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

«ым Эберле [46]. Значительное влияние овальности цилинд­ ровых втулок и^возникающих при этом площадей (просветов па утечку газов подтверждается также и данными, приведен­

чительно. Резкое увеличение утечек начинается со значений

овальности более — D

Ш *■

В справочной литературе но двигателям внутреннего сго­ рания для ряда двигателей заданы неоправданно низкие пре­ дельно допустимые нормы износа и овализации цилиндров

~ -L -о ).

[500 1000 ц )

§5. ВЛИЯНИЕ УПРУГОСТИ ПОРШНЕВОГО КОЛЬЦА

ИДАВЛЕНИЯ В ЦИЛИНДРЕ НА ИЗНОС ПОРШНЕВОГО КОЛЬЦА И ЦИЛИНДРОВОЙ ВТУЛКИ

Наиболее интенсивно изнашиваемыми деталями ЦПГ яв­ ляются поршневые кольца н цилиндровые втулки. Поршневые кольца работают при повышенных температурах, граничной ■смазке. Для обеспечения постоянного контакта между коль­ цом и зеркалом цилиндра кольцо должно обладать достаточ­ ной упругостью.

Контакт между кольцом и цилиндром осуществляется за счет силы собственной упругости кольца, а также давления газа в заколечном пространстве, поэтому износ колец и ци­ линдров определяется суммарным воздействием указанных факторов. Большой практический интерес представляет опре­ деление долей полного износа. При оценке факторов, оказы­ вающих наиболее заметное влияние на величины нзносоз этих деталей, отсутствует единое мнение по вопросу о том, ка­ кая доля 'полного износа кольца и втулки определяется давле­ нием в цилиндре и какая часть износа является следствием упругости кольца.

Наиболее распространенным является мнение о том, что

29

определяющим фактором служит величина давления газов, в цилиндре, а собственная упругость кольца, как величина в десятки раз меньшая, чем максимальное давление цикла, не играет большой роли. К. Энглиш [47] приводит результаты экспериментов по определению зависимости коэффициента трения от радиального давления кольфа, а также оценке влия­ ния давления газов за кольцом и упругости кольца на состав­ ляющие коэффициента трения. Большинство экспериментов, анализируемых в работе [47], проведены при постоянном дав­ лении над поршнем, изменяемом в довольно узких пределах. При этом, учитывая некоторую противоречивость результа­ тов отдельных экспериментальных исследований, К. Энглиш не дает общей оценки износов (или работы трения), прихо­ дящихся на долю собственной упругости и давления газов за кольцом.

При анализе условий, влияющих на износ колец и ци­ линдров, нельзя не учитывать то обстоятельство, что высокое давление газов имеет место лишь на протяжении части рабо­ чего хода (для двухтактных двигателей это приблизитель­ но Уб, а для четырехтактных — Ѵю—У12 цикла по углу пово­ рота коленчатого вала), а на остальной части цикла имеет незначительную величину. С учетом этого обстоятельства дав­ ление сил собственной упругости кольца должно1иметь более существенное значение.

При проведении моторесурных испытаний двигателей Д 19/30 с различными вариантами поршневых колец, выпол­ ненных под руководством автора на машиностроительном за­ воде, было неоднократно отмечено, что увеличение собствен­ ной упругости поршневых колец (при неизменных величинах максимального давления цикла) на 30—40% вызывалоуве­ личение их износов, а также и цилиндровых втулок более, чем

в2—3 раза. В связи с этим был проведен ряд экспериментов по установлению зависимости между ростом упругости колец и увеличением износов, а также выявлению влияния давления

вцилиндре на интенсивность изнашивания -поршневых колец и цилиндровых втулок.

Принимая во внимание, что абсолютные величины износов исследуемых деталей не во всех случаях могут быть объек­ тивно сравнены (на абсолютную величину износа могут по­ влиять такие факторы, как отклонения в структуре материала деталей, технологические отклонения при сборке ЦПГ и т. д.),

вкачестве определяющего критерия принималась величина «темпа роста износа» (/п), характеризуемая отношением раз-

30

Рис. 12. Зависимость износа верхнего поршневого кольца от собственной упругости.

Рис. 13. Зависимость износа верхнего поршневог,іЬ коль­ ца от максимального давления цикла.

носты наносов детали при различных упругостях колец к ве­ личине изменения упругости кольца.

ДР = Рі—Рз — изменение упругости кольца, кг!см2. Аналогичным образом оценивался темп .роста износа от

увеличения максимального давления цикла {ta').

.АГ см-

где &g'=gVz —g Pli — разность износов при различных макси­

мальных давлениях циклов (Pz, и Рг,), кг\ кРг= Р г —Ріі — изменение максимального давления цик­

ла, кг/см2.

На рис. 12 приведена зависимость износа кольца от упру­ гости, которая в исслёдованном интервале величин собствен­ ной упругости носит явно выраженный линейный характер. При дальнейшем увеличении упругости следует ожидать бо­ лее значительного увеличения износов, однако в практике двигателестроения кольца со столь высокими значениями удельной упругости не встречаются.

Темп роста износа колец от собственной упругости состав­ ляет

Темп роста износа кольца от увеличения максимального давления цикла наглядно характеризуется зависимостью из­ носа от максимального давления цикла Рг, представленной на рис. 13.

Сопоставление величин /п и tn' свидетельствует о том, что увеличение собственной упругости кольца на 1 кг/см2 (прп-

ч'близительно 20% первоначальной упругости) приводит к уве­ личению его износа, соответствующего увеличению макси­ мального давления цикла на 10 кг/см2 (что ..соответствует

увеличению Рг для двигателей, имеющих Pz=60—70 кг/см2,

на 15—17%).

Принимая во внимание, что приведенные цифры характе­ ризуют темпы роста износа верхнего компрессионного коль-

.32

ца, на которое воздействие давления газов наиболее интен­ сивно, можно сделать следующие выводы;

1.Увеличение собственной упругости кольца приводит к увеличению его износов в такой же степени, как и рост максимальйрто давления цикла.

2.Для второго и последующих колец увеличение их упру­

гости повышает износы в большей степени,' чем пропорцио­ нальное росту упругости увеличение Рг.

Объяснить подобную зависимость износов от собственной упругости кольца и давления в камере, сгорания можно сле­ дующим образом: максимальнее давление Pz действует на кдльцо (как отмечалось выше) на Ѵ6-Н / 12 хода поршня. На остальной же части хода поршня износ является следствием

Рис. 14. іа ) 'Износ поршневых колец двухтактного дизеля 6 D 19/3Ö; 1 —"давление газов за поршневыми кольцами; 2 —износы первого, второго, третьего и " четвертого поршневых колец *.

только собственной упругости кольца. Вблизи мертвых точек скорость движения поршня незначительна и даже равна ну­ лю. При этом для колец с умеренной' упругостью возможно частичное разрушение масляной пленки . (при повышении упругости разрушение может быть полным). Величина дав­ ления в канавке первого компрессионного кольца достигает значений 0,9ч-0,85 Pz, в канавках последующих колец давле­ ние значительно меньше.

2

О 0.02 0,04 0,06 AIM

i)

Рис. '14 б) Эпюры износа цилиндровых втулок двигателей 1 — 6ЧН 21/21; 2 — М-21;

3 — 6D 19/30; 4 — ЗИЛ-120,

а)

■o f ПКв

Рис. 15. Осциллограмма температурных колебаний на поверхности зеркала цилиндровой втулки двигателя D 19/30 в зависимости от угла поворота коленчатого вала для поршневых колец с различной упру­ гостью: a) 1 — поршневые кольца с упругостью 3,40 кг, холостой ход, подача топлива в данном цилиндре выключена; 2 — поршневые коль­

I

Принимая во внимание сказанное, представляется доста­ точно опорным вывод К. Энглиша '[47] одюм, что1«величина радиального давления от сил собственной упругости в весьма широком диапазоне не Оказывает влияния на состояние смаз­

ляет отметить следующее: максимальные износы, отмеченные для верхнего пояса гильзы и соответствующие положению компрессионных колец в ВМТ при максимальном давлении газов в цилиндре для двигателей Д 19/30 не превышают из­ носов в средней части хода поршня. Для двигателей М-21 и ГАЗ-51 они вуше, чем в средней и нижней части хода поршня на 20—30%, несмотря на то, что давление газов в цилиндре при положениях "поршня, близких к НМТ, снижается в

:15-=-20 раз.

Аналогичный характер зависимости износов от Pz отме­ чается и при анализе износов поршневых колец. Так на рис. 14 й приведен график износа поршневых колец двигателей Д 19/30 в порядке расположения на поршне.'

Несмотря на то, что наименьшее . давление газов имеет место, за последним (четвертым) кольцом, а за вторым коль­ цом величина давления газов превышает 30 ати, износы вто­ рого, третьего и четвертого колец приблизительно одинаковы.

П р и м е ч а н и е : по двигателю ГАЗ износ приведен в мм..

кольца, хотя давление за первым кольцом в три раза выше, чем за третьим.

Приведенные в табл. 6 сведения но износам поршневых колец двигателей 4Д 19/30, 6ЧН 21/21 также не подтвержда­ ют преобладающего влияния на величину износа кольца мак­ симального давления цикла. (Колебания величин износа (от кольца к- кодьцу) вероятнее всего объясняются -различными условиями смазки вследствие разницы в температурах цилііндроврй втулки и поршня по' высоте.

Для сравнения с характером износа поршневых колец дизе­ лей, в. табд, 6 приведены износы поршневых колец двигателя ГА-3, полученные за 50—60 тыс. км пробега автомобиля (дан­ ные Id...Б. Гурвича). Даже для двух верхних хромированных

*колец в. этом случае отсутствует закономерность, свидетель­ ствующая о преобладающем влиянии на износ давления га­ зов.

К’ аналогичному выводу приходит и Б. Н. Васильев [7], утверждая, что значительное возрастание давлений газов в цилиндрах, работающего1двигателя вызывает лишь умерен­ ное возрастание потерь на трение поршневых колец.

Принимая во внимание, что, в первом приближении, рабо­ та трения поршневых колец пропорциональна их износам, нельзя согласиться с оценкой потерь на трении, данной Иль-

мером и приведенной'в работе {47]. По этим данным потери на трение в быстроходных двигателях составляют:

1 -е поршневое кольцо — 60 % J

С целью 'установления зависимости между упругостью колец и работой трения в экспериментальной • лаборатории машиностроительного завода был проведен ряд эксперимен­ тов2, сопровождающихся записью осциллограмм, регистриру­ ющих изменение температуры на поверхности зеркала ци­ линдровой втулки в функции угла поворота коленчатого вала при различных величинах упругости поршневых колец с по­ мощью малоинердион^шх термопар. Термопары, имеющие

•медь-константановые термоэлектроды из проволоки 0 20 мк устанавливались в нескольких точках по высоте цилиндровой втулки у ее поверхности. Наиболее характерными являются осциллограммы, зарегистрированные нижними термопарами,

------------- 1

2 Работа выполнена ннж. Н. П. Лапшиным и А. Н. Фоминым под . » руководством автора.

37

V

расположенными на расстоянии 300 мм от верхнего торца цилиндровой втулки (вблизи НМТ) и приведенные на рис. 15 а, б. Так как при «набегании» поршневых колец на участок поверхности с заделанной термопарой открыты продувочные и выпускные окна, влияние давления газов на радиальную силу, прижимающую кольцо к поверхности втулки, полностью исключено. Равенство температур, регистрируемых термопа­ рой, при прохождении поршневыми кольцами исследуемого участка поверхности втулки во время хода поршня к НМТ и к ВМТ свидетельствует о том, что на этих участках хода пор­ шня возникновение «температурных всплесков» обусловлено работой трения поршневых колец, а не отводом тепла от ■поршня через кольца' (в этом случае температуры при ходе поршня вниз превышали бы величины температур при обрат­

2 и 3 (рис. 15 а), зарегистрированными для двух различных упругостей колец, свидетельствует о том, что отношение пло­ щадей, в первом приближении, прямо пропорционально отно­ шению упругостей поршневых колец (величины износов пор­ шневых колец и цилиндровых втулок на этом участке также имели небольшие отклонения от указанной пропорциональ­ ности). Анализ осциллограмм (рис. 15 б), снятых на режи­ мах номинальной нагрузки, несколько затруднителен из-за усиливающегося теплоотвода через кольца, однако и в этом случае большие значения площадей над кривой 2 соответст­ вуют большим значениям упругости колец.

Анализируя результаты эксперимента, необходимо отме­ тить,, что в этом случае оценивается общее тепло (эквива­ лентное работе), выделившееся при. трении всех четырех компрессионных колец, имеющих равную упругость.

\