Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (1)
.pdf80 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
щин. Следы выгорания металла в зоне удара струй топлива, в алюми ниевых поршнях - подплавление закраин головки либо сквозное про горание.
При масляном охлаждении следы коксования масла (появление темно-коричневой окраски) на внутренней поверхности головки.
Следы перегрева тронка. Следы сгорания масла (темные поло сы). Появление рисок и задиров - прорыв газов в картер в связи с повреждением или поломкой колец. Натиры или задиры в зонах утол щения металла под бобышки поршневых пальцев (см. рис. 6.9), что обычно связано с заклиниванием маслосъемного кольца и резким уве личением расхода масла.
Рис. 6.9. Натиры на юбке |
Рис. 6.10. Нарушение охлаждения |
|
головки, ее перегрев в течение |
|
длительного времени и как |
|
результат - задир юбки по всей |
|
поверхности |
Глава 7
ПОРШ НЕВЫЕ КОЛЬЦА
Кольца служат для уплотнения зазора между поршнем и втулкой рабочего цилиндра. Они подразделяются на компрессионные и мас лосъемные. Компрессионные (уплотнительные) кольца помимо функ ций уплотнения выполняют задачи отвода теплоты от головки поршня к цилиндровой втулке и далее в охлаждающую воду, распределения масла по зеркалу цилиндра, а маслосъемные кольца - для снятия из лишков масла, забрасываемого снизу на нижнюю часть втулки цилин дра (тронковые двигатели) и регулирования поступления его на верх нюю часть.
§ 7.1. Условия работы, конструкция
Уплотняющее действие компрессионных колец обеспечивается прижатием их к зеркалу цилиндра и стенкам поршневых канавок и лабиринтным действием пакета колец. К зеркалу цилиндра кольцо при жимается силой собственной упругости Ру и силой давления газов р г, проникающих через зазор между поршнем и цилиндром в надкольцевое пространство а и закольцевое Ъ (рис. 7.1а).
Величина удельного давления поршневых колец на стенку цилин дра под действием сил упругости относительно невелика и составляет 0,5-2,0 бар (нижние цифры - малооборотные двигатели, верхние - сред необоротные). Основной составляющей силы прижатия колец к стенке цилиндра является сила давления газов. Лабиринтное действие колец заключается в перетекании газа через ряд объемов, сообщающихся узкими щелями. Перетекание сопровождается последовательным рас ширением газов и расходами энергии на вихреобразование и трение.
Как видно из рис. 7.1, давление за кольцами устанавливается в следующей последовательности: за первым кольцом оно ориентиро вочно равно 0,75 р г, за вторым - 0,20 р г и за третьим - 0,08 р г.
6-3283
82 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
Рис. 7.1. Схема работы поршневых колец
С наибольшей силой к втулке цилиндра прижимается первое коль цо, оно же по этой причине, а также в связи с наличием более высоких температур и ухудшением условий смазки в зоне ВМТ имеет наиболь шие износы. Обратное движение поршневых колец внутрь кепов про исходит при перекладке поршня в цилиндре под действием меняющей свой знак нормальной силы, являющейся составляющей силы давле ния газов и силы инерции поступательно движущихся масс поршня.
Радиальное перемещение колец. Радиальное перемещение ко лец приводит к износу как самого кольца, так и нижней поверхности кепа (рис. 7.2).
При износе кепа плотность посадки кольца в кепе нарушается, газы из затылочной части кольца вытекают, и кольцо перестает прижи маться к зеркалу цилиндра. Его уплотняющее действие теряется, про исходит прорыв газов и перегрев кольца и кепа. Рост температур кепа
Гл. 7. Поршневые кольца |
83 |
создает условия для коксования масла в нем, в последующем приводящее к заклиниванию кольца и полной потере его уплотняющих свойств.
Практическая рекомендация: применять масла с высокими детергентно-диспергирую- щими свойствами, обеспечивающими суще ственное снижение нагарообразования.
В современных форсированных двигате лях в целях уменьшения износа кепов их ра
бочая поверхность хромируется. Потеря давления за кольцом вызыва ет явления коллапса, при котором возникает радиальная вибрация - кольцо ударяется о внутреннюю стенку поршневой канавки, затем раз жимается и входит в контакт со стенкой цилиндра. Попеременные уда ры в конечном итоге приводят к поломке кольца, отмечаемой обычно в его средней части (напротив замка).
Осевое перемещение колец происходит под действием сил давле ния газов над кольцом и под ним, силы трения по втулке и силы инер ции самого кольца. В итоге кольца осуществляют функцию масляного насоса, перекачивая находящееся под кольцом масло вверх, в зону ка меры сгорания, где оно сгорает (см. рис. 7Аж). Чем выше износ ЦПГ, колец и их кепов, тем большие потери масла на угар.
Помимо радиальных и осевых движений, кольца вращаются от носительно оси поршня. Вращательное движение вызывается возврат но-угловыми перемещениями поршня при каждом обороте вала двига теля. Под действием нормальной силы ось поршня при перекладке в цилиндре должна переходить из точки а в точку с. В действительности вследствие деформаций механизма движения и допущенных при сбор ке неточностей поршень при перекладке «перекатывается» в цилиндре из а в с через точку б. Поскольку сила трения по окружности кольца больше силы трения в кепах, то оно перемещается в нем, совершая вращательное движение.
Конструкция. К кольцам предъявляются следующие требования: ►высокие прочность и упругость и их сохранение при длитель
ном воздействии высоких температур; ►равномерное распределение по окружности радиального давле
ния от сил упругости; ►малый коэффициент трения и высокая износостойкость.
Материал - серый чугун со сфероидальным графитом, с присад кой легирующих элементов. Наибольшее применение в малооборот-
84 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
рабочая |
цилиндр, раб. |
|
поверхность |
||
поверхность |
||
|
цилиндр, участок |
контактная |
раб. поверхности |
поверхность |
|
с цилиндром |
Рис. 7.3. Конструкция поршневых колец
ных и ряде среднеоборотных двигателей находят стандартные прямоу гольные кольца (рис. 7.3а). На новых кольцах рабочие кромки обычно слегка закруглены.
Кольцо (рис. 7.36) в отличие от стандартного имеет слегка скруг ленную рабочую поверхность (поверхность контакта с зеркалом ци линдра). Это обеспечивает линейный контакт с цилиндром в первый период приработки, тем самым предотвращая прорыв газов в местах неполного касания, а в последующем снижает изнашивание верхней части рабочей поверхности кольца. Ускорению приработки колец осо бенно в цилиндрах с твердым хромовым покрытием служат кольца, рабочая поверхность которых слегка (на 1-2°) скошена, а внизу остав лен узкий цилиндрический поясок (рис. 1Зв). Представленное на рис. 13д кольцо имеет коническую форму. Это позволяет повысить проч ность перемычек поршня, а главное, кольцо при своем движении счища ет образующийся в канавках нагар и тем самым исключается возмож ность зависания кольца в слое нагара в канавке. Подобные кольца пред почитают применять в быстроходных напряженных двигателях. Кольцо со скошенными верхними задними кромками благодаря несимметрич ности сечения под действием появляющейся пары сил при работе скру чивается, благодаря чему существенно увеличивается удельное давле ние прилегания нижней его кромки к втулке цилиндра. Это обеспечи-
Гл. 7. Поршневые кольца |
85 |
вает его быструю прирабатываемость и благодаря появлению масляно го клина при движении кольца вверх уменьшает поступление масла вверх, а при движении вниз способствует соскребыванию масла вниз.
В современных форсированных двигателях часто прибегают к повышению износостойкости рабочей поверхности поршневых колец путем хромирования. При этом используется технология, обеспечи вающая пористое хромирование для лучшего удержания масла в порах в период приработки. Толщина хромирования достигает 0,5-1,0 мм. Хромирование применяется также для повышения износостойкости нижних полок канавок поршневых колец.
Впоследние годы стали применять молибденовое покрытие, об ладающее отличными противоизносными и антикоррзионными свой ствами. Использование этого покрытия открывает возможность при менять для изготовления колец высокопрочные и хорошо противостоя щие поломке материалы, но, к сожалению, обладающие низкими про тивоизносными характеристиками.
Замки (разрезы) поршневых колец (рис. 7.4). Замок с прямым разрезом наиболее простой и прочный, чаще применяется в высоко оборотных двигателях. Замок с косым разрезом (б) является более гер метичным и используется в большинстве мало- и среднеоборотных двигателей.
Герметичные ступенчатые (в) или с глухим стыком (г) имеют по вышенную уплотняющую способность, но менее прочны и более слож ны в изготовлении.
Маслосъемные кольца используются исключительно в 4-такт- ных двигателях со смазкой разбрызгиванием, при которой излишне большое и нерегулируемое количество масла забрасывается на стенки цилиндров.
В2-тактных малооборотных двигателях подача масла регулиру ется с использованием лубрикаторов и поэтому необходимость в мас
лосъемных кольцах отсутствует.
86 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
|
Задача маслосъемных колец снять |
|
лишнее масло с поверхности цилиндра и |
|
тем самым сократить его расход. Следует |
|
отметить, что из общего расхода масла в |
|
двигателе до 90% приходится на его ис |
|
парение и сгорание. |
|
Работает кольцо следующим образом - |
|
при подъеме поршня между кольцом с |
|
конусным скосом и зеркалом цилиндра |
|
создается масляный клин, который давит |
|
на коническую поверхность кольца. Сила |
|
давления направлена перпендикулярно к |
|
поверхности кольца и раскладывается на |
|
две составляющие - одна прижимает коль |
|
цо к нижней полке канавки, а другая сжи |
Рис. 7.5. Маслосъемные |
мает кольцо, утапливая его в канавке. Мас |
ло остается на зеркале. При опускании |
|
кольца |
поршня кольцо выпрямляется в канавке |
|
|
|
под действием его сил упругости и пру |
жины (экспандера) и прижимается к поверхности цилиндра. Острая кромка кольца снимает слой масла, и оно отводится через отверстие в кольце и канал в поршне вниз в картерное пространство.
Упругость колец (сила прижатия к втулке цилиндра) определяет ся технологией изготовления и применяемым материалом и, конечно, зависит от радиальной толщины кольца. Последняя в процессе эксплу атации по мере изнашивания уменьшается, и это отрицательно сказы вается на силе прижатия кольца к втулке цилиндра. Так, уже при ради альном износе кольца на 15% сила прижатия уменьшается более чем на 50%. Если к этому еще добавить отрицательное влияние на силу прижатия тепловых перегрузок, которые кольцо испытывало в процес се работы, то потеря упругости окажется еще больше. Потеря упруго сти является одной из причин коллапса (вибрации) колец, приводяще го к весьма серьезным повреждениям двигателя.
§ 7Л* Смазка цилиндров, поршней и колец
Надежность, износ и уплотняющая способность поршневой груп пы зависят от наличия на поверхностях скольжения эффективной масля ной пленки. Толщина пленки по ходу поршня существенно меняется -
Гл. 7. Поршневые кольца |
87 |
от 1-2 мкм в районе ВМТ до 12-15 мкм внизу цилиндра. От того, какой устанавливается режим смазки и трения между кольцом и втулкой ци линдра, зависит величина их износа и эксплуатационный ресурс.
Рис. 7.6 иллюстрирует зависимость коэффициента трения от па раметра R, определяемого отношением расстояния между трущимися слоями h, и высоты неровностей поверхностей V.
Л— эффективная толттшна пленки h шероховатость поверхности t
Если R = 1 или меньше, то это означает, что поверхности находят ся в непосредственном контакте и имеет место режим сухого трения, сопровождаемого чрезвычайно большими износами, задирами и пр.
Если давление в масляном слое между кольцом и втулкой увели чивается, то, как это видно из графика, устанавливается пограничный режим смазки, а по достижении R = 5-10 режим переходит в гидроди намический. Контакт между трущимися поверхностями осуществля ется через слой масла, коэффициент трения снижается до минимума.
Задача поршневых колец создавать и поддерживать подобный ре жим, когда R больше 10. Величина этого параметра зависит от сил, опре
деляющих контакт кольца с |
|
|
|
втулкой, скорости движения |
|
|
|
кольца и вязкости масла |
|
|
|
между компонентами тре |
|
|
|
ния. Скорость движения ме |
|
|
|
няется от нуля до максиму |
|
|
|
ма и обратно к нулю. Непре |
|
|
|
рывно меняются направле |
|
|
|
ние движения и давление за |
|
|
|
кольцами, определяющее си |
|
|
|
лу их прижатия к зеркалу ци |
|
|
|
линдра. Вязкость масла в |
|
|
|
районе ВМТ минимальна, |
|
|
|
так как здесь действуют вы |
|
|
|
сокие температуры, ближе к |
|
|
|
НМТ вязкость значительно |
|
|
|
выше. В этой связи параметр |
|
|
|
R удерживать на одном уров |
h |
| |
|
не > 10 практически невоз |
|||
* |
' |
||
можно. Только в середине |
|||
|
|
||
хода поршня он может дос- |
Рис. 7.6. Режимы трения |
|
88 |
Судовые двигатели внутреннего сгорания |
тигать 10, здесь отмеча ются и минимальные износы втулок цилиндров. В поддержании доста точно толстой пленки масла сущ ественную роль играет форма рабо чей поверхности порш
после износа макс. радиус кривои невого кольца. Небезын тересно отметить, что поршневое кольцо, имев шее первоначальную форму прямоугольника, в процессе приработки и
последующей работы в цилиндре по мере износа приобретает форму, представленную на рис.- 7.7. Здесь мы видим, что при движении кольца вверх работает верхняя коническая часть, под которой создается масля ный клин, отжимающий кольцо внутрь канавки и не дающий ему со скребывать масло с поверхности цилиндра. При движении вниз работа ет нижняя коническая часть, выполняющая ту же роль, что и верхняя.
Замечание: при установке новых колец отдельные механики вруч ную припиливают фаски, что неверно, так как кольцо само в процессе приработки приобретет оптимальную форму. Ручная припиловка с помощью напильника может только ухудшить последующую работу кольца.
Возвращаясь к вопросу оптимизации режимов смазки, еще раз отметим, что толщина и состояние масляной пленки зависят от коли чества подаваемого на смазку ЦПГ масла, работы маслосъемных ко лец, растаскивания масла компрессионными кольцами и его испарения и выгорания, особенно интенсивного в районе ВМТ. Здесь обычно в связи с нехваткой масла создаются условия полусухого трения и выз ванные этим высокие износы. На остальной части втулки, как уже от мечалось, имеет место гидродинамический режим смазки и скорости износов должны лежать в пределах 0,02-005 мм/1000 часов. Одним из условий существования масляной пленки на стенках цилиндра и на поверхности колец является плотность прилегания колец к втулке, ис ключающая прорыв газов.
Смазка существенно затрудняется или нарушается там, где имеет ся пропуск газов - независимо от того, вызван ли он износом цилинд ров или нарушениями в работе колец. В местах прорыва газов масля
Гл. 7. Поршневые кольца |
89 |
ная пленка перегревает ся, окисляется и сгорает. Что способствует корро зионному и эрозионно му изнашиванию. При знаком прорыва газов яв ляется потемнение соот ветствующих участков кольца, образование ла ковых отложений на зер кале цилиндра, а в пос ледующем продольных полос повышенного из носа (см. рис. 7.8).
Особенно большое влияние оказывает про пуск газов через первое кольцо, в меньшей сте пени - утечки через ос тальные кольца. В прин ципе, сечение для прохо да газов всегда имеется, особенно через откры тые замки колец. Поэто му смазка концов колец и участков следующего кольца, расположенного под замком, всегда нару шается или становится недостаточной.
В целях улучшения смазки в зоне ВМТ фир ма «Зульцер» проводила
эксперименты по выбору высоты расположения масляных штуцеров по отношению к ВМТ и пришла к выводу, что наилучший вариант смазки обеспечивается при расположении штуцеров в два ряда В + С (см. рис. 7.9). Положение штуцеров в позиции А дает несколько боль шую толщину пленки в районе ВМТ, но значительно ухудшается смаз ка в средней части хода поршня. Поэтому было принято решение уста новить на втулках двигателей RTA два ряда штуцеров в В и С.