Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (1)
.pdf90 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
В общем случае расход масла в процессе эксплуатации двигателя зависит от:
►износа колец, потери их упругости; ►износа поршня и особенно поршневых канавок; ►износа втулки рабочего цилиндра; ►качества смазочного масла;
►тепловых и механических нагрузок, определяемых преимуще ственным режимом работы двигателя.
§7.3. Нарушения в работе колец
Кнаиболее серьезным нарушениям в работе колец относятся их заклинивание и поломка, нередко приводящие к следующим весьма серьезным последствиям:
►усиленный пропуск газов и как следствие - повышение темпе ратуры лоршня, стенок цилиндра, находящегося на них масла; ►выдувание с поверхностей масла, интенсификация локальных
износов и повышенный расход масла; ►снижение компрессии и ухудшение процесса сгорания, увели
чение расхода топлива.
Заклинивание колец вызывается отложениями клейких продуктов окисления масла со слабой детергентно-диспергирующей способнос тью в канавках поршня. Эти отложения, сперва вязкие и клейкие, затем становятся тестообразными и твердыми. Они препятствуют свободе перемещения колец. Сперва подвижность их ограничивается и, нако нец, совершенно прекращается. Заклинивание сначала начинается в каком-либо одном месте, затем распространяется по периметру коль ца. Заклинившее кольцо все больше вдавливается в канавку, распола гаясь заподлицо с наружной поверхностью поршня и таким образом теряя свою уплотняющую способность. В коксообразовании участвует
инеполностью сгоревшее топливо, что обычно отмечается при работе на тяжелых высоковязких топливах.
Заклинивание колец может также вызываться чисто механически ми причинами:
►недостаточный зазор между кольцом и канавкой по высоте; ►деформация канавки, вызванная деформацией головки поршня
под суммарным действием тепловых (особенно) и механичес ких нагрузок (это было типично для поршней двигателей МАН
сконтурными схемами газообмена).
Гл. 7. Поршневые кольца |
91 |
Поломка колец обычно наблюдается у двухтактных двигателей с контурными схемами газообмена при попадании концов колец в окна (недостаточное запиливание колец в районе замка, исчезновение вслед ствие износа проточки цилиндра в зоне окон); в четырехтактных дви гателях с высоким уровнем форсировки и работающих на тяжелых топливах. Поломку колец можно обнаружить по снижению компрес сии, ухудшению сгорания и повышению температуры выхлопа в соот ветствующих цилиндрах.
Поломка кольца реже происходит в спинке, хотя здесь действует наибольший изгибающий момент. Если поломка не сопровождалась появлением на рабочих поверхностях кольца следов значительного пропуска газа или его заедания, то поломка в спинке могла произойти из-за наличия порока в металле или трещины, образовавшейся при неаккуратном одевании кольца на поршень.
Как правило, на практике отламываются короткие куски кольца в районе замка. Если это осталось незамеченным и двигатель продолжа ет работать, то снова отламывается короткий кусок и т.д. Таким обра зом, в последующем можно обнаружить в одной канавке ряд коротких кусков кольца. Эти куски, будучи свободными, могут вызвать серьез ные повреждения торцевых поверхностей канавок. В поршнях из алю миниевого сплава под действием сил инерции они пробивают тело ка навок и, попадая в зазор между поршнем и цилиндром, могут вызвать заклинивание поршня, деформацию или поломку шатуна. Попадание осколков в камеру сгорания приводит к повреждению клапанов, огне вого днища крышки цилиндра.
Поломке колец способствуют следующие, часто совместно дей ствующие факторы:
►на поршне: неплоские торцовые поверхности канавок вслед ствие износа; перекос этих поверхностей по отношению к оси
поршня вследствие коробления от нагрева; ►в цилиндрах: большой износ, появление ступенчатого износа
вблизи ВМТ; ►на кольцах: слишком высокая температура колец и потеря упру
гости, недостаточная смазка и местное пригорание; резкое по вышение давления сгорания.
К поломке колец может приводить действие следующих сил.
В плоскости кольца: силы сжатия, вызванные слишком малым зазором в замке и ударами концов кольца друг о друга; силы ударов концов кольца по дну канавки или по стенке цилиндра при вибрации колец (коллапс). Зазор в замках колец, если он вначале был установлен
92 Судовые двигатели внутреннего сгорания
очень малым, при повышении температуры вследствие сухого трения при недостатке масла может настолько уменьшиться, что это приведет к взаимному соприкосновению концов кольца и ударам.
Перпендикулярно к плоскости кольца: ударная посадка колец на торцевые поверхности канавок при резких повышениях давления в цилиндре (жесткое сгорание), изгиб вертикальными составляющими сил давления газов при неплотной посадке колец на торцевые поверх ности кепов (проверьте состояние кепов), тарельчатый прогиб или скру чивание колец из-за неравномерного в радиальном направлении рас пределения давления газов на торцевые поверхности (при слишком большом вертикальном зазоре кольца в кепе). Иногда даже наблюдает ся остаточная деформация колец, принимающая тарельчатую форму.
Распределение давлений внутри лабиринта колец также влияет на их поломку, в частности - на поломку нижних колец. Так, в двухтакт ных двигателях западанию колец в окна служит давление газов, со здавшееся в поршневой канавке в момент прохождения кольцом окон.
Как уже отмечалось,
|
|
|
|
изменение давления в |
||
|
|
|
|
первой канавке следу |
||
А |
|
|
|
ет за изменением дав |
||
Бочкообразная форма |
Чистая, гладкая, мягкая |
ления в цилиндре, по |
||||
|
|
|
|
чти повторяя его; на |
||
|
|
|
|
оборот, давление в |
||
|
|
|
|
других канавках, как |
||
|
Равномерные риски, тусклая, мягкая |
известно, тем больше |
||||
|
сдвинуто по фазе, чем |
|||||
|
|
|
|
|||
Острые заусенцы |
|
|
ниже |
располож ено |
||
|
|
|
|
данное |
кольцо и чем |
|
|
|
|
|
больше объем канавки |
||
|
|
|
|
за кольцом. Таким об |
||
Плоская |
Неравномерные риски, затвердевшая |
разом, может случить |
||||
ся, что в объеме канав |
||||||
|
(отметины) |
|
||||
|
|
|
|
ки за первым кольцом, |
||
|
|
|
|
при достижении им |
||
|
" |
2 |
|
окон, практически нет |
||
|
|
давления, в то время |
||||
Острые кромки указывают, |
Гладкая и мягкая |
Еще твердая |
как давление в канав |
|||
что началось |
|
вдоль кромок |
середина |
ке за третьим кольцом |
||
восстановление |
|
|
|
только достигло свое |
||
Рис. 7.10. Визуальная оценка состояния колец |
||||||
го максимума. |
||||||
Гл. 7. Поршневые кольца |
93 |
Витоге именно третье кольцо будет вдавлено в окно и, в конечном счете, сломается.
У4-тактных двигателей из-за фазового сдвига волны давления внутри лабиринта колец кольцо, расположенное внизу, может оказать ся разгруженным от давления газов в его затылочной части, и это мо жет привести к его вибрации (коллапсу) и вызванной ею поломке. На нижеприведенном рисунке показаны примеры, по которым легко оце нить состояние поршневых колец.
Практические рекомендации.
По окончании приработки рабочая поверхность колец должна приобрести полированную поверхность (кольцо вверху рисунка), ана логичная поверхность должна быть и у нижней плоскости канавки поршня.
Профиль кольца должен приобрести бочкообразную форму. Если с течением времени масляная пленка частично исчезает и на
зеркале цилиндра появляются сухие участки, последние и поверхность колец под действием трения и нагрева упрочняются и подвергаются микрозадирам. На них появляются темные пятна, зеркальная поверх ность нарушается (кольцо второе сверху).
Вслучае появления обширных микрозадиров на кромках колец могут появиться острые заусенцы (кольцо третье сверху). Поверхность
смикрозадирами, признаком которых являются вертикальные полос ки, становится относительно твердой и может привести к интенсивно му износу цилиндров. С увеличением подачи масла на смазку цилинд ра может начаться восстановление, поврежденные участки медленно исчезают и по краям кольца появляются мягкие приработанные участ ки (кольцо четвертое сверху). При затягивании на рабочую поверх ность колец твердых частиц нагара, отколовшихся с перемычек или боковой поверхности поршня над кольцами, на ней образуются до вольно глубокие риски, провоцирующие прогрессивный износ и на грев (см. рис. 7.10).
►Поршневые кольца - поршень и втулка цилиндра являются ос новным элементов двигателя, от которого зависят его надеж ность, долговечность и экономичность. Особо тщательно сле дите за их состоянием и соблюдайте все требования двигателестроителя.
►Периодически проверяйте подачу масла на зеркало цилиндра, не допускайте «сухого» состояния колец и поршней, равно как и излишне большой подачи. Это приведет к нагарообразованиям и последующим абразивным износам.
94 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
►При смене колец проверяйте состояние кепов и при большом их износе не пытайтесь устанавливать в них новые кольца - уплотнения цилиндра не достигнете, а скорая поломка колец гарантирована.
►При одевании колец на поршень растягивайте их только на ве личину, которая позволит одеть кольцо. Большее растяжение приведет к образованию трещин, которые Вы можете не заме тить, но при работе кольцо сломается.
►ПОСЛЕДНЕЕ - не экономьте на стоимости колец при их заказе, от их качества слишком много зависит. Покупайте оригиналь ные кольца только ведущих фирм.
Глава 8
Ш АТУНЫ , ШТОКИ, КРЕЙЦКОПФЫ
Механизм движения служит для передачи энергии расширяющих газов на коленчатый вал дизеля, т.е. для преобразования поступатель ного движения поршня во вращательное движение вала. В тронковых двигателях это осуществляется с помощью шатуна, соединяющего пор шень с кривошипом коленчатого вала (рис. 8.2).
Механизм движения крейцкопфного дизеля состо ит из поршневой группы 1 (рис. 8.1), крейцкопфного узла 2, шатунной группы 3 и коленчатого вала.
Утронковых дизелей механизм движения конст руктивно проще, чем у крейцкопфных, высота и масса тронковых дизелей меньше. Однако при диаметрах ци линдра D >500 мм и высоких давлениях сгорания боко вая (нормальная) сила N достигает больших значений, вызывая повышенный износ цилиндров и сильные сту ки (при изменении направления силы N). Этим в изве стной мере определяется то, что тронковые двигатели
сдиаметрами более 620 мм не строятся.
Укрейцкопфных дизелей цилиндр разгружен от силы N (передается ползуном на параллель), что позволя ет увеличить зазор между поршнем и цилиндром и тем самым уменьшить опасность их задира при перегреве.
Температурные условия работы поршня при про чих равных условиях у тронковых двигателей хуже, так как работа трения направляющей части поршня преоб разуется в теплоту и это увеличивает его тепловую на грузку.
Рис. 8.1. Механизм движения крейцкопфного дизеля:
1 - поршень, 2 - крейцкопфный узел, ползуны, 3 - шатун
96 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
Условия смазки трущейся пары ползун-параллель значительно лучше условий смазки пары поршень-цилиндр, так как в первом слу чае пара вынесена из зоны цилиндра, поверхность ползуна залита ан тифрикционным сплавом, а параллель часто охлаждается. Поэтому при одинаковом значении силы N потери на трение у крейцкопфных ди зелей ниже и механический кпд на 2—4 % выше, чем у тронковых дизелей.
У крейцкопфных дизелей облегчен контроль за состоянием тру щейся пары. Картер отделен от цилиндров диафрагмами, что предотв ращает смешивание циркуляционного смазочного масла с отработав шим грязным цилиндровым маслом (это особенно важно при работе на сернистых сортах топлива).
§ 8.1. Шатуны
Шатуны служат для преобразования прямолинейного возратнопоступательного движения поршня во вращательное движение колен чатого вала и передачи ему сил давления газов и инерции поступатель но движущихся и вращающихся масс. Шатун включает верхнюю и нижнюю головки с запрессованными в них подшипниками и соеди-
Зазор, мм
Рис. 8.2. Схемы и график механических нагрузок на детали шатунной группы
Гл. 8. Шатуны, штоки, крейцкопфы |
97 |
Рис. 8.3. Зоны действия высоких напряжений:
А - рабочая поверхность голов ного подшипника; В - переход стержня в головку; С - середина стержня шатуна; D - переход от
стержня к нижней головке; Е - галтель перехода к посадочной плоскости; F - рабочая поверх ность мотылевого подшипника; G - галтель перехода к плоско сти посадки гайки
няющий их стержень круглого или двутаврового сечения. Нижняя го ловка разъемная и скрепляется шатунными болтами.
Шатуны тронковых (рис. 8.2а) и крейцкопфных двигателей отли чаются конструкцией верхней головки (рис. 8.2в), в последних головка разъемная и имеет вильчатую форму, так как в ней крепится крейцкопфный узел.
Условия работы, нагрузки.
Нагрузка шатунов определяются действием сил давления газов Рг и сил инерции Р поступательнодвижущихся и вращающихся масс. Нижняя часть верхней головки шатуна и верхняя часть нижней голов ки подвергаются сжатию суммарной силой Р = Р ± Р а стержень - сжатию и продольному изгибу. Кроме того, в 4-тактном двигателе при изменении знака суммарной силы за счет изменения направления силы инерции поступательно движущихся масс Р (вверх) верхняя часть верхней головки шатуна подвергается сжатию, разрыву (опасное сече ние I-I) и изгибу (опасное сечение II-II), стержень шатуна - разрыву (опасное сечение III-III), нижняя часть головки - сжатию и изгибу (опас ное сечение IV-IV) - рис. 8.2а.
Перекладка зазоров в подшипниках 4-тактного двигателя вызыва ет в них ударные нагрузки и стуки. Кинетическая энергия удара резко возрастает при увеличении зазора в подшипнике (рис. 8.26).
Зоны действия опасных напряжений представлены также на рис. 8.3. Разрывающие напряжения в шатунах возникают также при заклинивании поршня и работе 2-тактного двигателя с декомпрессией.
Шатунные подшипники работают на истирание при больших удельных давлениях, достигающих 20-30 МПа и более.
Поршневой подшипник нагружается еще более высокими удель ными давлениями и в дополнение к ним работает в зоне высоких тем ператур.
7-3283
98 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
Перекладка зазоров в подшипниках четырехтактного дизеля вы зывает в них ударные нагрузки и стуки. Кинетическая энергия удара резко возрастает при увеличении зазора в подшипнике, эллиптичности шейки и частоты вращения вала.
К конструкции шатунов предъявляют следующие основные тре бования: высокая жесткость и прочность головок шатуна и его стерж ня при возможно меньшей массе (для уменьшения сил инерции); габа риты нижней головки (в тронковых дизелях) должны позволять демон таж шатуна вместе с поршнем через цилиндр; высокая усталостная прочность, податливость (упругость) и равнозначная прочность ша тунных болтов.
При увеличении жесткости подшипника улучшаются условия об разования масляного клина (подшипник сохраняет цилиндрическую форму), равномернее распределяются удельные давления по поверх ности антифрикционного сплава и уменьшается нагрузка шатунных болтов при перекладке зазоров в подшипниках (в четырехтактных дизелях).
Рис. 8.4. Шатун и поршень тронкового двигателя:
1 - |
головка поршня; |
2 - |
компр. кольца; 3 - |
маслосъемные кольца; 4 - кольцо Зегера; 5 - поршневой палец; 6 - стопорный винт; 7 - бронз, втулка головно го подшипника; 8, 9 - вкладыши мотылевого подш.; 10 - фиксатор; 11 - шатунный болт; 12 - крышка мотылево го подшипника; 13 — нижняя головка шатуна; 14 - гайка; 15 - шплинт
Гл. 8. Шатуны, штоки, крейцкопфы |
99 |
Материал:
стержня шатуна - углеродистая и легированная сталь;
вставных втулок поршневых подшипников тронковых дизелей -
сталь 10, 15. Их заливают свинцовистой бронзой БрСЗО или отливают целиком из оловянистой бронзы БрОС-8-12, БрОФЮ-1;
крейцкопфных подшипников - сталь 15 и 20, а в качестве анти фрикционного сплава используется высокооловянистый баббит Б83, Б89 и др., или сплав на алюминиевой основе, который имеет высокую усталостную прочность, износостойкость и теплопроводность. На по верхность белого металла часто наносят тонкий слой (0,04-0,05 мм) приработочного покрытия (90% свинца, 10% олова), который заполня ет неровности на поверхности подшипника и увеличивает площадь контакта цапфы и белого металла;
вкладышей кривошипных подшипников - сталь 15 и 20. Их залива ют высокооловянистым баббитом, а в форсированных СОД и ВОД - свинцовистой бронзой, на которую гальваническим способом наносят приработочное покрытие, в современных двигателях чаще используют тонкостенные трехслойные вкладыши (см. Гл. 9);
шатунных болтов - отковывают или штампуют из катаной или тянутой стали (для предотвращения разрыва продольных волокон). Болты МОД изготавливают из углеродистой стали, болты ВОД и СОД - из легированной стали.
Верхняя головка шатуна имеет разную конструкцию в зависимос ти от типа и тактности дизеля.
В тронковых дизелях поршневая головка (рис. 8.5а, б) обычно неразъемная, ее отковывают заодно со стержнем шатуна. В головку запрессовывают втулку 4 поршневого подшипника, ее часто фиксиру ют от проворачивания и осевого сдвига винтами 6 (рис. 8.7а). Для сни жения удельных давлений в поршневом подшипнике применяют под шипники дифференциального типа, у которых наиболее нагруженную опорную поверхность 8 увеличивают.
Смазка в поршневой подшипник чаще всего подводится по свер лению 1 в шатуне (см. рис. 8.5а). Для подвода масла к рабочей поверх ности втулки обычно протачивают внешнюю кольцевую или полукольцевую канавку 2, из которой по радиальным отверстиям 3 масло посту пает в холодильник 5. Распределение масла по длине подшипника в четырехтактных дизелях осуществляется по холодильникам, а в двух тактных —по канавкам на нижней части втулки.
В малоразмерных ВОД смазка поршневого подшипника часто осуществляется за счет «масляного тумана». В этом случае головка и
7*