книги из ГПНТБ / Брук М.А. Инженерные основы эксплуатации корабельных дизелей учебник

слом ходов поршня в единицу времени, т. е. числом оборотов.

Независимость износа втулки данного двигателя от числа оборотов указывает на преимущественное воз­ действие коррозии, так как уязвимая для коррозии по­ верхность остается обнаженной почти в течение всей работы, а величина износа не зависит от того, сколько ходов сделал поршень за это время, т. е. не зависит от пути трения. Имеется некоторое отличие в воздейст­ вии коррозии, на втулки цилиндров двухтактных и че­ тырехтактных двигателей.

Во время движения поршня четырехтактного двига­ теля вверх продукты коррозии соскабливаются и на по­ верхность втулки разгруженными поршневыми кольца­ ми наносится слой масла, которое предохраняет от коррозии эту поверхность во время последующих ходов наполнения и выпуска.

У двухтактных двигателей с учетом отсутствия на­ сосных ходов при равном числе оборотов время воздей­ ствия коррозионно агрессивных продуктов сгорания бу­ дет относительно больше, так как сгорание происходит за каждый оборот коленчатого вала, и соответственно большим должен быть износ втулок цилиндров двух­ тактных двигателей, если он определяется коррозией.

Опыты подтверждают это положение. При прочих равных условиях за одно и то же время степень износа втулок цилиндров у двухтактных двигателей больше, чем у четырехтактных.

Это также является указанием на преимуществен­ ное влияние коррозионного износа. Коррозионный износ оказывает существенное воздействие на втулку цилинд­ ра, в то время как поверхности поршневых колец почти не подвергаются коррозии. Поэтому значительный износ втулки в сочетании с малым износом колец указывает па преимущественное воздействие коррозии в общем изнашивании втулки цилиндра.

Заметный рост износа втулки во время работы пе­ реохлажденного двигателя является также указанием на коррозионный характер износа, так как уменьшение температуры втулки ниже точки росы агрессивных про­ дуктов сгорания топлива усиливает кислотную корро­ зию, хотя износ от истирания и абразивов должен при этом уменьшиться в связи с возрастанием вязкости

360

масла и увеличением толщины слоя масляной пленки на холодных стенках цилиндра.

Все эти обстоятельства служат убедительными, хотя и косвенными доказательствами того, что в общем комп­ лексе взаимодействующих видов изнашивания втулок цилиндров наиболее существенную роль играет корро­ зия. Этот вывод не означает, что изнашивание от абра­ зивов и истирания настолько мало, что его можно вообще не учитывать. Истирание от трения важно учи­ тывать уже потому, что во время работы пары трения «поршень — втулка цилиндра» имеется вероятность бо­ лее или менее значительного граничного трения, вызы­ вающего повышенный износ.

Кроме того, нельзя избежать и абразивного изнаши­ вания, так как при любой, даже самой эффективной, фильтрации смазочного масла, топлива и воздуха обра­ зуются углеродистые частицы высокой твердости, а к поверхностям трения поступают продукты износа, ко­ торые служат источником и причиной абразивного из­ нашивания. Если преимущественное воздействие оказы­

вают трение и абразивы, то изнашиванию будут подвер­ гаться и втулка цилиндра, и поршневые кольца, в то

время как коррозионный износ характерен главным об­

разом для втулки цилиндра.

При воздействии трения и абразивов можно ожидать распространения износа по всей рабочей длине втулки цилиндра, хотя максимум износа и при этом также рас­ полагается . в верхней части, где действуют наиболее высокие давления и самые неблагоприятные условия смазки.

Износ же от коррозии ограничен сравнительно не­ большой областью.

Г. Р. Рикардо [49] ссылается на следующий опыт. В цилиндр двигателя вместе с воздухом подавалась тонкая струяабразивного материала, вызвавшего вы­ сокую скорость изнашивания втулки цилиндра и порш­ невых колец. Осмотр цилиндра показал, что изнашива­ ние не ограничивалось участком, соответствующим ходу

поршня, а распространялось ниже, что может произойти в том случае, если в абразивном износе будут прини­ мать участие не только поршневые кольца, но и юбка поршня.

В нормальных условиях износ поверхности втулки

361

по всей длине ниже верхних поршневых колец при на­ хождении поршня в НКП весьма невелик.

Из всего изложенного выше можно сделать вывод, что в нормальных условиях коррозия является наибо­ лее интенсивно действующим видом износа втулки ци­ линдра.

На рис. 121 представлены некоторые характерные виды профилей износа втулки цилиндра по ее длине. Профиль, показанный иа рис. 121, а, типичен для нор­ мального износа с преимущественным влиянием корро­ зии.

В случае пригорания первого поршневого кольца максимальное давление газов действует иа второе порш­ невое кольцо, поэтому при сохранении общего характера износа максимальная его величина смещается вниз и располагается в районе между вторым и третьим коль­ цами (рис. 121,6).

Смещение максимума износа сопровождается повы­ шением скорости изнашивания, что объясняется накап­ ливанием абразивно действующих углеродистых ча­ стиц.

Пригорание первых двух колец приводит к смеще­ нию максимума износа в район расположения третьего поршневого кольца (рис. 121, в).

Таким образом, заметное смещение вниз максимума износа втулки цилиндра по сравнению с расположением верхнего поршневого кольца является указанием на не­ исправность этого кольца.

Профиль износа, изображенный на рис. 121, г, опре­ деляется влиянием повышенного трения н абразивного изнашивания.

Если абразивное изнашивание по каким-либо причи­ нам становится преобладающим при одновременном усилении воздействия коррозии и трения, то износ по длине втулки будет иметь профиль, изображенный на рис. 121,6. На основной части длины втулки износ в этом случае имеет примерно одинаковую величину.

Из рассмотрения рис. 121 следует, что отклонение от типичного профиля износа связано с какой-либо не­ нормальностью в условиях работы пары трения «втулка цилиндра — поршень» (пригорание колец, недопустимо большое количество абразивов, плохая фильтрация мас­ ла, нарушение условий смазки и т. д.).

362

'Оценка допустимости износа йтулйи цилиндра проШвоДится с учетом величины зазора, влияния износа на условия смазки, расход смазочного масла, прорыв газов из камеры сгорания в картер, степени влияния износа на

показатели рабочего процесса и общую эффективность и экономичность двигателя.

Основываясь на данных испытания дизелей разных размеров, конструкций, форсировки и быстроходности, можно сделать вывод, что в среднем предельный износ втулок цилиндров не должен превышать 0,6—1,0% диа­ метра цилиндра.

Чем больше диаметр цилиндра и чем меньше фор­ мирован дизель, тем большая величина износа может

.быть допущена.

В связи с этим для ориентировочной оценки предель­ ного диаметрального износа втулки цилиндра, связан­ ного с необходимостью ее замены, можно воспользовать­ ся простой зависимостью:

К— коэффициент, зависящий от типа двигателя, условий и требований эксплуатации, степени

форсировки и диаметра цилиндра.

Чем больше диаметр цилиндра, тем меньше величина

Верхний предел величин К выбирается для форси­ рованных по наддуву дизелей.

Пользуясь данными исследования некоторых быстро­ ходных дизелей, Г. Р. Рикардо [49] рекомендует несколь­ ко меньшие, чем вышеприведенные, пределы допустимых износов втулки цилиндра.

Общий вывод формулируется следующим образом. Пока износ втулки, измеренный по максимальному диа­ метру выработки, не превышает 0,2% номинального диа­ метра цилиндра, не происходит ухудшения характери­

363

стик двигателя. Заметный рост расхода масла и ухуд­ шение пусковых качеств начинается, когда диаметраль­ ный износ достигает 0,25%.

Дальнейший рост износа до 0,35—0,40% приводит к резкому увеличению расхода масла, чрезмерному про­ рыву газов в картер, ухудшению основных эксплуата­ ционных характеристик двигателя и возрастанию опас­ ности поломок поршневых колец. Средняя скорость из­ нашивания втулки цилиндра

Срок службы втулки цилиндра может быть выра­ жен отношением предельного диаметрального износа к средней скорости изнашивания, которая определяется по наклону линии износа:

Конусность втулок цилиндров троиковых двигателей не должна превышать 0,15 мм па 1 м длины.

Разность наибольшего и наименьшего диаметров при бочкообразном износе не должна превосходить допуска­

емую величину конусности.

Так как изнашивание втулки цилиндра происходит значительно интенсивнее, чем износ направляющей ча­ сти поршня, то от величины износа втулки цилиндра за­ висит зазор между нею и поршнем, с ростом которого усиливаются удары при перекладке поршня и заметно растет уровень вибраций цилиндра.

Например, у дизеля ЧН 18/20 за счет изменения диа­ метрального зазора между втулкой цилиндра и юбкой поршня в пределах 0,6—0,8 мм уровень вибраций верх­ ней части цилиндра вырос в среднем от 117 дб до

120 дб.

Поршень и поршневые кольца

Износ поршня и его элементов связан с особенностя­ ми износа втулки цилиндра. Изнашиванию подвергаются поршневые кольца, канавки поршневых колец и направ­ ляющая часть поршня.

364

Износ поршневых колец имеет преимущественно мёханический характер и определяется главным образом трением.

В связи с этим очевидно, что режим смазки — один из важнейших факторов, определяющих износ поршне­ вых колец.

Не исключается также воздействие коррозии.

На величину износа колец влияют удельное давле­ ние, с которым кольцо прижимается к втулке цилиндра, равномерность прилегания кольца, зазор в замке, со­ стояние канавки, величина и характер износа втулки цилиндра и т. д.

В наиболее трудных условиях работают верхние поршневые кольца. Они испытывают воздействие высо­ ких давлений и температуры газов. Следствием воздей­ ствия высокой температуры является не только нагрев самого кольца, но и интенсивное выгорание смазочного масла на его поверхности, отложение продуктов непол­ ного окисления смазочного масла.

Верхнее поршневое кольцо работает в условиях гра­ ничного и полусухого трения, подвергается наибольше­ му истиранию и абразивному изнашиванию. К этому следует добавить воздействие на поверхности поршнево­ го кольца коррозиоино агрессивных продуктов, имею­ щих с ними непосредственный контакт. Износ рабочей поверхности под действием истирания, абразивов и кор­ розии уменьшает толщину кольца, при этом ухудшаются его упругие свойства.

При одновременном износе втулки цилиндра увеличи­ вается зазор в замке кольца, растет прорыв газов и расход смазочного масла.

Достижение предельного зазора в замке поршневого кольца определяет собой необходимость выема поршней для замены колец.

Торцовые поверхности колец также изнашиваются, однако в меньшей мере, чем рабочие поверхности. Как правило, износ кольца по высоте не лимитирует межре­

монтного срока работы двигателя.

Перечисленные обстоятельства явились основанием для того, чтобы износ верхнего поршневого кольца при­ нять за один из показателей износа всего двигателя.

От величины износа верхнего компрессионного коль­ ца в прямом соотношении зависит износ других колец,

365

й том числе и маслосъемных, которые работают в менее тяжелых условиях.

О соотношении износа верхнего и нижерасположенных уплотнительных колец можно судить по рис. 122,а, на котором условной кривой соединены точки, характе­ ризующие износ поршневых колец. Значительная доля

Рис. 122. Сравнение величин износа верхнего, второго и третьего компрессионных колец:

а — износ колец; б — увеличение зазора в канавках поршней в зависимости от продолжительности работы двигателя

износа кольца приходится на момент нахождения порш­ ня вблизи ВКП.

Износ поршневых канавок обусловлен ударами ко­ лец при изменении направлений движения поршня, воз­ действием абразивов и коррозии.

При повышенном по сравнению с нормальным осе­ вом зазоре кольцо ударяет по перемычке в моменты из­ менения направления перемещений поршня.

Главной причиной абразивного износа является по­ падание нагара и пыли между кольцом и зеркалом ци­ линдра.

Коррозия колец и канавок особенно интенсивна при низких температурах рабочего процесса и при высоком содержании серы в топливе. Поэтому износ возрастает при частых пусках и остановках, работе на холостом хо­ ду и малых нагрузках.

. При высоких температурах поршня в зоне колец может выгорать масляная пленка между кольцом и

366

канавкой. С течением времени работы уменьшается твердость металла поршня, что ускоряет абразивный из­ нос канавок и деформацию ее опорной поверхности.

Опыты [74] показали, что при температуре в зоне верхнего поршневого кольца около 290° С через 2000 ч работы твердость поршня из алюминиевого сплава сни­ зилась со 115 до 37 единиц по Бринелю.

Верхняя канавка, как и верхнее поршневое кольцо, изнашивается в большей мере и быстрее, чем осталь­ ные, нижележащие канавки.

Характер износа верхней I и нижних II и III канавок показам на рис. 122,6.

Износ канавок зависит от степени износа и характе­ ра изменения первоначального профиля поршневых ко­ лец и втулки цилиндра, величины исходного зазора между кольцом и канавкой, жесткости и вибростойко­ сти колец, количества и свойств абразивных частиц, по­ падающих в зазор между кольцом и поверхностью ка­ навки.

Наиболее типичными эксплуатационными причинами, вызывающими ускоренный износ поршневых колец и канавок, являются низкое качество смазочного масла, плохая фильтрация его во время работы двигателя, ча­ стое и резкое изменение режимов работы, длительное использование двигателя в условиях, вызывающих ви­ брации и перегрев основных деталей.

Опытами установлено [10], что значительные колеба­ ния числа оборотов, вызванные воздействием качки ко­

рабля, приводят к повышенному износу поршневых ка­ навок и колец, что объясняется не только резкопере­ менными условиями смазки, но и усилением вибрации колец.

С увеличением температуры головки поршня и сте­ нок цилиндра более чем до 200° С возрастает износ поршневых колец главным образом из-за усиленного их закоксовывания.

Перегрев двигателя влияет на износ колец по той же причине..

В случае повреждения верхнего поршневого кольца действию высоких температур газа подвергаются ниж­ ние кольца, которые также закоксовываются.

Направляющая часть поршня изнашивается меньше, чем кольца и канавки, так как трение между ней и

367

втулкой происходит в сравнительно благоприятных ус­ ловиях. Это утверждение базируется на опытной про­ верке, произведенной на специально сконструированном экспериментальном двигателе [73].

Направляющая часть поршня в результате износа приобретает некоторую овальность с минимальной осью, расположенной в плоскости действия нормальных уси­ лий.

Износ направляющей части поршня не определяет собой межремонтные сроки работы двигателя, так как величина этого износа сравнительно мала, а увеличение зазора между втулкой цилиндра и поршнем происходит главным образом за счет износа втулки.

Величина допускаемого износа поршня зависит от диаметра цилиндра. Эллиптичность по диаметру и конусность по длине тронка поршня допускаются в пре­ делах 0,15—0,8 мм для двигателей с диаметрами цн-

. линдров 50—750 мм. При увеличении диаметра цилинд­ ра на каждые 50 мм допустимый износ возрастает на

0,05 мм.

Эллиптичность и конусность поршневых пальцев с

диаметрами 50—200 мм допускаются в пределах соот­ ветственно от 0,12 мм до 0,25 мм. При увеличении диаметра пальца на каждые 50 мм допускаемый износ повышается на 0,05 мм.

Указанные пределы допускаемых износов являются ориентировочными. Для каждого двигателя завод-из­ готовитель устанавливает свои нормы износов и за­ зоров.

Характерными признаками повышенного износа поршней являются уменьшение давления в конце сжа­ тия и максимального давления цикла, ухудшение пуско­ вых качеств, падение мощности, дымный выпуск, повы­ шенный прорыв газов в картер и появление характер­ ных стуков.

При взаимодействии поршневого пальца с бобышка­

ми или вставками увеличивается размер отверстия, в результате чего происходит ослабление посадки поршне­ вого пальца.

Срок службы поршней в нормальных условиях экс­ плуатации без учета аварийных случаев задиров порш­ ней обычно определяется износом поршневых колец и канавок.

368