Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (1)

.pdf
Скачиваний:
317
Добавлен:
12.03.2016
Размер:
7.81 Mб
Скачать

40

Судовые двигатели внутреннего сгорания

мо друг от друга, соединяются между собой болтами в единый блок цилиндров. Отдельный цельнолитой блок цилиндров или выполнен­ ный заодно со станиной имеет высокую жесткость, позволяет умень­ шить длину и массу дизеля, но технология его изготовления сложная. Для упрощения изготовления блоков их часто делают составными.

§4>2. Втулки цилиндров

Всудовых дизелях находят применение исключительно сменяе­ мые вставные и охлаждаемые «мокрые» втулки (см. рис. 4.1). Условия работы втулок определяются:

►воздействием на них горячих газов, вызывающих большие ме­ ханические и тепловые нагрузки;

►работой поршневых колец, приводящей к износу рабочей по­ верхности «зеркала»;

дополнительным нагревом; коррозией и кавитационной эро­ зией со стороны охлаждающей воды.

Механические нагрузки определяются действием сил давления газов Рг, нормальной силы бокового давления поршня N и сил затяга крышечных шпилек Р (рис. 4.2).

Давление газов вызывает в стенке втулки напряжения сжатия и

растяжения

 

 

 

 

 

а

= р г

- г .

(4.1)

раст

Г z вн

нар

вн

4

'

Нормальная сила и ее реакции на опорных плоскостях блока ини­ циируют возникновение изгибающих моментов Мшг1 = М ;, Мтг2=Ы12и вызванных ими напряжений изгиба.

Под действием силы затяга крепежных шпилек Р в опасном сече­ нии опорного фланца втулки Х-Х возникают сложные напряжения ра­

стяжения от сил Р , сдвига от силы Р и изгиба от момента М — Р1.

rP t изг

Подобные напряжения возникают и в сечении Y-Y опорного бурта бло­ ка цилиндров. Важно отметить, что опорный фланец втулки цилиндра, его сечение Х-Х и особенно угол перехода опорной поверхности флан­ ца к втулке наиболее подвержены появлению усталостных трещин. Их развитие приводит к обрыву втулок (рис. 4.3). Чтобы уменьшить кон­ центрацию напряжений в этой зоне, острый угол заменяют упрочненны­ ми накаткой галтелями.

Уменьшению изгибающих напряжений способствует сокращение плеча /, для этого кольцевую выточку под крышку стремятся распола­ гать над опорной поверхностью втулки.

Гл. 4. Блоки, рубашки и втулки цилиндров

41

Рис. 4.1. Цилиндр двигателя СЕМТ

Рис. 4.3. Обрыв фланца

«Пилстик» РС2

втулки

Рис. 4.2. Силы, действующие во фланце втулки цилиндра

42

Судовые двигатели внутреннего сгорания

Тепловые нагрузки на втулку определяются действием горячих газов и относительно холодной охлаждающей воды, вызывающих по­ явление в стенке втулки температурных перепадов и обусловленных ими температурных напряжений сжатия на внутренней поверхности и растяжения на наружной поверхности,

а Е А Т

(7

(4.2)

СЖ

2(1

- Н У

где а - коэффициент линейного расширения, Е - модуль упругости материала, А Т - температурный перепад, - коэффициент Пуанссона.

Температурные перепады, как уже отмечалось ранее,

A T = q 5/Я

(4.3)

-* ср

cm v у

пропорциональны величине воспринимаемого стенкой удельного теп­ лового потока qcp, толщине стенки 5 и обратно пропорциональны теп­ лопроводности ее материала Хст.

Удельный тепловой поток может быть выражен следующим об­ разом:

4cp = (n)mg T J ( p f \ (4.4)

Отсюда следует, что тепловой поток увеличивается с ростом оборо­ тов п, величины цикловой подачи Q и падением давления наддува p s.

Значительная температурная асимметрия по длине втулки (темпе­ ратуры в верхнем поясе втулки выше температур нижерасположенных поясов) и по окружности (температуры со стороны выпуска выше тем­ ператур противоположной стороны втулки, особенно в двухтактных дизелях с контурной продувкой) вызывает неравномерные радиальные и осевые деформации втулки. В результате искривляется ее ось, иска­ жается форма зеркала и возникают дополнительные термические на­ пряжения.

Материал втулок - чугун, легированный титаном, хромом, нике­ лем, ванадием, или серый чугун (для втулок МОД и СОД), или легиро­ ванная сталь (для втулок ВОД). Для повышения износостойкости чу­ гунные втулки ВОД (иногда СОД) покрывают пористым хромом, а стальные азотируют. Для защиты от коррозии и эрозии охлаждаемую поверхность втулок покрывают краской или бакелитовым лаком, хро­ мируют или кадмируют.

Рабочую поверхность втулок, как правило, хонингуют, иногда на­ носят сетку микроштрихов «зебру» или производят винтовую нарезку с шагом 12-15 мм и глубиной 0,03-0,06 мм, которые улучшают прира­ ботку рабочих поверхностей новой втулки и поршневых колец и по­

Гл. 4. Блоки, рубашки и втулки цилиндров

43

зволяют визуально (через продувочные окна) контролировать износ в эксплуатации.

Конструкция втулки цилиндра. К ней предъявляются следую­ щие требования:

►высокая прочность; ►хорошее охлаждение (особенно верхнего пояса) при возможно

меньших перепадах температур в стенке; ► наименьшая неравномерность радиальных и осевых дефор­

маций; ►герметичность поверхностей, сопряженных с рубашкой и крыш­

кой цилиндра;

обеспечение свободного радиального и осевого расширения втулки;

материал втулки должен быть жаростойким и жаропрочным, износостойким, иметь хорошие антифрикционные качества.

Конструкторам приходится учитывать, что испытываемые стен­ кой втулки напряжения складываются из напряжений механических и тепловых. Стремление снизить механические напряжения путем уве­ личения толщины стенок 5 приводит к росту тепловых напряжений. Поэтому в современных фор­ сированных двигателях конст­ рукторы пошли по пути сохра­ нения или даже увеличения толщины втулок в их верхнем поясе, но приближения охлаж­ даемой поверхности к тепло­ воспринимающей путем свер­ ления охлаждающих каналов непосредственно во фланце­ вой части (см. рис. 4.7 и 4.8).

Конструкции втулок по­ казаны на рис. 4.4, 4.5 и 4.6.

I

И

Рис. 4.4. Цилиндры 4-тактных дизелей

44

Судовые двигатели внутреннего сгорания

В верхней части втулки имеют утол­ щенный круговой пояс 1 (рис. 4.4а; 4.5б) с фланцем, опирающимся на опорный бурт рубашки или блока с применением специальных мастик. Иногда под фланец устанавливают красномедную прокладку.

Сверху фланец втулки прижи­ мается буртом 9 крышки цилиндра (см. узел I, рис. 4.4а). Свободные радиальные и осевые 4-тактных ди­ зелей расширения втулки обеспечи­ ваются жестким закреплением толь­ ко фланца и радиальными зазорами (см. рис. 4.4, 4.5). Это предохраняет блок цилиндров от разрыва, а зерка­ ло втулки от деформаций (при нагре­ ве втулка расширяется больше, чем блок), уплотнение зарубашечного

Рис. 4.5. Цилиндр 2-тактного

пространства достигается притиркой

двигателя

сопряжения поверхностей фланца втулки и опорного бурта блока.

В форсированных СОД для уплотнения и предотвращения корро­ зии посадочного пояса втулки в него часто устанавливают резиновое кольцо 3 (см. поз. I, рис. 4.4). Уплотнение газового стыка обеспечива­ ют притиркой поверхностей фланца втулки и бурта крышки или уста­ новкой в посадочную канавку (см. поз. I, рис. 4.4а) прокладки из отож­ женной красной меди или мягкой стали. Уплотнение нижнего пояса втулки со стороны охлаждающей воды и со стороны картера или подпоршневого пространства осуществляют резиновыми кольцами (на рис. 4.4а поз. II, 4.4 и рис. 4.5, 4.6). Резиновые кольца круглого сечения заводят в канавки, проточенные в утолщенном круговом поясе втулки. У двухтактных дизелей (рис. 4.5) с контурной продувкой пояс выпуск­ ных окон со стороны охлаждающей воды уплотняют резиновыми коль­ цами 3,5, а со стороны газа - красномедными кольцами 6, устанавливае­ мыми с натягом относительно центрирующего пояса блока.

Контроль уплотнений осуществляют с помощью специального сигнального отверстия в рубашке, соединенного с кольцевой канавкой сборником на втулке или в блоке. Вытекание воды, выход масляных паров, продувочного воздуха или газа из сигнального отверстия свиде-

Гл. 4. Блоки, рубашки и втулки цилиндров

45

тельствует о нарушении герметичности соответствующего уплотни­ тельного кольца.

Практические рекомендации.

Резиновые уплотнительные кольца следует применять лишь реко­ мендованного размера. В случае превышения размера кольца по сече­ нию оно полностью заполнит кольцевые канавки и втулку трудно бу­ дет запрессовать. Если продолжить запрессовку, то возникнет опас­ ность появления трещин в рубашке цилиндра или выпучивания втулки цилиндра вовнутрь с последующим задиром рабочей поверхности ци­ линдра и резким повышением температур поршня. Это в свою очередь приводит к испарению масла в картере, образованию в нем взрывоопас­ ной смеси паров масла и воздуха и их взрыву.

При смене резиновых колец следует обратить внимание на состоя­ ние уплотняющего пояса рубашки (блока). Обычно на нем скаплива­ ются отложения присадок охлаждающей воды, и поэтому они должны

46

Судовые двигатели внутреннего сгорания

быть тщательно и осторожно (без применения твердых и острых инст­ рументов) очищены. Перед установкой колец на втулку их нужно сма­ зать мыльным раствором, в противном случае при запрессовке кольца будут деформированы и уплотняющий эффект будет ими утерян.

Утечки воды в картерное пространство через уплотнения втулки приводят к попаданию воды в масло, в результате чего его смазываю­ щие свойства резко ухудшаются. После остановки двигателя обвод­ ненное масло остается в карманах и канавках подшипников и вызыва­ ет питтинг и коррозию полированных поверхностей шеек вала, что способствует их ускоренному износу.

Для предотвращения образования наработка (выработки уступом), затрудняющего демонтаж поршня и вызывающего поломку поршне­ вых колец, в верхней части втулки предусматривают конусную или цилиндрическую (см. рис. 4.4а, справа) расточку. Однако расточка втул­ ки облегчает доступ газа к верхнему поршневому кольцу и увеличива­ ет его нагрев. Поэтому в современных дизелях часто вместо расточки втулки на уровне положения первого кольца в ВМТ выполняют узкую кольцевую выточку-канавку, которая позволяет избежать наработков.

Смазка цилиндров. Смазка рабочей поверхности втулок в трон­ ковых дизелях обычно осуществляется за счет разбрызгивания масла, вытекающего из зазоров подшипников; масло забрасывается на ниж­ нюю часть втулки и при движении поршня вверх разносится поршне­ выми кольцами по всему зеркалу цилиндра. У мощных СОД для верх­ ней части втулки часто предусматривают принудительную лубрикаторную смазку.

В крейцкопфных двухтактных дизелях применяют только прину­ дительную смазку цилиндров, осуществляемую насосами плунжерно­ го типа - лубрикаторами через масляные штуцеры 7 (см. рис. 4.6а, узлы II и III), вворачиваемые в стенку втулки. В дизеле MAH KZ70/120 масло подается по радиальным и осевым сверлениям в верхней части втулки. В штуцере (перед цилиндром) имеется невозвратный клапан, предотвращающий попадание газов из цилиндра в маслопровод. В це­ лях улучшения смазки нижерасположенной поверхности цилиндра фирма «Зульцер» в последних моделях двигателей применила 2-уров- невое расположение штуцеров.

Для равномерного распределения масла по окружности на зерка­ ле втулки в районе смазочных отверстий вырезают маслораспредели­ тельные канавки а и b (4.5а); или соединяют отверстия сплошной кри­ волинейной канавкой. Расположение смазочных отверстий зависит от тактности дизеля и уровня его форсировки.

Гл. 4. Блоки, рубашки и втулки цилиндров

47

Современные конструктивные решения. В последние 10-20 лет отмечается интенсификация работ по форсировке двигателей, сопро­ вождаемой увеличением Р в малооборотных до 17-18 бар и в средне­ оборотных до 23-25 бар. Одновременно увеличиваются максималь­ ные давления сгорания до 140-180 бар, что, естественно, приводит к увеличению механических напряжений, особенно в верхнем поясе ци­ линдра. Рост среднего эффективного давления достигается путем уве­ личения давления наддува и, соответственно, величины подачи топли­ ва (g j, а это влечет за собой рост величины теплового потока в стенки цилиндра, перепада температур в стенках и возникающих в них темпе­ ратурных напряжений. Температурные и механические напряжения действуют совместно, и их рост, естественно, потребовал искать пути их снижения. Перепад температур в стенке, а вместе с ним и величина возникающих термических напряжений могут быть понижены путем уменьшения толщины стенки <5. Но это приведет к росту в ней механи­ ческих напряжений.

Поэтому, уменьшая толщину, стали прибегать к оребрению стен­ ки цилиндра в верхнем поясе - втулка двигателей RS (рис. 4.7). В более поздней конструкции двигателей RD в целях снижения механических напряжений в верхнем поясе на него напрессовали силовое кольцо. Однако это решение в процессе эксплуатации себя не оправдало. По­ степенно возникающая подвижка кольца вследствие возникающей под­ вижки и фреттинг-коррозии приводила к ослаблению его посадки. Нагрузка на втулку соответственно увеличивалась, и в ней появлялись микротрещины. В новых конструкциях (двигатели RND и RTA) пошли

a) RS двигатель

RD двигатель

RND двигатель

б)

200° * -

180°-

160°-

140°

120°

100“С

Рис. 4.7. Изменения в организации охлаждения верхнего пояса втулок

цилиндра в малооборотных двигателях: а) «Зульцер»; б) МАН

48

Судовые двигатели внутреннего сгорания

100 200 3000”С

Рис. 4.8. Организация охлаждения втулки цилиндра двигателя

«МАН-Бурмейстер и Вайн-МС» и тёмпературы камеры сгорания

на увеличение толщины и высоты фланцевой части втулки, сократив при этом толщину теплопроводящей части втулки путем ее сверления

 

и подачи охлаждающей воды по сверле­

 

ниям ближе к тепловоспринимающей по­

 

верхности (рис. 4.7).

 

Аналогичные решения приняты и

 

фирмой «МАН-Бурмейстер и Вайн» (см.

 

рис. 4.8), они же стали применяться и в

 

современных форсированных среднеобо­

 

ротных двигателях - см. рис. 4.9.

 

В классическом варианте (рис. 4.2)

 

охлаждение втулок осуществлялось по

 

всей длине, что приводило к переохлаж­

 

дению нижней и средней частей поверх­

 

ности цилиндра и провоцированию ин­

 

тенсификации сернистой коррозии и из­

 

носа. Чтобы этого избежать, в новых ре­

Рис. 4.9. Организация

шениях нижняя часть втулок не охлаж­

охлаждения втулки

дается и режим охлаждения верхней ча­

цилиндра 4-тактного

сти организуется таким образом, чтобы

двигателя L46 («Вяртсиля»)

температура зеркала не была ниже точ­

Гл. 4. Блоки, рубашки и втулки цилиндро<

49

ки росы паров воды (150°С) и не превышала Т = 200°С, при которой происходит полимеризация масла с образованием лаковых пленок на зеркале и нагара в кепах поршневых колец.

Как видно из рис. 4.7 и 4.8, температуры рабочих поверхностей втулок в зоне первого поршневого кольца в ВМТ находятся в пределах рекомендованных уровней.

§ 4*3* Износ и повреждения цилиндров

Отмечаемый с форсировкой рост температур элементов ЦПГ при­ вел к тому, что начиная с 1990 года постройки коррозионный износ цилиндров, обусловленный конденсацией воды на зеркале цилиндра и образованием серной кислоты, стал уступать адгезионно-абразивному износу (рис. 4.10). Адгезионно-абразивный износ зеркала цилиндра и поршневых колец является следствием деструкции (разрушения) двух скользящих друг по другу поверхностей, происходящей при их чрез­ мерном нагреве, вызванном усиливающимся трением.

Разрушение является следствием микросваривания отдельных участков контактирующих поверхностей втулок цилиндров по мере форсировки двигателей.

Причина - чрезмерный рост температур вследствие локальных контактов металла цилиндра и колец из-за ухудшения условий смазки (недостаток масла на зеркале - выгорание, недостаточное поступление в верхнюю часть цилиндра, падение вязкости масла, попадание в мас­ ло воды и создание эмульсии). К этому же приводит увеличение шеро-

 

sr

1,2

 

 

 

 

]

j

J----

 

о

 

 

 

 

 

о

1

I

Г

1

 

 

 

 

 

о

 

t

1

l J

 

 

 

\

*

1

 

 

S

0,8

 

 

 

V' 4

 

cd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

0,6

 

 

 

 

 

 

 

 

о

v

/Ч.

 

 

 

 

 

 

я

 

 

 

 

 

 

 

го

 

 

 

 

 

.

У* /

'Л 7 /

 

S

0,4

 

 

 

 

 

л

 

 

 

 

J* *

s**» " '*

Рис. 4.10.

н

0,2

- коррошя

 

^

.III I ill»

о

 

 

о

 

 

 

 

 

ШтттттштА

Тенденция

Он

0

»u—JL^«.а!.—■.X ' t

■1___U--2

§

 

 

 

изменения

и

1

Темп, поверхности втулки в зоне ВМТ в С°

 

температуры

 

 

 

втулок и

 

 

Годы постройки дизелей

1990

 

 

характера их

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

до 1980

1980-1990 2002 после 2002

износа

4-3283

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]