книги из ГПНТБ / Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей

поршне старого варианта на 14,3 мм. Кроме того, для создания дополнительного теплового барьера толщина цилиндрической стенки выше поршневых колец была уменьшена.

вали более интенсивному теплоотводу от днища и зоны поршне­ вых колец и обеспечили снижение рабочих температур поршня.

Испытания поршня измененной конструкции показали, что температуры зоны первого компрессионного кольца снизились на 40—50%.

При создании нового более мощного и форсированного тепло­

диаметра до 22,9 см, было введено дополнительное оребрение наиболее горячего места центральной части днища. На рис. 54, а, б

зеля 567С, несмотря на то, что среднее эффективное давление было повышено с 7 до 9,25 кгс/см2.

I Для увеличения эффективности охлаждения зоны поршневых колец конструкция вставки была изменена. Через отверстие, просверленное в стальной вставке поршня, масло для охлаждения стало подаваться непосредственно к • периферии днища в зону поршневых колец. В более ранних модификациях поршней масло

87

Рис. 54. Конструкции поршней дизелей Джеиерал Моторе:

а — серн» 567; б — серин 615

сначала подавалось в центральную часть головки, а затем посту­ пало в зону поршневых колец, что уменьшало эффективность ох­ лаждения колец.

** *

Витоге этого очень краткого обзора конструктивных измене­ ний поршней зарубежных дизелей, вызванных повышением фор­ сировки, можно сделать следующие выводы.

I. В высокофорсированных четырехтактных тепловозных и судовых дизелях с диаметром поршня в диапазоне 200—300 мм получили применение поршни трех типов:

цельноалюминиевый с кольцевой полостью для охлаждения взбалтываемым маслом и со вставкой под первым компрессионным кольцом;

составной: тонкостенная головка из теплостойкой стали, тронк чугунный или из алюминиевого сплава;

цельнолитые или составные из ковкого или высокопрочного чугуна.

В60-х годах у некоторых фирм (СЕМТ-Пильстик, АЛКО, МАН) появилась тенденция перехода от охлаждаемых поршней из алю­ миниевого сплава к составным поршням. Это объясняется следу­ ющими преимуществами составных поршней:

1.Лучшим охлаждением зоны компрессионных колец благо­ даря наличию тонкой цилиндрической стенки выше колец и в месте их расположения.

2.Обеспечением высокой износостойкости канавки первого компрессионного кольца в связи с большой твердостью легирован­ ной теплостойкой стали. В случае необходимости производится

дополнительная закалка поверхностей канавок газовым пламенем. 3. Возможностью установки минимального зазора между го­ ловкой и втулкой цилиндра и малыми колебаниями величины этого зазора вследствие низкой температуры пояса колец и близ­ ких по величине коэффициентов линейного расширения материа­ лов головки и втулки. Малый зазор позволяет снизить поступле­

88

ние в зону поршневых колец продуктов сгорания топлива и улуч­ шает условия смазки колец, тройка поршня и втулки цилиндра.

4. Высокой надежностью поршня при перегрузках в условиях эксплуатации (например, при выключении цилиндра и пр.), обес­ печиваемой теплостойкостью материала головки. Алюминиевые днища поршней при повышенных температурах начинают подплавляться и разрушаются.

При значительном увеличении форсировки четырехтактных дизелей, имеющих короткие чугунные поршни с относительно толстыми днищами и недостаточными поверхностями охлаждения, возникает необходимость перехода на составные поршни (стальная тонкостенная головка и алюминиевый тронк).

Применение стальных головок, имеющих меньшую толщину днищ и цилиндрических стенок, обеспечивает существенное повы­

показаны на рис. 55, а, б.

При относительно большой длине поршня и умеренной частоте вращения коленчатого вала высокофорсированного дизеля можно обеспечить интенсивное охлаждение поршня при наличии высоких и широких радиальных ребер внутри его головки. Очевидно, учитывая это обстоятельство и желая уменьшить стоимость поршня, фирма СЕМТ-Пильстик в настоящее время ведет ра­ боты по доводке цельнолитого чугунного поршня на дизеле РСЗ.

II.В соответствии с экспериментальными данными фирм МАН

иЗульцер можно считать установленным, что при одинаковой степени форсировки в условиях работы на тепловозных режимах

89

'гепловая нагрузка поршня двухтактного дизеля существенно выше, чем у четырехтактного (на 20—30%). Вследствиеѵэтого необходимый теплоотвод от поршня высокофорсированного двух­ тактного тепловозного дизеля может быть обеспечен лишь при высокой эффективности масляного охлаждения.

В качестве примера конструкции поршня, имеющего весьма эффективное охлаждение, можно привести последний вариант поршня фирмы Дженерал Моторе, испытанный на тепловозном дизеле EMD645.

Для высокофорсированных двухтактных дизелей выявилась целесообразность применения комбинированного охлаждения поршней, при котором интенсивный отвод тепла от днища в ниж­ нем положении поршня производится струями масла, как на дви­ гателе MAH KZ 57/80, а в верхнем положении поршня — взбал­ тываемым маслом.

Обязательным условием надежной работы поршней высоко­ форсированных двигателей является наличие стабильности их теплового состояния при работе на полной мощности. Это условие может быть обеспечено лишь применением масел с эффективными присадками, исключающими нагарообразование на внутренней стороне днища поршня.

** *

Таким образом, опыт отечественных заводов и зарубежных дизелестроительных фирм по доводке цилиндро-поршневой группы создаваемых дизелей показывает, что нет общих рецептов по решению всех возникающих проблем. В зависимости от фор­ сировки дизеля, тактности, размера диаметра и хода поршня, выбора материала юбки поршня, поршневых колец, втулки цилиндра, применяемого масла и топлива могут быть различные пути достижения работоспособности цилиндро-поршневой группы.

Особенно остро вопрос обеспечения необходимой маслоемкости поверхностей поршня и втулки цилиндра стоит для двухтактных дизелей, которые имеют относительно тонкие перемычки между продувочными и выпускными окнами, затрудняющие транспор­ тировку масла в верхнюю часть втулки. Юбки поршней таких двигателей обычно покрывают слоем олова или фосфатируют. Назначением фосфатации является улучшение условий смазки поршней и втулок цилиндров в течение длительного периода их работы, а когда нанесенный слой в отдельных местах стирается, то в соответствии с рекомендациями инструкций по обслуживанию двигателей его восстанавливают во время очередной выемки поршней. В качестве примера может служить инструкция по обслуживанию тепловозных дизелей фирмы GMC-567c, пре­

90

ВТУЛКА ЦИЛИНДРА

В процессе проектирования и доводки втулок цилиндров и связанных с ними деталей современных форсированных дизелей приходится решать комплекс вопросов по обеспечению высокой усталостной прочности втулки при наличии повышенных механи­ ческих и тепловых нагрузок, ее интенсивного охлаждения, износо­ стойкости рабочей поверхности, кавитационно-коррозионной стойкости поверхностей, омываемых водой, надежности уплотне­ ния газового стыка и полости охлаждения втулки.

КОНСТРУКЦИИ ВТУЛОК ЦИЛИНДРОВ

По конструктивному исполнению втулки цилиндров можно разделить на два типа в зависимости от способа установки и закрепления их в блоке цилиндров.

К первому типу относятся втулки цилиндров, которые опи­ раются буртом на верхнюю плиту блока. Опорный бурт прижи­ мается к верхней плите блока крышкой цилиндра через прокладку, уплотняющую газовый стык. Таким образом, газовый стык входит

всиловую схему передачи усилий от крышки к блоку. Усилия затяжки болтов крепления крышки цилиндра дей­

ствуют непосредственно на борт втулки цилиндра и верхнюю плиту блока цилиндров по узкой кольцевой поверхности отверстия под втулку цилиндра.

Второй тип втулок менее распространен и известен под наз­ ванием втулки цилиндра подвесного типа. В этом случае втулка соединяется с крышкой цилиндра через прокладку, уплотняющую газовый стык, с помощью небольших шпилек, затянутых с опре­ деленным начальным усилием.

Комплект втулка—крышка цилиндра опускают в блок с зазо­ рами по всем посадочным поясам до посадки нижней плоскостью крышки цилиндра на верхнюю плиту блока и закрепляют основ­ ными силовыми шпильками (болтами). В данной конструкции газовый стык выведен из силовой схемы.

На КТЗ получила применение на судовых и тепловозных дизелях втулка цилиндра подвесной конструкции, так как втулка первого типа имеет ряд недостатков, к которым следует отнести необходимость высокого уровня затяжки газового стыка, равного

92

приблизительно 3—3,5рг. Из-за больших усилий, воздействующих на верхний бурт втулки, известны случаи его поломок и появления трещин в блоках. Кроме того, ввиду больших усилий и кольцевого опирания крышки требуется ее повышенная жесткость для умень­ шения деформаций от усилия затяжки. Возникают трудности по обеспечению правильной геометрии зеркала втулки при нерав­ номерной затяжке силовых связей или недостаточной жесткости верхней части блока цилиндров. Втулки такой конструкции

преимущественно используют в литых блоках цилиндров.

Втулка цилиндра подвес­ ного типа имеет ряд преиму-

6)

двигателя при наличии рубашки на втулке цилиндра. Важными преимуществами такой конструкции являются раз­

груженный от осевых усилий уплотняемый разъем втулки с крыш­ кой — газовый стык и отсутствие жесткого закрепления верхнего пояса на опорной плите блока.

Втулки цилиндров подвесного типа можно разделить, в свою очередь, на две конструктивные разновидности: втулки цилиндров, не имеющие рубашек (рис. 56, а) и применяемые с «мокрым» блоком, и втулки с рубашками (рис. 56, б). В случае применения

93

рубашки зону расположения уплотнительных резиновых колец можно вынести в район более низких температур, но возникает необходимость обеспечить переток воды в крышку цилиндра непосредственно через верхний пояс втулки (рнс. 57, а). При этом нужно изолировать поток воды, чтобы не вызывать высоких

максимальному нагреву, а следовательно, и значительным темпе­ ратурным напряжениям. Кроме того, эти параметры определяют и жесткость верхнего пояса втулки, которая оказывает большое влияние на работоспособность газового стыка. На основании опыта КТЗ рекомендуются следующие соотношения:

h (0,18-ж0,2) £>ң; b (0,15-ж0,18) Dv

где Dц — диаметр цилиндра.

Втулки цилиндров подвесного типа на КТЗ были применены в варианте без рубашки на тепловозных и судовых дизелях раз­ мерности 23/30.

1 Авторское свидетельство № 285412 кл. 46 с 47. — «Открытия. Изобрете­ ния. Промышленные образцы. Товарные знаки», 1970, № 33.

94

В последующих конструкциях дизелей ЧН 30/38 и ЧН 26/2б нашли применение втулки с рубашкой.

МАТЕРИАЛ ВТУЛОК ЦИЛИНДРОВ

В качестве материала для втулок цилиндров дизелей в боль­ шинстве случаев применяют антифрикционный легированный чугун, значительно реже — сталь с последующим азотированием или хромированием рабочей поверхности втулок.

В некоторых случаях при высоком уровне механических и тепловых нагрузок, как показывает опыт КТЗ по доводке дизе­ лей 6ЧН 30/38, усталостная прочность чугуна с пластинчатым графитом, легированного хромом и никелем, оказывается недо-

Рис. 58. Разрушение втулки цилиндра по верхнему поясу

статочной, и возникает необходимость в применении легированного высокопрочного чугуна с азотированием внутренней и внешней по­ верхностей втулки.

После длительной работы этих дизелей были обнаружены трещины в верхних поясах втулок цилиндров по отверстиям для перетекания воды в крышку (рис. 58). Появление трещин было вызвано недостаточным запасом прочности.

В связи с этим были изготовлены и испытывались азотирован­ ные кругом втулки из высокопрочного чугуна. Применение этих втулок позволило увеличить минимальный запас прочности их верхнего пояса с 1,2 до 1,8, что полностью исключило случаи появления трещин.

При использовании азотированных втулок из высокопрочного чугуна, имеющих существенные технологические преимущества перед стальными азотированными втулками, обеспечиваются:

высокая износостойкость рабочей поверхности втулок;

95

хорошие антифрикционные Качества; уменьшение возможности возникновения и распространения очагов «схватывания» и задиров материалов трущихся пар (втулок, колец, поршней);

повышенные прочностные показатели, обеспечивающие надеж­ ную работу втулок при наличии высокого уровня их напряжен­ ности;

повышенная стойкость против коррозионно-кавитационных пов­ реждений азотированных поверхностей втулок, подвергающихся воздействию охлаждающей воды'.

Уже отмечалось, что одной из самых сложных проблем при создании форсированных дизелей является проблема обеспечения работоспособности трущихся пар: тронк поршня — втулка ци­ линдра и поршневое кольцо — втулка. Трудности решения этой проблемы связаны с тем, что форсировка существующих дизелей как по средней скорости поршня, так и по среднему эффективному давлению приводит к высоким температурам выпускных газов (600—700° С) и большим максимальным давлениям сгорания в цилиндре (до 140 кгс/см2). Дополнительно повышаются требо­ вания к удельному расходу масла, величина которого должна быть в пределах 1,0—1,5 г/(л. с. ч).

Для обеспечения работоспособноепі указанных пар трения втулка цилиндра должна иметь достаточную маслоемкость поверх­ ности. Для выполнения этого условия втулка цилиндра двига­ теля 6ЧН 30/38 после шлифовки и хонингования подвергается фосфатированию в растворе солей А4ажеф. Структура азотирован­ ного слоя состоит из азотистого сорбита н феррита, глобулярного графита и фосфидной эвтектики. При фосфатированин на поверх­ ности втулки создается микрорельеф, в котором выступающими участками являются включения фосфидной эвтектики, а углубле­ ния между этими участками выполняют функцию резервуаров для смазки, распределяющих ее по рабочим поверхностям тройка поршня, колец и втулки цилиндра.

Наличие фосфидной эвтектики в серых легированных чугунах, идущих на изготовление втулок цилиндров, обеспечивается опре­ деленным содержанием фосфора в чугуне, как правило, в преде­ лах 0,1—0,2%. В материале втулок цилиндров большого диаметра содержание фосфора может быть больше. Так, в материале втулок цилиндров двигателя Ханшин 6LU50 (Япония) содержание фос­ фора составляет 0,5—0,7%.

При подборе оптимальных вариантов химического состава и структуры материала втулок цилиндров и других деталей цилиндро-поршневой группы, чистоты поверхности, различных методов термохимической обработки, лриработочных покрытий большое значение имеет, как показывает опыт КТЗ, проведение экспериментальных исследований на машинах трения, которые позволяют значительно сократить время доводки цилиндро­ поршневой пары дизеля [31 ].

96