Научная статья на тему 'ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВЕ СОГЛАСОВАНИЕМ МЕТОДОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И СИСТЕМЫ ТО И РЕМОНТОВ'

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВЕ СОГЛАСОВАНИЕМ МЕТОДОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И СИСТЕМЫ ТО И РЕМОНТОВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
77
10
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГОЛОВКА ЦИЛИНДРОВ / ТЕРМОУСТАЛОСТНЫЕ ТРЕЩИНЫ / СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ / РЕМОНТНО-ОБСЛУЖИВАЮЩИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ / РЕСУРС / ДЕКОНЦЕНТРАТОР / МЕЖКЛАПАННАЯ ПЕРЕМЫЧКА

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Чекмарев В. В.

В ходе эксплуатации автотракторных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), поддержании их в работоспособном состоянии, а также при проведении технического обслуживания часто встает вопрос о выбраковывании корпусных деталей, в частности головок цилиндров из-за наличия трещин на тепловоспринимающей поверхности. Нами проведен комплекс исследований и разработка технологий, позволяющих не только восстанавливать работоспособность головок цилиндров с трещинами в межклапанных перемычках, но и увеличивать их долговечность при сравнительно не высоких материальных затратах. Цель исследований - повышение долговечности головок цилиндров автотракторных дизельных двигателей с термоусталостными трещинами в межклапанных перемычках и согласование существующей системы ТО и ремонтов с ресурсами разработанных способов восстановления этого дефекта. На любом этапе эксплуатации головок цилиндров автотракторных ДВС с термоусталостными трещинами в межклапанных перемычках (за исключением ГЦ со сквозными трещинами) имеются технологические процессы восстановления, позволяющие вернуть работоспособность этим дорогостоящим деталям с увеличением их ресурса. Технологии нанесения деконцентраторов напряжений, как показали эксплуатационные испытания, повышают долговечность головок цилиндров, гарантируя полное отсутствие трещин при сроках до 12000 мото-часов и минимуме затрат на механическую обработку.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотрDOI: 10.24412/2311-6447-2023-1-169-176
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

IMPROVING THE DURABILITY OF THE CYLINDER HEADS OF AUTOMOTIVE INTERNAL COMBUSTION ENGINES BY COORDINATING THE METHODS OF REST

During the operation of automotive internal combustion engines (ICE), maintaining them in working condition, as well as during maintenance, the question often arises about the rejection of body parts, in particular cylinder heads due to the presence of cracks on the heat-sensing surface. We have carried out a complex of research and development of technologies that allow not only to restore the operability of cylinder heads with cracks in the inter-valve lintels, but also to increase their durability at relatively low material costs. The conducted studies have shown that up to 85 % of the cylinder heads of diesel engines with direct fuel injection by the time of major repairs have such a defect as thermal fatigue cracks in the lintels between the nozzle opening and valve sockets. The most effective methods of restoration are the method of applying stress deconcentrators, for which the earlier it is applied, the greater the effect can be obtained. Then it is necessary to mark the method of reinforcing the nozzle hole, which is applicable for cracks up to 2 mm in size and can significantly reduce the likelihood of new cracks. For cylinder heads with larger cracks, a recovery method is recommended by replacing the firing bottom. Compared to the previous ones, it has the least resource, but this resource refers to the bottom - the part being replaced. The durability of the cylinder head under the bottom also increases at the same time.

Текст научной работы на тему «ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВЕ СОГЛАСОВАНИЕМ МЕТОДОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И СИСТЕМЫ ТО И РЕМОНТОВ»

УДК 621.436.12:620.169.1 DOI 10.24412/2311 -6447-2023-1 -169-176

Повышение долговечности головок цилиндров автотракторных две согласованием методов восстановления и системы ТО и ремонтов

Improving the durability of the cylinder heads of automotive internal combustion engines by coordinating the methods of restoration and

maintenance and repair systems

Доцент В.В. Чекмарев (ORCID 0000-0002-8347-7087) Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н.И. Вавилова, кафедра технического обеспечения АПК, тел. +79603506714,

с hekmar ev. vfityandex. ru

Associate Professor V.V. Chekmarev Saratov State University of Genetics, Biotechnology and Engineering named after N.I. Vavilov, chair of Technical Support of the Agro-Industrial Complex, tel. +79603506714, chekmarev .v@yandex. r u

Аннотация. В ходе эксплуатации автотракторных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), поддержании их в работоспособном состоянии, а также при проведении технического обслуживания часто встает вопрос о выбраковывании корпусных деталей, в частности головок цилиндров из-за наличия трещин на тепловоспринимающей поверхности. Нами проведен комплекс исследований и разработка технологий, позволяющих не только восстанавливать работоспособность головок цилиндров с трещинами в межклапанных перемычках, но и увеличивать их долговечность при сравнительно не высоких материальных затратах. Цель исследований - повышение долговечности головок цилиндров автотракторных дизельных двигателей с термоусталостными трещинами в межклапанных перемычках и согласование существующей системы ТО и ремонтов с ресурсами разработанных способов восстановления этого дефекта. На любом этапе эксплуатации головок цилиндров автотракторных ДВС с термоусталостными трещинами в межклапанных перемычках (за исключением ГЦ со сквозными трещинами) имеются технологические процессы восстановления, позволяющие вернз'ть работоспособность этим дорогостоящим деталям с увеличением их ресурса. Технологии нанесения деконцентраторов напряжений, как показали эксплуатационные испытания, повышают долговечность головок цилиндров, гарантируя полное отсутствие трещин при сроках до 12000 мото-часов и минимуме затрат на механическую обработку.

Abstract. During the operation of automotive internal combustion engines (ICE), maintaining them in working condition, as well as during maintenance, the question often arises about the rejection of body parts, in particular C3'linder heads due to the presence of cracks on the heat-sensing surface. We have carried out a complex of research and development of technologies that allow not only to restore the operability of cylinder heads with cracks in the inter-valve lintels, but also to increase their durability at relatively low material costs. The conducted studies have shown that up to 85 % of the cylinder heads of diesel engines with direct fuel injection by the time of major repairs have such a defect as thermal fatigue cracks in the lintels between the nozzle opening and valve sockets. The most effective methods of restoration are the method of applying stress deconcentrators, for which the earlier it is applied, the greater the effect can be obtained. Then it is necessary to mark the method of reinforcing the nozzle hole, which is applicable for cracks up to 2 mm in size and can significantly reduce the likelihood of new cracks. For cylinder heads with larger cracks, a recoveiy method is recommended by replacing the firing bottom. Compared to the previous ones, it has the least resource, but this resource refers to the bottom - the part being replaced. The durability of the cylinder head under the bottom also increases at the same time.

Ключевые слова: головка цилиндров, термоустзлостные трещины, способ восстановления, ремонтно-обслуживающие воздействия, ресурс, деконцентратор, межклапанная перемычка

Keywords: cylinder head, thermal fatigue cracks, recover}' method, repair-but-maintenance effects, resource, deconcentrator, inter-valve jumper

<0 B.B. Чекмарев, 2023

В ходе эксплуатации автотракторных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), поддержании их в работоспособном состоянии, а также прп проведении технического обслуживания часто встает вопрос о выбраковывании корпусных деталей, в частности головок цилиндров нз-за наличия трещин на тепловоспринимающей поверхности [1,2,3]. Проведен комплекс исследований и разработка технологий, позволяющих не только восстанавливать работоспособность головок цилиндров с трещинами в межклапанных перемычках, но и увеличивать их долговечность при сравнительно не высоких материальных затратах. Головки цилиндров автотракторных двигателей внутреннего сгорания являются одними из наиболее нагруженных в силовом отношении деталей [4,5,6]. Сложность их конструкции из-за наличия газораспределительных каналов, системы охлаждения, элементов для подачи топлива, а также обеспечения герметичности камеры сгорания определяет их высокую функциональную значимость и стоимость при необходимости замены. Цель исследований - повышение долговечности головок цилиндров автотракторных дизельных двигателей с термоусталостными трещинами в межклапанных перемычках и согласование существующей системы ТО и ремонтов с ресурсами разработанных способов восстановления этого дефекта. Материалом головок цилиндров автотракторных дизелей является чугун различного химического состава [7]. В качестве материалов, призванных повышать теплоотдачу от перегретых зон головки цилиндров, а также улучшать теплопередачу при контакте отдельных элементов конструкции, применялась медь МЗ. При исследованиях дефектов головок цилиндров, в частности термоусталостных трещин, применялись такие приборы, как электропотенциальный дефектоскоп Э1Щ-3, вихретоковый индикатор трещпн ВИТ-2. На данном этапе основными методами исследований являлись эксплуатационные испытания головок цилиндров автотракторных дизелей, восстановленных предлагаемыми способами. Испытания проводились по стандартным методикам для двигателей, оснащенных головками цилиндров, восстановленными заменой огневого днища, установкой армирующих форсуночное отверстие теплопроводных втулок, а также с нанесенными деконцентраторами напряжений.

Головки цилиндров с учетом выше названных факторов, как правило, подвергаются ремонтно-восстановительным воздействиям и только в крайних случаях выбраковываются в утиль. Среди дефектов, которые устраняются в ходе восстановления, есть целый ряд имеющих достаточно отработанные технологии: износ направляющих втулок и седел клапанов газораспределения, коробление плоскости прилегания к блоку цилиндров (привалочной плоскости), замена оборвавшихся шпилек, износ и срыв резьбы в отверстиях. Отдельно, по нашему мнению, надо выделить такой дефект головок цилиндров автотракторных дизелей с непосредственным впрыском топлива, как термоусталостные трещины в межклапанных перемычках и перемычках между гнездами клапанов и форсуночным отверстием (рис. 1).

Рис. 1. Трещины в перемычках между форсуночным отверстием и гнездами клапанов головки цилиндров двигателя ЯМЗ-2Э8НБ

Этот дефект в головках цилиндров данного типа составляет до 44 % от поступающих в капитальный ремонт [8,9]. Поскольку материалом головок цилиндров автотракторных дизелей является специальный серый чугун, то восстановление этого дефекта (рис. 2) способами заварки малоэффективно по причине быстрого повторного появления трещин в отбеленных переходных зонах сварочных швов [10].

1,5Прочи« {размораживание, раковины и др.)

.обрыв клапана

ч.угрещины в каналах газораспределения

-е ч

короблениепривалочной плоскости

30 износ и трещины седел клапанов

трещине) в межклапэнмых

8

перемычках

20

40

60

80

Рис. 2. Распределение дефектов головок цилиндров двигателей ЯМЗ-238:

- количество трещин, обнаруженных: визуальным контролем

- количество трещин, обнаруженных при контроле прибором

При наличии трещин значительной величины, но не сквозных (достигших рубашки охлаждения) можно порекомендовать использовать такой способ восстановления, как замена огневого днища (рис. 3).

Рис. 3. Сечение головки цилиндров, восстановленной постановкой вставного днища с медной прокладкой и уплотнителъной втулкой: 1 - вставное огневое днигце из чугуна СЧ25; 2 - теплопроводная прокладка из меди МЗ; 3 - уплотнительная втулка из меди МЗ

Суть его состоит в подготовке расточки на тепловоспринимающей поверхности головки цилиндров соосной с осью цилиндра диаметром несколько превышающим диаметр гильзы. Глубина расточки составляет около 2/3 от толщины днища. Затем устанавливается через теплопроводную прокладку вставное днище, выполняются расточки под ремонтные гнезда клапанов и отверстие под форсунку. Исследования автора показали возможность реализации этого способа восстановления. Установлено, что ресурс таких головок цилиндров может составлять до 3000-3200 мото-часов. Еще в ходе исследований и испытаний выяснилось, что после появления трещин во

вставных днищах их можно устанавливать повторно. Трещины под вставным днище значительно замедляют свое развитие и практически отсутствуют. Продолжать эксплуатацию головки цилиндров далее возможно с сохранением ресурса до 3000-3200 мото-часов.

Для головок цилиндров с только что появившимися трещинами размером до 2 мм можно порекомендовать способ восстановления - армирование форсуночного отверстия втулками из теплопроводных материалов (рис. 4).

X 6_

1 - седло клапана; 2 - тепловоспринимающая поверхность огневого днища головки блока цилиндров; 3 - выпускной канал; 4 - форсуночный стакан; 5 - впускной канал; б - втулка из теплопроводного материала

В предварительно рассверленное специальным ступенчатым зенкером форсуночное отверстие со стороны форсуночного стакана запрессовывается втулка из теплопроводного материала (медь МЗ). Трещины при зенкеровании удаляются, поскольку их начало всегда расположено на кромке форсуночного отверстия. В результате этой операции увеличивается теплоотвод из центральной части огневого днища и выравнивается температурное поле, снижается термическая напряженность огневого днища головки цилиндров (ГЦ) в самом теплонапряженном месте. Благодаря этому развитие трещин прекращается, ГЦ гарантированно может эксплуатироваться с ресурсом 5500-6000 мото-часов.

Высокоэффективным средством увеличения ресурса головок цилиндров является также нанесение на огневое днище в зоне форсуночного отверстия декон центраторов напряжений (рис. 5).

Рис. 5. Деконцентраторы напряжений на тепловоспринимающей поверхности головки цилиндров

Деконцентраторы напряжений выполнены перпендикулярно плоскости огневого днища на глубину нерабочего углубления гнезд клапанов, не превышая 3,5-5 мм, что позволяет не ослаблять посадочные места под вставные седла клапанов и головку блока в целом. Ресурс головок цилиндров с нанесенными деконцентраторами напряже-

ний достигает 6000-6500 мото-часов.

Деконцентраторы напряжений рекомендуется наносить на ГЦ, бывшие в эксплуатации, а также на головки цилиндров, поступившие в эксплуатацию в качестве запасных частей.

В днища головок цилиндров, поступающих в ремонт, рекомендуется устанавливать деконцентраторы напряжений до того, как их привалочная плоскость достигает предельной деформации (0,2 мм) или до образования термоусталостных трещин, т.е. на первом техническом обслуживании (ТО 3) (рис. 6) при наработке 960 мото-часов, так как в этот период деформация не достигла предельно допустимого значения.

При втором ТО 3, как показывает практика, на тепловоспринимающей поверхности ГЦ деформация достигает предельного значения и начинают образовываться термоусталостные микротрещины. Простота форм деконцентраторов напряжений и малая трудоемкость выполняемых работ позволяет производить операцию по установке деконцентраторов напряжений в условиях малых предприятий технического сервиса. При выполнении технологических операций не требуется сложной оснастки и станочного оборудования. Применение деконцентраторов напряжений позволяет сократить два плановых текущих ремонта ГЦ в процессе эксплуатации, исключить из структуры ремонтно-обслуживающих воздействий все возможные неплановые текущие ремонты для устранения отказов, связанных с появлением термоусталостных трещин, снизить трудоемкость при капитальном ремонте и уменьшить простои, связанные с выполнением плановых и внеплановых текущих ремонтов ГЦ, а также затраты на их выполнение.

Рис. 6. Структура ремонтно-обслуживающих воздействий:

а - без деконцентраторов

ш

ОН - текущий ремонт плановый

не плановый текущии ремонт Кр - плановый капитальный ремонт

б-с декониентраторами ТОЗ

□ -третье техническое обслуживание ДН

-нанесение декониентраторж напряжений

-текущий ремонт плановый

Если рассмотреть графическую зависимость работоспособности, с помощью вероятности P(t) отсутствия термоусталостных трещин в течение заданного срока службы описываемую выражением:

P(t)=l-n(t)/n,

где n(t) - число головок цилиндров с трещинами к моменту времени t или концу

наработки; п - число деталей, подвергнутым испытаниям,

173

связанную с системой ремонтно-обслуживаюшдх воздействий автотракторных дизелей, то с учетом разработанных способов восстановления, её можно представить в следующем виде (рис. 7).

Рис. 7. Изменение вероятности отсутствия трещин в зависимости от срока службы головок цилиндров, восстановленных разработанными способами: А - точка установки декон-центраторов напряжений на новой ГЦ; В - точка установки деконцентраторов напряжений или арлшрования теплопроводными втулками при ТО 3; С - восстановление ГЦ установкой вставного огневого днища; В - повторное восстановление ГЦ с установкой вставного огневого днища; Е - точка выбраковки ГЦ; Ег точка начала работы ГЦ под вставным днищем

Анализируя представленные крпвые, следует уточнить, что кривая 1 характеризует вероятность отсутствия трещин, в случае если деконцентраторы напряжений устанавливаются на новые головки цилиндров в качестве профилактической меры. Кривая 2 характеризует вероятность отсутствия трещин, в случае если деконцентраторы напряжений наносятся на головки цилиндров при ТО 3. Кривая 3 соответствует серийной ГЦ, причем после точки Е головка либо должна быть выбракована в утиль в соответствии с техническими требованиями на капитальный ремонт, либо восстановлена, например, способом установки вставного огневого днища (если трещины не сквозные). Кривые 4 и 5 соответствуют вставным огневым днищам ГЦ при первой и второй установке соответственно. Кривая 6 характеризует работу ГЦ под вставным днищем. Перепад между точками Ей Е1 обусловлен снижением вероятности наличия трещин на глубине выполненной расточки под вставное днище. Следует заметить, что целью рис. 7 было показать место разработанных способов в системе ремонтно-обслуживающцх воздействий, но не абсолютные значения вероятностей отсутствия трещин при определенной наработке.

Подводя итог, отмечаем, что на любом этапе эксплуатации головок цилиндров автотракторных ДВС с термоусталостными трещинами в межклапанных перемычках (за исключением ГЦ со сквозными трещинами) имеются технологические процессы восстановления, позволяющие вернуть работоспособность этим ответственным и дорогостоящим деталям с увеличением их ресурса. Технологии нанесения деконцентраторов напряжений, как показали эксплуатационные испытанпя, повышают долговечность головок цилиндров, гарантируя полное отсутствие трещин при сроках до 12000 мото-часов и минимуме затрат на механическую обработку.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бошуров Б.П., Шарик В.В. Причины отказов деталей цилиндропоршневой группы главных двигателей дизельных энергетических установок / /Тяжелое машиностроение. 2007. -No 9. -С. 36-37.

2. Study on the optimal design of engine cylinder head by parametric structure characterization with weight distribution criterion / Jun Hong, Baotong Li, Yubao Chen, Huei Peng //October 2011 Journal of Mechanical Science and Technology 25(10):2607-2614. D01:10.1007/sl2206-011-0631-5

3. Analysis of manufacturing effects on fatigue failure of an automotive component using finite element methods/ W. J. KANG, G. H. KIM//July 2009Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures 32(8):619 - 630. DOklO.lll l/j.1460-2695.2009. 01368.x

4. Фомин B.M., Кошеленко А.С., Жедь О.В. Исследование характера распределения напряжений в днпще крышки цилиндров двигателя внутреннего сгорания / / Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования, 2003. -№ 1. -С.ЧЗ-47.

5. Полуян А.Г., Литвинов М.В., Полуян В.А. Повышение ресурса двигателей ЯМЗ-240 // Техника в сельском хозяйстве. 2007. -No 6. -С. 51-53.

6. Тихоненков С.М. Форсирование двигателей внутреннего сгорания // Вестник машиностроения. 2008. 12. -С. 17-20.

7. Межецкий Г.Д., Чекмарев В.В., Межецкий Д.В. Влияние химических элементов на релаксацию и прочность деталей ДВС, работающих в термоусталостном режиме // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова, 2012. - №2. - С. 58-60.

8. Межецкпй Г.Д., Чекмарев В.В., Межецкий Д.В. Механика образования трещин в деталях двигателей внутреннего сгорания при малоцикловом термоусталостном режиме // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. 2009. Nq 10. С. 54-58.

9. Межецкий Г.Д., Чекмарев В.В., Захаров А.А. Теоретические основы повышения долговечности головок и крышек цилиндров дпзелей / / Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова, 2005. - №2. - С. 55-58.

10. Короткое В.А. Комбинированные технологии восстановления чугунных корпусов // Ремонт. Восстановление. Модернизация, 2017. -№4. -С. 3-6.

REFERENCES

1. Boshurov В.P., SHarik V.V. Prichiny otkazov detalej cilindroporshnevoj gruppy glavnyh dvigatelej dizel'nyh energeticheskih ustanovok / /Tyazheloe mashinostroenie. 2007. -№ 9. -S. 36-37.

2. Study on the optimal design of engine cylinder head by parametric structure characterization with weight distribution criterion / Jun Hong, Baotong Li, Yubao Chen, Huei Peng //October 2011 Journal of Mechanical Science and Technology 25(10):2607-2614. DOI: 10.1007/si2206-011-0631-5

3. Analysis of manufacturing effects on fatigue failure of an automotive component using finite element methods/ W. J. KANG, G. H. KIM//July 2009Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures 32(8):619 - 630. D01:10.1111/j.l460-2695.2009. 01368.x

4. Fomin V.M., Koshelenko A.S., ZHed' O.V. Issledovanie haraktera rasprede-leniya napryazhenij v dnishche kryshki cilindrov dvigatelya vnutrennego sgo-raniya / / Vestnik Rossijskogo universiteta druzhby narodov. Seriya: Inzhe-nernye issledovaniya, 2003. -No 1. -S. 43-47.

5. Poluyan A.G., Litvinov M.V., Poluyan V.A. Povyshenie resursa dvigatelej YAMZ-240 // Tekhnika v sel'skom hozyajstve. 2007. -№ 6. -S. 51-53.

6. Tihonenkov S.M. Forsirovanie dvigatelej vnutrennego sgoraniya // Vest-nik mashinostroeniya. 2008. -Ns 12. -S. 17-20.

7. Mezheckij G.D., CHekmarev V.V., Mezheckij D.V. VHyanie himicheskih ele-mentov na relaksaciyu i prochnost' detalej DVS, rabotayushchih v termousta-lostnom rezhime // Vestnik Saratovskogo gosagrouniversiteta im. N.I. Va-vilova, 2012. - №2. -S. 58-60.

8. Mezheckij G.D., CHekmarev V.V., Mezheckij D.V. Mekhanika obrazovaniya tre-shchin v detalyah dvigatelej vnutrennego sgoraniya pri malociklovom termo-ustalostnom rezhime // Vestnik Saratovskogo gosagrouniversiteta im. N.I. Vavilova. 2009. Na 10. S. 54-58.

9. Mezheckij G.D., CHekmarev V.V., Zaharov A.A. Teoreticheskie osnovy povy-sheniya dolgovechnosti golovok i kryshek cilindrov dizelej / / Vestnik Sa-ratovskogo gosagrouniversiteta im. N.I. Vavilova, 2005. - Ns2. - S. 55-58.

10. Korotkov V.A. Kombinirovannye tekhnologii vosstanovleniya chugunnyh kor-pusov // Remont. Vosstanovlenie. Modemizaciya, 2017. -№4. -S. 3-6.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.