Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

цилиндра (квадратичная зависимость); тронк поршня дополнитель­

номерный нагрев поршня приводит к значительной асимметрии температурного поля относительно его оси и возникновению до­ полнительных термических напряжений.

У дизелей с прямоточно-щелевой схемой газообмена (например, Д100, ДПРН 23/2 х 30, Доксфорд) большая тепловая нагрузка

В лучших условиях работают поршень дизеля с прямоточно-кла-

.панной продувкой, у которых поток продувочного воздуха хорошо и равномерно охлаждает головку поршня.

Теплоту отводят от головки поршня (8— 10 % теплоты, выде­ ляющейся при сгорании топлива в цилиндре) различными путями: у неохлаждаемого поршня — главным образом через поршневые кольца (60—80 %) и тронк (20—40 %) к стенке цилиндровой втул­ ки и далее к охлаждающей воде цилиндра; у охлаждаемого порш­ ня — через поршневые кольца к стенке втулки и непосредствен­ но к охладителю поршня (воде или маслу).

Неохлаждаемые поршни применяли в мало нагруженных дизелях ран­ ней постройки. Однако следует иметь в виду, что в эксплуатации при оста­ новке современного форсированного дизеля иногда охлаждаемые поршни «пре­ вращаются» в неохлаждаемые и изменяются пути отвода теплоты, аккуму­ лированной в головке поршня. Это может приводить к пригоранию поршне­ вых колец.

Сильный нагрев головки поршня снижает ее прочность, а значительные перепады температур вызывают в днище высокие термические напряжения, и головка деформируется.

Наибольшие напряжения от радиального перепада температур возникают в днище неохлаждаемого поршня

kt qr2

at = и '

где kt — коэффициент пропорциональности; q — удельная тепловая нагруз­ ка днища поршня; г — внутренний радиус днища; к — коэффициент тепло­ проводности материала; 6 —• толщина днища,

а от осевого —в днище охлаждаемого поршня

где Л — постоянная,

хотя у последнего общий уровень тепловой нагрузки ниже. Термические напряжения и характер деформации головки

поршня зависят от ее конструкции и формы днища. На рис. 3.2, д в качестве примера показана тепловая деформация головки поршня дизеля ЧН 21/21, характерными особенностями которой являются:

50

температурные деформации значительно превышают деформации от действия механических нагрузок (почти в 10 раз); днище поршня вспучивается (больше в центральной части); боковая часть головки расширяется и , разворачивается.

У тронкового дизеля в результате нагрева от головки поршня и теплоты трения деформируется и тронк. Вследствие неравномер­ ного распределения, металла по сечению тройка он принимает овальную форму с большей осью но оси поршневого кольца, который

.является как бы направляющей при деформации (рис. 3.2, е). Тепловая деформация тронка накладывается на деформацию от дейст­ вия сил Р г и N. В результате между тронком и цилиндровой втул­

напряженность: наибольшие температуры не должны превышать для огневой поверхности стального днища поршня — 500 °С, алюминиевого — 350 °С (из условия сохранения достаточной проч­ ности), охлаждаемой поверхности днища при масляном охлаждении поршня — 200 °С (для предотвращения лакообразования и ухудшения теплопередачи), над канавкой верхнего поршневого кольца — 220 °С (для обеспечения способности колец сохранять упругость, подвижность и во избежание интенсивного нагаро- и лако­ образования); возможно меньшая масса (для снижения сил инер­ ции) при достаточных прочности и жесткости (для предотвраще­ ния деформаций); материал головки должен быть жароупорным, а

вой), а направляющую часть — из чугуна или алюминиевого спла­ ва. Это дает возможность получать жароупорную конструкцию при относительно небольшой массе и заменять при необходимости только головку поршня.

Тронки из алюминиевых сплавов подвергают анодизации в электролитической ванне для образования пленки хрома, предот­ вращающей возникновение на поверхности тронка твердых кри­ сталлов окиси алюминия, способствующей усиленному изнашива­ нию и задиру тронка и втулки. Для ускорения приработки поверх­ ность тронка иногда покрывают (гальваническим способом) тонким слоем олова.

Высокий коэффициент теплопроводности алюминиевых спла­ вов (в 3—4 раза выше, чем чугуна и стали) и небольшой коэффи­ циент трения дают возможность снизить температуру днища порш­ ня, его массу и силы инерции, а также потери на трение. Кроме

51

того? поршни из алюминиевых сплавов более технологичны при изготовлении, и на их поверхностях меньше образуется нагара.

Вследствие более низкой температуры и меньших потерь на трение при замене чугунных поршней поршнями из алюминиевых сплавов мощность дизеля может :быть повышена на 10— 15% , а расход топлива, снижен.

Недостатки поршней из алюминиевых сплавов: малая прочность при высоких температурах, быстрое изнашивание и разработка канавок поршневых колец и бобышек поршневого пальца, относи» тельно высокая стоимость; из-за большого коэффициента линейно- ш расширения (в 2—2,5 раза выше, чем у чугуна и стали) необ­ ходимо увеличить радиальный зазор между тронком поршня и цилиндром почти в 2 раза по сравнению с чугунными поршнями, что затрудняет пуск дизеля, вызывает стуки в цилиндрах при ра­ боте на малых нагрузках и увеличивает тепловую нагрузку верх­ них поршневых колец.

К о н с т р у к ц и я поршня зависит от типа дизеля и уровня его форсирования.

В днище для обеспечения свободного открытия газораспредели­ тельных клапанов делают выемки —- карманы а (рис. 3.3, а), а для выемки поршня из цилиндра сверлят и нарезают отверстия b для рымов. Сверления являются концентраторами напряжений, по­ этому в МОД на поршне часто протачивают канавку а (рис. 3.4, а) для установки специального подъемного бандажа» Форма днища в СОД определяется главным образом способом смесеобразования, а в МОД и форсированных СОД — условием обеспечения наимень­ шей теплонапряженности головки. Поэтому днище поршня МОД чаще всего выполняют плоским (с маловогнутой или с маловыпук­ лой поверхностью), так как такая форма имеет наименьшую поверх­ ность нагрева и более равномерное распределение температур в осевом .направлении.

Высота головки поршня зависит от размеров и расположения поршневых колец, а также расстояния канавки верхнего кольца от кромки днища. Для обеспечения отвода теплоты и улучшения условий работы верхнего поршневого кольца его канавку, разме­ щают по возможности дальше от днища так, чтобы при положении поршня в ВМТ» кольцо было ниже уровня охлаждающей воды в зарубашечном пространстве.

Канавки поршневых уплотнительных колец для обеспечения свободного радиального перемещения колец и предотвращения об­ разования наработка выполняют с соответствующими выточками у основания. Для повышения износостойкости нижние поверхности канавок хромируют или закаливают, в канавках устанавливают противоизносные кольца 3 (рис. 3.4, б) из легированного чугуна с высокой механической прочностью, в головку поршня из алю­ миниевого сплава для одного или двух верхних колец заливают обойму 2 (рис, 3.3» б) из аустенитного чугуна с большим содержа»

52

Рис. 3.3. Поршни тронксшых дизелей:

V9q'm5°L 6 ~ZСЕМТ PC2‘3L; 6 ~~ VASA32; г — MAH 52/55В; д — Зульцер Z40/48; е — МАН

VI3/23, ж — схема механизма вращения поршня

53

кием никеля. Аустенитный чугун обладает высокой прочностью и низкой теплопроводностью, что одновременно способствует сни­ жению температуры верхних колец.

Длина направляющей части поршня в тронковом дизеле зависит от допустимого давления на стенку цилиндра и системы газооб­ мена (в двухтактном дизеле), а в крейцкопфном — только от систе­ мы газообмена, Необходимую жесткость тронку (юбке) обеспечи­ вают его оребрением, утолщением нижней части, креплением к тор­ цу юбки стального кольца (см, рис, 3,3, а, б; рис. 3.4, в); утолще­ ние одновременно используют для подгонки поршней по массе. В направляющей части поршней МОД и СОД часто делают круго-

54

Рис. 3.4. Поршни крейцкопфных дизелей:

а — МАН Бурмейстер и Вайн; б, г — Бурмейстер и Вайн; в, д, з —- МАН; е, ж, и —

Зульцер

вые канавки в виде «ласточкина хвоста», в которые закатывают про­ тивозадирные кольца 9 (см, рис. 3.4, в) из свинцовистой или оловянистой бронзы; после проточки диаметр колец на 0,1—ОД мм больше диаметра юбки (или тронка). Указанные кольца одновременно слу­ жат для амортизации ударов юбки о стенку цилиндра» привалки поршня по цилиндру и контроля его положения при эксплуатации.

Канаты для маслосъемных колец в четырехтактном дизеле располагают на верхней и нижней частях тронка (см, рис. 3.3, а) или только на верхней части (см. рис. 3.3, б—г); во втором случае тронк обильно смазывают маслом, что способствует снижению его изнашивания. Однако в двухтактном дизеле для уменьшения попа­ дания масла в окна канавки обычно располагают в нижней части тронка (рис. 3.3, д). Под канавками для колец или в самих канав­ ках высверливают отверстия d, е (см. рис. 3.3, а) для отвода масла.

Коне труктивные способы снижения тепловой деформации тронка поршня и ее неравномерности:

в районе бобышек поршня ошлифовывают часть металла или выбирают «карманы» — холодильники (во втором случае существен­ но снижается масса поршня);

в цельном неохлаждаемом поршне (см. рис. 3.3, а) толщину сте­ нок тронка под уплотнительными кольцами резко уменьшают, что снижает теплопоток к тронку и его нагрев;

тронк изготавливают овальным с большей осью в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца (во время работы дизе­ ля тронк приобретает цилиндрическую форму);

55

■ в составном поршне между головкой и тронком предусматри­ вают зазор б (см. рис. З Д в, д), предотвращающий нагрев тронка от головки и обеспечивающий их не зависимую друг от друга де­ формацию;

бобышки 5 (см, рис. З Д в) изготавливают заодно с силовой ча­ стью 4 тронка, прикрепленной к головке и хорошо охлаждаемой. В такой конструкции деформация тонкостенной упругой направ­ ляющей части 6 тронка незначительна, что позволяет уменьшить зазор между тронком и цилиндровой втулкой без риска заедания поршня.

При меньшем зазоре уменьшается сила удара о стенку цилинд­ ра и наклонения поршня при его перекладке, а следовательно, тепловая нагрузка верхнего поршневого кольца, загрязнение бо­ ковой поверхности головки, кавитационные разрушения охлаждае­ мой поверхности втулки;

сферическое соединение поршня с шатуном (см. рис. 3.3, д) обеспечивает равномерный нагрев поршня и сравнительно неболь­ шие деформации тронка, что также позволяет уменьшить зазор

из алюминиевого сплава с высоким коэффициентом теплопровод­ ности л, увеличивают толщину б днища от центра к кромкам и се­ чение головки в зоне уплотнительных колец, Это дает .возмож­ ность снизить температуры, радиальный перепад температур и тер­ мические напряжения в днище [вследствие увеличения значений Я и 6 в формуле (1.1)1. Одновременно снижаются и механические напряжения. Для уменьшения тепловой нагрузки верхних поршне­ вых колец иногда предусматривают наружную «тепловую дамбу» с — глубокую канавку, создающую высокое термическое сопротив­ ление (вследствие малой' теплопроводности газа) и заставляющую -тепловой поток устремляться в обход верхнего кольца к нижним кольцам;

охлаждаемые поршни изготовляют цельными или составными. Основной способ снижения напряженности составного поршня — ■тщательная отработка их конструкции и системы охлаждения. 'Обычно это сводится к выполнению днища тонкостенным с подкреп­ лением его ребрами или кольцевыми опорами для передачи меха­ нических нагрузок (см. рис. З Д в—д; рис. 3.4, а, в—ж). В фор­ сированном дизеле последних моделей толщину днища увеличивают и делают в нем глухие охлаждающие каналы — «соты» (рис, 3.4, з,

.и). Для уменьшения тепловой нагрузки поршневых колец в охлаж­ даемом поршне часто предусматривают внутреннюю «тепловую дам- -бу» g (см. рис. 3.3, г) — внутреннюю круговую полость над поясом колец, уменьшающую поток теплоты к кольцам за счет теплоотвода ж охладителю поршня.

.56

Для охлаждения поршней применяют масло или воду» Основ» ное преимущество масляного охлаждения — возможность приме­ нения в тронковых и крейцкопфных дизелях (протечки масла в кар­ тер не опасны). Основные недостатки: возможность коксования масла ;на охлаждаемых поверхностях, резко ухудшающего тепло­ отвод; меньшая по сравнению с водой, теплоемкость (почти в 2,5 ра­ за) и меньший коэффициент теплоотдачи от стенок поршня к мае-

ЛУ-

В тронковых дизелях применяют следующие способы охлажде­ ния поршней,

Струйное (фонтанное) охлаждение — при умеренной теплона-

пряженности поршня. Масло из поршневого подшипника через сопло струей поступает на днище поршня и стекает в картер дизеля» Циркуляционное охлаждение цельных поршней осуществляет» ся с помощью змеевика 1 (см. рис. 3.3, б), залитого в тело головки, или посредством кольцевой полости h (см. рис. 3.3, е). В змеевик

масло обычно поступает из поршневого подшипника по сверлениям

сверлениям в поршневом пальце или через сопло 18, установлен­ ное в картере соосно с вертикальным сверлением в теле поршня (через второе такое сверление масло сливается в картер).

Охлаждение взбалтыванием масла («коктейль-эффект») явля­ ется наиболее эффективным, его широко применяют в современ­ ных судовых дизелях (см. рис. 3.3, в—д). Сечения подводящих и отводящих масло каналов или высоту сливных отверстий подби­ рают так, чтобы полость охлаждения была заполнена маслом толь­ ко частично. Под действием сил инерции масло попеременно отбра­ сывается то к верхней, то к нижней части полости охлаждения, интенсивно омывая нагретые зоны поршня. Нагретое масло заме­ няется поступающим в поршень холодным. Высокий коэффициент теплоотдачи в масло (почти в 2 раза больше, чем при циркуляцион­ ном охлаждении) обеспечивается вследствие высокой средней ско­ рости поршня и участия в теплообмене всей массы масла, а не толь­ ко пограничного слоя. Вероятность коксования масла на охлаждае­ мых поверхностях при охлаждении взбалтыванием значительно уменьшается,

Иногда применяют комбинированное охлаждение: центральная часть днища охлаждается путем омывания маслом, а кольцевая полость в зоне колец — его взбалтыванием.

В крейцкопфных дизелях применяют охлаждение циркуляцион­

В составном поршне дизеля VASA32 (см. рис. 3.3, в) механические

57

нагрузки от тонкостенного стального днища передаются через две кольцевые опоры силовой части 4 чугунного тронка и далее поршне­ вому пальцу. Наружная опора предотвращает деформации стенки головки 8 в зоне уплотнительных колец от действия газовых сил, а внутренняя опора снижает изгибающие напряжения в месте пе­ рехода днища в боковые стенки головки» Охлаждается поршеньвзбалтыванием масла в большой кольцевой полости в зоне колец, а затем в центральной полости под днищем. Характерной особен­ ностью поршня является принудительное смазывание направляю­ щей части 6 тронка маслом, подаваемым из системы охлаждения поршня по каналам f в круговую канавку на тронке. Обильное смазывание цилиндра и тронка свежим маслом при каждом ходе поршня вверх и вымывание загрязнений из канавок ■приблизи­ тельно вдвое увеличивает срок службы втулки, поршня и колец»

В составном поршне дизеля МАН 52/55В (см, рис. 3.3, г) тонко­ стенное стальное днище, которое опирается круговым ребром 7 на тронк 8 из алюминиевого сплава, прикреплено к нему длинными податливыми шпильками (на рисунке не показаны). Верхнее рас­ положение маслосъемных колец и бочкообразная форма тронка способствуют его хорошей смазке и быстрой приработке ко втул­ ке. Центральная часть днища охлаждается смыванием масла, а зона колец — взбалтыванием в кольцевой полости g. Масло по­ ступает из поршневого подшипника в центральную полость под днищем, а затем через небольшие отверстия — в кольцевую полость; через сверления в тронке и поршневом пальце масло сливается в картер.

Поршень дизеля Зульцер Z40/48 (см. рис. З Д д) состоит из стальной головки 12, чугунного тронка 9 и разъемной сферической опоры 13, которая вместе со сферической головкой 16 шатуна об­ разует поршневой подшипник. Тонкостенное днище поршня опи­ рается на силовое кольцо 11, через которое давление газов передается непосредственно на сферическую опору и далее на головку шатуна. Все части поршня соединены длинными податливыми шпильками 10. На головке поршня установлены уплотнительные кольца, на тронке — маслосъемные кольца. Поршень охлаждает­ ся путем взбалтывания масла в кольцевой полости в зоне уплот­ нительных колец и под днищем поршня. Масло подводится по свер­ лениям в шатуне и сферической вставке, а затем по многочислен­ ным сверлениям в периферийной и центральной частях силового кольца струей подается в полости в зоне колец и под днищем порш­ ня; по трубке 17 оно стекает в картер. Внутренняя «тепловая дам­ ба» способствует существенному снижению температуры головки поршня в зоне колец.

Помимо обычного возвратно-поступательного движения, пор­ шень медленно вращается во втулке благодаря качательному движению шатуна при помощи специального механизма. Две хра­ повые защелки 19 (см, рис. 3.3, ж) в отверстии сферической го-

58

ловки шатуна, незначительно смещенном относительно ее центра, распираются пружиной и входят в зацепление с зубчатым венцом 14, свободно установленным в поршне между верхней и нижней половинами сферической опоры. Выступ А на торцовой поверхности зубчатого венца входит в прорезь Б круглой пружины 15, Через выступ В пружины вращение передается поршню. Качательыое движение шатуна с помощью храповых защелок вызывает преры­ вистое вращательное движение зубчатого венца; при повороте вен» ца пружина сжимается, накапливая энергию. В момент, когда на­ грузка на поршень от действия газов и сил инерции минимальная, пружина отдает накопленную энергию и поворачивает поршень,

Конструкция поршня имеет следующие преимущества:

при каждом ходе поршня нормальная сила передается на стен­ ку цилиндра новым участком поверхности трения тронка, что обес­ печивает его равномерное смазывание и изнашивание, нагрев и деформации и устраняет опасность прихватывания и задира поршня; в результате совместного вращения поршня и поршневых ко­ лец предотвращается местный нагрев цилиндровой втулки, обуслов­ ленный пропусками газов через замки колец, улучшается смазка

колец и уменьшается их изнашивание; равномерные тепловые деформации поршня и втулки дают воз-

можность уменьшить зазор между ними; сферическая форма верхней головки шатуна обеспечивает само-

центровку поршня относительно оси цилиндра и отсутствие переко­ сов в подшипниках.

К о н с т р у к ц и и поршней крейцкопфных дизелей следую­ щие. У дизеля Бурмейстер и Вайн 84VT2BF 180 головка 1 поршня (см. рис. 3.4, б) из жароупорной стали, чугунная юбка 5 и фланец штока 6 скреплены шпильками, В канавки уплотнительных ко» лец 2 зачеканены противоизносные чугунные кольца 3. Поршень охлаждается маслом,' которое поступает по подвижной телескопи­ ческой трубе, закрепленной на поперечине крейцкопфа, трубке 7 в осевом сверлении штока и далее в сварную вставку 4. Направляю­ щие патрубки вставки обеспечивают подачу масла с большой скоростью в полость охлаждения поршня. Масло из головки от­ водится через воронку вставки 4 и далее по кольцевому каналу между трубкой 7 и сверлением штока (такое решение неудачно,

ся от днища поршня через стальное силовое кольцо 15 непосред­ ственно фланцу штока поршня. Кольцо выполняет роль дополни­ тельной опоры, уменьшающей механические напряжения изгиба в днище и разгружающей боковые стенки головки поршня. Это дает возможность уменьшить толщину днища и снизить в нем тер­ мические напряжения. Для уменьшения напряжений, возникаю­ щих из-за разного теплового расширения, головка поршня и шток

59