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

Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (1)

.pdf
Скачиваний:
1291
Добавлен:
12.03.2016
Размер:
7.81 Mб
Скачать

80

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

Рис. 7.2. Износ 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.

Лэффективная 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

 

Рис. 7.7. Изменение формы кольца в процессе его приработки (для наглядности величина приработочного износа показана несколько утрированно)
конвергентный при ходе вверх
конвергентный од>де вниз
1 первонач. прямоуг. профиль

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

Рис. 7.8. Следы прорыва газов через кольца
Рис. 7.9. Толщина масляной пленки в зависимости от расположения масляных штуцеров по высоте втулки

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.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]