Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia
.pdfУ с л о в и я |
р а б о т ы |
рубашек цилиндров определяются |
|
конструктивной |
схемой остова дизеля: при отсутствии |
анкерных |
|
связей работают |
на разрыв от |
силы действия газов на |
поршень |
и крышку цилиндра, а при наличии связей — нагружены сжимаю
щими усилиями от их |
затяга (см. § 2.1). |
М а т е р и а л о м |
для изготовления рубашек цилиндров слу |
жит серый чугун СЧ 18-36, СЧ 24-44, СЧ 28-48, модифицирован ный чугун, иногда Сталь 25.
П о к о н с т р у к ц и и различают индивидуальные для каж дого цилиндра рубашки и блоки цилиндров. Отдельные рубашки :0олее просты в изготовлении, их применение значительно умень шает влияние деформации остова дизеля (вследствие деформации корпуса судна) на положение осей цилиндровых втулок, а при не обходимости можно заменить цилиндр в сборе во время эксплуата ции).
Необходимая жесткость рубашек обеспечивается: значитель ной толщиной их стенок; массивными литыми ребрами; анкерны ми связями, индивидуальных рубашек, установленных на станине независимо друг от друга; соединением рубашек между собой болтами в единый блок цилиндров (см. рис. 2Л , е). Отдельный цельнолитой блок цилиндров или выполненный заодно со станиной '.(ем, рис. 2.5, в) имеет высокую жесткость, позволяет уменьшить длину и массу дизеля, но технология его изготовления сложная. Для упрощения изготовления блоков их часто делают составными (см. рис. 2.1, ж).
Цилиндровые втулки. В судовых дизелях применяют вставные «мокрые» втулки (рис. 2,6, а). Имеются нижний 3 и верхний 2 утолщенные круговые пояса и фланец 1, опирающийся на опорный бурт рубашки или блока цилиндров. Сверху фланец втулки прижи
мается буртом |
крышки цилиндра. |
У с л о в и я |
р а б о т ы цилиндровой втулки определяются |
воздействием больших механических и термических нагрузок, тре нием поршневых колец, вызывающим износ и дополнительный на
грев рабочей поверхности |
(«зеркала»), |
воздействием |
коррозии |
и кавитационной эрозии на охлаждаемую поверхность. |
|||
Механические нагрузки |
возникают под |
действием |
сил газов, |
силы действия поршня (в тронковых дизелях) и силы затяга кре
пежных шпилек цилиндровой крышки. |
|
|
|||||
Давление |
газов рг |
(рис. |
2.6, б) вызывает |
в стенке втулки |
|||
напряжения |
растяжения <тр = |
pzDI2b (где D — диаметр цилиндра; |
|||||
$ — толщина, стенки |
втулки) |
и сжатия асж = |
pZ9 а |
нормальное |
|||
давление р |
(см. рис. |
2,6, а) — напряжения изгиба |
(наибольший |
||||
изгибающий момент МИЗ |
F max /j/2//) и вибрацию втулки (вследст |
||||||
вие изменения момента |
по |
значению и направлению). |
От силы Р затяжки крепежных шпилек (рис. 2.6, в) в опасном сечении х—х опорного фланца втулки возникают следующие слож ные напряжения: растяжение от силы Р п, сдвига от силы P t и из
30
гиба от момента М ш ~ PL |
Подобное напряженное состояние бу |
дет и в сечении у—у опорного бурта блока. |
|
Для уменьшения изгибающих напряжений во фланце втулки |
|
(наиболее опасных для |
чугуна) следует уменьшать плечо I |
(см. рис. 2.6, в), т. е. кольцевую выточку располагать над опорной частью фланца втулки. При I — 0 в опасном сечении действуют только напряжения сдвига, однако возрастают напряжения в опор ном бурте блока, цилиндровой крышке и ее крепежных шпильках. Поэтому положение кольцевой выточки выбирают из условия обеспечения минимальных напряжений во всех элементах этого
узла. |
|
|
|
|
Термические |
нагрузки |
на втулку |
обусловлены |
воздействием |
горячих газов. |
Высокая |
температура |
зеркала в |
верхнем поясе |
7 z |
|
|
|
|
Рис. 2.6. |
Механические |
нагрузки на цилиндровую втулку (внутренним г j и |
внешним |
г2 радиусами) |
и ее тепловые деформации |
3 !
втулки (до 200 °С) ухудшает условия смазывания и способствует изнашиванию втулки и колец, а перепад температур по толщине стенки втулки вызывает в ней термические напряжения ot (см. § 1.2).
Суммарные напряжения складываются из механических и тер мических напряжений в стенке втулки: а = ам + at. С увеличе нием толщины стенки 8 снижается напряжение сгм, но возрастает (?t. Для каждого диаметра цилиндра определяют оптимальную толщину 8, которой соответствует минимальное напряжение 0 ,
Значительная температурная асимметрия по длине втулки (температура в верхнем поясе втулки выше температур нижерас положенных поясов) и по окружности (особенно в двухтактных дизелях с контурной продувкой, где температура со стороны вы пускных окон всегда выше температуры со стороны продувочных окон) вызывает неравномерные осевые и радиальные деформации втулки. В результате искривляется ось втулки и искажается фор
ма ее |
зеркалао |
|
|
|
На рис, 2.6. а показаны схемы осевых деформаций |
втулки на |
|||
ее развертке по осям I — IV и радиальных деформаций по этим же |
||||
осям |
в сечениях (поясах) А —А, |
Б — Б, |
В —В, |
|
К |
конструкции цилиндровой |
втулки |
предъявляют |
следующие |
о с н о в н ы е т р е б о в а н и я : |
высокая прочность и жесткость; |
хорошее охлаждение верхнего пояса при возможно меньших пере падах температур в стенке (температура зеркала втулки против верхнего компрессионного кольца при положении поршня в ВМТ из условия сохранения масляной пленки и обеспечения нормаль ных условий смазки не должна превышать 180 °С); наименьшая неравномерность радиальных и осевых деформаций; герметич ность поверхностей; сопряженных с рубашкой и крышкой цилинд ра; свободные радиальные и осевые расширения втулки; материал втулки должен быть жароупорным (жаропрочным и жаростойким),
износостойким, иметь хорошие антифрикционные качества. |
||
М а т е р |
и а. л о м для |
изготовления втулок МОД и СОД слу |
жит чугун, |
легированный |
титаном, хромом? никелем и ванадием, |
или. серый чугун СЧ 2848, |
СЧ 32-52. |
Для повышения износостойкости втулки СОД иногда покры вают пористым хромом. Для улучшения приработки втулки и поршневых колец и поддержания нормальных условий их смазки в современных форсированных дизелях зеркало втулки, хонингуют (наносят сетку микроштрихов), а в МОД делают винтовую нарез ку с шагом 12— 15 мм, глубиной 0?03—0?06 мм,
П о к о н с т р у к ц и и различают цилиндровые втулки че тырех- и двухтактных дизелей, цельные и составные.
В тронковом дизеле втулку делают выступающей в картер, что уменьшает высоту дизеля и расстояние между опорами втулки,. Для обеспечения свободного качания шатуна в нижней части втул ки часто делают вырезы е (рис, 2.7, а).
32
В четырехтактных дизелях для нормального открытия газо распределительных клапанов (если края их тарелок выходят за пределы цилиндра) и уменьшения дросселирования потоков воз духа и газа между тарелкой клапана и стенкой втулки в ее верх ней части делают выемки (карманы). Во втулках двухтактных
дизелей имеются продувочные с и выпускные d |
окна (рис. |
2 Д а, |
рис. 2.9, а). |
|
|
Д ля предотвращения образования наработка |
(выработки |
усту |
пом), затрудняющего демонтаж поршня и вызывающего поломку поршневых колец, у дизелей ранней постройки делали цилиндриче скую или конусную расточку верхней части втулки на всю высо ту камеры сгорания .(от середины верхнего поршневого кольца при положении поршня в ВМТ). Расточка втулки облегчает доступ газа к верхнему поршневому кольцу и увеличивает его нагрев.
А
1
Рис. 2.8. Цилиндровые втулки двухтактных дизелей с прямоточ- но-клапанной про дувкой:
а — Бурмейстер |
и Вайн |
||
VTBF50/110; |
б — Зульдер |
||
RTA58; |
в — |
Бурмейстер |
|
и Вайн |
K98FF; |
г — Ми |
цубиси VEC52L
Рис. 2. 9.. Цилиндровые втулки двухтактных дизелей с контурной продувкой:
а ~~ MAH KL70/120; б — Зульцер RD76; в — ГМТ СС600; г - Зульцер SD72; д — МАН. KSZ105/180
2 |
* |
35 |
|
Поэтому в современных дизелях вместо расточки втулки делают
узкую кольцевую |
выточку — канавку с (см. рис. |
2.7, а); этим до |
||||||
стигаются |
те |
же |
результаты, |
но |
затрудняется |
доступ |
газа |
к |
кольцу. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Крепление втулки в блоке осуществляют путем жесткого за |
||||||||
крепления |
ее |
фланца между |
буртами блока и крышки цилиндра |
|||||
с обеспечением |
радиальных зазоров |
и б2 (см, рис. 2.7, а, |
2.8, |
а) |
между посадочными (центрирующими) поясами втулки и блока. Свободные радиальные и осевые расширения втулки предохраняют блок цилиндров от разрыва, а зеркало втулки от деформаций (при нагревании втулка расширяется быстрее и больше, чем блок).
Уплотнение сопрягаемых поверхностей опорного бурта 3 бло ка и фланца 4 втулки (см. рис. 2.7, а) обеспечивают их притиркой (между собой или специальными притирами). В современных СОД для улучшения уплотнения и предотвращения коррозии на пряженного пояса втулки (под ее фланцем) часто устанавливают резиновое кольцо 5, Для уплотнения газового стыка притирают поверхности фланца втулки и бурта крышки цилиндра или уста навливают между ними прокладку из красной меди или мягкой стали,
Уплотнение нижнего пояса втулки со стороны охлаждающей воды и со стороны картера или подпоршневого пространства осу
ществляют резиновыми кольцами 6 |
(на рис. |
2.8, а —поз, l f |
рис. 2.9, б —• поз. 7). Резиновые кольца |
круглого |
сечения с натя |
гом заводят в канавки, проточенные в утолщенном круговом по ясе втулки. У четырехтактных дизелей средней мощности иногда применяют сальниковую набивку с нажимной, втулкой, что позво ляет устранять протечки воды без демонтажа цилиндровой втулки,'
У двухтактных дизелей с контурной |
продувкой |
пояс |
вы |
|
пускных окон со стороны охлаждающей |
воды уплотняют коль |
|||
цами 2 мягкой сальниковой набивки и |
резиновым |
кольцом 3 |
||
(см. рис, 2.9, |
а) или резиновыми кольцами 6 (см. рис. 2.9, б), а со |
|||
стороны газа |
— красно-медными кольцами |
4, проточенными |
с на |
тягом относительно центрирующего пояса блока.
Контроль уплотнений осуществляют с помощью специаль ного сигнального отверстия в рубашке, соединенного с кольцевой канавкой — сборником g на втулке (см, рис. 2.7, а; рис. 2.9, б) или в блоке (см. рис, 2.9, а), Вытекание воды, выход масляных паров, продувочного воздуха или газа из сигнального отверстия свидетельствует о нарушении герметичности соответствующего уп лотнительного кольца. У дизелей с прямоточно-клапанной продув» кор состояние уплотнений контролируют через кольцевой зазор d
между масляным штуцером 2, ввернутым во |
втулку на резьбе, |
и блоком цилиндров (см. рис. 2.8, а). |
осуществляется за |
Смазывание втулок в тронковых дизелях |
счет разбрызгивания масла, вытекающего из зазоров подшипни ков; масло забрасывается на нижнюю часть втулки и при движе-
36
нии поршня вверх разносится поршневыми кольцами по всему зеркалу цилиндра. У мощных СОД для верхней части втулки ча сто предусматривают принудительное смазывание насосами-лубри каторами через масляные штуцеры. В двухтактных тронковых дизелях применение лубрикаторной системы смазывания обуслов лено повышенной тепловой нагрузкой цилиндра и разрывом масля ной пленки в поясе окон.
У некоторых дизелей лубрикаторы не применяют и подают масло на смазывание втулок от циркуляционной системы через специальные распылительные сопла, расположенные в картере, по осевым и радиальным сверлениям во втулке или из системы охлаждения поршня в круговую канавку на его направляющей
части |
(например, у дизеля Вяртсиля Ваза 32). |
■ В |
крейцкопфных дизелях применяют только принудительное |
смазывание втулок от лубрикаторов или от специальной аккуму ляторной системы. Для равномерного распределения масла по ок ружности на зеркале втулки в районе смазочных отверстий а де лают маслораспределительные канавки Ъ (см. рис. 2.7, а; 2.8, а; 2.9, б) или соединяют отверстия сплошной криволинейной канав кой (см. рис. 2.9, а). Расположение смазочных отверстий зависит от тактности дизеля и уровня его форсировки.
Конструктивные способы улучшения охлаждения и уменьшения тепловой нагрузки верхнего пояса цилиндровой втулки:
у современного форсированного дизеля фланец втулки обычно изготовлен в виде высокого толстостенного кругового пояса» способного воспринимать большие механические нагрузки от действия газов. Для циркуляции охлаждающей воды в стенке делают сверле ния f под углом к образующей цилиндра, пересекающиеся с радиаль ными сверлениями' в верхней части втулки (см. рис. 2.7, а, б). Это дает возможность подвести охлаждающую воду близко к поверх ности зеркала втулки и значительно снизить ее температуру. Тол» стая стенка, наружной части фланца (за охлаждающими каналами) остается холодной и воспринимает давление газов, снижая меха нические напряжения. Одновременно такой фланец имеет высокую жесткость, является хорошей опорой для цилиндровой крышки, дает возможность уменьшить высоту блока и массу дизеля. Охлаж дающая вода из сверлений d (см. рис. 2.7, а) поступает в водосбор ное кольцо 2, прикрепленное к фланцу втулки, и далее по перелив ным патрубкам 1 перетекает в цилиндровую крышку. Для интен сивного и равномерного охлаждения газового стыка и днища ци линдровой крышки воду в нее часто отводят по круговому кожу ху 7 (см. рис. 2,7, б);
во фланце втулки делают пересекающиеся под углом к оси ци линдра сверления, а с наружной стороны фланца устанавливают кольцо 8 (рис. 2.7, в) с внутренними ребрами, образующими кана лы' для охлаждающей воды вокруг фланца» В результате снижа ются и выравниваются температуры по высоте и толщине фланца;
,37
фланец втулки усиливают надетым в горячем состоянии сталь» ным кольцом 8 (рис, 2.8, б), а в самом фланце делают каналы е для циркуляции охлаждающей воды;
на втулку устанавливают тонкостенную рубашку — кожух 4 (рис, 2.8, в). При этом вследствие увеличения скорости охлаждаю щей воды в зарубашечном пространстве интенсифицируется охлаж
дение по всей высоте втулки, а |
рубашка цилиндра изолируется |
от воды («сухая» рубашка) и не |
подвергается коррозии и эрозии; |
в мощном СОД с высокотемпературным охлаждением цилинд |
|
ров (температура охлаждающей |
воды достигает 130 °С) интенсив |
ное охлаждение только верхней части втулки и газового стыка обеспечивается циркуляцией воды с большой скоростью в каналах, образованных кольцевым ребром 9 втулки (рис. 2.7, г), в глухих сверлениях h большого диаметра по всему периметру бурта втулки и в каналах и полостях рубашки цилиндра. Интенсивное высоко™ температурное охлаждение только верхней части втулки обеспечи вает приемлемые температуры зеркала при работе дизеля на пол ной нагрузке, исключает опасность кислотной коррозии на малых нагрузках (особенно в нижних поясах втулки) и значительно по вышает КПД дизеля. Равномерное расположение по окружности большого числа глухих сверлений не только снижает общий темпе ратурный уровень рабочей поверхности втулки, но и выравнивает температурное поле бурта. Тангенциальные сверления f (рис. 2.8, г)
вутолщенном бурте втулки также снижают температуру зеркала
ивыравнивают температурное поле по окружности (у данного дизеля охлаждается также только верхняя часть втулки);
унекоторых дизелей с составными цилиндровыми втулками (рис, 2.9, в) верхнюю часть 8 отливают из стали, а для обеспече ния нормальных условий трения в нее запрессовывают тонкостен ную втулку 9 из износостойкого чугуна. Нижнюю часть с поясом уплотнений, продувочными и выпускными окнами отливают из чугуна. Интенсивное охлаждение верхней чугунной втулки обес печивается благодаря ее тонкостенности и высокой скорости ох лаждающей воды в каналах, образованных ребрами мощной сталь
ной втулки, |
воспринимающей механические нагрузки; |
у дизеля |
ранней постройки верхний пояс втулки обычно имеет |
кольцевые ребра 1 (см. рис. 2.9, а), разделяющие зарубашечное пространство на каналы е для прохода охлаждающей воды. Вслед ствие уменьшения проходных сечений увеличиваются скорость воды и коэффициент теплоотдачи от стенки втулки к воде;
фланец втулки устанавливают не на опорный бурт блока, а на стальное 5 (см. рис. 2.9, б) или чугунное 10 (рис. 2.9, г) проставочное кольцо. Это дает возможность вынести камеру сгорания за пре делы металлоемкого теплоаккумулирующего пояса и улучшить охлаждение ее стенок, уменьшить высоту блока и массу дизеля. Стальное проставочное кольцо одновременно выполняет силовые функции. Зазор между кольцом и ребрами втулки во время работы
38
дизеля ликвидируется (вследствие радиального расширения втул ки), и проставочное кольцо начинает воспринимать нагрузку от газовых сил, стремящихся разорвать втулку. Оребрение верхней части втулки повышает ее жесткость, увеличивает поверхность теплообмена и образует каналы для охлаждающей воды. Такая конструкция дает возможность уменьшить температуру зеркала втулки, снизить приблизительно на 50 % механические и термиче ские напряжения, предотвратить разрыв блока при чрезмерном расширении втулки в случае перегрева (податливость проставочного кольца больше, чем блока цилиндров), но имеет существенный недостаток — трудность поддержания в эксплуатации определен ного зазора между кольцом и ребрами втулки;
на фланец втулки и ее верхнюю часть с кольцевыми ребрами с предварительным натягом устанавливают оребренное стальное про ставочное кольцо — бандаж 12 (рис. 2.9, <Э), что дает возможность сделать стенки втулки тоньше, улучшить охлаждение, снизить механические и термические напряжения, уменьшить деформации фланца. Круговая выточка во фланце, закрытая стальным составным кольцом 1/, обеспечивает внутреннее охлаждение фланцевой части втулки. Кольцо одновременно воспринимает силу затяжки крепежных шпилек крышки цилиндра;
в верхнюю часть втулки устанавливают огневое (жаровое) кольцо (см. рис. 2.9, б, в), защищающее ее от пламени;
применяют цилиндровые крышки утопленного и колпакового типов (см. § 2.5), что дает возможность камеру сгорания перенести
вхорошо охлаждаемый пояс втулки или в крышку цилиндра.
Конструктивные способы уменьшения неравномерности ради
альных и осевых деформаций втулки:
в районе выпускных окон диаметр втулки увеличивают на 0?3—“0,4 мм благодаря эксцентричной расточке перемычек выпуск ных окон (см. рис. 2.9, а), Профиль расточки обычно определяют приближенно, так как форма зеркала втулки во время работы ди зеля неизвестна. Поэтому могут возникнуть искажения зеркала (особенно в районе перехода на базовую поверхность), способствую
щие |
ступенчатой выработке втулки; |
посадочный (центрирующий) пояс втулки (см. рис, 2.9, б, |
|
узел |
II) или блока (см. рис. 2.9, г) делают пружинящим (податли |
вым) . В результате предотвращается искажение формы зеркала втулки при ее радиальном расширении и улучшаются условия ра боты уплотнения пояса окон;
перемычки окон (особенно выпускных) охлаждают путем пере пуска воды из нижней части зарубашечнош пространства в верх нюю по сверлениям / в перемычках (см. рис. 2.9, б) или из верхней части в нижнюю по залитым в стенку втулки, близко расположен ным к зеркалу стальным трубкам 13 (см. рис. 2.9, д). Это значи тельно снижает температуру зеркала в поясе выпускных окон и неравномерность радиальных и осевых деформаций втулки;
39