CC BY
84
УДК 621.431.00
ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА ГИЛЬЗЫ БЛОКА ЦИЛИНДРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ПОДВЕРЖЕННОГО КАВИТАЦИОННОМУ ИЗНОСУ
© Я.И.Заиченко1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Кавитация - образование и схлопывание пузырьков пара в жидкости, находящейся в состоянии, близком к кипению, приводит к разрушению цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Интенсивность кавитации снижают при помощи ряда мероприятий, в том числе за счет повышения стойкости поверхностей деталей в результате их восстановления. Задача данной работы - изучение процессов получения эпоксидных смол, их отверждения и адгезионных свойств к конкретным материалам различной природы для ремонта гильзы блока цилиндра двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Ключевые слова: кавитация; кавитационное изнашивание; научные исследования; смолы; восстановление.
REPAIR TECHNOLOGY FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE CYLINDER LINER EXPOSED TO CAVITATION WEAR Y.I. Zaichenko
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Cavitation - formation and collapse of vapor bubbles in the liquid in a state close to boiling - leads to the destruction of the internal combustion engine cylinders. The intensity of cavitation can be reduced through a series of measures, including improving the part surface resistance due to their recovery. The objective of this work is the study of epoxy resin production processes, their curing and adhesive properties to the specific materials of various nature in order to repair a cylinder liner of internal combustion engine.
Keywords: cavitation; cavitation wear; scientific researches; resins; recovery.
О надежности и долговечности машины судят обычно по стабильности рабочих характеристик, заложенных в ней при изготовлении. В условиях эксплуатации стабильность механизмов и систем двигателя нарушается по многим причинам. Неисправности могут возникнуть как в результате нарушения регулировок, устранимых в процессе эксплуатации, так и вследствие естественного износа деталей сопряжений, не устранимого простой регулировкой.
Долговечность, как правило, определяется естественным износом сопрягаемых деталей, в основном износостойкостью таких сопряжений, как: «гильза цилиндра - поршень»; «поршневое кольцо - канавка поршня»; «поршневой палец - бобышка поршня»; «поршневой палец - втулка шатуна»; «шейки коленчатого вала - подшипники; «клапан - гнездо клапана в головке цилиндров».
Поддержание коэффициента технической готовности предприятий на высоком уровне в значительной мере определяется степенью удовлетворения их потребностей в запасных частях.
Обеспечение потребностей предприятий по эксплуатации и ремонту техники в запасных частях осуществляется за счет изготовления и восстановления деталей. В этих условиях экономически целесообразно уделять особое внимание использованию материальных средств, развитию работ по восстановлению
деталей. При этом в 5-8 раз сокращается объем технологических операций по сравнению с изготовлением новых одноименных изделий [1]. Стоимость восстановления, как правило, на 30-50% ниже затрат на производство новых аналогичных изделий [2].
На различных типах предприятий разработаны и усовершенствованы технологические процессы и оборудование, которые позволяют восстанавливать многие детали автомобилей прогрессивными методами, обеспечивающими их послеремонтные ресурсы на уровне, близком к доремонтному.
Соединение «гильза цилиндра - поршень» является одним из соединений, подвергающихся наибольшему износу в двигателях внутреннего сгорания. Поэтому разработка технологии ремонта гильз блока цилиндра ДВС, подверженного кавитационному износу, является важной задачей для улучшения качества ремонта двигателей.
Физическое явление кавитации - это образование и схлопывание пузырьков пара в жидкости, находящейся в состоянии, близком к кипению. Когда пузырьки схлопываются длительное время вблизи металлической поверхности, из нее высекаются микрочастицы металла, и поверхность покрывается язвами (ямками) - подвергается эрозии. Обычно кавитационная эрозия начинается с небольших ямок, затем эти ямки разрастаются, углубляются, объединяются в «овраги». В
1Заиченко Яна Ивановна, кандидат экономических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: 405069, 89025777971, e-mail: [email protected]
Zaichenko Yana, Candidate of Economics, Associate Professor of the Department of Mining Machines and Electro-mechanical Systems, tel.: 405069, 89025777971, e-mail: [email protected]
предельном случае кавитация может «продырявить» и даже полностью «испарить» части металлической детали.
«Кавитация» в переводе с латинского языка означает «пустота». В потоке охлаждающей жидкости при вибрации гильз цилиндров, вызванных движением поршня, в окружающей жидкости возникают волны разрежения и сжатия, в результате чего образуются пузырьки воздуха (пустоты), которые под действием высокого давления разрушаются (замыкаются) с выделением большой энергии. Нагретая жидкость постоянно вскипает и прекращает кипеть при понижении и повышении давления. Это провоцирует кавитацион-ную эрозию гильзы, разрушая последнюю, рис. 1 (а, б, с). Для двигателя разрушение гильз означает капитальный ремонт или утилизацию.
В дизелях наблюдаются случаи вибрации гильз цилиндров. Вибрация возникает при переходе поршня двигателя через ВМТ, т.е. при перемещении (перекладке) его от одной стороны цилиндра к другой. Между поршнем и зеркалом цилиндра есть зазор, и перемещение поршня происходит с ударом. При этом изменяется давление на стенки цилиндра. Вибрация цилиндра вызывает его кавитационное изнашивание.
Бензиновые двигатели работают, как правило, с малыми степенями сжатия, а, следовательно, давление на поршень в конце сгорания рабочей смеси в них
значительно меньше, чем в дизеле. Зазор между поршнем и гильзой цилиндра в карбюраторном двигателе также меньше, и при работе он еще уменьшается. Поэтому при перекладке поршня в ВМТ не происходит сильного удара и значительной вибрации гильзы.
Одним из простых по технологии проведения и не требующим значительных затрат является ремонт гильзы блока цилиндра ДВС, подверженного кавита-ционному износу, с использованием эпоксидных смол. В России выпускаются различные марки эпоксидных смол, но лидирующее место по объемам производства и потребления занимают эпоксидно-диановые смолы, в первую очередь ЭД-20. Также в значительном количестве выпускаются смолы марок ЭД-16 и Э-40. Ниже приведены характеристики основных марок эпоксидных смол, выпускаемых в России.
Смола эпоксидно-диановая неотвержденная ЭД-8 (ОКП 22 2511, ГОСТ 10587-84).
Представляет собой растворимый и плавкий реакционно-способный олигомерный продукт на основе эпихлоргидрина и дифенилолпропана. Используют в электротехнической, радиоэлектронной промышленности, авиа-, судо- и машиностроении, в строительстве в качестве компонента заливочных и пропиточных компаундов, клеев, герметиков, связующих для армированных пластиков (табл. 1).
б
а
С
Рис. 1 (а, б, с). Кавитация гильзы в процессе эксплуатации ДВС
Таблица 1
Техническая характеристика ЭД-8_
Показатели ЭД-8 Высший сорт Первый сорт
Внешний вид Твердая, прозрачная Твердая, прозрачная
Цвет по железо-кобальтовой шкале, не более 2 6
Массовая доля эпоксидных групп, % 8,5-10 8-10
Массовая доля иона хлора, %, не более 0,001 0,003
Массовая доля омыляемого хлора, %, не более 0,2 0,3
Массовая доля гидроксильных групп, %, не более - -
Массовая доля летучих веществ, %, не более 0,2 0,3
Температура размягчения по методу «кольцо и шар», °С, не выше 65 65
Время желатизации, ч, не менее 3 2
Смола эпоксидно-диановая неотвержденная ЭД-16 (ОКП 22 2511, ГОСТ 10587-84).
Представляет собой растворимый и плавкий реакционно-способный олигомерный продукт на основе эпихлоргидрина и дифенилолпропана. Используют в электротехнической, радиоэлектронной промышленности, авиа-, судо- и машиностроении, в строительстве в качестве компонента заливочных и пропиточных компаундов, клеев, герметиков, связующих для армированных пластиков, табл. 2.
Смола эпоксидно-диановая неотвержденная ЭД-20 (ОКП 22 2511, ГОСТ 10587-84).
Представляет собой растворимый и плавкий реакционно-способный олигомерный продукт на основе эпихлоргидрина и дифенилолпропана. Используют в
электротехнической, радиоэлектронной промышленности, авиа-, судо- и машиностроении, в строительстве в качестве компонента заливочных и пропиточных компаундов, клеев, герметиков, связующих для армированных пластиков, табл. 3.
Смола эпоксидно-диановая неотвержденная ЭД-22 (ОКП 22 2511, ГОСТ 10587-84).
Представляет собой растворимый и плавкий реакционно-способный олигомерный продукт на основе эпихлоргидрина и дифенилолпропана. Используют в электротехнической, радиоэлектронной промышленности, авиа-, судо- и машиностроении, в строительстве в качестве компонента заливочных и пропиточных компаундов, клеев, герметиков, связующих для армированных пластиков, табл. 4.
Таблица 2
Техническая характеристика ЭД-16
Показатели ЭД-16 Высший сорт Первый сорт
Внешний вид Высоковязкая, прозрачная Высоковязкая, прозрачная
Цвет по железо-кобальтовой шкале, не более 3 8
Массовая доля эпоксидных групп, % 16-18 16-18
Массовая доля иона хлора, %, не более 0,002 0,004
Массовая доля омыляемого хлора, %, не более 0,3 0,5
Массовая доля гидроксильных групп, %, не более 2,5 -
Массовая доля летучих веществ, %, не более 0,2 0,4
Динамическая вязкость, Па*с,
при (25±0,1)°C 5-18
при (50±0,1)°C 5-20
Время желатизации, ч, не менее 4 3
Таблица 3
Техническая характеристика ЭД-20_
Показатели ЭД-20 Высший сорт Первый сорт
Внешний вид Вязкая, прозрачная Вязкая, прозрачная
Цвет по железо-кобальтовой шкале, не более 3 8
Массовая доля эпоксидных групп, % 20-22,5 20,2-22,5
Массовая доля иона хлора, %, не более 0,001 0,005
Массовая доля омыляемого хлора, %, не более 0,3 0,8
Массовая доля гидроксильных групп, %, не более 1,7 -
Массовая доля летучих веществ, %, не более 0,2 0,8
Динамическая вязкость, Па*с,
при (25±0,1)°C 13-20
при (50±0,1)°C 12-25
Время желатизации, ч, не менее 8 4
Таблица 4
Техническая характеристика ЭД-22_
Показатели ЭД-20 Высший сорт Первый сорт
Внешний вид Низковязкая, прозрачная Низковязкая, прозрачная
Цвет по железо-кобальтовой шкале, не более 3 5
Массовая доля эпоксидных групп, % 22,1-23,6 22,1-23,6
Массовая доля иона хлора, %, не более 0,001 0,003
Массовая доля омыляемого хлора, %, не более 0,2 0,5
Массовая доля гидроксильных групп, %, не более 1,0 -
Массовая доля летучих веществ, %, не более 0,1 0,4
Динамическая вязкость, Па*с,
при (25±0,1)°C 8-12
при (50±0,1)°C 7-12
Время желатизации, ч, не менее 18 9
Эпоксидный клей ЭДП (ТУ 2385-090-075105082008) предназначен для склеивания металлов и их сплавов, древесины, керамики, фарфора, стекла, декоративно-облицовочных и других материалов, а также для заделки пор, трещин, раковин при ремонте домашнего инвентаря и автомобилей, табл. 5.
Эпоксидные смолы обладают высокой адгезией к различным материалам и поэтому используются в качестве клеев, связующих в композиционных материалах и в качестве различных покрытий. Поэтому задача этой работы заключается в том, чтобы изучить получение эпоксидных смол, процесс их отверждения и адгезионные свойства к конкретным материалам различной природы. В данный момент нас интересуют свойства эпоксидной смолы в реакции с металлом (гильзы цилиндра).
При взаимодействии эпоксидной смолы с металлом на формирование адгезионного контакта оказывает влияние температурный режим. Повышение температуры в момент формирования адгезионного контакта способствует заполнению многочисленных углублений на поверхности металла за счет снижения вязкости, что, в свою очередь, благоприятствует достижению более высокой адгезионной прочности.
В зависимости от количества отвердителя величина адгезии эпоксидных смол обычно изменяется по кривой с максимумом. При малом содержании отвердителя адгезия обусловлена взаимодействием с поверхностью металла свободных эпоксидных групп. С
увеличением количества отвердителя число свободных эпоксидных групп уменьшается. Поскольку при этом снижается и адгезия, можно сделать вывод, что связь образовавшихся гидроксильных и аминогрупп с поверхностью окисной пленки металла слабее, чем связь эпоксидных групп. Эпоксидная группа способствует повышению адгезии особенно эффективно в условиях, благоприятствующих раскрытию эпоксидного кольца (при введении веществ, содержащих активные атомы водорода, например, бензидина). Раскрытие этиленоксидного цикла сопровождается образованием химических связей с окисной пленкой металла [3].
Эксперименты по склеиванию металлов полимерными адгезивами, нанесению на металлы лакокрасочных, электроизоляционных и других покрытий свидетельствуют о том, что долговечность связи «полимер - металл» зависит во многих случаях от таких свойств полимеров, как термостойкость, коэффициент теплового расширения, влагостойкость, озоностойкость, морозостойкость, прочность, модуль упругости и др. Чем меньше различие коэффициентов теплового расширения полимера и металла, тем устойчивее оказывается адгезионное соединение «полимер - металл» к воздействию высоких температур [4]. Также на долговечность связи «полимер - субстрат» влияют напряжения, возникающие в процессе формирования клеевых соединений и покрытий.
Таблица 5
Техническая характеристика ЭДП_
Показатели ЭДП Высший сорт Первый сорт
Внешний вид Вязкая, прозрачная Вязкая, прозрачная
Цвет по железо-кобальтовой шкале, не более 3 8
Массовая доля эпоксидных групп, % 20-22,5 20,2-22,5
Массовая доля иона хлора, %, не более 0,001 0,005
Массовая доля омыляемого хлора, %, не более 0,3 0,8
Массовая доля гидроксильных групп, %, не более 1,7 -
Массовая доля летучих веществ, %, не более 0,2 0,8
Динамическая вязкость, Па*с,
при (25±0,1)°C 13-20 12-25
при (50±0,1)°C - -
Время желатизации, ч, не менее 8 4
В нашем случае при восстановлении гильзы рекомендуем применять эпоксидную смолу ЭДП (ТУ2385-090-07510508-2008) российского производителя. Эта эпоксидная смола обладает хорошими техническими свойствами и широко применяется в различных структурах машиностроения. Ее получают из дифени-лолпропана (бисфенола А) и эпихлоргидрина в присутствии щелочи. Технологический процесс включает стадии поликонденсации, осуществляемой при 60-
стей в системе охлаждения подверглась накипи на стенках, возникает необходимость чистить ее с помощью различных способов - наждачной бумагой, металлическими щетками, а в случае неэффективности выбранных средств накипь снимается с помощью токарного станка, рис. 2. Для этого были необходимы заводские данные размера наружной части гильзы. В среднем токарь тратил на отчистку комплекта гильз один час рабочего времени.
Рис. 2. Зачистка поверхности гильзы от ржавчины на токарном станке
Рис. 3. Гильза, восстановленная эпоксидной смолой
100°С, промывки водой (для удаления №С1) и сушки под вакуумом (13,3-26,6 кн/м2) при 120-140°С. Молярную массу смолы регулируют соотношением исходных веществ.
Диановые эпоксидные смолы выпускают в виде вязких жидкостей желтого цвета (молекулярная масса 350-750 г/моль), растворимых в ацетоне и толуоле, и твердых веществ желтого или коричневого цвета (молекулярная масса 800-3500 г/моль), растворимых в смеси толуола и бутанола.
При восстановлении гильзы применяем ряд процессов и подготовительных работ. Так как наружная часть гильзы под долгим влиянием различных жидко-
После отчистки в моторном цехе гильзы проходят обдувку от металлических стружек, которые могли остаться в кавитационных порах. Затем поверхность обезжиривается обычным растворителем, и подготовленная эпоксидная смола аккуратно наносится на часть поверхности гильзы, которая подверглась кави-тационному износу, рис. 3. После этого гильзы перемещаются в цех со стабильной температурой, где смола просыхает. На процесс восстановления комплекта гильз слесарь по ремонту двигателей в среднем тратит 8 часов рабочего времени или одну смену.
Статья поступила 30.09.2015 г.
Библиографический список
1. Лапкин В.А. Организационно-экономические основы восстановления деталей: дис. ... канд. экон. наук: 08.00.05. Москва, 1984. 241 с.
2. Кичигин С.Ю. Повышение экономической эффективности работ при проведении текущего ремонта автомобилей: сб. мат-лов XXI Всероссийской (с международным участием) науч.-практ. конференции молодых ученых и студентов. Тобольск, 07-10 февраля 2014 г. Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 2014. С. 151-153.
3. Долгалев С.Г. Влияние адгезионных слоев на кинетику отверждения эпоксидных покрытий и оптимизация режимов их формирования: дис. ... канд. техн. наук: 05.17.06. Москва, 2011. 149 с.
4. Киреев К.А. Повышение долговечности трубопроводов путем применения изоляционного полимерного покрытия, модифицированного в электромагнитном поле СВЧ-диапазона: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.13. Уфа, 2012. 149 с.
