Оценка ресурса сопряжения «Цилиндровая втулка-поршневое кольцо» судовых малоразмерных дизелей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.43.016.4

ОЦЕНКА РЕСУРСА СОПРЯЖЕНИЯ «ЦИЛИНДРОВАЯ ВТУЛКА-ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО» СУДОВЫХ МАЛОРАЗМЕРНЫХ

ДИЗЕЛЕЙ

© 2013 Н.В. Пахомова

Каспийский институт морского и речного транспорта, г. Астрахань

Поступила в редакцию 17.09.2013

Предлагается расчётно-аналитическая методика определения долговечности сопряжения «втулка цилиндра - верхнее поршневое кольцо» применительно к судовым малоразмерным дизелям на основе заданных параметрических соотношений.

Ключевые слова: цилиндровая втулка, поршневое кольцо, ресурс, долговечность, износ, твёрдость, скорость изнашивания, чугунное литьё

Опыт работы по восстановлению работоспособности судовых малоразмерных дизелей типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11, установленных на малых промысловых судах, разъездных и спасательных шлюпках, катерах показывает, что некоторые значения эксплуатационных параметров дизелей и, в первую очередь, назначенный ресурс до первой переборки (5000 часов) являются фактически невостребованными. Практика показала, что почти 100% всех дизелей рыбопромысловых судов, работающих в речных, озёрных и прибрежных морских акваториях, выходит из строя после 2500-3000 часов эксплуатации по причинам, не связанным с неисправностями элементов кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и цилиндропоршневой группы (Ц1II ), которые и регламентируют значение ресурса (выходит из строя система охлаждения, система смазки, реверс-редукторная передача, часты механические поломки и повреждения по вине эксплуатационников). Выходят из строя насосы, теплообменники, термостаты. В связи с тем, что промысловые боты работают, в основном, в прибрежных зонах, происходит загрязнение элементов системы охлаждения песком, грязью, илом и т. п. Поэтому часто промысловая бригада переоборудует дизель на проточную систему охлаждения, в результате чего система сильно упрощается. Но рабочий процесс двигателя осуществляется в условиях «холодного» цилиндра, что предопределяет повышенный удельный расход топлива и малый ресурс дизеля (порядка 500 часов). Это происходит в силу низкой температуры стенки цилиндра, что способствует интенсификации износа деталей ЦПГ. Кроме того, происходит обильное накипеобразование, в результате чего ухудшается теплообмен.

Назначенный ресурс в 5000 часов обеспечивается материалами, инструментом, оборудованием и, следовательно, всеми связанными с этим затратами. Если привести в соответствие реально

Пахомова Надежда Владимировна, начальник управления конвенционной подготовки и повышения квалификации. E-mail: nb.13@mail.ru

требуемый эксплуатационный срок службы дизеля с его производственным обеспечением, то можно в значительной степени снизить себестоимость изготовления дизеля и повысить его функциональные возможности. Это может быть обеспечено модернизацией конструкции и технологии изготовления дизелей путём приведения всех видов затрат на производство в соответствие с условиями реальной эксплуатации. Упрочнение втулок цилиндров путем их термической и химико-термической обработки (ТО и ХТО) экономически оправдано лишь тогда, когда речь идет об обеспечении высоких и сверхвысоких ресурсов работы порядка 8000-12000 часов и не может рассматриваться экономически выгодным в случаях ограниченного умеренного ресурса, требуемого потребителем в отдельных отраслях, например, на малых рыбопромысловых судах, сварочных агрегатах, эксплуатирующихся на строительных площадках и др. Результаты рас-чётно-аналитических и экспериментальных исследований показывают, что дизели Ч8,5/11 и Ч9,5/11, эксплуатирующиеся в составе сварочных агрегатов, срок службы которых, в силу специфических условий эксплуатации ограничиваются 2500-3000 часами (примерно столько нарабатывают дизели за два-три года работы, что соответствует 4-6 промысловым сезонам, по итогам которых судовладелец может приобрести новый двигатель или капитально отремонтировать имеющийся) могут быть укомплектованы втулками цилиндров, не подвергнутыми специальной ТО и ХТО. Такое решение представляется оправданным и обеспечивающим надежность работы дизеля в течение заданного срока службы. Обеспечение надежной работы двигателя в устраивающий потребителя временной период может быть определено следующими факторами:

- повышением технического уровня дизелей в целом и качества их изготовления, ориентированных на требования отечественных и международных стандартов, при этом должен быть обеспечен высокий уровень сервисного обслуживания;

- приведением качества изготовления дизелей и их элементов в соответствие с условиями реальной эксплуатации, т.е. использовать принцип эксплуатационного качества, что потребует более гибкой технологии производства;

- повышением функциональных характеристик ресурсообразующих элементов Ц1II и КШМ.

Заготовкой для втулки цилиндра служит отливка, полученная способом центробежного литья (ЦЛ). Этот способ достаточно хорошо известен и изучен. При ЦЛ заполнение формы жидким металлом, его затвердевание и последующее частичное остывание происходит в поле действия центробежных сил. Такое поле возникает при вращении литейной формы вокруг горизонтальной оси, совпадающей с осью вращения заготовки. Центр массы отливки находится на оси её вращения. Внутренняя поверхность отливки формируется без применения стержней, т.е. является свободной. Метод получения заготовок втулок цилиндров указанным способом имеет определенные преимущества перед другими способами, например, перед литьем заготовок в разовые песчаные формы. Так, достоинством метода является то, что при ЦЛ не нужны стержни, изготовление которых достаточно трудоемко, не расходуется металл на литниковую систему, выход годного литья достигает 90-95%. При ЦЛ заготовок втулок цилиндра идет достаточно сильная ликвация углерода, который вытесняется к внутренней поверхности отливки, а именно, внутренняя поверхность втулки (зеркало) является функциональной, работающей в условиях трения и износа, поэтому повышенное содержание углерода в ее поверхностном слое является позитивным фактором. Производительность труда при изготовлении заготовок способом ЦЛ выше, чем при литье в разовые песчаные формы, а себестоимость заготовок снижается на 20-30%. К недостаткам ЦЛ следует отнести следующие:

• химическую неоднородность по сечению отливки вследствие действия центробежных сил;

• формирование механического пригара на наружной поверхности отливки;

• наличие высоких внутренних напряжений в наружном поверхностном слое и более высокая вероятность образования горячих трещин.

Для полых заготовок, изделия из которых имеют рабочей внутреннюю поверхность (и для втулок цилиндров в том числе) и работают в условиях трения и износа эта внутренняя поверхность должна обладать высоким качеством структуры, т.е. быть однородной с высокой плотностью структуры. Однако вместе с ликвацией углерода на внутренней поверхности заготовки происходит сосредоточение и более легких, неметаллических и газовых включений, а также серы и фосфора. Поэтому приходится назначать чрезмерно высокие значения припусков на механическую обработку, как внутренних, так и наружных поверхностей, поскольку дефекты поверхностного слоя наружной

поверхности также достаточно значимы. В связи с этим припуски на механическую обработку зеркала втулки составляют от 5 до 10 мм на сторону (для втулок дизелей Ч8,5/11 и Ч9,5/11) и не являются оптимальными, технически обоснованными, согласно их расчётно-аналитическому определению по источникам [1, 2 и др.]. Как бы то ни было, а масса заготовки (Мзаг) составляет 13 кг при массах готовых деталей (Мд) в 2,45 кг (Ч8,5/11) и в 2,24 кг (Ч9,5/11). Следовательно, коэффициент использования материала (Ким) равен соответственно: Ким=Мд/Мзаг=2,45/13=0,188; К^Мд/Мзаг

=2,24/13=0,172. Более 80% материала при механической обработке заготовок уходит в стружку, что составляет не менее 10 кг. Следовательно, при изготовлении 2500 дизелей в год в пересчете на 4-х цилиндровые типоразмеры необходимо изготовить 10000 цилиндровых втулок, а с учетом запасных частей (25%) 12500 втулок. Потери материала при выполнении этого объема работ составляет 125 тонн.

Одним из наиболее нагруженных, ответственных и ограничивающих ресурс двигателя в ЦПГ является сопряжение втулка цилиндра (на участке максимального износа в зоне остановки верхнего компрессионного кольца у ВМТ) верхнее компрессионное кольцо. Кроме износостойкости, к втулкам предъявляются ряд других требований:

- низкое значение коэффициента трения;

- жесткость конструкции, обеспечивающая неизменность геометрических параметров работающего двигателя или минимального их искажения;

- хорошая обрабатываемость и возможно низкая стоимость изготовления;

- наличие рабочей поверхности, задерживающей достаточное количество масла.

Указанным требованиям в наибольшей степени удовлетворяет чугун. Однако в связи с тем, что для двигателей различного назначения характеристики долговечности и надежности различаются весьма значительно (иногда на порядок), разработано несколько марок чугунов, которые могут в той или иной степени удовлетворить требованиям, предъявляемым к втулкам цилиндров [3]. Чешуйки графита, которые распределены по всему объему металла, хорошо задерживают масло на поверхности, а фосфидная сетка, имеющая большую твердость и слегка выступающая над поверхность, способствует износостойкости металла, играя роль своеобразного подшипника. Кроме того, в углублениях сетки задерживается смазочный материал. Химический состав чугунов, идущих на изготовление втулки, подбирают с таким расчетом, чтобы в чугуне образовался перлит, а не феррит, поскольку присутствие феррита в чугуне даже в незначительном количестве приводит к снижению его износостойкости. Типичные сорта чугуна, используемые для изготовления втулок цилиндров, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики чугунов, используемых для изготовления втулок

Тип чугуна Химический состав, % Твердость

С Р N1 Сг другие элементы НВ

обычный перлитный 3,2 0,6 - 0,3 - 293

с высоким содержанием фосфора 3,3 0,85 - 0,8 - 300

закаливаемый 3,2 0,6 1,0 0,4 - 425

азотируемый 2,7 0,2 - 1,5 1,0%А1 950

коррозионноустойчивый 2,7 0,8 14,0 2,0 7%Си 232

«Мокрые» втулки цилиндров в основном испытывают напряжения в радиальном направлении от действия сил давления газов

DP ст =—^

р 25 ,

где Б - диаметр втулки, м; Р2 - максимальное давление сгорания, МПа; 5 - толщина стенки втулки, м; и сил, возникающих из-за разности температур по толщине стенки

t -1

а, = Eач (^),

где Е - модуль упругости в МПа; ач - коэффициент линейного расширения чугуна, °С-1, 11 и 12 - температура соответственно рабочей и охлажденной поверхности втулки, °С.

Возможность учета влияния различных кон-структорско-технических и эксплуатационных факторов на скорость доминирующего абразивного изнашивания втулки цилиндра и поршневых колец на стадии их проектирования являются одним из важнейших факторов в решении сложной проблемы обеспечения надежности двигателя в течение заданного срока службы. В работе [4] для наиболее нагруженного и ответственного сопряжения «втулка цилиндра - верхнее компрессионное кольцо», рассмотрены закономерности изнашивания. Показано, что на участке максимального износа втулок цилиндров имеет место дробление абразивных частиц. Для этого случая анализ процесса изнашивания сопряжения сводится к нахождению износа от каждой частицы и последующему суммированию этих независимых повреждений с учетом вероятности представления скорости абразивной частицы. Количество частиц найдено из условия равномерного распределения по диаметру и образующей втулки цилиндра. В результате суммирования повреждений получены следующие зависимости для оценки интенсивности износа поршневого кольца и втулки цилиндра [39]

А Р

112 = 0,0116-^^ ' м,„

, мм/час

(1)

частиц, содержащихся в единице объема воздуха (А12), параметры надежности работы двигатели (Р12) и качество рабочих поверхностей втулки цилиндра и поршневою кольца (М12). Выражения А12, Р12, М12 в работе [39] определены следующими зависимостями (табл. 2), где индекс «1» относится к поршневому кольцу, а индекс «2» - к втулке цилиндра.

Таблица 2. Формулы определения параметров А1, Р и М

Тип двигателя Параметр Верхнее компрессионное кольцо Втулка цилиндра

Дизель зель-ный А1=А2 с дк[1 - ехр(-0,0868-К->у2с5л]

Р Вт анЬ0 в ан ь0

В* Ув18б О* Ув1ве

М нв ¡-5нв 2 нв 25нв!

НВ!+нв2 нв!+нв2

Примечание: Вг - расход топлива, кг; цп - массовая концентрация пыли в поступающем в цилиндр воздухе, мг/м3; 8 -ход поршня, мм; Б - диаметр цилиндра, мм; Я - средний радиус абразивной частицы, мм; аусл - условное разрушающее напряжение сжатия абразивной частицы, МПа; аН

- воздушно-топливное соотношение; Ь0 - теоретически необходимая масса воздуха для сгорания 1 кг топлива; ув -плотность воздуха, кг/м ; Ьк - высота кольца, мм; tg9=2R/hk

- угол между образующими поверхностей втулки и кольца; НВ1 и НВ2 - твердость по Бринеллю сопрягаемых поверхностей соответственно втулки и кольца, МПа; Е01 и Е02 -относительное удлинение соответственно материала кольца и втулки в %; 1 - показатель фрикционно-контактной усталости

В работе [5], посвященной рассматриваемой проблеме, получен ряд дополнений, отражающих влияние абразивных свойств пыли и изменения твердости поверхностей кольца и зеркала цилиндра в зависимости от температуры на скорость изнашивания. В частности, влияние на изнашивание твердости рабочих поверхностей сопряжения кольцо-цилиндр предложено определять по формулам:

М, =

где А1,2, Р1,2, М1 2 объединяют три группы факторов, учитывающих размеры и концентрацию абразивных

(НВе^ХНБзе"212)2 НВ^1'1 + НБ2еМ2

М2 =

(нв еа1^ )(нв2еа^2 )2

HB1ealtl + НВ2еМ2

(3)

где а1 и а2 - коэффициенты зависимости твердости по Бринеллю соответственно от температуры кольца ^ и цилиндра 12; е - основание натурального логарифма.

Дальнейшее уточнение функциональных зависимостей табл. 2 заключается в следующем: в выражение для параметра Р следует подставлять не паспортное значение расхода топлива на номинальных режимах, а его среднестатистическое эксплуатационное значение, определяемое по формуле:

В. = ь N.

Ь.э=ЪД55(1-^ )+(^ )2]

(4)

п

п

(5)

где Ье - эксплуатационный удельный расход топлива (среднестатистическое значение).

р = р[0,87+0,13—^-(—)2]

п

п

(6)

где Реэ - среднестатистическая эксплутационная мощность двигателя, л.с.; пэ = 0,748 пн - среднестатистическая частота вращения коленчатого вала в эксплуатации, мин-1; пэ, Ре, Ье - значение частоты вращения, мощности и удельного расхода топлива на номинальном режиме.

В расчетные формулы следует вводить дополнительно коэффициент износной способности минералогического состава абразивных частиц Кк, определяемый процентным содержанием наиболее твердых частиц (корунд, кварц и др.) и коэффициент пропуска пыли воздухоочистителем 2, представляющий собой отношение запыленности воздуха на выходе к запыленности воздуха на входе воздухоочистителя [6, 7].

Таким образом, в выражение для Л! в табл. 2 вводится дополнительный сомножитель Кк, а в выражение для Р; расход топлива Вт заменяется на Втэ в формуле (6) и вводится дополнительный сомножитель 2. При этом параметры М; определяются по формулам (2), (3). Экспериментальные скорости изнашивания, по которым оценивалась точность расчета по формулам (1), (3) и табл. 2 представляют собой средне интегральные величины, вычисляемые по выражению:

1 Т

1э=111 э дат=в твт -1,

Т 0

где Т - наработка, час.

Среднестатистическое значение радиального износа в зависимости от наработки:

8а = а ТаТ

Экспериментальные исследования, выполненные на дизеле Д144 при стендовых испытаниях и при выполнении трактором различных сельскохозяйственных работ, в том числе транспортных перевозок, показали, что за время Т=2680 часов параметры износа кольца имели значения 1Э = 0,0577 10-3 мм/ч; а = 0,2261; а, = 0,78. Расчетное значение скорости изнашивания по формулам (1) (3) составило 0,0565 • 10-3 мм/ч. Сопоставление расчетных измеренных и среднестатистических значений скорости изнашивания поршневых колец показывает, что погрешность данного метода прогнозирования износа не превышает 12% и свидетельствует о его практической приемлемости. Прогнозируемый ресурс двигателя по износу втулки цилиндра в зависимости от конструкции и технологии изготовления для заданных условий эксплуатации будет равен

N

-у_ пред

= I '

где I - определяется по формуле (1); Кпред - предельно допускаемый износ по условиям нормальной работы двигателя.

В качестве примера приведём расчет скорости изнашивания втулки цилиндра в зависимости от конструкторско-технологических факторов, применительно к 4-х цилиндровому дизелю 4Ч9,5/11 со следующими показателями номинального режима работы: Ре=40 л.с. (29,4 кВт); пн=1800 мин-1 (30с-1), Ье=0,2 кГ/(л.с.час) (0,272 кГ/(кВт.ч); пэ=1350 мин-1; Ьеэ=0,19 кГ/ч (0,258 кГ/кВт.ч); Реэ=34,8 л.с.(25,59 кВт); Втэ= 6,612 кГ/ч. В соответствии с требованиями рабочих чертежей штатных дизелей имеем: Б=95 мм; 8=110мм; Ьк=3 мм; 8К=14 мм; НВ2=20 МПа (32-37 НЯС); ^=14,5 кГ; Ув=1,2 кГ/м3; 8к=0,1355=15 мм; оусл=280 МПа; Кк=0,79; 2=0,3; Кпред=0,2-0,25 мм; Як=0,077 мг/м2; tg0=O,OO5; Я=7,5 мкм. Число цилиндров пк=4. Коэффициент зависимости твердости материала от температуры [40]: а1=-9,5.10-4; а2=-5,1. 10 . Температура нагрева поршневого кольца и втулки цилиндра 1^=1850С; 12= 1680С. Параметры, учитывающие влияние размеров и концентрации абразивных частиц

А1 =А2 =дк[1-е-

]а2'5 К

J усл к

(7)

Подставив значения параметров в формулу (7) получим А1=А2= 251,47. Параметры напряженности работы дизеля

„ В а Ь Е

Р = Т.Э Н 0Т>

оЬк у ^еь „ В а Ь Е

Р = Т.Э Н 0Т> Р 2

о8к У ^еь

(8)

(9)

Подставив значения параметров в формулы (8), (9) получим Р1= 5,466, Р2= 2,187. Параметры М1 и М2, зависящие от качества рабочих поверхностей, будем определять по формулам (2) и (3) для

п

н

В

0'0868^(К)

различных значений твердости зеркала цилиндра HB2 = 2000-1250 МПа при постоянной твердости поверхности кольца НВ1=2000-1250 МПа. Результаты расчета сведены в табл. 2.

Как видно из приведенных данных, с уменьшением твердости рабочей поверхности втулки цилиндра ресурс ее работы значительно уменьшается из-за роста интенсивности износа. Уменьшается при этом и ресурс поршневого кольца что, по видимому, объясняется увеличением концентрации продуктов износа в зоне контакта, хотя и менее интенсивно, чем ресурс втулки цилиндра.

В целом, если за исходные данные принять значения твердости закаленной ТВЧ рабочей поверхности втулки цилиндра HB2=2000 МПа, рабочей поверхности хромированного поршневого кольца HB1=7000 МПа и ресурс работы сопряжения - Т = 7000ч, то зависимость ресурса от реально полученной твердости можно аппроксимировать следующей формулой:

нб

Т=700°(нв^)2 = 0,175(НБ2)2 где НВ2 - твердость зеркала цилиндра, МПа.

Подставив значения Ai, Pi, Mi, в формулу (1) получим значение скорости изнашивания и, как следствие, ресурс работы сопряжения втулки цилиндра с верхним компрессионным кольцом. Результаты расчета приведены в табл. 3.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Балакшин, Б.С. Взаимозаменяемость и технические измерения в машиностроении / Б. С. Балакшин, С. С. Волосов, И.В. Дунин-Барковский и др. - М.: Машиностроение, 1972. 616 с.

2. Рохлин, А.Г. Технология производства судовых дизелей - Л.: Судостроение, 1969. 270 с.

3. Справочник по чугунному литью / Под ред. д.т.н. Н.Г. Гиршовича. 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отд., 1978. 758 с.

4. Мишин, ИА. Долговечность двигателей. 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отд.,1976. 288 с.

5. Бочкарев, В.Н. Технологические расчеты точности при производстве судовых высокооборотных дизелей. - Махачкала: ДГУ, 1983. 80 с.

6. Южаков, И.В. Абразивный износ сопряжения гильза-поршневое кольцо / И.В. Южаков, Г.Я. Ям-польский, Г.А. Рыбаков. - М.: Автомобильная промышленность, 1977. С. 7-9.

7. Левандашев, Л.О. Определение прогнозируемой скорости абразивного изнашивания поршневых колец тракторных двигателей / Л.О. Левандашев, В.Д. Евдокимов. - Л.: Двигателестроение, 1985. С. 7-10.

Таблица 2. Результаты расчетов

HB2 (МПа) 2000 1750 1500 1250

M1.10-6 0,622 0,491 0,372 0,267

1M.10"6 0.348 0.257 0.18 0.18

Таблица 3. Результаты расчетов

HB2 (МПа) 2000 1750 1500 1250

I1.10"° (мм/ч) 36,68 46,47 61,33 85,45

I2.10-' (мм/ч) 26,23 35,52 50,72 77,37

Ть ч. 5450-6820 4900-5380 3660-4060 2340-2930

Т1, ч. 7625-9530 5630-7640 3940-4930 2585-3230

ASSESSMENT THE RESOURCE OF INTERFACE "CYLINDER PLUG -PISTON RING" AT SMALL-SIZED SHIP DIESELS

© 2013 N.V . Pakhomova

Caspian Institute of Marine and River Transport, Astrakhan

The settlement and analytical technique of definition the durability of interface "cylinder plug - top piston ring" in relation to small-sized ship diesels on the basis of set parametrical ratios is offered.

Key words: cylinder plug, piston ring, resource, durability, wear, hardness, wear speed, iron casting

Nadezhda Pakhomova, Head of the Department of Conventional Training and Professional Qualification. E-mail: nb.13@mail.ru