ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.04.2020
Просмотров: 2483
Скачиваний: 5
Следует отметить, что рассмотренные виды износа цилиндров относятся к патологическим режимам эксплуатации двигателей, с которыми необходимо вести непрерывную борьбу. Так, молекулярно-механический износ и микросхватывание поверхностей кольца и цилиндра наблюдаются при недостаточной смазке верхней зоны цилиндра, то есть при недоработанной конструкции двигателя. Коррозионно-механический износ наблюдается при нарушении теплового режима двигателя. Абразивный износ является следствием плохой очистки воздуха, недостаточного уплотнения картера и для нормальной эксплуатации должен быть устранен. Авторы приведенных работ не рассматривают характер износа втулок цилиндров в нормальных условиях эксплуатации, где на процесс изнашивания оказывает влияние сразу несколько факторов и их влияние может быть противоречивым. Для современных судовых дизелей, тщательно спроектированных, эксплуатируемых в море, где отсутствует пыль, при строгом соблюдении температурного режима, применения высококачественных масел и мощной системы их очистки ни один из рассмотренных видов износа втулок цилиндров не может быть доминирующим.
Все же анализ эпюр износа втулок цилиндров по образующей показывает наличие ярко выраженного максимума в верхней части, в зоне между ВМТ первого и второго компрессионных колец. Закономерности износа втулок цилиндров судовых дизелей и до настоящего времени изучены недостаточно, нет единства среди исследователей о влиянии тепловых, кинематических и индикаторных показателей работы двигателя на износ цилиндра. Но вес авторы сходятся в одном - втулка цилиндра является одной из самых напряженных и ответственных деталей двигателя, лимитирующей срок службы дизеля до капитального ремонта (это же и определено стандартом). Во всех случаях эксплуатации и при любом доминирующем виде износа втулка изнашивается неравномерно по длине образующей цилиндра.
0,442
0,367
1,0
100
200
300
400
500
600
700
δ, %
0,5
Рисунок 1 - Средняя относительная эпюра износа втулок цилиндров дизелей ЧН 25/34 ,построенная по данным износа 1800 втулок.
В настоящей главе рассматриваются работы по применению безотходных технологических методов повышения работоспособности наружной поверхности цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей.
Повышение работоспособности цилиндровых втулок связано с разработкой технологических мероприятий, направленных на релаксацию остаточных напряжений в процессе их изготовления /12/. Этого можно добиться совершенствованием технологического процесса термообработки втулок, исключением операции развертывания внутренней поверхности втулки после закалки и отпуска, введением операции естественного старения перед хонингованием. Вместо развертывания целесообразно применение силового хонингования крупнозернистыми брусками.
В поверхностном слое нагруженных цилиндровых втулок возникают упругие и пластические деформации. Последние вызывают релаксацию напряжений, устранить которую можно уменьшением действующих динамических нагрузок или повышением сопротивления усталости металла пластическому деформированию, то есть повышением его релаксационной стойкости. Для этой цели наряду с использованием распространенных технологических процессов (естественное старение, низкотемпературный отжиг) находит широкое применение вибрационное старение /51/. Во многих случаях оно заменяет дорогостоящую термическую обработку, требующую сложного оборудования и сокращение времени старения.
Для повышения работоспособности цилиндровых втулок /30/ при изготовлении применяют сухой поверхностный наклеп дробью внутренних и наружных поверхностей. Упрочнение оценивают по величине остаточных напряжений, для определения которых из упрочненных втулок вырезают кольца толщиной 10 мм. На поверхности колец наклеивают тензодатчики, по изменению показаний которых после разрезки кольца судят о напряжениях вокруг отверстия. Кроме упрочнения сухим дробенаклепом внутренняя и наружная поверхности втулки в поясе шириной 180 мм подвергаются накатыванию для обеспечения заданной величины натяга при посадке в блок-картер.
Указанный способ обладает существенным недостатком: остаточные напряжения как основной критерий оценки эффективности поверхностного пластического деформирования не взаимодействуют с рабочими динамическими напряжениями во втулке, из-за чего нельзя создать равнопрочную конструкцию.
Как показали испытания образцов из цилиндровых втулок, проведенные на ОАО им. Малышева /16/, никельфосфатированное покрытие наружной поверхности втулки повышает коррозионно-усталостную прочность только при условии предварительного качественного упрочнения наклепом. Без последнего коррозионно-усталостная прочность резко снижается.
Причиной снижения работоспособности втулок из-за кавитационных разрушений является вибрация стенок полостей охлаждения дизелей, в результате которой возникают разрывы жидкости и их уничтожение, приводящее к местным повышениям давлений и температур. На уменьшение кавитационных разрушений воздействуют конструктивными мероприятиями: оптимальным выбором толщины стенок цилиндровых втулок, зазоров между поршнем и втулкой, величиной межопорного расстояния и количеством посадочных поясов.
Проведенный анализ опубликованных работ по применению безотходных технологических методов повышения работоспособности цилиндровых втулок указывает на существенность влияния упрочнения наружных поверхностей втулок как одного из факторов повышения работоспособности высокофорсированных дизелей. Следует отметить также, что количество публикуемой литературы по технологическим методам повышения работоспособности цилиндровых втулок весьма ограничено.
1.2 Постановка задач исследований согласно цели работы и достигнутому уровню развития
На основании изучения состояния вопроса и выполненного выше предварительного анализа по выбору наиболее актуальных путей повышения работоспособности цилиндровых втулок могут быть определены, согласно принятой общей цели работы, следующие задачи исследований:
-проведение теоретических исследований процессов динамического и температурного нагружения цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей при инерционном нагружении, сгорании топлива и тепловом воздействии;
-разработка безотходного технологического метода, развитие и выполнение экспериментальных исследований релаксации остаточных напряжений во втулке путем ультразвуковой обработки;
-изыскание резервов дальнейшего повышения работоспособности цилиндровых втулок в условиях форсирования дизелей по среднему эффективному давлению и частоте вращения коленчатого вала;
-выполнение экспериментальных разработок, следуя результатам теоретических исследований, внедрение в производство и эксплуатацию безотходного технологического метода повышения работоспособности цилиндровых втулок путем поверхностного пластического деформирования - дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности.
1.3 Объекты исследований
Уровень динамических нагрузок в современных комбинированных дизелях возрос настолько, что при имеющихся в дизелестроении материалах каждая дальнейшая форсировка по параметрам термодинамического цикла и частоте вращения коленчатого вала требует проведения большого комплекса работ по увеличению несущей способности цилиндровых втулок. Так, например, форсирование дизеля за счет повышения максимального давления цикла сопровождается ростом газовых сия, увеличением напряжений знакопеременного изгиба, ростом динамики нагружений и колебательных процессов в цилиндровых втулках.
Оценка величины динамических напряжений и нагружающих сил позволяет определить возможность и целесообразность принятой степени форсирования, дать общее представление об ожидаемой работоспособности форсируемых дизелей в целом.
Высокооборотные четырехтактные дизели ЧН 21/21 нового семейства с различным уровнем форсирования по параметрам термодинамического цикла и частоте вращения коленчатого вала, выпускаемые ОАО «Волжский дизель им. Маминых», предназначены для широкого использования в народном хозяйстве: для буровых установок в составе силового агрегата СА-10, для маневровых тепловозов ТГМ-4, для автомотористов и дизельпоездов, для карьерных автосамосвалов и автопоездов особо большой грузоподъемности (БелАЗ).
В связи с отмеченным форсированием дизелей ЧН 21/21 по параметрам
термодинамического цикла определение и повышение несущей способности цилиндровой втулки связано с необходимостью изучения конструктивных и технологических возможностей этой детали, ее напряженно-деформированного состояния, неравномерностью распределения динамических напряжений по поверхности, способов поверхностно-пластического деформирования.
Рисунок 2 - Дизель-генератор ДГР 500/1500 с рядным комбинированным дизелем ЧН
Цилиндровая втулка комбинированного дизеля ЧН 21/21 изготавливается из чугуна марки АХНММ «мокрого типа», устанавливается в расточку блок-картера. Верхним уплотняющим фланцем, притираемым к плоскости блока, втулка прижимается к блоку крышкой цилиндра через медную прокладку уплотнения газового стыка. Нижний пояс втулки цилиндра (от просачивания охлаждающей жидкости в поддон дизеля) уплотняется резиновыми кольцами круглого сечения, устанавливаемыми в канавки на втулке. Цилиндровая втулка охлаждается жидкостью, поступающей из центрального водяного канала через отверстия, просверленные против каждого цилиндра. Особенностью технологического процесса механической обработки цилиндровой втулки является обеспечение малого отклонения поверхности отверстия от идеальной геометрической формы круглого цилиндра, что достигается финишной операцией - хонингованием зеркала цилиндра крупнозернистыми алмазными брусками. Этой же операцией компенсируется остаточная деформация втулки путем снятия припуска в процессе хонингования.
Изложенное позволяет сделать следующие выводы:
-обзор опубликованных работ по силовым схемам расчета цилиндровых втулок показывает, что в настоящее время отсутствуют аналитические методы количественного определения динамических напряжений в цилиндровых втулках - основных критериев оценки работоспособности конструкции в производственных условиях в зависимости от величины и характера изменения динамических сил, задаваемых реальными индикаторными диаграммами;
-анализ литературных источников по экспериментальным методам исследования цилиндровых втулок подтверждает, что в производственных условиях экспериментальные исследования несущей способности деталей целесообразно производить только на работающих дизелях, так как эксперименты свидетельствуют о существенной разнице в напряженном состоянии статически и динамически нагруженных цилиндровых втулок;
-в опубликованной литературе нет сведений о дифференцированной гидродробеструйной обработке наружных поверхностей цилиндровых втулок в зависимости от действующих знакопеременных динамических нагрузок;
-в отечественных и зарубежных публикациях отсутствует информация о стабилизации остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндровой втулки путем ультразвуковой обработки на устойчивой резонансной частоте;
-на основании обзора и анализа известных работ, отечественных и зарубежных авторов обоснована актуальность проблемы и сформулированы задачи
исследований, целью которых является изыскание технологических путей повы-
шения работоспособности конструкций в условиях высоких форсировок дизелей.
262
237
30о
241
237
209,95
30о
R10
R10
R2
R10
238
231
226
Рисунок 3 - Конструкция цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля ЧН
2 ПРОЕКТИРОВОЧНАЯ ЧАСТЬ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА
2.1 Безотходный дифференцированный технологический метод
упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки
высокофорсированного дизеля
Ввиду сложности конфигурации наружной поверхности цилиндровой втулки неравномерности распределения рабочих динамических напряжений, неадекватности распределения остаточных и рабочих напряжений по поверхности, теоретически задать и определить уровень остаточных напряжений в цилиндровой втулке не представляется возможным.
А
налитически
учесть факторы, влияющие на формирование
напряженно деформированного состояния
поверхностных слоев, сложно. Однако,
разработка основ расчета с приемлемой
для практики точностью является одной
из актуальных проблем теории и практики
поверхностного пластического
деформирования цилиндровых втулок
высокофорсированных дизелей.
-25
-80
5525
0
-30
1
4,5
2
3
9,7 -30,6
-20,9
4
-6,02
-6,02
1
3
4
2
позиции
Рисунок 4 - Распределение характерных зон и эпюры средних рабочих динамических, остаточных и результирующих напряжений
позиция 1 - распределение характерных зон по поверхности цилиндровой втулки (распределение рабочих динамических и температурных напряжений имеет 4 зоны);
позиция 2 - эпюры средних динамических напряжений, построенные на основе расчетно-экспериментальных исследований;
позиция 4 - распределение результирующихнапряжений после упрочнения цилиндровой втулки дизеля ЧН 21/21;
позиция 3 - распределение упрочняющих остаточных напряжений сжатия в цилиндровой втулке после их взаимодействия с рабочими динамическими напряжениями в различных сечениях конструкций.
Известно, что для цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля характерно крайне неравномерное распределение рабочих динамических напряжений на различных участках наружной поверхности.
Отрицательным фактором является ее невысокая работоспособность, обусловленная неполным использованием эксплутационных возможностей материала детали вследствие неоптимального распределения остаточных напряжений в поверхностном слое на различных участках.
В результате неадекватно распределения остаточных и рабочих динамических напряжений при их взаимодействии не происходит системного распределения, и участки с высоким значением сжимающих динамических напряжений получают дополнительный уровень, что приводит к перегрузке этих зон; в то же время ослабленный зоны с растягивающими динамическими напряжениями оказываются недогруженными.
В итоге это приводит к повышению неравномерности нагружения смежных объемов металла и к снижению усталостной прочности конструкции.
Для реализации заданных значений остаточных напряжений, полученных расчетно-аналитическим методом, в ОАО «Волжский дизель им. Маминых» разработан и апробирован новый технологический способ обработки наружного поверхностного слоя цилиндровой втулки - метод дифференцированного гидродробеструйного упрочнения (ГДУ), его сущность состоит в следующем: