CC BY
59
УДК 621.43.06 ББК 31.365.4-042-02
О. Г. Гасангусенов
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, НАГРУЗКИ И СКОРОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ СОПРЯЖЕНИЯ КАНАВКА ПОРШНЯ - ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО МАЛОРАЗМЕРНОГО ДИЗЕЛЯ
O. G. Gasangusenov
COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL STUDY OFIMPACT OF TEMPERATURE, LOAD AND SLIDING SPEED ON DURABILITY OF COUPLING PISTON GROOVE - PISTON RING OF SMALL ENGINE
Рассматриваются расчетные и экспериментальные данные влияния скорости скольжения, температуры и удельного давления на износ сопряжения канавка поршня - верхнее поршневое кольцо. Эти данные позволяют оценить роль каждого параметра в процессе изнашивания торцевых поверхностей до достижения предельно допустимого значения торцевого зазора S1 = 0,4 мм, определяющего долговечность пары трения.
Ключевые слова: долговечность кривошипно-шатунного механизма, удельное давление на пару трения, скорость скольжения в паре трения, температура в паре трения.
The calculated and experimental data of influence of sliding speed, temperatures and specific pressure on the wearing of coupling piston groove - top piston ring are considered. These data allow to evaluate the role of each parameter during the wearing process of the end faces till achievement of extreme value of end clearance S1 = 0.4 mm, determining the durability of friction pairs.
Key words: durability of crank mechanism, specific pressure upon friction pair, sliding speed in friction pair, temperature in friction pair.
Долговечность кривошипно-шатунного механизма (КШМ) судового малоразмерного дизеля (СМД) определяется его наработкой до увеличения торцевого зазора в сопряжении канавка поршня - поршневое кольцо с исходного 0,08 мм до предельно допустимого 0,4 мм. Характер износа торцевых поверхностей канавки поршня и первого поршневого кольца строго закономерный, а темп их износа составляет 0,053 мкм/ч для дизеля 4Ч 8,5/11 с вихревой камерой сгорания и 0,071 мкм/ч при переводе его на камеру ЦНИДИ в поршне.
Факторами, оказывающими решающее влияние на указанный износ, являются:
— удельное давление на пару трения, обусловленное силами давления газов и силами инерции в КШМ;
— скорость скольжения в паре трения, обусловленная вынужденными радиальными перемещениями кольца в канавке при перекладке поршня в пределах диаметрального зазора, овали-зацией и неравномерным износом зеркала цилиндра и высокочастотной вибрацией стенки цилиндра от действия знакопеременной боковой силы при перекладке поршня;
— температура в паре трения, усиливающая попадание на трущиеся поверхности продуктов коксования моторного масла с насыщением ими торцевых поверхностей канавки, что повышает их износостойкость и приводит к усиленному истиранию поверхностей поршневого кольца.
Объективная оценка относительной роли каждого фактора представляет повышенный интерес. В этой связи были изучены условия работы сопряжения канавка поршня - поршневое кольцо и на этой основе разработана физическая модель трения и изнашивания торцевых поверхностей канавки и кольца, что позволило теоретически оценить роль температуры Т, равной
26 %, роль нагрузки р, равной 34 %, скорости скольжения V, равной 40 %, долговечности та
пары трения, принятой за 100 %.
Задача сводится к поиску экспериментальных способов подтверждения достоверности указанных расчетных исследований, поэтому была осуществлена статистическая обработка результатов длительных стендовых испытаний, данных технической экспертизы и микрометража завода-изготовителя СМД, что позволило установить следующее:
— долговечность сопряжения канавка поршня - первое поршневое кольцо дизеля 4Ч 8,5/11 с вихревой камерой сгорания, температурой в зоне размещения сопряжения Тзс = 393 К, давлением сгорания рг = 7,4 МПа, частотой вращения коленчатого вала п = 25 с-1 составляет 6 000 ч;
— долговечность сопряжения канавка поршня - первое поршневое кольцо дизеля 4Ч 8,5/11 с камерой в поршне Тз.с = 463 К, рг = 8 МПа и п = 25 с-1 составляет 4 500 ч;
— при замене вихревой камеры сгорания на камеру в поршне давление сгорания р2 повышается с 7,4 до 8 МПа, температура в зоне размещения сопряжения Тзс увеличивается с 393 до 463 К, долговечность сопряжения снижается с 6 000 до 4 500 ч, или на 1 500 ч;
— вследствие неравномерности степени сжатия по цилиндрам на 1,5 ед. (е = 15,5 +17), давление сгорания р2 в определенных цилиндрах было меньше 7,4 МПа и не превышало 6,9 МПа. Сопряжение канавка поршня - первое поршневое кольцо поршней отдельных цилиндров, в которых давление сгорания не превышало 6,9 МПа, имело долговечность равную 8 000 ч (табл.);
— температура Тз.с = 393 и 463 К меньше приведенных (473^523 К) в [1, 2], при которых отмечается коксование моторного масла, а факт попадания на торцевые поверхности канавок поршней и колец твердых частиц продуктов коксования масла отмечается в каждой технической экспертизе, что свидетельствует о прорыве горячих газов в сопряжение;
— в целях снижения Т3с с 463 до 440 К, или на 23 град, для поршней с камерой в поршне расстояние от днища до первого поршневого кольца и его канавки было увеличено с 15,76 до 26 мм и проведены испытания длительностью 1 500 ч. Результаты исследований приведены в табл. 1.
Таблица 1
Долговечность сопряжения канавка поршня - первое поршневое кольцо при различных значениях рг, Т и V
Камера сгорания рг, МПа Тз.с, К Удельное давление в сопряжении р, МПа Скорость скольже- ния V, м/с Долговечность т, ч ^о , мм , мм Износ, мкм Темп износа, мкм/ч
Вихревая 6,9 393 23,4 0,011 8000 0,08 0,40 320 0,04
7,4 393 26,4 0,011 6000 0,08 0,40 320 0,053
7,4 393 26,4 0,0132 3500 0,08 0,40 320 0,091
В поршне 8,0 463 30,0 0,011 4500 0,08 0,40 320 0,071
ЦНИДИ 8,0 440 30,0 0,011 5400 0,08 0,40 289 0,0592
8,0 440 36,0 0,0132 3000 0,08 0,40 256 0,0856
Сравнительный анализ данных табл. 1 показывает, что:
1. Повышение Тз.с с 393 до 463 К, т. е. на 70 град, и снижение Тз.с с 463 до 440 К позволяет соответственно сократить долговечность рассматриваемого сопряжения с X = 6 000 до X = 4 500 ч, или на 1 500 ч, и увеличить X с 4 500 до 5 400 ч, т. е. на 900 ч. В результате среднее арифметическое изменение долговечности сопряжения оказывается на уровне 1 200 ч, что составляет 20 % от номинального значения X = 6 000 ч.
2. Повышение р2 с 7,4 до 8 МПа и его снижение с 7,4 до 6,9 МПа соответственно влияет на удельное давление в паре трения и приводит к сокращению долговечности сопряжения с X = 6 000 ч до X = 4 500 ч и к его повышению с X = 6 000 ч до X = 8 000 ч. В результате изменения нагрузки среднеарифметическое изменение долговечности сопряжения оказывается на уровне 1 750 ч, что составляет 27,5 % от номинального значения X = 6 000 ч.
3. Повышение скорости скольжения поршневого кольца в канавке поршня с 0,011 до 0,013 м/с, отмечаемое при повышении частоты вращения коленчатого вала с 25 до 30 с-1 приводит к снижению долговечности сопряжения с X = 5 400 ч до X = 3 000 ч, или на 2 400 ч, что составляет 33,3 % от номинального значения X = 6 000 ч.
4. У СМД 4Ч 8,5/11 отмечается неравномерность степени сжатия е на 1,5 ед. (15,5^17,0), что приводит к неравномерности максимального давления сгорания р2 в пределах 6,9^7,4 МПа и различию долговечности сопряжения канавка поршня - первое поршневое кольцо в пределах от 6 000 ч при е = 17 и до 8 000 ч при е = 15,5 по цилиндрам.
5. Долговечность сопряжений канавка поршня - второе и третье поршневые кольца составляет 10 500 ч. Графики зависимости долговечности сопряжения канавка поршня - первое поршневое кольцо от Т, р, Vи других параметров приведены на рис. 1, 2.
Рис. 1. Влияние удельного давления в сопряжении первое поршневое кольцо - канавка поршня
на его долговечность
Представленные на рис. 1 кривые 1 и 2 отличаются тем, что первая не учитывает, а вторая учитывает 20 %-ю поправку на снижение температуры в сопряжении на 23 град.
Таким образом, как показали экспериментальные исследования, совместное действие температуры Т, удельного давления р и скорости скольжения V в паре трения торцевые поверхности канавки поршня и первое поршневое кольцо изнашиваются на 80,8 %, а их износ еще на 19,2 % обусловлен совместным действием побочных факторов (рис. 2). Действием последних объясняется факт более низких значений экспериментальных данных по сравнению с теоретическими на 6,0^6,7 %.
Другие
Т + р + V
параметры
V V
Т + V
Т р р р
Т Т Т Т
20 40 60 80 100 % ч
Рис. 2. Влияние Т, Р, Vи других побочных факторов на износ торцевых поверхностей канавки поршня и первого поршневого кольца и долговечность их сопряжения
Так, экспериментально подтверждается роль температуры Тз.с на уровне 20 %, нагрузки р на уровне 27,5 % и скорости скольжения V на уровне 33,3 %.
В целях экспериментального подтверждения данных теоретических исследований в части повышения коэффициента ускорения испытаний были проведены стендовые испытания СМД 4Ч 8,5/11
с вихревой камерой сгорания и частотой вращения коленчатого вала 37,5 и 50 с-1 продолжительностью 1 500 ч. Повышение частоты вращения коленчатого вала с 25 до 37,5 и до 50 с-1 привело
к росту максимального давления сгорания рг с 6,9 до 7,25 и 7,7 МПа соответственно при е = 15,5.
При этом расчетная скорость скольжения в сопряжении первое поршневое кольцо - канавка поршня была повышена с 0,011 до 0,0165 и 0,022 м/с.
Результаты экспериментальных исследований и микрометража поршневого кольца и его канавки в поршне приведены в табл. 2.
Таблица 2
Темпы износа торцевых поверхностей кольца и канавки и условия испытания СМД 4Ч 8,5/11 с вихревой камерой сгорания
S мм о, р МПа г, P, МПа Т, К V, м/с Продолжительность испытаний, ч Износ, мкм Темп износа, мкм/ч Расчетная долговечность, ч
0,08 6,9 23,4 393 0,011 8 000 320 0,04 8 000 -1 при П = 25 с
0,08 7,25 24,59 393 0,0165 1 500 80 0,05 6 860 при п = 25 с-1 e
0,08 7,7 26,11 393 0,022 1 500 101 0,063 5 333 при п = 50 с-1 e
Анализ данных табл. 2 показывает, что при повышении скорости скольжения с 0,011 до
0,0165 м/с, т. е. на 50 %, износ сопряжения поршневое кольцо - канавка поршня за 1 500 ч работы повышается с 60,3 до 80 мкм или на 33,3 %, а при повышении скорости скольжения на 100 % -с 0,011 до 0,022 м/с отмечается рост износа с 60,3 до 101 мкм за 1 500 ч работы, т. е. на 67 %. В результате экспериментально подтверждена роль скорости скольжения в износе сопряжения первое поршневое кольцо - канавка поршня, которая в ходе теоретических исследований оценивалась на уровне 40 % и оказалась завышенной на 6,7 %. Несовпадение данных теоретических и экспериментальных исследований, во-первых, не достигает 10 %, а во-вторых, указывает на наличие факторов, не учтенных в ходе теоретических исследований. Расчетно-экспериментальные исследования позволили установить, что путем повышения температуры Т, удельного давления р и скорости скольжения V в паре трения поршневое кольцо - канавка продолжительность стендовых испытаний СМД с целью определения долговечности указанного сопряжения можно существенно сократить проведением ускоренных испытаний. Так, повышение температуры на 23 град позволяет сократить продолжительность стендовых испытаний тТм для определения долговечности сопряжения первое поршневое кольцо - канавка поршня СМД на 20 %, поэтому
т„ = т - 0,20т = т(1 - 0,20) = 0,8т ,
Тм и 1 и ' 1 ' 1 и1
где Ти - долговечность сопряжения первое поршневое кольцо - канавка поршня или продолжительность работы СМД до достижения предельно допустимого торцевого зазора 0,4 мм в рассматриваемом сопряжении.
Повышение удельного давления р за счет повышения р в пределах 6,9^8,5 МПа позволяет сократить продолжительность стендовых испытаний т для определения ти СМД на 27,5 %, и поэтому
т = т - 0,275 • т = 0,725 • т .
рм и 1 и 1 и
Повышение скорости скольжения V за счет повышения частоты вращения коленчатого вала в пределах 25 + 50 с-1 позволяет сократить продолжительность стендовых испытаний тум
для определения ти СМД на 33,3 %, поэтому
т.. = т - 0,333 • т = 0,667 • т .
Ум и 1 и 1 и
На основании изложенного можно получить для определения продолжительности уско-
ренных испытаний т СМД следующее выражение:
т = т - I (т - т„ ) + (т - т ) + (т - т„ ) I = т - т + т„ -
у и I ' и Тм' ' и рм' ' и VM/ I и и Тм
-т + т - т + т„ = (тТ + т + т„ ) - 2т. (1)
и рм и Ум v Тм рм Уму и к '
Согласно выражению (1):
при т = т = т = тт, = т ;
А Тм рм vm и у1 и 7
притТ = т т . = (т + т., ) - т ;
А Тм и у 2 ^ рм Уму и
при т = т т = ( т + т ) - т ;
А Ум и у4 v Тм рм ' и
прит = т т . = (тТ + т„ ) - т .
А рм и у 4 v Тм Ум' и
Таким образом, продолжительность стендовых испытаний для определения ти можно регулировать для СМД от наименьшего значения Хи = 480ч до наибольшего значения т = ти = 8 000 ч
в зависимости от используемых, для повышения темпа износа торцевых поверхностей поршневого кольца и канавки поршня, факторов (T, p, V) и их различных сочетаний. Последнее можно
обеспечить выбором значений степени сжатия s, максимального давления pz, угла опережения
подачи топлива, частоты вращения коленчатого вала, температуры поршня в зоне размещения
поршневых колец и др.
Сопоставление полученных данных с результатами теоретических исследований показывает, что их расхождение по температуре не превышает 26 - 20 = 6 %, по нагрузке - 34 - 27,5 = = 6,5 % и по скорости скольжения - 40 - 33,3 = 6,7 %. Эти значения можно рассматривать в качестве приемлемых в условиях таких экспериментов.
Полученные данные позволяют целенаправленно осуществить поиск технических решений для повышения срока службы сопряжения канавка поршня - первое поршневое кольцо, на их базе можно также разработать методику сокращения объема длительных испытаний для определения долговечности рассматриваемого сопряжения путем повышения температуры, нагрузки и скорости скольжения в паре трения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Брук М. А. Инженерные основы эксплуатации ДВС: учеб. пособие. - Л.: СЗЛИ, 1976. - 250 с.
2. Белов П. М., Бурячко В. Р., Акатов Е. И. Двигатели армейских машин: в 2 ч. Ч. 2. Конструкция и расчет. - М.: Воениздат, 1972. - 568 с.
REFERENCES
1. Bruk M. A. Inzhenernye osnovy ekspluatatsii DVS [Engineering basis of exploitation of engines of internal combustion]. Leningrad, SZLI, 1976. 250 p.
2. Belov P. M., Buriachko V. R., Akatov E. I. Dvigateli armeiskikh mashin: v 2 ch. Ch. 2. Konstruktsiia i raschet [Engines of military machinery: in 2 vol. Vol. 2. Designing and calculation]. Moscow, Voenizdat, 1972. 568 p.
Статья поступила в редакцию 20.02.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Гасангусенов Омар Гапизович - Махачкалинский филиал Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета); ассистент кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис»; [email protected].
Gasangusenov Omar Gapizovich - Makhachkala Branch of Moscow Automobile and Road Institute (State Technical University); Assistant of the Department "Exploitation of Automobile Transport and Autoservice"; [email protected].
