CC BY
45
УДК 621.43
А. А. Музаев, А. А. Шуаипов
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА СОПРЯЖЕНИЯ «ВТУЛКА ЦИЛИНДРА - ВЕРХНЕЕ КОМПРЕССИОННОЕ КОЛЬЦО»
ПО ОЖИДАЕМОМУ ИЗНОСУ
Одним из наиболее нагруженных, ответственных и ограничивающих ресурс двигателя является износ сопряжения «втулка цилиндра (на участке максимального износа в зоне остановки верхнего компрессионного кольца у верхней мертвой точки (ВМТ)) - верхнее компрессионное кольцо».
Кроме требования износостойкости, к втулкам предъявляется ряд других требований:
— низкое значение коэффициента трения;
— жесткость конструкции, обеспечивающая неизменность геометрических параметров работающего двигателя или их минимальное искажение;
— 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 [1].
Чешуйки графита, которые распределены по всему объему металла, хорошо задерживают теплоту на поверхности, а фосфидная сетка, имеющая большую твердость и слегка выступающая над поверхностью, 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. Типы чугуна, используемые для изготовления втулок цилиндров, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики различных типов чугуна, используемых для изготовления втулок
Тип чугуна Химический состав Твердость НВ
Углерод Фосфор Никель Хром Другие элементы
Обычный перлитный 3,2 0,6 - 03 - 293
С высоким содержанием фосфора 3,3 0,85 - 0,8 - 300
Закаливающийся 3,2 0,6 1,0 0,4 - 425
Азотируемый 2,7 0,2 - 1,5 1 % А1 950
Коррозионно-устойчивый 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:
а = ^
р 25 ’
где В - диаметр втулки, м; р2 - максимальное давление сгорания, МПа; 5 - толщина стенки втулки, м;
- сил, возникающих из-за разности температур по толщине стенки:
oí = Еач(Т1 - Т2)/2,
где Е - модуль упругости, МПа; О - коэффициент линейного расширения чугуна, °С-1; Т1 и Т2 -температура соответственно рабочей и охлаждаемой поверхности втулки, °С. Возможность учета влияния различных конструкторско-технических и эксплуатационных факторов на скорость доминирующего абразивного изнашивания втулки цилиндра и поршневых колец на стадии их проектирования является одним из важнейших факторов в решении сложной проблемы по обеспечению надежности двигателя в течение заданного срока службы.
В [2] рассмотрены закономерности изнашивания для наиболее нагруженного и ответственного сопряжения «втулка цилиндра - верхнее компрессионное кольцо». Показано, что на участке максимального износа втулок цилиндров (в зоне положения верхнего компрессионного кольца у ВМТ) 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 [2]:
Ал 2 р 2
I 2 = 0,0116 1,2 1,2 , мм/ч, (1)
1,2 Мл,2 ' '
где А12, Р12, М12 объединяют три группы факторов, учитывающих размеры и концентрацию абразивных частиц, содержащихся в единице объема воздуха (А1,2), параметры надежности работы двигателя (Р1,2) и качество рабочих поверхностей втулки цилиндра и поршневого кольца (М1,2). Выражения Ал,2, Рл,2, Мл,2 в [2] определены следующими зависимостями (табл. 2), где индекс «1» относится к поршневому кольцу, а индекс «2» - к втулке цилиндра.
Таблица 2
Формулы определения параметров А, Р и М
Тип двигателя Параметр Верхнее компрессионное кольцо Втулка цилиндра
Дизельный Ал = А 2 Чк -0,868^К-2 „ с 1 - е О К к
Р Вт.эа н -^0^ ВНк у Б^ 0 Вт.эа н -^0^ Уб^ 0
М нб|,5иб2 нв2,5нв1
иб1 + нв2 нбл + нв2
В табл. 2 приняты следующие обозначения: Втэ - часовой расход топлива, кг/ч; чк - массовая концентрация пыли в поступающем в цилиндр воздухе, мг/м3; - ход поршня, мм; О -
диаметр цилиндра, мм; Я - средний радиус абразивной частицы, мм; оусл - 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/м3; Нк - высота кольца, мм; г - радиус закругления кольца, мм; Бк - высота блока колец, мм; 2г
tg 0 =----угол между образующими поверхностей втулки и цилиндра; ИВ! и НВ2 - твердость
Ик
по Бринеллю сопрягаемых поверхностей соответственно кольца и втулки, МПа; X и Х2 -относительное удлинение соответственно материала кольца и втулки, %.
В [3] 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 формуле
м = (ИВ^р^е^2)2
1 ИВ^А + ИБ^^2 ,
где аЛ, и а2 - коэффициенты зависимости твердости по Бринеллю соответственно от температуры кольца Тл и цилиндра Т2; е - основание натурального логарифма. Дальнейшее уточнение функциональных зависимостей табл. 2 заключается в следующем.
M = (НБ^АХИБ^)2-5 (3)
2 НБ^Л + HБ2ea2t2 -
В выражение для параметра Р следует подставлять не паспортное значение расхода топлива при работе в номинальных режимах, а его среднестатистическое эксплуатационное значение, определяемое по формуле
BT-Э Ьє эNе д,
Ьє э = Ьє
Г П ' 1 э ( Пэ ^ 2
1,55 +
П, п..
V и V и
(4)
где Ье э - эксплуатационный удельный расход топлива, кг/(кВт • ч) (среднестатистическое значение); Nе э - среднестатистическая эксплуатационная мощность двигателя, кВт.
Nе э = ^ пэ/пн[0,87 + 0,13пэ/пн - (пэ/пн)2],
где пе = 0,748 пн - среднестатистическая частота вращения коленчатого вала в эксплуатации, мин-1; пн - частота вращения коленчатого вала при работе в номинальном режиме; Дн, Ьн -значения мощности и удельного расхода топлива при работе в 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 X, представляющий собой отношение запыленности воздуха на выходе к запыленности воздуха на входе воздухоочистителя [4].
Таким образом, в выражение для Ai в табл. 2 вводится дополнительный сомножитель Кк, а в выражении для Р{ расход топлива Вт заменяется на Втэ в формуле (4) и вводится дополнительный сомножитель X. При этом параметры Mi определяются по формулам (2) и (3).
Экспериментальные скорости изнашивания, по которым оценивалась точность расчета по формулам (1), (3) и по табл. 2, представляют собой среднеинтегральные величины, вычисляемые по выражению
1 T
Iэ = Т | Л,2(Т )dT = Bт,ГB■э -1
0
где Т - наработка, ч.
Экспериментальные исследования, выполненные для дизеля Д144 при стендовых испытаниях и при выполнении трактором различных сельскохозяйственных работ, в том числе транспортных перевозок, показали, что за время Т = 2 680 ч параметры износа кольца имели значения
1э = 0,0577 • 10-3 мм/ч; ап = 0,2261; От = 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
T = пред
= I ’
где I - определяется по формуле (1); Дпред - предельно допускаемый износ по условиям нормальной работы двигателя.
Подготовка исходных данных
Расчет скорости износа втулки цилиндра и ее зависимости от конструкторско-технологических факторов выполнен применительно к 4-цилиндровому судовому дизелю 4Ч 9,5/11 со следующими показателями номинального режима работы:
N = 40 л. с. (29,4 кВт); пн = 1 800 мин-1 (30 с-1), Ье = 0,2 кг/(л. с. ч) (0,272 кг/(кВт • ч);
пэ = 1 350 мин-1; Ве э = 0,19 кг/ч (0,258 кг/(кВт • ч);
N = 34,8 л. с. (25,59 кВт); В„ = 6,612 кг/ч.
В соответствии с требованиями рабочих чертежей штатных дизелей имеем:
Б = 95 мм; 5 = 110 мм; И = 3 мм; 5 = 14 мм; НВ2 = 20 МПа (32-37 НЯС);
Ь0 = 14,5 кг; ув = 1,2 кг/м3; сусл = 280 МПа; Кк = 0,79; X = 0,3;
Дпред = 0,2...0,25 мм; чя = 0,077 мг/м2; tg 0 = 0,005; Я = 7,5 мкм.
Число цилиндров пк = 4.
Коэффициент зависимости твердости материала от температуры [2]:
а! = -9,5 • 10-4; а2 = -5,1 • 10-4.
Расчет скорости износа и ресурса втулки цилиндра
Параметры, учитывающие влияние размеров и концентрации абразивных частиц:
Ь = 185 °С; Ь = 168 °С.
-0,0868— (К )2
1 - е Б
^2 5 к
^услКк •
(5)
Подставив значения параметров в формулу (5), получим Ал = А2 = 251,47. Параметры напряженности работы дизеля:
Р2 =
вт.эан ¿0 Х
БИку в tg 0к&
вт.эа н ¿0^
Б5кув tg 0И
(6)
(7)
Подставив значения параметров в формулы (6) и (7), получим Р1 = 5,466, Р2 = 2,187. Параметры Мл и М2, зависящие от качества рабочих поверхностей, будем определять по формулам (2) и (3) для различных значений твердости зеркала цилиндра НВ2 = 2 000...1 250 МПа при постоянной твердости поверхности кольца НВ2 = 2 000...1 250 МПа.
Результаты расчета сведены в табл. 3.
Таблица 3
НВ2, МПа 2 000 1 750 1 500 1 250
М1 10'6 0,622 0,491 0,372 0,267
М2 10'6 0,348 0,257 0,18 0,18
Подставив значения Аг, Р, М, в формулу (1), получим значение скорости изнашивания, а по формуле (4) - ресурс работы сопряжения «втулка цилиндра - верхнее компрессионное кольцо». Результаты расчета приведены в табл. 4.
Таблица 4
НВ2, МПа 2 000 1 750 1 500 1 250
її ■ 10'6 36,68 46,47 61,33 85,45
І2 ■ 10'6 26,23 35,52 50,72 77,37
Тї, ч 5 450-6 820 4 900-5 380 3 660-4 060 2 340-2 930
Т2, ч 7 625-9 530 5 630-7 640 3 940-4 930 2 585-3 230
Графическая зависимость ресурса сопряжения от твердости втулки цилиндра показана на рисунке.
1 250 1 500 1 750 2 000 НВ2, МПа
Влияние твердости рабочей поверхности втулки цилиндра на ее ресурс:
1 - зона твердости после закалки; 2 - зона твердости незакаленной втулки;
Тл - ресурс поршневого кольца; Т2 - ресурс втулки цилиндра
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, хотя и менее интенсивно, чем ресурс втулки цилиндра, что, по-видимому, объясняется увеличением концентрации продуктов износа в зоне контакта. В целом, если за исходные данные принять значения твердости закаленной токами высокой частоты рабочей поверхности втулки цилиндра НВ2 = 2 000 МПа, рабочей поверхности хромированного поршневого кольца НВ1 = 7 000 МПа и ресурс работы сопряжения -Т = 7 000 ч, то зависимость ресурса от реально полученной твердости можно аппроксимировать следующей формулой:
Т = 7000^НВ-^ = 0,175(НВ2)2 ,
где НВ2 - твердость зеркала цилиндра, МПа.
СПИСОК литературы
1. Справочник инженера автомобильной промышленности - М.: Изд-во машиностроит. лит., 1962. - 638 с.
2. Южаков И. В., Ямпольский Г. Я., Рыбаков Г. А. Абразивный износ сопряжения гильза-поршневое кольцо // Автомобильная промышленность. - 1977. - № 8. - С. 7-9.
3. Левандашев Л. О., Евдокимов В. Д. Определение прогнозируемой скорости абразивного изнашивания поршневых колец тракторных двигателей. - Л.: Двигателестроение, 1985. - С. 7-10.
4. Тракторные дизели: справочник / Б. А. Взоров и др.; под ред. Б. А. Взорова. - М.: Машиностроение, 1981. - 535 с.
Статья поступила в редакцию 28.07.2010
PREDICTION OF COUPLING RESOURCE
"CYLINDER SLEEVE - UPPER COMPRESSION RING”
ON THE EXPECTED WEAR
A. A. Muzaev, A. A. Shuaipov
The methodology of analytical calculation of coupling resource "cylinder sleeve - upper compression ring" is offered according to the expected values of its wear for ship small-sized diesel engines. The base of the calculation is statistical material for tractor engines of close dimensionality and having similar physical and mechanical characteristics of components materials of the cylinder-piston group.
Key words: resource, wear, wear rate, compression ring, cylinder sleeve, nominal values, medium operating values, abrasive particles, chemical composition of cast irons, hardness.
