книги из ГПНТБ / Устинов А.Н. Исследование поршневых колец дизелей

мальной работы уплотнения, как «прнторание» поршневых ко­ лец в канавках поршня.

Многие из перечисленных факторов носят случайный ха­ рактер и не поддаются не только прогнозированию, но и учету, поэтому при разработке норм предельно-допустимых износоз. и овализаци'и цилиндровых втулок можно ограничиться ана­ лизом зависимостей площадей просвета для прорыва газов от диаметрального износа и овализации цилиндровых втулок и износа поршневых колец.

На величину и характер износа как цилиндровой втулки,, так и поршневого кольца значительное влияние оказывает форма эпюры давления поршневого кольца. Рост величины проходных сечений для прорыва газов по мрре износа также _ в значительной степени зависит от эпюры давлений. Вопросы формообразования колец в достат,очной степени освещены в работах [11], [13], [16], [21], [47], влияние же эпюры дав­ ления кольца на величину проходных сечений, в конечном счете, определяется величинами’износа и овализации цилинд­ ровой втулки и кольца.

§ 2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВЕЛИЧИНЫ ПРОХОДНЫХ СЕЧЕНИЙ

Износы цилиндровых втулок и поршневых колец, сопро­ вождающиеся ростом величин проходных сечений для про­ рыва газов, не только приводят к снижению экономичности двигателя, перегреву поршней, ускоренному старению масла,, но и ухудшают его пусковые качества. .Последнее обстоятель­ ство в ряде случаев само но себе уже сигнализирует о плохой работе кольцевого уплотнения, хотя и не может служить ме­ рой оценки величин износа и неплоті-Гостей в рассматривае­ мом сопряжении. Тем не менее в ряде работ рекомендуется, оценивать степени изношенности деталей цилиндро-поршне­ вой группы по пусковым качествам двигателя.

X Отмечая простоту этого способа, следует иметь в виду, что. ухудшениепусковых свойств может иметь и иные причины: «пригорание» колец, недостаточное поступление масла к ком­ прессионным кольцам, нарушение регулировки двигателя, де­ фекты сборки и т. д. Ряд авторов в качестве способа оценки степени изношенности деталей ЩІГ рекомендует специаль­ ные устройства — «пневматические калибраторы», сущность применения которых заключается в опрессовке камер сгора­ ния двигателей сжатым воздухом. Скорость падения давле­ ния в камере сгорания служит критерием оценки степени

9-

\ ■

изношенности деталей. Этот'способ находит применение в ав­ тотракторных двигателях, но мало пригоден для двигателей с диаметрами цилиндров свыше '150—200 мм..

Для оценки прилегаемости кольца к зеркалу цилиндровой втулки широко применяется способ «просвечивания», заклю­ чающийся в том, что в цилиндровую втулку (или калибр) вставляется электрическая лампа, а на верхний торец коль­ ца, установленного в цилиндровую втулку, устанавливается крышка из светонепроницаемого материала. Крышка имеет меньший диаметр, чем гильза. Этот способ прост, удобен и позволяет визуально наблюдать схему прилегания кольца к цилиндровой втулке.

При исследовании влияния утечек газа на изменейие пара­ метров рабочего процесса появляется необходимость в опре­ делении абсолютных величин площадей просветов. Большин­ ством авторов ів этом случае за площадь просветов прини­ мается либо просвет в замке поршневого кольца (износ коль­ ца и цилиндровой втулки оценивается изменением зазора в замке), либо принимается условная величина площади про­ света, /имитируемая калиброванными отверстиями в днище поршня [42].

Однако очевидно, что реальный просвет (ів виде серповид­ ного зазора) характеризуется иными коэффициентами расхо­ да, по-иному на процесс истечения в этом случае влияют и условия смазки. Теоретическому исследованию приспособляе­ мости поршневых колец к деформациям цилиндров посвяще­ на, по существу, единственная работа Б. Я- Гинцбурга [11]. Положения данной работы, в основном, распространяются на

•случаи эксплуатации цилиндровых втулок, Деформирован­ ных при запрессовке в блок или имеющие температурные де­ формации, а не на втулки с большим естественным износом. Однако теоретические выводы, содержащиеся в работе, мож­ но с успехом применить и к рассматриваемому случаю. Сле­ дует только отметить: несмотря на то, что рассматриваются

•случаи прилегания колец к втулкам с увеличенным диамет­ ром и овализацией, практическое применение приводимых в работе формул значительно затрудняется тем обстоятель­ ством, что вывести обобщенную зависимость, отображающую действительный износ цилиндровой втулки, практически не представляется возможным.

Цилиндровая втулка’в процессе эксплуатации приобре­ тает овал, различный по высоте цилиндровой втулки. Кроме того, овал образуется зачастую дугами с разными радиусами

10

I

кривизны. Наряду с овалом цилиндровая втулка имеет ко­ нусность, эллипсиость и т. и. Все эти изменения, являющиеся ■следствием нормального износа, чрезвычайно многообразны и трудно поддаются не только обобщению, но и вообще учету.

В работе [11] задача исследования контакта между порш­ невым кольцом и деформированным цилиндром сведена к сле­ дующим типичным случаям:

Цилиндр остается вполне круглым, но меньшего диа­ метра, чем поршневое кольцо.

Цилиндр остается вполне круглым, но большего диа­ метра, чем поршневое кольцо.

Цилиндр сохраняет свой номинальный размер (длину окружности), но имеет овальность, а поршневое коль­ цо имеет номинальный размер.

Цилиндр претерпевает сложную деформацию, состоя­ щую из одновременной■овализации и изменения раз­ меров или из более сложных изменений форм.

Отмечая громоздкость, расчетного определения, площадей просвета между кольцом и втулкой с использованием Выве­ денных зависимостей, Б. Я. Гинцбург определяет радиальную

и

величину просвета только для случаев размещения кольца в цилиндрах уменьшенного и увеличенного диаметра.

Принимая во внимание, что в нашем случае интерес пред­ ставляет размещение кольца в цңлиндре увеличенного диа­ метра, рассмотрим основные зависимости, предложенные Б. Я. Гинцбуртом.

Перемещение точек осевой линии кольца при переходе изсвободного состояния в сжатое при размещении в номиналь­ ном цнлиндре'обозначеночерез U, перемещение точек кольца из свободного в сжатое при размещении в увеличенном ци­ линдре обозначено через Uv, а зазор между кольцом и увели­ ченным цилиндром — через У.

Решение интеграла (1) дает выражение

■а0— угол потери контакта кольца с цилиндром.

Втабл. 1 приведены площади просветов между кольцом и цилиндром (для различных углов сс0), подсчитанные по фор-

Приведенный расчет достаточно точно описывает случай совместного износа поршневого кольца и цилиндровой втул­ ки, когда просвет образуется в районе замка поршневого кольца. Однакб данная методика мало пригодна для тех слу­ чаев, когда имеет место несколько участков нарушения кон­ такта, а также, когда эпюра износа цилиндровой втулки, обра­ зована отдельными участками с отличающимися радиусами

кривизны. В этом случае вычисления по методике Б. Я- Гинцбурга становятся громоздкими и точность их снижается.

С целью упрощения и большего приближения к реальным условиям автором [35] была предложена следующая расчет­ ная схема. Для каждого поршневого кольца"строится схема прилегания к данной втулке, приведенная на рис. 3.

Р ис. 3. Схема прилегания нового кольца в ци­ линдровой втулке, имеющей износ.

Суммарная площадь просветов определяется как

13

где 5 '— площадыпросвета в замке, мм2;

S " — площадь просветов в местах плохого контакта коль­

данном участке.

(Данная формула выведена иѣ формулы площади кругового сегмента).•

Анализ выражения (4) показывает, что в случаях, когда дуга неплотного прилегания меньше 50°, подсчет суммарной площади просветов можно производить с учетом только пер­ вого слагаемого.

площади просвета и должно учитываться при подсчете пло­ щадей. Такая схема определения суммарной величины про­ светов предлагается в связи с тем, что практически невозмож­ но найти общую зависимость, отображающую сложную кар­

Имеющиеся в литературе сведения по данному вопросу [И ], [47] касаются, в основном, определения прилегаемости новых поршневых колец к новым цилиндровым втулкам или же делаются допущения о равномерном увеличении диаметра цилиндровой втулки.

14

В эксплуатации же износ цилиндровой втулки и поршне­ вых колец имеет чрезвычайно сложную форму и оценка вели­ чин неплотностей по приложенной схеме дает большую точ­ ность. 'Принимая во внимание неравномерный износ цилинд­ ровых втулок по высоте, характерный для двухтактных и че­ тырехтактных дизелей, представляется целесообразным изме­ рение площадей сечений производить при установке поршнево­ го кольца в двух положениях: в зоне максимального износа цилиндровой втулки (примерно положение верхних компрес­ сионных колец в ВМТ) и в средине хода поршня.

Среднее арифметическое значение площадей просветов, подсчитанных для двух указанных положений кольца, даег возможность с достаточной -точностью оценить величину про­ ходного сечения для прорыва газов за цикл.

§.3. ВЛИЯНИЕ ДИАМЕТРАЛЬНОГО ИЗНОСА И ОВАЛИЗАЦИИ

ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК НА ВЕЛИЧИНУ ПЛОЩАДЕЙ ПРОСВЕТОВ

J

.Вопросу прилегания поршневого кольца в новой цилинд­ ровой втулкеі Посвящено много исследований. Значительно меньше исследован вопрос прилегания кольца во втулке, имеющей относительно большой износ. Вопрос прилегания поршневого кольца во втулке с предельно допустимым изно­ сом в технической литературе не рассматривается совершен­ но. Если для нового двигателя при наличии хорошей приле­ гаемости величина суммарной неплотности определяется пло­ щадью просвета в замке, то при дальнейшей работе двига­ теля, а особенно при -постановке новых колец в изношенную втулку, величина просвета в замке составляет уже незначи­ тельную часть Ss.

Возрастание суммарной Площади просвета при-лостановке нового кольца в изношенную цилиндровую втулку объясняет­ ся не увеличением зазора в замке, а образованием участков с плохим прилеганием .кольца и втулки. Графики зависимости площади просветов при совместном износе цилиндровой втул­ ки и поршневого кольца двигателя 4Д 19/30 и зависимости площади просветов от износа цилиндровой втулки при поста­ новке во втулку новых колец представлены на рис. 4 и 5, Сле­ дует отметить, что графики построены на основании данных, полученных при обмере 40 комплектов новых и 40 комплектов изношенных колец, при этом разброс отдельных точек не пре­ вышал 15%, однако в отдельных случаях возможны и более

15

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 U3H0C ММ

Р и с. 5. Зависимость площади просвета от износа цилиндровой втулки при постановке во втулку новых колец: 1 — прямоугольное не хромированное кольцо; 2 — трапецеидальное хромированное кольцо; 3 — пря­ моугольное хромированное кольцо.

16

значительные отклонения, так как число факторов, влияющих «а 'Прилегание кольца -во втулке, весьма многообразно.

При сопоставлении гг анализе приведенных графиков ста­ новится очевидным, что значительное возрастание суммарных площадей неплотностей .происходит не в результате совмест- ■ногб износа цилиндровой втулки и поршневого кольца, а при постановке новых поршневых колец в изношенные цилиндро­ вые втулки, имеющие место во время ремонтов и частичной или полной замены поршневых колец, отработавших свой, моторесурс.

Ориентировочные данные по1изменению проходных сече­ ний в рассматриваемом сопряжении, в зависимости от износа, цилиндровых втулок приведены в табл. 2.

Следует отметить, что все данные по площадям просветов приведены для втулок с равномерным увеличением диаметра,, не имеющих овальности.

Равномерный износ втулок в эксплуатации (без овализации) встречается довольно редко. Проведенные обмеры более

процессе износа овализацни не имели. При проверке положе­ ния поршней в этих втулках было обнаружено, что поршни имеют небольшой перекос в плоскости оси коленчатого вала, правда не выходящей за пределы допуска при сборке. Оче­ видно, что наличие перекоса и привело к тому, что износ в- плоскости качания шатуна не преобладал над износом в пло­ скости оси коленчатого вала и в целом был более интенсив­ ным. Следует отметить, что все сказанное о равномерном износе, как причине возникновения овальности цилиндровой втулки, относится к тронковым двигателям. Для этих двига­ телей характерен больший износ в плоскости качания ша­ туна, чем в плоскости оси коленчатого вала. Подобный харак­ тер износа отмечался также в работах [15], [47]. Расположе­ ние большой оси овала в плоскости качания шатуна имеет место как в двигателях автотракторного типа, так и в стацио­ нарных и судовых дизелях средней и малой мощности. В мень­ шей степени это свойственно судовым крейцкопфный дизелям большой мощности, что объясняется приложением нормаль­ ной силы через крейцкопф к параллели.

График зависимости площадей просветов от овальности цилиндровой втулки приведен на рис. 6, данные по распреде­ лению площадей просветов между замком и контуром кольца содержатся в табл. 3. При сопоставлении графиков (рис. 5,6),

18