CC BY
29
УДК 621.791.927.5.001.5
Серенко В. А., Зусин В. Я.
РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЕЙ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ЕЕ ОЦЕНКИ
При современном уровне форсирования автомобильных и тракторных дизелей только комплексная оценка работы каждого сопряжения даст возможность выйти на параметры технического уровня двигателя в целом.
Форсирование двигателей по среднему эффективному значению и частоте вращения коленчатого вала приводит к повышенной тепловой и динамической напряженности деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), от надежной работы которых зависят моторесурс и технико-экономические показатели двигателя в целом. Надежность ЦПГ в первую очередь определяется работоспособностью наиболее быстроизнашиваемой детали -поршня, выходящего из строя в основном из-за износа первой поршневой канавки [1,2,3].
На поверхность сопряжения кольцо - канавка (СКК) оказывают значительное влияние силовые (давление 7,5-15 МПа), динамические, упругие, термические (температура 470-570 К) и химические воздействия, которые усложняются своим циклическим характером [2].
На интенсивность износа СКК влияют: скорость относительного перемещения деталей, силы трения, инерции и радиального давления кольца, условия и качество смазки, ее гидродинамическое давление, количество присутствующих абразивных частиц и продуктов сгорания, конструктивные особенности, точность изготовления и материал деталей. В СКК наблюдаются все виды абразивного изнашивания (микрорезание, внедрение абразивных частиц в более мягкую матрицу, поверхностное деформирование микро-, объемов металла и т. д.), которые сопровождаются окислительными и другими электрохимическими процессами и протекают при температуре 470-570 К с ударным приложением нагрузки. Твердость алюминиевых сплавов из которых изготавливаются поршни, при этих температурах в 3-6 раз меньше, чем чугуна, стали и абразивных частиц. Поэтому можно считать, что в СКК первоначально абразив внедряется в более мягкую алюминиевую матрицу канавки поршня и происходит изнашивание кольца фиксированными частицами абразива.
По мере накопления абразивных частиц, продуктов изнашивания, коксовидных частиц от сгорания топлива и масла, создаются условия трения об абразивную прослойку, что приводит к увеличению изнашивания менее твердого материала, т. е. канавки поршня.
Так как практически невозможно устранить указанные виды изнашивания и разрушения в СКК, основное направление в увеличении долговечности СКК следует рассматривать с точки зрения снижения интенсивности протекающих процессов изнашивания. Таким решением является создание контактирующих поверхностей кольца и канавки из материалов с повышенной сопротивляемостью абразивному изнашиванию и пластической деформации при повышенных температурах.
Для удовлетворения предъявляемых требований материал поршня в зоне верхней канавки по сравнению с основным сплавом поршня должен иметь при повышенных температурах более высокую твердость для снижения абразивного изнашивания и жаропрочность для уменьшения пластической деформации.
Одним из способов достижения упомянутых свойств металла в зоне расположения верхней канавки, является наплавка в специально подготовленную разделку металла соответствующего состава.
Для количественной оценки свойств наплавленного металла существуют различ-
/
ные лабораторные и стендовые методики, имитирующие в той или иной степени реальные условия изнашивания СКК [2].
При разработке методик испытаний и лабораторных установок на ударно-абразивный износ стремятся, с одной стороны, обеспечить качественную картину, подобную условиям эксплуатации, и с другой - унифицировать испытания для возможности сравнения результатов.
Одним из путей ускоренного определения ресурса работы поршневых канавок в условиях эксплуатации является прогнозирование и оценка износа радиальной и торцевой поверхности по результатам усеченных испытаний двигателя на специальных стендах. Однако, такие испытания являются дорогостоящими и могут использоваться как заключительные.
Сравнительные же испытания, позволяющие отобрать наилучшие варианты наплавочных материалов и технологических процессов их нанесения, целесообразно проводить на специализированных лабораторных установках. С этой целью предложен способ, позволяющий производить испытания материалов на ударно-абразивный износ, используя комплекс изменяемых режимов и нагрузок без сложной переналадки и изменения конструкции оборудования. При разработке метода и установки для испытания была сделана попытка воспроизвести реальные условия работы СКК двигателей внутреннего сгорания.
Принципиальная схема установки изображена на рис. 1. На массивном основании 1 установлен электродвигатель постоянного или переменного тока 2, вращающий вал с эксцентриковым кулачком 3, имеющим ступенчатый переход. Кулачек взаимодействует с обоймой 4 через специальные упорные пластинки, одна из которых (левая на рис. 1.) может изменять свое положение с помощью винта.
Рис. 1 - Принципиальная схема установки для ударно-абразивных испытаний.
На обойму устанавливается пружина сжатия 5 р регулятором величины ее сжатия 6. Обойма вместе с упорными пластинами жестко крепится к кулисе 7, на которой устанавливается боек 8 (контртело), периодически взаимодействующий с испытуемым образцом 9, неподвижно закрепленным в специальном зажиме, охватываемом нагревательным устройством 10. Второй конец кулисы 7 через шатун 11 шарнирно соединен с основанием установки.
При каждом обороте кулачка происходит продольное (вдоль оси X) возвратно-поступательное перемещение контртела по отношению к испытуемому образцу 9, что имитирует взаимное перемещение кольца и поршня в СКК. Сила трения будет зависеть от силы нормального давления N контртела на образец. Последнее задается соответствующей величиной силы сжатия Р пружины 5.
Имитация ударного взаимодействия кольца-канавки в поршне осуществляется при периодическом подъеме коотртела над образцом на заданную высоту Ъ9 с последующим их соударением при срыве верхней пластины обоймы со ступеньки эксцентрика. Сила удара задается величинами Р и Ьв.
В процессе работы в зону трения может подаваться требуемая смазка и смесь смазки с абразивом.
а
_____I
Для поддержания температурного режима при испытании пары трения используется нагреватель 10, работающий в автоматическом режиме. Максимальная температура нагрева 700 К.
Закономерность ударно-абразивного взаимодействия контртела с образцом может быть определена при рассмотрении характера перемещения обоймы в процессе вращения кулачкового вала. На рис. 2. изображена схема взаимного расположения кулачка, пластин, обоймы и пары трения.
Рес. 2 - Схема взаимодействия кулачка с опорными пластинами.
Для получения аналитической зависимости перемещения контртела по отношению к образцу, рассмотрим вначале случай, когда между цилиндрической поверхностью кулачка радиусом г и пластинкой нет начального зазора (рис. 2,6). Величина ступеньки кулачка С зависит от соотношения геометрических параметров кулачка:
с = ех - г = 2е (1)
где е - эксцентриситет кулачка.
При повороте кулачка на угол р (рис. 2,в) плоскость пластины с начальным положением Ав-А0 переместится на некоторую величину х и займет новое положение
А, - . На эту же величину переместится в продольном направлении кулиса вместе с контртелом. Рассматривая геометрические построения на рис. 2, в найдем связь между величиной перемещения контртела х и углом 0 = оИ
• 2 ® *
Х = Св1П — ...
2 (2)
где © - угловая скорость вращения кулачка.
- Если между начальной поверхностью кулачка и радиусом г и контактной поверхностью пластинки будет задан начальный зазор Ах (см. рис. 2, а) то действительное перемещение контртела определится зависимостью
Х = С81П2—-Ах, ,,ч
2 О)
а начало перемещения будет происходить после достижения угла поворота величины
Р = 2 агсвт
Полная величина продольного хода контртела (размах цикла) за один оборот кулачка будет равна (рис. 2)
I
(5)
А = с - Лх 0< Ах <с 2г+с^(1^2г-(-с + Ах Перемещение контртела в вертикальном направлении (вдоль оси У) с целью образования зазора Ь0 (рис. 1.) будет определяться по зависимости, аналогичной формуле (3),
тс
с учетом углового смещения контактной пластины на величину — и соотношения разме-
2
ров кулисы
У = У
сет
тс + 2(3
, 4 . О £ Ау £ с
-Ау
(6)
где у = — - соотношение размеров кулисы (рис. 1). Ь
Максимальная величина подъема контртела над образцом (начальный зазор) опте
ределится из формулы (6), если принять р = —
Ь0=(с-Ау)
Взаимодействие пары трения будет происходить в те периоды времени, когда
у = 0.
Задавая определенные значения Дх и Ау можно получить различные параметры цикла ударно-абразивного изнашивания - от безударного знакопеременного трения (Ау > с), до чисто-ударного без трения (А, > с).
На рис. 3 изображены некоторые циклограммы относительного продольного
I £ ~ — 1 и поперечного [ Ь = — ] перемещений контртела.
£ в
-Ъ? О
¿а.-0
а
Ц25 О
I &
Л-
У ЗЖ ' ззг АХ сл
Рис. 3 - Циклограммы относительных перемещений контртела и Ь при различных начальных условиях: а - Ах = 0, Ау=0;б-Ах= 0,5с; Ду = 0,5с. Стрелками показано Направление перемещения.
Следует заметить, что при реализации чисто-ударного цикла шатун 11 (рис. 1) должен быть застопорен неподвижно. В качестве иллюстрации возможностей разработанной методики на рис. 4 приводятся результаты испытаний образцов из поршневого алюминиевого сплава марки АЛ25.
Рис. 4 - Зависимость осадки образца ДЬ от числа циклов ударно-абразивного нагружения при различных параметрах (Ь0 =0,5 мм; М=30кГ): 1 - Т= 523 К, А= 1 мм; 2 - Т= 293 К, А= 1 мм; 3 - Т = 523 К, А = 0 мм (удар без трения): 4 - Т = 293 К, А = 0 мм.
Образцы изготавливались в виде пластинок прямоугольного сечения размером 10x2 мм, контртело - цилиндр диаметром 16 мм из чугуна, идущего на изготовление компрессионных колец поршня.
Как видно из рисунка, новая методика оценки износостойкости СКК позволяет разделить основные факторы, определяющие работоспособность СКК (температура, удар, трение, смазка и др.), что необходимо при разработке материалов для упрочнения канавок и технологии их нанесения.
Перечень ссылок
1. Лызо Г. П., ЛызоА. П., Лозовский В. А. Тракторы, автомобили, двигатели. - М.: Выс-
шая школа, 1968. - 500 с.
2. ШалайА. Н. Исследование износа канавок алюминиевых поршней форсированных
двигателей // ТР ЦНИДИ. - 1979. - Вып. 76. - С. 74-77.
3. Канарчук В. Е. Долговечность и износ двигателей при динамических режимах работы.
- К.: Наукова думка, 1978. - 256 с.
