное давление, - 50,333 = 1,7, или 34 %, а доля износа, отнесенная
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Статья поступила в редакцию 2.02.2009
THE MODEL OF FRICTION AND DETERIORATION OF THE FACEPLATES OF THE COUPLING "PISTON GROOVE-THE FIRST PISTON RING”
N LOW-SIZED DIESEL ENGINES
О. G. Gasangusenov
Working conditions of the coupling "piston groove-the first piston ring" are considered in the paper. The major factors influencing deterioration of the given coupling are defined. The mathematical model defining a share contribution of any factor to deterioration of the given coupling is shown.
Key words: coupling "piston groove-piston ring", faceplates, deterioration, mathematical model.
