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

to

to

а также данных табл. 2 и 3 становится очевидным, что на воз­ никновение площадей просветов при постановке новых колец в изношенные цилиндровые втулки овализация цилиндровых втулок оказывает большее влияние, чем их износ по диаметру. При этом весьма существенным фактором является располо­ жение замка поршневого кольца по отношению к большой оси овала.

Sa мм2

Р и с. 6. Зависимость площади просвета от овальности цилинд­ ровой втулки: 1 — прямоугольное хромированное кольцо; 2 — трапецеидальное хромированное кольцо; 3 — прямоугольное не­

хромированное кольцо.

Влияние расположения замка кольца на площадь неплот­ ностей наглядно иллюстрируется табл. 4, в которой приведе­ ны данные по замерам площадей неплотностей для 20 ком­ плектов новых колец, установленных в цилиндровой втулке с овальностью 0,46 мм и отработавших на двигателе 30 час. Можно считать, что в тех случаях, когда замок кольца распо­ ложен по большой оси овала, величины неплотностей на 20-^40% выше суммарных площадей, замеренных при распо­ ложении замка по малой оси. Так как во время работы двига­ теля кольцо вращается в канавке, то замок непрерывно ме­ няет свое положение. Путем обмеров было установлено, что два рассмотренных положения замка являются предельными и при любом другом положении кольца величина, площади

20

просветов будет находиться между величинами, замеренными для двух основных положений.

Для оценки величии просветов при подсчетах утечек га­ зов через уплотнение во втулках, имеющих овал, принималась средняя .площадь просвета, замеренная для двух основных положений. Такая величина является наиболее вероятной, если учесть непрерывное изменение положения замка при вра­ щении кольца в канавке.

В настоящее время опубликован ряд работ, рассматри­ вающих прилегаемость новых поршневых колец к новым ци­ линдровым втулкам, имеются рекомендации по улучшению прилегаемости колец и выбору оптимальных эпюр давлений. Однако вопрос улучшения прилегаемости колец в изношен-- ных цилиндровых втулках во всех этих работах (за. исключе­ нием работы В. Г. Гончаренко [16]) не получил должного освещения.

Анализ влияния конструктивных и технологических фак­ торов на прилегаемость колец производился лишь для тех вариантов, которые были испытаны при проведении данной работы на двигателях Д 19/30. Были испытаны кольца хроми­ рованные и без хромирования, а также компрессицнные коль­ ца трапецеидального и прямоугольного сечения. Отмечено,, что несколько лучшую приспособляемость имеют нехромированные кольца, это отмечалось при установке их в изношен­ ные втулки. Еще в большей степени преимущество нехроми­

21

рованных колец проявляется после приработки их на дви­ гателе. В связи с этим можно1рекомендовать замену хроми­ рованных колец нехромированными при постановке новых колец в цилиндровые втулки во время текущих и средних ремонтов (в тех случаях, когда втулка имеет износ более 1/350—1/400 Дц и овальность более 1/350 Дц) .

Трапецеидальные кольца, применяемые в процессе испы­ таний, также показали несколько лучшую приспособляемость, что можно объяснить некоторым уменьшением упругости тра­ пецеидальных колец по сравнению с прямоугольными.

С целью уменьшения площадей просветов при замене поршневых колец в цилиндровых втулках, имеющих опреде­ ленный износ, можно рекомендовать их стопорение от прово­ рачивания с расположением стопорного штифта на поршне в плоскости, проходящей через ось поршневого пальца.

В соответствии с рекомендациями, содержащимися в тех­ нической литературе и инструкциями заводов-изготовителей, устанавливаются следующие предельно допустимые нормы изиосов цилиндровых втулок (табл. б).

Даже если провести анализ рекомендованных норм пре­ дельных изиосов с учетом быстроходности двигателей, трудно выявить общую закономерность в выборе их абсолютных зна­ чений. Столь существенные расхождения в оценке предельно допустимых изиосов в заводских' инструкциях могут быть

22

объяснены индивидуальными особенностями двигателей, од­ нако в некоторых случаях ‘представляется вероятной и недо­ статочная теоретическая и практическая обоснованность этих рекомендаций. ■

§ 4. ВЛИЯНИЕ ИЗНОСА И ОВАЛИЗАЦИИ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК НА ВЕЛИЧИНУ УТЕЧКИ ГАЗОВ

В большинстве работ, посвященных исследованию утечек газа, устанавливается зависимость между их величиной и ве­ личинами проходных сечений. Подобный подход имел место в работах И. Л. Лютова [27], С. Фурухама [40], Ф. Эберле [46]. © них отмечено, что зависимость величины утечки газа от площади просвета носит линейный характер и вели­ чина утечки резко возрастает с увеличением давления над

поршнем.

К. Энглиш [47] проводит анализ значительного расчет­ ного и экспериментального материала, в результате которого выявляет зависимость утечек газа от числа-' оборотов двига­ теля, от числа колец, а также дает количественную оценку «допустимой» утечки газов. Однако данные, приведенные в работе [47], получены при незначительных площадях про­ ходных сечений (новые двигатели) и количественная оценка величин утечек преследует цель установления оптимальных режимов приработки нового двигателя.

Величины «допустимых» утечек газов, подсчитанные в ра­ боте [47] по различным данным для автотракторных двига­ телей, приводятся на рис. 7.

Для установления обоснованных норм предельно допусти­ мых износов цилиндровых втулок и поршневых колец необ­ ходимо иметь зависимость утечек не только от площадей проходных сечений, но и от износов. Большинством авторов измерение утечек проводилось при постоянном давлении над поршнем. ‘Как показывает анализ, для одного и того же дви­ гателя величина утечек при неподвижном поршне в 3—4 раза больше, чем в случае переменного давления над поршнем (при равенстве максимальных давлений в цилиндре). Для возможности сопоставления результатов разрозненных экспе­ риментов целесообразно величины утечек приводить к одина­

ковым относительным площадям просветов ^ = ^ г £ '100%>

•Jn

а от абсолютных значений величин утечек переходить к отно­

сительным цикловым утечкам В = -г-——• 100 % (последнее

^цикла

23

Рис. 7. Величины «допустимых» утечек газов для двигателей малой мощности по различным дан­ ным (К. Энглиш).

Р л с. 8. Зависимость утечек от давления в цилиндре при различных относительных площадях просветов. <7=Ss/5n-100 — относительная площадь просвета

24

возможно только в случае переменного давления над порш­ нем, т. е. на работающем двигателе). На рис. 8 представлены обобщенные зависимости абсолютных утечек от давления в цилиндре при различных относительных площадях просветов (получены при постоянном давлении над поршнем). Графи­ ки построены на основании работ автора, а также по данным, приведенным в работе И. Л. Лютова [27]. '

Обобщая результаты испытаний Хортена и Ильмера, К- Энг­ лиш [47] предложил для расчета величин утечек следующие зависимости:

с= 0,005 — коэффициент для двигателей, с диаметром цилиндров до D = 125 мм.

^Р ) = Р Ѵ= ^ . { Ц ^ + Р-),

Утечки, подсчитанные по этим двум выражениям для од­ ного и того же двигателя, отличаются более, чем в 5 раз. Кро­ ме того, они совершенно непригодны для расчета утечек дви­ гателя при значительных нзносах деталей ЦПГ.

Чапчаев А. А. [42] для расчета утечек предложил экспе­

25

Выражение (8) предложено для карбюраторных двигате­ лей, однако применение его для расчета утечек в дизелях по­ казало достаточную пригодность (погрешность расчета со­ ставляет Т5+-20%). Это выражение позволяет оценить изме­ нение утечки с изменением нагрузки, однако не учитывает влияние скоростного режима. При небольших относительных изиосах можно пренебречь зависимостью GyT от числа оборо­ тов, однако при больших износах это приводит к значитель­ ной погрешности при расчетах.

Количество газов утечки, в первом приближении, должно быть пропорционально величине площади просвета S , раз­ мерам цилиндра, функции давления Р в уплотняемом про­ странстве и времени т. Принимая во внимание также, что от­ носительная площадь проходного сечения q уже учитывает линейные размеры цилиндра, в качестве приближенной зави­ симости для расчета утечек можно рекомендбвать уравнение

где q — относительная площадь просвета;

Р\ —среднее индикаторное давление, кг)см2; і — число колец;

п— число оборотов/мнн;

т— число оборотов, приходящихся на один рабочих ход:

для двухтактных двигателей т=1, для четырехтакт­ ных— т=2.

Выражение (9) проверено при расчетах утечек.двигателей ■с диаметром цилиндров от 150 до 300 мм. Учитывая, что для двигателей этих размерностей число колец изменяется в узких пределах (4 или б), зависимостью утечек от числа колец мож­

дов с увеличением числа оборотов. Такое положение, очевид­ но, может иметь место в случае динамических нарушений в работе поршневых колец (вибрация, отрыв от зеркала гильзы или канавки). При нормальной работе колец рост числа обо­ ротов снижает утечку газов, что отмечено также и в ра­ боте [47].

При небольших износах и малых относительных площадях просветов изменение числа оборотов практически не оказы­ вает влияния на величину утечки. Для износов, когда <7^0,05, зависимостью утечек от числа оборотов уже нельзя пренебре­ гать. При работе двигателя по внешней характеристике отме­

не

\

чается рост GyT с ростом числа оборотов, что объясняется пре­ обладающим влиянием роста Р{. Вместе с тем, при чрезмер­ ном увеличении q (q>0,1) имеет место снижение GyT при уве­ личении оборотов вследствие снижения Р[.

G y m

Р и с. 9. Расчетные и экспериментальные цикловые утечки га­ зов в зависимости от относительной площади просвета при пе­

Р и с. 10. Зависимость утечки газов от величины площади просвета при постоянном давлении в цилиндре.

Выражение (9) проверено для двухтактных и четырех­ тактных двигателей с числом оборотов 300—2500 об/мин. На ■рис. 8 приведена зависимость утечек от давления в цилиндре при различных относительных площадях просветов, получен­ ная при постоянном давлении в цилиндре. Зависимости

27

Gyr = f(P), GyT = f(q) носят линейный характер и получены для дизелей. Для карбюраторных двигателей при равных Р и q утечки на 20—30% меньше, так как при меньших значе­ ниях абсолютных площадей просветов'имеет место снижениекоэффициента расхода (вѵбольшей степени влияет масляная пленка н относительное иоджатие струи).

Зависимость величины утечек от относительных площадейпросветов по данным [35], [42], [47] приведены на рис. 9. Большая разница в абсолютных величинах утечек объясняет­ ся тем, что получены они для двигателей различных типов при различном номинальном числе оборотов.

вышает 10%.

Характер зависимости утечек от площади проходного се­ чения представлен на рис. 10. Величины утечек пересчитаны для дизелей по данным И. Л. Лютова и автора при постоян­ ном давлении над поршнем, равном 5 ата (приблизительно равном Р\) для случая установки на поршне 3-х колец. До­ вольно значительные расхождения в величинах утечек в этом случае следует объяснить трудностью проведения сопостав­ ления количества масла, находящегося в уплотнении при не­ подвижном поршне. Для сравнения на графике приведены зависимости 0 ут= /(5 ммг) при переменном давлении над. поршнем, равном Лі=5,6 кг/см2 для дизеля (опыты автора) и карбюраторного двигателя (Чапчаев А. А.). На рис. 11 при- - ведеиы зависимости величины утечек от овальности цилинд­ ровой втулки при постоянном давлении в цилиндре по даи-

28