книги из ГПНТБ / Пимошенко, А. П. Кавитационные разрушения в малооборотных дизелях

А. П. ПИМОШЕНКО, И. В. КОШЕЛЕВ

КАВИТАЦИОННЫЕ

РАЗРУШЕНИЯ В МАЛООБОРОТНЫХ

МУРМАНСКОЕ

КНИЖНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО,

1974

Мурманское Центральное проектно-конструкторское и технологическое бюро главка „Севрыба“

А. П. ПИМОШЕНКО, И. Ф. КОШЕЛЕВ

КАВИТАЦИОННЫЕ

РАЗРУШЕНИЯ В МАЛООБОРОТНЫХ

ДИЗЕЛЯХ

МУРМАНСКОЕ КНИЖНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО, 19 74

ВВЕДЕНИЕ

В решениях XXIV съезда КПСС по вопросам дальнейшего подъема и совершенствования произ­

водства во всех отраслях народного хозяйства отме­ чено, что одной из важнейших задач машинострое­

ния является повышение надежности и долговечности работы автомобильных, тракторных, судовых, тепло­ возных и других двигателей. Требование надежности и долговечности особенно остро встает в настоящее время, когда появилась тенденция непрерывного ро­ ста форсировки двигателей.

Если ранее среднее эффективное давление и мак­ симальное давление сгорания у двухтактных дизелей

12 кг/см2 и 90—105 кг/см2. Форсировка двигателей приводит к кавитационным разрушениям охлаждае­ мых водой поверхностей втулок и блоков цилиндров.

До последнего времени наиболее интенсивные разрушения втулок цилиндров и блоков со стороны охлаждения наблюдались у быстроходных двигате­

лей облегченной конструкции. В двигателях с боль­ шим удельным весом серьезных повреждений не от­ мечалось. Однако в последнее время разрушения все

чаще встречаются у ряда судовых среднеоборотных

и малооборотных дизелей тронкового и крейцкопф­ ного типов.

Интенсивные кавитационные разрушения значи­

тельно сокращают срок службы втулок цилиндров,

увеличивают объем ремонтных работ, вызывают не­

производительные простои судов и снижают надеж­

ность работы двигателей. Вопросам кавитационных

3

Глава I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА КАВИТАЦИОННЫХ РАЗРУШЕНИИ В ДИЗЕЛЯХ

§1. Физико-химическая сущность процессов кавитационных разрушений

Кавитационное разрушение втулок и блоков цилиндров двигателей со стороны, омываемой водой, происходит в резуль­ тате одновременного воздействия на них комплекса механиче­ ских, химических, тепловых и электрохимических процессов.

Ввиду сложности физико-химических процессов, происходящих при кавитации, до сих .пор нет единого взгляда на физическую природу кавитационных разрушений.

Кавитацией в жидкой среде называется процесс образования парогазовых пузырьков в зонах, где давление снижается до давления насыщенных паров этой жидкости при данной температуре, и последующего сокращения (захлопыва­ ния) их в зонах повышенного давления.

Механизм кавитационного разрушения омываемых водой поверхностей дизелей авторами [14] объясняется следующим образом.

Вследствие наличия зазора между поршнем и втулкой пор­ шень во время перекладки под действием нормальной силы приобретает некоторую скорость в поперечном движении и уда­ ряет о стенку втулки в момент контакта. В результате ударов втулка цилиндра ритмично деформируется с образованием овала, большая ось которого лежит в плоскости качания шатуна.

Колебания втулки приводят к возбуждению звуковых (аку-

стических) волн в кольцевом слое воды и попеременному ее растяжению и сжатию. Волновой процесс растяжения и сжатия охлаждающей воды вблизи колеблющихся поверхностей ведет к образованию кавитационных пузырьков (каверн) в полупери­

од растяжения и к их захлопыванию в полупериод сжатия. При захлопывании пузырьков в пустоты, имеющиеся на поверхности втулки, с большой скоростью устремляются потоки воды, кото­ рые подобно мелким уколам алмазной иглы наносят удары

5

с давлением в микрообъемах 100—150 кг/мм2 (прочность чугу­ на составляет 20—40 кг/мм2). Поскольку наибольшие напряже­ ния превышают предел текучести металла, в поверхностных

слоях возникает явление деформации — наклеп. Наклеп при­ водит к образованию и развитию микроскопических трещин.

Под действием повторяющихся гидравлических ударов ча­ стицы металла, ограниченные сеткой микроскопических трещин, выламываются и выкрашиваются, впоследствии в этих местах

лом. У прочных, твердых тел этот процесс протекает сравни­ тельно медленно [20].

Наряду с чисто механическим происходят тепловое, хими­ ческое и электрохимическое разрушения поверхностей втулок.

При захлопывании пузырьков высоким давлениям в захло­ пывающихся микрообъемах жидкости сопутствует резкое повы­ шение температуры. В тех случаях, когда захлопывание каверн происходит на границе с поверхностью втулки, а температура в микрообъемах при этом превышает температуру плавления материала втулки — поверхность расплавляется.

Процессы кавитации и разрушения исследовались [23] с по­ мощью микрофотографирования, а также методом дифракции

рентгеновских лучей. В обоих случаях было обнаружено, что всюду, где имели место кавитационные разрушения, наблюда­ лась пластическая деформация. Исследования показали, что образцы с непохожими химическими свойствами подвергаются идентичным пластическим деформациям.

Кроме того, сравнивались разрушения никелевого образца в воде и в жидком толуоле, не содержащем воздуха и соприка­

сающемся с гелиевой атмосферой. Этот эксперимент показал,

что в обеих жидкостях кавитация вызвала пластическую дефор­

мацию одинакового типа и одной и той же величины. Опыты,

проведенные с нержавеющей сталью, дали тот же результат. Таким образом, был получен вывод, что, хотя химически актив­ ные среды и влияют на процесс разрушения, тем не менее хими­ ческие эффекты не играют главной роли в этом процессе.

Исследование физических процессов разрушения химически пассивных по отношению к жидкости материалов и покрытий, нанесенных на поверхность твердого тела [16], показало, что сильные локальные разрушения связаны с кавитационными процессами, протекающими вблизи омываемой поверхности. При высоких интенсивностях кавитации физическому разруше­ нию подвергаются: золото, платина, пластмассы, резина

6

и другие совершенно не подвергающиеся окислению ма­

териалы.

Рядом авторов [5, 6], на основе изучения механизма разру­ шения твердых тел и поверхностных пленок, доказано, что основную роль в этих процессах играет кавитация.

Все факторы, затрудняющие возникновение и захлопыва­ ние кавитационных пузырьков, снижают интенсивность разру­ шений, а иногда и полностью прекращают их. Наоборот, меры, облегчающие возникновение и захлопывание кавитационных каверн, практически всегда приводят к усилению разрушений.

Причиной интенсивных разрушений при кавитации могут являться и электрохимические процессы, происходящие на гра­

нице сред «жидкость — вибрирующая поверхность».

Механизм электрохимического разрушения может быть представлен в следующем виде [12]. Удары поршня по втулке

вызывают деформацию и напряженное состояние материала.

Напряжения концентрируются на небольшой части поверхно­ сти. В этом месте образуется анодный участок, который вместе с охлаждающей водой (электролитом) и основной поверхностью втулки (катодом) создает гальваническую пару. Кроме того, динамические усилия, деформирующие втулку, приводят к кор­ розионной усталости, непрерывно ослабляющей материал втулки.

Под разрушающим воздействием кавитационных пузырьков эрозируемый материал постоянно находится в активном состоя­ нии [16], что создает идеальные условия для коррозии. Поэтому разрушение металла происходит особенно интенсивно в тех слу­ чаях, когда кавитационные процессы протекают в агрессивных средах и цикл «кавитация—коррозия» приобретает повторяю­ щийся характер.

Таким образом, из обзора работ, посвященных определе­ нию природы сил, вызывающих разрушения охлаждаемых дета­ лей ДВС, следует, что эти разрушения являются следствием кавитации. Влияние кавитирующей жидкости выражается как

в чисто механическом воздействии на металл, так и в электро­ химическом разъедании омываемых поверхностей.

§ 2. Основные факторы, влияющие на степень кавитационных разрушений

В общем случае степень кавитационных разрушений в ди­ зелях зависит от интенсивности колебаний (амплитуды и ча­ стоты) вибрирующей поверхности, конструкции полостей

7

и систем охлаждения, механических свойств материала охлаж­ даемых поверхностей и физико-химического состояния охлаж­ дающей среды. Интенсивность колебаний вибрирующей поверх­ ности характеризуется величиной колебательного ускорения (IF), которое может быть определено из следующего выра­ жения:

незначительны, если величина ускорений не находится в пре­

делах (18—20)g. При больших ускорениях интенсивность раз­ рушений резко возрастает и часто становится причиной пре­ ждевременной замены втулок (при незначительных износах со стороны газов).

Интенсивность колебаний вибрирующей поверхности зави­ сит от энергии удара поршня по втулке и определяется кон­ структивными и динамическими факторами, к числу которых прежде всего следует отнести величину зазора между поршнем и втулкой, толщину стенки втулки и расстояние между опор­

ными поясами втулки, конструкцию и длину тронка поршня и др.

Энергия удара поршня по втулке находится в прямой зави­ симости от зазора между поршнем и втулкой. C увеличением зазора энергия удара возрастает. При отсутствии в системе охлаждения терморегуляторов или при неудовлетворительной их работе двигатель, как правило, работает с переохлаждени­ ем, в результате чего увеличиваются зазоры между поршнем и втулкой.

Увеличение.зазоров и рост вибрации происходят также в том случае, если двигатель работает с пониженной нагруз­ кой: с уменьшением нагрузки снижается температура поршня. Это особенно необходимо учитывать, когда двигатели работают с постоянным числом оборотов.

Влияние величины зазоров на интенсивность колебаний особенно наглядно проявляется при сравнении работы одного и того же дизеля с поршнями, изготовленными из различных материалов. Так, например, у дизеля 4ч10,5/13 с алюминиевым поршнем [14] диаметральный зазор в холодном состоянии со­ ставляет 0,52 мм, а у такого же дизеля, но с чугунным порш­

8

нем — 0,15 мм. Ускорение колебаний втулки во время.работы дизеля с алюминиевым поршнем достигает 58^, а с чугунным —

23g.

Если учесть, что, согласно оценке ЦНИДИ, кавитацион­ ные разрушения втулок становятся заметными при вибрации с ускорениями выше (18—20) g, то становится понятной причи­ на быстрого выхода из строя втулок двигателей 4ч 10,5/13 с алю­ миниевыми поршнями.

Конструкция поршня также может оказывать существенное влияние на величину теплового зазора между поршнем и втул­ кой; особенно это заметно у высокофорсированных двигателей.

Для уменьшения зазоров поршни таких двигателей часто дела­ ют охлаждаемыми, а головку и тронк изготавливают из раз­ ных материалов. Стальная головка и чугунный тронк охлаж­

даемого поршня при минимальных установочных (холодных) зазорах обеспечивают нормальную работу двигателей во всем диапазоне допустимых нагрузок.

Увеличение длины поршня также снижает интенсивность

колебаний втулок.

Наиболее значительное снижение интенсивности колебаний втулки дает повышение ее жесткости. Повысив жесткость втул­ ки путем увеличения толщины стенки и сокращения расстояния

между опорными поясами, можно уменьшить амплитуду коле­ баний и снизить величину ускорений в 2—3 и более раза.

Интенсивность кавитационных разрушений охлаждаемых

поверхностей во многом зависит от свойств материалов, из которых они изготовлены. Материалы, обладающие повышен­ ной поверхностной твердостью, однородностью структуры, теп­

ло- и коррозионной стойкостью, менее подвержены разруше­ ниям и могут работать более длительные сроки. Для повышения

поверхностной твердости материала часто применяют различ­ ного рода защитные покрытия.

Существенную роль в интенсивности разрушений играет чистота обработки поверхности: чем чище обработана поверх­

ность, тем меньше кавитационных разрушении.

Рассмотрим несколько подробнее роль физико-химических свойств охлаждающей среды в процессах кавитационных раз­

рушений.

C физической точки зрения, явление кавитации связано

с механическими свойствами жидкости. Жидкость, как и твер­ дое тело, характеризуется определенными механическими свойствами, т. е. упругостью и объемной прочностью при растяжении. Под объемной (кавитационной) прочностью следует понимать определенное отрицательное давление

д