Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (1)

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

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.

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

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

Температурные перепады, как уже отмечалось ранее,

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

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-

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

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.

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

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

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