Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

не имеют жесткого соединения. Фланец штока опирается на упру­ гое кольцо 16, которое лежит на кольцевом бурте короткой юбки 17, прикрепленной шпильками к головке поршня. Охлаждающее масло подается по кольцевому каналу между трубкой и сверлением в штоке (попутно охлаждая шток), через сопла 14, расположенные по касательной к окружности силового кольца 15, с большой ско­ ростью поступает в периферийную полость поршня, затем омывает днище и отводится по трубке в штоке.

У нового форсированного дизеля МАН—Бурмейстер и Вайн типа L—GB/GBE конструкция поршня усовершенствована с уче­ том возросших механических и тепловых нагрузок (см. рис. 3.4, а).. Фланец штока поршня выполнен в виде высокой жесткой плиты, служащей опорой для боковой стенки головки и кольцевого реб­ ра днища поршня. Охлаждающее масло поступает из кольцевого канала в штоке по сверлениям с во фланце в нижнюю часть кольце­ вой полости в зоне колец, затем по каналам b — в верхнюю часть кольцевой полости и далее по сверлениям в кольцевом опорном ребре — в полость под центральной частью днища поршня.

'Поршень дизеля МАН KZ70/120 (см. рис. 3.4, в) состоит из головки из жароупорной молибденовой стали, с уплотнительными кольцами, проставки 11 и длинной юбки 12 отлитых из чугуна. К кольцевому приливу 10 длинными шпильками (для увеличения их податливости) крепится шток 13 поршня. Днище поршня под­ креплено кольцевым ребром с каналами для прохода охлаждающей воды. Тонкостенная оребренная юбка прикреплена к нижнему фланцу штока 13. Для обеспечения свободного теплового расшире­ ния головки поршня между юбкой и проставкой предусмотрен за­ зор» В канавки на юбке и проставке закатаны противозадирные кольца 9 из свинцовистой бронзы. Охлаждающая вода подводит­ ся и отводится по подвижным телескопическим трубам, прикреплен­ ным к нижней части штока. По кольцевому каналу между централь­ ной трубкой и штоком вода поступает в головку, а через воронку 8 уходит из поршня. Для защиты штока от коррозии внутри осе­

подкреплено -двумя кольцевыми податливыми ребрами 18 (вслед­ ствие их наклона), что позволяет уменьшить толщину днища и стенки головки и тем самым снизить в них термические напряжения и улучшить общее тепловое состояние поршня (максимальная тем­ пература днища не превышает 455 °С, а над канавкой верхнего поршневого кольца — 140 °С.

В поршне дизеля МАН KSZ 52/150В (см. рис. 3.4, з) применена головка поршня сотовой конструкции со струйно-циркуляционным охлаждением. В толстом днище высверлено множество глухих каналов — «сот» е, закрытых вставкой 22 с отверстиями f неболь­ шого диаметра, расположенными эксцентрично по отношению к

60

сотам. Охлаждающая вода, подводимая по каналу в поршневом штоке 23 в полость вставки, через отверстия во вставке с боль» шой скоростью поступает в глухие каналы по касательной к их стенкам, а затем отводится в сливной канал штока поршня.

■Поршень дизеля Зульцер RD76 (см. рис. 3.4, е) состоит из го­ ловки с уплотнительными кольцами из-хромомолибденовой стали

и.короткой чугунной юбки с противозадирными кольцами из свин­ цовистой бронзы. Головка и юбка прикреплены к фланцу поршне­ вого штока с помощью длинных шпилек 19 с дистанционными труб­ ками. Для уменьшения толщины и снижения термических напря­ жений днище подкреплено ребрами. Охлаждающая вода подводится

иотводится по телескопическим трубам 20. После остановки дизе­ ля и прекращения подачи воды она не должна уходить из головки поршня, поэтому выходное отверстие d трубы, по которой отводит» ся вода, располагается ближе к днищу и выше отверстия, через ко­

торое вода поступает в поршень.

У поршня дизеля R.ND105 увеличены число ребер жесткости, подкрепляющих днище, и длина юбки (для перекрытия окон при положении поршня в ВМТ), интенсифицировано охлаждение вслед» ствие взбалтывания воды в полости головки. Коническая вставка 21 (см. рис. 3.4, ж) делит полость охлаждения на две полости, со­ единенные вверху и внизу. В результате уровень воды при положе­ ниях поршня в НМТ и ВМТ в наружной и внутренней полостях неодинаковый. В НМТ уровень воды во внутренней полости падает быстрее* а в ВМТ —- медленнее, чем в наружной кольцевой поло­ сти. Это обеспечивает хорошее охлаждение днища поршня и зоны поршневых колец (максимальная температура днища не превышает 394 °С, . а в зоне канавки верхнего кольца — 102 °С)«

..У дизелей Зульцер типов RLA, RLB? RTA эффективное ох­ лаждение поршня обеспечивается за счет глухих сверлений g в толстостенном днище (см. рис. 3.4, и); максимальная температура днища не превышает 390 °С, а над канавкой верхнего кольца —

151°С).

3.3.Поршневые кольца

Кольца подразделяют на компрессионные и маслосъемные,

Компрессионные {уплотнительные) кольца служат для уплотнения зазора между поршнем и цилиндром, отвода теплоты от головки поршня к цилиндровой втулке и далее в охлаждающую воду и рас­ пределения масла по зеркалу цилиндра, а маслосъемные (масло' регулирующие) кольца — для снятия излишков масла с нижне! (холодной) части цилиндровой втулки и регулирования поступле ния его к верхней (горячей) части втулки.

Уплотняющее действие компрессионных колец обеспечивается благодаря их прижатию к зеркалу цилиндра и стенкам поршневых канавок и лабиринтного действия колец и канавок.

61

К зеркалу цилиндра кольцо прижимается силой собственной упругости Р у и силой действия газов Р г? проникающих через за­ зор а в закольцевое пространство b (рис. 3.5, а). Сила Р 7 возникает вследствие того, что разрезное кольцо с вырезом — замком с

в замке обеспечивает свободное тепловое расширение кольца» Мак­ симальное давление кольца на стенки цилиндра от силы собствен»

ного прижатия кольца к стенке цилиндра; это осуществляется

Около Около НМТ ВМТ

Рис. 3.5. Принцип действия и схемы работы поршневых колец

62

Перетекание сопровождается расширением газа, и расходом энер­ гии на трение и вихреобразование. В результате давление падает ступенями (рис. 3.5, в). Если принять давление в цилиндре р ц за 100 %, то давления за первым, вторым и третьим кольцами для дизелей различных типов будут соответственно равны: рг == (0,75 ч~ -т- 1) р ц; р 2 = (0,15 Ч" 0,3) р ц; р3 = (0,06 ч- 0,08) р ц. Таким об­ разом, наибольшее уплотняющее действие оказывает первое (верх­ нее) компрессионное кольцо (pi, р£, рз — давления соответственно под первым, вторым и третьим кольцами).

Маслосъемные кольца практически не воспринимают давление газов и прижимаются к стенке цилиндра только за счет силы соб­ ственной упругости Р 7.

У с л о в и я р а б о т ы поршневых колец (особенно верхне­ го компрессионного) весьма тяжелые и обусловлены следующими факторами:

возвратно-поступательное движение колец при высокой ско­ рости скольжения и большой механической нагрузке (у МОД верх­ нее кольцо прижимается к стенке цилиндра в ВМТ давлением, при­ мерно равным pz) затрудняет создание хороших условий смазки, вызывает повышенный износ колец и втулки, увеличивает работу трения колец (до 50 % всех механических потерь в дизеле);

высокие термические нагрузки кольца вследствие соприкосно­ вения с горячими газами, отвода теплоты от головки поршня и тре­ ния о стенки цилиндра снижают механическую прочность и упру» гость кольца, приводят к выгоранию и коксованию масла и созда­ ют условия полусухого трения (особенно в районе ВМТ);

деформация верхних колец (их запрокидывание) вследствие деформации головки поршня и цилиндровой втулки при нагреве или неравномерного изнашивания поршневых канавок вызывает резкое увеличение контактных давлений, изгибающих и скручиваю­ щих напряжений в кольцах;

радиальная вибрация кольца (коллапс), возникающая при не­ которых условиях (потере кольцом упругости, уменьшении дав­ ления газа в за кольцевых пространствах, деформации поршня, втулки и др.) сопровождается нарушением уплотнения, прорывом газов, перегревом поршня и кольца, ухудшением смазки, потерей кольцом упругости, их короблением, пришранием и поломкой; при радиальной вибрации кольцо отстает от стенки цилиндра и утапливается в канавке давлением газов, действующим на наруж­ ную поверхность кольца (рис. 3.5, г); при достаточно большом за­ зоре в замке кольца и полной разгрузке закольцевого пространства (полный коллапс) кольцо внутренней поверхностью ударяется о дно поршневой канавки, а затем резко разжимается и с ударом вхО“ дит в контакт со стенкой цилиндра; в результате усталостных на­ пряжений кольцо ломается;

вращательное движение колец (перемещение в канавках отно­ сительно, оси поршня) в двухтактных дизелях может приводить к за­

63

паданию кондов (замков) колец в окна цилиндровой втулки и их поломке. Вращательное движение кольца вызывается возвратно­ угловыми (паразитными) перемещениями поршня (рис. 3.5, д) при каждом обороте коленчатого вала. При абсолютно жестких колен­ чатом вале и деталях механизма движения под действием нормаль­ ной силы ось поршня при перекладке в цилиндре переходит из точ» ки Л в точку В . В действительности'вследствие прогиба'вала, де­ талей механизма движения, неточностей их изготовления и монта­ жа при изменении знака нормальной силы поршень «перекатывает­ ся» в цилиндре из положения А через Б в точку В. Если при этом сила трения кольца на внешней окружности больше, чем на торцах, то оно. медленно проворачивается в канавках;

радиальные перемещения кольца в канавке при движении порш­ ня (обусловленные неравномерным износом и деформацией цилин­ дровой втулки) способствуют увеличению износа колец и канавок; неравномерно распределены по окружности кольца силы упру­ гости/ давления газов в закольцевом пространстве и температуры

кольца (наибольшие значения в районе замка); изгибающие напряжения в кольце при его надевании на пор»

шень и снятии, а также в рабочем состоянии (вследствие сжатия при установке в цилиндр) очень высоки; напряжения изгиба в опасном сечении кольца (против замка) при сжатии его до рабо­ чего состояния могут достигать 180 МПа, а при надевании на пор­ ш ень— 250 МПа;

осевые перемещения кольца в канавке (в четырехтактном дизе­

о стенки цилиндра перекачивается в камеру сгорания. При этом ;ольцо работает как поршень насоса.

Во время рабочего хода поршня на первое кольцо действуют сле­

Р у, сила инерции кольца P h силы трения Р тЪ и Р т2. Вследствие изменения силы действия газов, значения и-направления силы инерции и направления движения поршня соотношения между указанными силами изменяются и кольцо перемещается в канавке.

В начале движения поршня от ВМТ вниз кольца силой инерции прижаты к верхним полкам канавок (рис. 3.5, ж) и нижнее коль­ цо соскабливает масло со стенки цилиндра. Вследствие гидравличе­ ского подпора, вызванного движением поршня, в зазоре между поршнем и втулкой повышается давление масла (может достигать 0,5 МПа), которое проникает под кольцо и в закольцевое пространство. При дальнейшем опускании поршня его скорость примерно до середины хода непрерывно увеличивается, а затем начинает уменьшаться. Кольца же продолжают стремиться вниз с прежней скоростью и около НМТ силой инерции прижимаются к нижним полкам канавок; при этом нижнее кольцо вытесняет масло в область

64

меньшего давления — в зазор над кольцом. В таком положении кольца остаются после прохождения поршня через НМТ в тече­ ние части хода вверх. Около ВМТ сила инерции вновь изменяет знак и кольца прижимаются к верхним полкам канавок; при этом масло вытесняется в зазор под и за вторым кольцом. Затем процес- сы повторяются и масло попадает в камеру сгорания.

Насосный эффект колец усиливается при увеличении зазора, между поршнем и втулкой, торцового и радиального зазоров в ка­ навках, У двухтактных дизелей насосный эффект колец практиче­ ски отсутствует, -так как они всегда нагружены сверху и прижаты к нижним полкам канавок.

Насосное действие колец вызывает излишний расход масла, увеличивает нагарообразование в цилиндре, приводит к закоксовыванию и пригоранию колец (особенно верхних), но одновремен­ но обеспечивает подвод смазочного масла к верхнему, наиболее напряженному поясу цилиндра. Поэтому стремятся не полностью исключить попадание масла на верхний пояс цилиндра, а только ограничить его количество, что и достигается применением масло­ съемных (маслорегулирующих) колец.

К к о н с т р у к ц и и поршневых колец предъявляют следую­ щие о с н о в н ы е т р е б о в а н и я : высокая упругость и дли­ тельное ее сохранение; равномерное распределение радиального давления от силы упругости по окружности цилиндра; материал должен быть жаропрочным, износостойким и иметь малый коэффи­ циент трения.

М а т е р и а л для изготовления колец: серый чугун СЧ21-40, €424-44 с повышенным содержанием фосфора и присадками хрома, никеля и молибдена.

Твердость чугунных колец обычно на 15—20 НВ выше твердо­ сти цилиндровой втулки, так как удельная работа трения колец значительно больше, чем втулки; кроме того, кольца работают в более тяжелых условиях. Иногда с целью уменьшения износа бо­ лее дорогой детали —■цилиндровой втулки — твердость колец при­ нимают на 15—20 НВ меньше твердости втулки.

Применяют несколько к о н с т р у к ц и й компрессионных ко­ лец. Прямоугольные кольца (рис. 3.6, а) отличаются простотой из­ готовления, их широко применяют в МОД и СОД. Фаски у наруж­ ных кромок кольца (не показаны) улучшают условия смазки и пре­ дотвращают разрыв масляной пленки острыми кромками, а фаски у внутренних кромок обеспечивают зазор в углах поршневой ка­ навки для свободного радиального перемещения кольца.

Кольца с закругленной рабочей поверхностью (рис. 3.6, б) хорошо прирабатываются и улучшают условия смазки трущейся пары.

В биметаллическом кольце (рис. 3.6, в) в желобок чугунного кольца заделаны один или несколько выступающих поясков из антифрикционного сплава (олова, свинцовистой бронзы, алюми­

ниевого сплава). Антифрикционные пояски изнашиваются быстрее чугунного кольца и на стенке цилиндра образуется металлическая пленка, которая ускоряет приработку, уменьшает изнашивание, улучшает теплоотвод и предотвращает задир трущейся пары.

Кольца с круговыми лабиринтными омедненными канавками на рабочей поверхности (рис. 3.6, г) хорошо прирабатываются и меньше изнашиваются вследствие аккумулирования масла в ка­ навках. '

Составные кольца типа «дуплекс» (рис. 3.6, д) обеспечивают хорошее уплотнение, но сложны в изготовлении и дороже обычных колец.

Кольца с косыми канавками на рабочей поверхности (рис, З Д ё) способствуют лучшему распределению масла по окружности ци­ линдра при их круговом движении в канавках (такие кольца иногда устанавливают в нижнюю поршневую канавку у МОД).

В клинообразном кольце (рис. 3.6, ж) боковая составляющая от силы действия газов увеличивает давление кольца на стенку ци­ линдра, Клинообразная форма уменьшает опасность пригорания кольца вследствие изменения торцового зазора в канавке и дает возможность усилить перемычки между канавками, однако способ­ ствует быстрому увеличению торцового зазора при радиальном из­ нашивании кольца.

Кольца с конусным скосом (рис. 3.6, з) обеспечивают повышен­ ное давление на стенку цилиндра, что способствует их быстрой при­ работке; при движении поршня вверх такие кольца хорошо смазы-

/

Рис. 3.6. Компрессионные поршневые кольца

Рис. 3.7. Замки поршневых колец

1ваются, а при движении вниз — выполняют функции маслосъем­ ных колец.

Скручивающееся кольцо (рис. 3.5, и) имеет несимметричное

сечение из-за фаски (или выточки) на внутренней стороне. При сжа­ тии и установке в цилиндр такое кольцо несколько скручивается и его рабочая поверхность приобретает коническую форму. Дейст» вие скручивающихся колец аналогично действию колец с конусным скосом, но у первых меньше радиальная вибрация. Недостаток та­ ких колец -— ухудшенный теплоотвод от головки поршня вследст­ вие меньшей' поверхности контакта с полками канавок.

Для предотвращения западания замков колец в окна и их по-

:ломки (в двухтактных дизелях) кромки колец в районе замка обыч-

:но заваливают (спиливают) или применяют «разгруженные» коль»

;цом и цилиндром. У некоторых МОД кольца делают составными

Iца в уплотняющей способности различных замков незначительна. Замкй с косым разрезом под углом 45 или 60° (рис. 3.7, б) при­

I

1

Рис. 3.8. Конструкции маслосъемных колец

нии; применяют их главным образом в МОД при достаточной, высоте колец.

Рассмотрим к о н с т р у к ц и и маслосъемных колец, получив­ шие наиболее широкое применение. Для увеличения давления на стенку цилиндра и обеспечения нормальной работы маслосъем­ ные кольца имеют узкую рабочую поверхность.

рый давит на конусную поверхность кольца. Давление направлено перпендикулярно поверхности и раскладывается на две состав» ляющие, из которых одна прижимает кольцо к нижней полке ка­ навки» а вторая сжимает кольцо, утапливая его в канавке, и масло свободно проходит в зазор между кольцом и стенкой цилиндра. При опускании поршня кольцо выпрямляется в канавке, острой нижней кромкой снимает масло со стенки цилиндра, и оно отводится через отверстие а внутрь поршня.

У кольца с двойными прямоугольными режущими кромками (рис. 3.8, б) имеются кольцевая канавка с и прорези Ь. Такое коль-* цо снимает масло со стенки цилиндра при движении поршня не только вниз (при этом масло отводится через отверстия е в поршне, прорези b в кольце и отверстия d в канавке), но и вверх (при этом масло отводится через отверстия d).

Кольцо с двумя конусными скосами и фигурными режущими кромками (рис, 3.8, в) имеет повышенное давление на стенку ци­ линдра. Иногда такое кольцо изготовляют составным; раздельное изготовление колен, 2 и / проще и позволяет придать, им более удач­ ную форму.

68

Для увеличения радиального давления маслосъемных колец и срока их службы в ВОД и СОД применяют экспандеры (расшири­ тели), представляющие собой кольцевые пружины (винтовые или

цилиндр маслосъемные кольца применяют редко (в дизелях Фиат).

3.4.Поршневой палец

Втронковом дизеле поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном и передачи ему силы действия газов.

У с л о в и я р а б о т ы пальца — подвержен механическим нагрузкам от движущей силы Р и термическим нагрузкам вследст­ вие нагрева от головки поршня и теплоты трения в поршневом под­ шипнике.

Под действием механической нагрузки (рис. 3.9, а) палец испытывает напряжения изгиба (опасное сечение 1—/) и среза (опасное сечение / / —//), подвержен деформации. Его рабочая по­ верхность работает на истирание при высоких давлениях и не­ благоприятных условиях смазки (качательное движение шатуна не обеспечивает образования масляного клина, а одностороннее приложение нагрузки в двухтактных дизелях затрудняет подвод

щения деформации, заедания в поршневом подшипнике); хорошая сопротивляемость ударной нагрузке (мягкая сердцевина); высокая износостойкость (твердый поверхностный слой).

М а т е р и а л для изготовления пальцев: малоуглеродистая сталь 15, 20 или легированная сталь 15ХМА, 12ХНЗА и др. На­ ружную поверхность пальцев цементируют или азотируют с после-

Рис. 3.9. Поршневые пальцы

69