книги из ГПНТБ / Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей

нами при помощи болтовых соединений. Нижняя часть остова — рама и верхняя его часть — блок, где располагается цилиндропоршневая группа, соединены в одно целое анкерными связями.

2. Остовы без фундаментной рамы, в которых подшипники коленчатого вала расположены в нижних подвесных крышках — подвесках, прикрепленных болтами к блоку, с силовым замыка­ нием в нем основных действующих в каждом отсеке нагрузок. Рама в этом случае (например, в дизель-генераторных установках) имеет уже вспомогательное назначение, как объединяющее звено

вобщем установочном агрегате.

Кпреимуществам первой схемы следует отнести наличие жесткой рамы в нижней части остова, в месте расположения опорных лап и подшипников двигателя.

Остов при наличии рамы получается замкнутым в нижней части, что значительно повышает его сопротивляемость горизон­ тальным силам инерции вращающихся масс кривошипно-шатун­ ного механизма. Это позволяет изготовлять литые рамы из чугуна.

Кнедостаткам остова такого типа следует отнести значительное

увеличение его массы (не менее чем на 25—35% по сравнению с массой остова с подвесным валом) и некоторое увеличение высоты и ширины двигателя. Из-за этих недостатков применение остова с фундаментной рамой в форсированных двигателях ограничено.

Значительное распространение остов этого типа получил в двигателях европейских фирм: Веркспур, Фиат, Мирлисс, Зульцер, Инглиш-Электрик н др. В США чаще встречается безрам­ ная конструкция остова с подвесным коленчатым валом.

На всех двухтактных и четырехтактных турбопоршневых дви­ гателях, выпускаемых в настоящее время КТЗ, получили распро­ странение остовы, основой которых является сварной блок с под­ весным коленчатым валом.

Применение сварной конструкции блока с подвесным колен­ чатым валом дает преимущества по массе и габаритным размерам с упрощением в целом конструкции остова. Но при этом возра­ стают напряженность блока и, как следствие, требования к ка­ честву исполнения и материалам.

При использовании блока, с подвесным коленчатым валом тре­ буется уделять особое внимание прочности и жесткости подвески, удерживающей коленчатый вал, а также конструкции соединения подвески с блоком. Подвески крепятся к блоку с помощью шпилек или болтов. Последние имеют преимущество ввиду отсутствия резьбовых отверстий в блоке и возможности более легкого стопо­ рения болтов и гаек.

Рациональное распределение усилий от вспышки, передаваемых блоку через подвеску и болты или шпильки ее крепления, и на­ дежность всего соединения определяются не только количеством болтов, но и конструктивным выполнением поверхностей стыка, подвески и блока и расположением стыка по высоте относительно опорных лап блока.

7

В 60-е годы нашли распространение стыки двух типов. Поверхность стыка первого типа выполняют плоской, а для

возможности восприятия горизонтальных сил опорные поверх­ ности в блоке делают вертикальными, иногда с дополнительным креплением горизонтальными болтами или стяжными шпильками.

При таком конструктивном решении ось коленчатого вала распо­ лагается выше опорных лап двигателя, что является весьма благо­ приятным фактором, позволяющим повысить жесткость блока^, а следовательно, снизить напряжения и деформации в нижней

части блока от горизонтальных сил инерции.

На рис. 1 изображены типичные соединения блока и подвески при плоском стыке и дополнительных опорных поверхностях. На двигателе Пильстик (рис. 1, а), имеющем менее жесткий блок,

8

установлены дополнительные горизонтальные болты, обеспечи­ вающие совместную работу подвески и блока при меньших упру­ гих деформациях под нагрузкой.

Вертикальные дополнительные опорные поверхности можно выполнять не по всей высоте подвески, а только на некоторой ее части (в виде небольших вертикальных упоров; рис. 1, б).

Соединения с плоским стыком и дополнительными опорными поверхностями, несмотря на некоторые прочностные преиму­ щества, отличаются существенными недостатками. Помимо техно­ логических трудностей, связанных с обеспечением минимальных зазоров одновременно по двум взаимно перпендикулярным поверх­ ностям, имеет место увеличение массы и габаритных размеров блока. Применение плоского стыка ограничено из-за невозмож­ ности устранения взаимных перемещений блока и подвески и вы­ зываемых этим повреждений контактных поверхностей.

Поверхность стыка второго типа имеет треугольные шлицы (рис. 1, ß), что позволяет обеспечить необходимую фиксацию и жесткость соединения подвески с блоком в горизонтальном на­ правлении без дополнительных вертикальных опорных поверхно­ стей в блоке. Опыт КТЗ показывает, что при этой конструкции возможно восприятие значительных горизонтальных усилий и удельных нагрузок на стыке, не вызывающих при работе двигателя недопустимых микроперемещений и износа шлицев и деформаций постелей подшипников. Масса блока в этом случае значительно уменьшается. Размеры шлицев выбирают из условия обеспечения достаточной опорной поверхности. Удельную нагрузку в шлице­ вом стыке от затяжки болтов подвесок, подсчитанную исходя из теоретической площади стыка, можно принимать по опыту КТЗ равной приблизительно 2000 кгс/см2.

В шлицевых стыках блоков применяют шлицы с углом при вершине 60 или 90°. Угол, равный 90°, следует считать предпочти­ тельным, так как при износе зубчиков величина расточки под подшипник, а также затяжка болтов подвесок при этом угле будет меньше, чем при угле 60°, приблизительно в 1,4 раза. Однако стык с углом шлицев 60° надежнее для восприятия усилий

вгоризонтальной плоскости.- КТЗ длительное время использует

вблоках двигателей типа 40Д и Д42 (рис. 2, а), не имеющих

противовесов, стыки бугелей и подвесок на шлицах с углом 60°. У двигателей типа Д49 (рис. 2, б), имеющих противовесы на колен­ чатом валу, были изготовлены шлицы с углом 90°.

Во избежание чрезмерного обмятия микронеровностей и умень­ шения усилий затяжки болтов чистота боковых поверхностей шлицев должна быть не ниже 5-го класса, а площадь равномер­ ного прилегания в свободном состоянии не ниже 75% (проверяется по краске).

Опыты, проведенные на КТЗ, подтвердили, что величины пло­ щади прилегания шлицевого стыка в условиях переменных на­ грузок имеют большое значение. На рис. 3 показана схема нагру­

9

жения модели зубчатого стыка. Установлено, что при прилегании 30 и 75% площади приблизительно за 500 000 циклов нагру­ жения уменьшение упругой деформации болтов составит 0,011 и 0,005 мм соответственно. Чистота поверхности шлицев в обоих

Рнс. 2. Профили шлицев подвесок дизелей:

а — Д-12; б - Д-19

случаях была не ниже 5-го класса. При расточке болты под­ весок затягиваются усилием, равным разности между оконча­ тельным усилием затяжки при сборке двигателя, и усилием, необходимым для обжатия вкладышей в постели.

Типичной для КТЗ конструкцией узла коренного подшипника является конструкция этого узла двигателя Д42. Подвеска при­ креплена к блоку с помощью двух болтов. Стык снабжен тре­ угольными шлицами, ограничивающими смещение подвески в по­

10

перечном направлении; в продольном направлении подвеска сто­ порится направляющей частью болтов. При таком сочетании форм подвески и опоры верхнего вкладыша в блоке (бугеля) обеспечи­ вается равномерная передача силового потока к блоку.

Схемы передачи усилий в блоке без фундаментной рамы

Усилия, которые должен воспринимать блок, передаются ему через опоры коленчатого вала и крышки цилиндров. Принятая конструктивная схема блока должна обеспечивать передачу усилий по кратчайшему расстоянию с плавным изменением на­ правления силового потока и наименьшим количеством проме­ жуточных элементов. В то же время при проектировании должны быть учтены технологические воз­ можности производства.

В настоящее время распро­ странены две конструктивные схемы блоков. ■

1. Схема, в которой усилия в основном передаются через вер­ тикальные листы — стойки, свя­ занные несколькими поперечными плитами, несущими опорные пояса для втулок цилиндров. Боковые листы такого блока имеют обычно незначительную толщину и в пере­ даче основного силового потока участвуют в малой степени.

2. Схема, в которой передача силового потока осуществляется

через боковые листы, связанные между собой поперечными пли­ тами. Стойки в этом случае отсутствуют.

Преимущество первой схемы заключается в том, что основными несущими элементами являются стойки блока, а последнее позво­ ляет рационально использовать их сечение и, следовательно, снизить массу блока. К недостаткам конструкций, выполненных по этой схеме, относится повышенное количество коротких пере­ секающихся сварных швов. Эта схема блока получила повсе­ местное распространение, в том числе и в конструкциях двига­ телей КТЗ (см. раздел «Конструкции блоков»).

Вторая схема применяется главным образом в дигателях американской фирмы Дженерал Моторе (рис. 4). Блок этой кон­ струкции не имеет вертикальных стоек — их заменяют утолщен­ ные боковые листы и мощные опоры коренных подшипников, выполненные из стального проката толщиной примерно 75 мм. Каждая пара боковых листов связана между собой двумя массив-

11

ними плитами. На верхних плитах приварена жесткая надстройка, служащая для размещения выпускных патрубков от каждого цилиндра и крышек цилиндров. Выпускные патрубки опираются на верхнюю плоскость надстройки с помощью специальных флан­ цев. Опорные лапы приварены к бугелям и стыку плит с боковыми листами. Эти лапы опираются на весьма жесткую и легкую свар­ ную дизельную раму.

Описанная конструктивная схема блока имеет ряд преиму­ ществ, к которым относятся:

простота конструкции вследствие минимального количества коротких пересекающихся сварных швов, а следовательно, и кон­ центраторов напряжений; при этом упрощается и удешевляется изготовление и сборка блока в целом;

возможность, из-за наличия в основном продольных доступных швов, широко использовать автоматическую сварку, что значи­ тельно повышает стабильность качества сварных швов и ускоряет процесс изготовления.

Однако, несмотря на ряд преимуществ, главным образом техно­ логических, блок этой конструктивной схемы имеет ряд суще­ ственных недостатков, из-за которых он не получил более широкого распространения.

Так, из-за отсутствия вертикальных стоек уменьшается жест­ кость блока, значительно более нагружаются, помимо растяги­ вающих усилий, изгибающими моментами боковые листы и про­ дольные плиты, а также в неблагоприятных условиях находится верхняя плита, воспринимающая усилия вспышки и ослабленная отверстиями для втулок цилиндров. Поэтому боковые листы и бугели делают утолщенными, а надстройки в верхней части блока более жесткими. Обеспечение необходимой жесткости и прочности элементов блока в основном вследствие увеличения их толщины (без создания дополнительных связей между ними) может привести только к увеличению массы.

Блоки у большей части современных двигателей представляют собой коробчатые конструкции из плоских листов и штамповок. Оребрение плоскостей блока, вводимое в литых конструкциях, во многих случаях производят главным образом из-за технологи­ ческих соображений.

Снижение массы блока возможно при переходе к простран­ ственной стержневой конструкции основных силовых элементов. Примером такой конструкции может служить двигатель Рустон АО, стальной блок которого выполнен в виде пространствен­ ной стержневой конструкции. Стойки блока, представляющие собой стержни, связаны между собой двумя поперечными плитами. Вместо боковых листов имеются наклонные стержни-раскосы, которые соединяют стойки и опорные лапы блока. Опорные лапы блока в горизонтальной плоскости также скреплены стержнями.

Двигатель Рустон АО имеет 16 цилиндров с размерами D =

= 362 мм; S = 470 мм; мощность Ne = 8000 л. с. при п =

12

= 450 об/мин. Удельная масса двигателя 7,3 кг/л. с. Обычно у дви­ гателей подобного типа удельная масса составляет 10—15 кг/л. с. Уменьшение массы двигателя Рустон АО достигнуто главным обра­ зом из-за удачной конструкции блока цилиндров.

Масса стержневых конструкций блока будет уменьшаться при увеличении размеров цилиндров (D 400 мм), т. е. в двигателях в которых можно расположить стержни с достаточным расстоянием между ними.

Применение подобных схем для двигателей с D — 200 ч- ч- 300 мм, как показывают результаты экспериментальных работ, уменьшения массы практически не дает. В этом случае стержне­ вая схема получается значительно сложнее для изготовления, чем коробчатая, из-за трудностей расположения стержней в отно­ сительно небольших отсеках блока.

МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЛОКОВ

Блоки описанных выше конструктивных схем могут быть ли­ тыми, сварно-литыми или только сварными.

Для блоков (блок-картеров) без фундаментных рам используют главным образом алюминиевое или стальное литье, стальные прокат и штамповки. В последнее время начинают применять для таких блоков чугуны с глобулярным графитом (фирмы Нордберг, Зульцер, Пильстик, Нохаб). Для изготовления блоков исполь­ зуют чугун с ферритовой основой, но пока эти блоки широкого распространения не получили, по-видимому, из-за значительных технологических трудностей. Однако использование чугуна пред­ ставляется экономически весьма перспективным.

В мощных турбопоршневых двигателях с большим моторесур­ сом алюминиевые литые блоки не нашли широкого применения. В то же время они широко распространены в виде монолитных блок-картеров для быстроходных двигателей небольших размеров или в виде раздельных блок-цилиндров и картеров, связанных между собой длинными силовыми шпильками.

Из-за относительно низких показателей механических свойств отливок из алюминия литые блоки выполняют с достаточно мощ­ ными ребрами и со стенками увеличенной толщины. В результате конструкция блока получается сложной, а выигрыш в массе небольшой.

Опыт фирмы Майбах, например, показывает, что изменение массы картера форсированного двигателя МД-871 при переходе от сварно-литой стальной конструкции к алюминиевой составило всего 10%.

Применение стали для изготовления блока позволяет повысить его усталостную прочность, упрощает исправление дефектов. Неоднократно предпринимавшиеся попытки литья блока из стали не имели успеха из-за трудностей получения отливки достаточно высокого качества. Известными двигателями, имеющими стальной

13

цельнолитой блок-картер, являются только двигатели типа

MGOV12SHR фирмы SACM (Франция) и Кокерил V12TR240CO (Бельгия). Преимущество сварио-литых стальных блоков заклю­ чается в том, что они выполнены из относительно меиее сложных стальных отливок и стального проката.

Удельная масса сварно-литых блоков, как правило, выше, чем у равнопрочных цельносварных блоков на 15—25%. Увели­ чение массы связано с необходимостью соблюдать требования технологического и конструктивного характера при проектиро­ вании (утолщение стенок отливок из-за наличия литейных укло­ нов и более низких, чем у проката, механических свойств; завы­ шение толщины тонкостенных элементов ввиду трудностей выпол­ нения отливки с большой разницей толщин).

Интересно выполнены стальные литые вертикальные стойки блока двигателя 12LDA28. Основные узлы остова двигателя — это блок и рама. С обеих сторон литых стоек имеются вертикаль­ ные и горизонтальные отростки с X-образными разделками для сварки встык с соседними элементами. Формирование блока закан­ чивается после приварки массивной верхней плиты (толщиной 80 мм) и боковых листов.

Сварно-литая конструкция является более простой, имеет меньшее количество деталей и сварных швов, и поэтому трудоем­ кость сборки и сварки блока меньшая.

Выбору сварно-литой или сварной конструкции должен пред­ шествовать анализ не только массовых показателей блока, но и трудоемкости его изготовления, что особенно важно при крупно­ серийном производстве.

Сварные блоки турбопоршневых двигателей выполняют в ос­ новном из листового проката из низкоуглеродистых сталей типа Ст.З или стали 20, которые достаточно хорошо свариваются в обычных условиях и имеют низкую стоимость. Блоки из этих сталей имеют необходимую усталостную прочность при правиль­ ном проектировании и изготовлении. В-блоках сварно-литой кон­ струкции литые элементы изготовляют из сталей типа 20Л. Наи­ более ответственные несущие элементы напряженных конструк­ ций остовов из низкоуглеродистых сталей должны изготовляться из проката, прошедшего проверку и не имеющего внутренних металлургических дефектов (расслоения, трещин).

Для сварных и сварно-литых блоков предпочтительнее приме­ нение проката из стали 20, так как ГОСТ 1577—70 на поставку проката из этой стали позволяет предъявлять определенные требования к заводам-поставщикам, чего в такой же мере нельзя сделать по отношению к прокату из стали Ст.З.

Появление наружных и внутренних трещин в сварных швах представляет большую опасность и в значительной степени зави­ сит от свариваемости стали. Существует большое количество мето­ дов определения этого важного показателя, однако практическое их применение затруднено в связи с необходимостью изготовления

14

специальных образцов из каждой партии (плавки) проката и про­ ведения их испытания. Учитывая, что свариваемость в значитель­ ной мере определяется содержанием в низкоуглеродистой стали углерода и кремния, на КТЗ принята оценка свариваемости по содержанию этих элементов. Опытным путем было определено, что при сварке трещины отсутствуют, если использованы элек­ троды УОНИ 13/45 типа Э42А и Э46А и УОНИ 13/55 типа Э50А и применены стали, содержащие углерод и кремний в %:

Для изготовления блоков используют только «спокойные» сорта сталей; применение «кипящих» сталей недопустимо вслед­ ствие наличия в них растворенных газов (водорода, азота и кисло­ рода), что способствует образованию трещин при сварке и экс­ плуатации изделий в условиях пониженной температуры окру­ жающей среды.

После сварки электродами типа УОНИ 13/45 и УОНИ 13/55 допускается следующий химический состав металла шва в %: С до

0,13; Si до 0,36; Мп до 0,92, S 0,024—0,5; механические свойства наплавленного металла: ав = 42 кгс/мм2; os 40 кгс/мм2; 6 ^

24%; ак = 14 кгс-см/см2.

При испытаниях используют несколько электродов от каждой партии с целью проверки стабильности химического состава их обмазки.

Механические свойства и химический состав материала штам­ повок или поковок, которые применяют в сварных блоках, должны также отвечать указанным выше требованиям.

ПРИМЕНЕНИЕ СВАРКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННЫХ УЗЛОВ ОСТОВОВ

Широкое внедрение сварки в различных отраслях машино­ строения и связанные с этим многочисленные исследовательские работы значительно способствовали прогрессу и в создании свар­ ных конструкций блоков двигателей.

Однако при применении сварки для остовов дизелей возникает ряд трудностей, таких, например, как выбор рациональной после­ довательности наложения сварных швов для обеспечения мини­ мальной деформации остова.

Расчет деформаций, возникающих при сварке такой сложной конструкции, как блок или рама двигателя, представляет боль­ шие трудности. Деформации приходится определять на основании опыта сварки аналогичных конструкций или первых образцов нового изделия. Поэтому при создании сварной конструкции не­

15

обходимо, чтобы количество швов было минимальным, особенно непрямолинейных, что часто представляет определенные труд­ ности. Одновременно сварные швы должны быть удобными для сварки, так как в противном случае трудно обеспечить их проч­ ность такой же, как прочность основного металла.

Опыт создания на КТЗ сварных блоков форсирован­ ных турбопоршневых двига­ телей (типа 40Д, 11Д45, Д42) показал, что с ростом напря­

имеют превалирующее влия­ ние на усталостную проч­ ность конструкции.

1 — трещина

Характерным примером, подтверждающим это положение, являются трещины, обнаруженные в сварных швах блока двига­ теля Д42 после примерно 500 ч работы. Трещины располагались в соединениях опор коренных подшипников (бугелей) с горизон­ тальной частью лапы блока. При вскрытии трещин и осмотре их изломов было установлено, что излом носит характер усталост­ ного разрушения (рис. 5). Кроме того, были обнаружены поверх­ ностные дефекты сварных швов в виде неполного заполнения раз­ делки кромок элементов соединения, наличие кратеров и подре­ зов по границам шва и т. д. На микрошлифах стыковых и тавро­ вых соединений имелись непровары, поры и т. п. Так как напря­ жение в зоне дефекта, по данным тензометрпрования, не превы­ шало 600 кгс/см2, а расчетный запас прочности составил около 2

16