книги из ГПНТБ / Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей

приложению одновременно с начальным сжатием начального изгибающего момента. При наличии в стыке изгибающего момента от внешней нагрузки начальный момент подобен начальному усилию: при разном знаке с внешним моментом он способствует замыканию стыка. Такой эффект в стыке вызывается положитель-

Расчетное усилие сжатия в разъеме определяется суммой усилия посадки вкладышей при верхнем пределе натяга в соеди­ нении и найденного усилия начальной затяжки крышки подшип­ ника (рис. 121). Создание расчетного усилия затяжки в разъеме

187

подшипника при наличии двух стадии по жесткости в узле: упру­ гой осадки (обжатия) вкладышей и замыкания собственно стыков постели существенно зависит от принятого метода контроля параметров затяжки болтового соединения. Анализ полученного обобщенного уравнения затяжки для болтового соединения под­ шипника в условиях основных методов контроля— по моменту на ключе и по углу поворота гайки — показал значительную неравно-

мерность усилий при втором способе, прямо связанную с допуском посадки и окружной жесткостью тонкостенных вкладышей. В этих условиях, как следует из построенной диаграммы затяжки под­ шипника (рис. 1 2 2 ), наиболее рациональным для рассматривае­ мых узлов является переход на комбинированную затяжку: с кон­ тролем в первой стадии («отправной» точке) — по моменту на ключе М 0, во второй стадии («основной» затяжке) — по углу поворота гайки срп0. Оптимальное значение момента на ключе в первой стадии определяется созданием в стыке сжимающего усилия, обеспечивающего полное упругое укорочение вкладышей при максимальном натяге посадки, т. е. Т 0 = Твтвх, и, таким

188

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ДЕТАЛЕЙ КЛАПАННОГО МЕХАНИЗМА

В настоящем разделе основное внимание отводится вопросам обеспечения работоспособности двух пар: шток клапана — направ­ ляющая и фаска клапана крышка цилиндра, так как они работают в тяжелых условиях. Средняя температура тарелки выпускного клапана,доходит до 700°С, а в начале открытия кла­ пана его фаска омывается газами с температурой 900—1200° С при давлении до б—8 кгс/см2. Температура штока клапана в рай­ оне направляющей доходит до 150—200° С. Шток и тарелка выпускного клапана, кроме того, подвергаются действию зна­ чительных механических и термических напряжений в условиях коррозии со стороны газов.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПАРЫ ШТОК—НАПРАВЛЯЮЩАЯ ВТУЛКА КЛАПАНА

Как показывает опыт, штоки клапанов из стали аустенитного класса весьма склонны к схватыванию с направляющей из чугуна. В высокофорсированных двигателях для обеспечения надежной работы пары шток — направляющая получили распространение защитные антифрикционные покрытия штоков клапанов с по­ мощью хромирования или азотирования. На КТЗ применяют оба способа. Электролитическое покрытие штоков слоем хрома толщиной до 0,01—0,02 мм без последующей механической обра­ ботки является весьма эффективным и относительно дешевым способом устранения повышенного износа и схватывания между штоком и направляющей.

Азотирование — значительно более дорогостоящий процесс; он позволяет получить слой толщиной до 0,05—0,07 мм, отличаю­ щийся после полирования высокими антифрикционными и проч­ ностными качествами. При выборе покрытия для штока клапана необходимо учитывать следующее. Как известно, в хромовых покрытиях имеют место растягивающие напряжения, а в азоти­ рованном слое — значительные сжимающие. Поэтому хромовое покрытие, как показывает опыт КТЗ, можно применять только

1 9 0

в случае, если шток клапана не подвергается при открытии клапана изгибу со стрелой прогиба более 0,05 мм. В противном случае хромовое покрытие быстро растрескивается. Азотирование в этом отношении имеет несомненные преимущества и получает поэтому все большее распространение.

Из рис. 124 видно, что при открытии клапана на шток клапана действуют две силы: Р — вдоль оси штока, вызывающая сжатие и продольный изгиб, и F = Pf (где f — коэффициент трения), вызывающая изгиб штока в поперечном направлении. Под дей-

ствпем указанных сил клапан сначала перекашивается в напра­ вляющей, а затем изгибается, касаясь верхней частью штока кромки направляющей, а в нижней — седла одной стороной посадочной фаски. Точка максимального прогиба от силы F определяется величиной зазора в направляющей, длиной напра­ вляющей, а также диаметром тарелки и штока клапана.

Максимальная величина прогиба, подсчитанная по указанной схеме, совпадает с местом наибольшего износа или повреждения штока клапана.

В качестве материала направляющих клапана обычно исполь­ зуют чугун с глобулярным графитом с перлитной основой. Практи­ куют также покрытие направляющей дисульфидом молибдена (шведская фирма Нохаб).

В практике КТЗ получила распространение конструкция комбинированной направляющей 2 клапана (рис. 125) крышки 3 цилиндра двигателя Д42. Бронзовой втулкой 1 в верхней части устанавливается зазор, в 3 раза меньший, чем в остальной части чугунной направляющей. Такая конструкция позволяет обеспе­ чить достаточное уплотнение в верхней части направляющей и свободу перемещений в нижней части. Шток клапана азотирован.

191

Рис. 126. Направляющая клапана дви­ гателя типа 14Д40:

а —• устан овка уп лотн ени я в н а п р а в л я ю ­ щей втулке ; б — комплект уп лотн ительн ы х

На рис. 126, а, б показана кон­ струкция направляющей дви­ гателя 14Д40, которая, кроме металлокерамической втулки 4, имеет специальное уплотнение, состоящее из самоподжимных разъемных полуколец, выпол­ ненных из фторопласта. Полу­ кольца соединены стальными

Большинство современных турбопоршневых двигателей имеет выпускные клапаны с наплавкой фасок специальными жаростой­ кими сплавами на никелевой или кобальтовой основе.

Сплавы на никелевой основе (типа ВХН), обладая примерно

лучшая прирабатываемость к фаске седла, повышенные пласти­ ческие свойства и меньшая стоимость. К недостатку этих сплавов следует отнести их способность к местному схватыванию и нали­ панию, особенно при работе с чугунными крышками цилиндров без седел:

К факторам, оказывающим влияние на напряженность тарелки клапана, относятся нагрузки от сил давления газов, затяжки пружин и сил инерции механизма привода; воздействие высоких температур (осевой и радиальный перепады температур). Иссле­ дования, проведенные КТЗ, показывают, что определяющими являются напряжения, обусловленные действием высоких темпе­

192

ратур. Осевой и радиальный перпады температур в тарелке кла­ пана вызывают на фаске растягивающие или сжимающие напря­ жения.

Знак напряжений на фаске определяется характером распре­ деления температур в тарелке клапана. Если середина тарелки клапана нагрета меньше, чем фаска, напряжения на фаске — сжимающие, и, наоборот, напряжения будут растягивающими, если фаска холоднее середины тарелки. Характер распределения температур зависит от выполнения опорной фаски на крышке цилиндра. Когда клапан непосредственно опирается на тело охлаждаемой крышки цилиндра, то от фаски клапана обычно обеспечивается теплоотвод, достаточный для понижения ее тем­ пературы относительно температуры центра тарелки. При уста­ новке в крышку цилиндра седел из жаропрочных материалов теплоотвод от фаски клапана ухудшается. Особенно это относится к так называемым плавающим седлам (см. ниже). В этом случае температура фаски клапана обычно выше температуры центра его тарелки, так как главный поток тепла идет через направляю­ щую. Так, например, на двигателе 14Д40 (не имеющем седел) температура центра тарелки равна приблизительно 680° С, в рай­ оне фаски 530—570° С, на двигателе 16ЧН 26/26 (1-5Д49), снабжен­ ном плавающими седлами для выпускных клапанов, соответ­ ственно 485 и 520° С. Температуры выпускных газов в обоих случаях ~550° С.

Исследования клапанов двигателей типа 14Д40 показали, что при действии радиального и осевого перепада температур, полученного термометрированием температур на работающем дви­ гателе, на фаске возникают растягивающие окружные напряжения до 1350 кгс/см2.

Для расчетного определения этих температурных напряжений необходимо иметь данные по распределению температур в тарелке клапана на работающем двигателе и значения модуля упругости, коэффициента Пуассона, коэффициента линейного расширения в зависимости от температуры.

Определение поля температур клапана на работающем дви­ гателе производится различными методами. Английская фирма Мирлис использовала для этой цели метод релаксации твердости материала, что позволило получить значения температур в любой точке клапана для различных режимов работы. Меньшими воз­ можностями по числу точек замеров обладает более простой по подготовке метод термометрирования клапанов на работающем двигателе. При отсутствии полных данных по распределению температур вдоль образующей тарелки для внешней и внутренней поверхности в расчете может быть принят линейный закон рас­ пределения температур от центра к периферии и по толщине та­ релки.

Определение радиальных и окружных усилий в тарелке кла­ пана на КТЗ производят с помощью замены тарелки клапана

системой конических оболочек вращения линейно-переменной толщины с различным углом наклона образующих к срединной поверхности, что позволяет отразить практически любую форму

Nr = Ne, МГ= М0;

на краю — отсутствие радиального усилия и момента

Nr = 0; Мг = 0.

Все вычисления проводились на ЭЦВМ «Урал-2».

Рис. 127. К расчету тарелки клапана:

только одной конической оболочкой) от действия неравномерного нагрева в рабочих условиях.

В результате различия в коэффициентах линейного расшире­ ния материалов тарелки клапана и наплавки при рабочей темпера­ туре на фаске возникают растягивающие окружные напряжения. В интервале температур 20—700° С коэффициент линейного расши­ рения распространенной клапанной стали ЭИ69 равен прибли­

на фаске клапана двигателя 14Д40 возникали' при работе недо­ пустимые растягивающие окружные напряжения (до 3000 кгс/см2). Для расчетного определения этих напряжений разработана мето­ дика, в которой используются известные уравнения для расчета напряжений в сопрягаемых цилиндрах с заданной величиной на­ тяга. Наплавка на тарелке клапана представляется тонким кольцом-

194

цилиндром, сечение которого по площади равновелико факти­ ческому сечению наплавки, тарелка клапана — сплошным ци­ линдром-диском, высота которого равна высоте кольца-наплавки. Материал тарелки в рабочем поле температур имеет обычно пере­ менный модуль упругости, а тарелка клапана — переменную радиальную жесткость по своим геометрическим характеристи­ кам, поэтому в расчет вводится понятие приведенного постоян­ ного модуля упругости, который определяется по методике рас­ чета оболочек вращения.

Равенство радиальных жесткостей расчетного диска и тарелки

от центра для сплошного цилиндра-диска с постоянным модулем

дике конических оболочек для известного перепада температур

напряжений производится по известным формулам для прессовых соединений.

Нагрузка от сил давления газов в цилиндре создает на фаске сжимающие окружные напряжения, которые также могут, быть рассчитаны по теории тонких конических оболочек вращения. В отличие от температурных напряжений, напряжения от сил давления газов достаточно просто проверить экспериментально,

используя увеличенные модели клапанов. Масштаб увеличения выбирается исходя из удобства наклейки тензодатчиков на участки, прилегающие к фаске. Из условий подобия упругих явлений в клапане и модели получены зависимости для одноименных величин, напряжений и нагрузок, характеризующих напряженное состояние натуры и модели:

=Ри = №Р,„

где Л,— коэффициент подобия (масштаб).

Рис. 128. Схема нагружения модели клапана:

1 — подача масла от насоса: 4 — масло; Б — отверстие дли вывода проводов

Равномерное давление на тарелку модели клапана создавалось с помощью масла от насоса высокого давления (рис. 128).

Действие сил газов, являясь циклическим по времени, при высоком уровне растягивающих окружных напряжений приводит

кобразованию усталостных радиальных трещин в тарелке клапана

вместе соединения наплавки с основным металлом.

Высокий уровень растягивающих напряжений может быть уменьшен введением специальной технологии обработки клапа­ нов \ Она включает получение наплавки, толщина которой изменяется по периметру клапана в пределах не более ±0,2 мм;

из стали ЭИ69 после наплавки при 775° С в течение «=<24 ч. Такая технология приводит к созданию в наплавке сжимающих напря­ жений до 1500 кгс/см21. В результате рабочий уровень растягиваю­ щих напряжений на фаске клапана составляет 2500—2800 кгс/см2, что обеспечивает запас 1,5 по отношению к пределу прочности

1 Авторское свидетельство № 287068 кл. 18 с. 1/78 от 8 августа 1967 г. «От­ крытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки», 1970, № 35.

196