Характеристика тепловой напряженности поршней

Конструкция поршня определяется силовыми, температурными и триботехническими факторами.

По высоте поршень делят на три основных пояса: жаровой, уплотнительный, несущий компрессионные и маслосъемные кольца и направляющий пояс.

От поршня требуется повышенная стойкость к износу рабочих поверхностей кольцевых канавок (особенно для первого поршневого кольца) и к задирам.

Диаметр поршня определяют из мощностных характеристик ДВС, а высота поршня связана с функциональными и конструктивными особенностями.

Прежде всего, высота поршня определяется числом компрессионных и маслосъемных колец, высотой Н₀ жарового и Н₂ направляющего пояса в котором расположено отверстие под поршневой палец диаметром d_n. Поршни дизелей имеют большую относительную высоту H_n/D = 1,16¸1,54 по сравнению с поршнями карбюраторных двигателей, у которых H_n/D = 0,9¸1,3. Это связано с тем, что в дизелях устанавливают большее число компрессионных и маслосъемных колец, задают большую высоту жарового и направляющего поясов и более толстые межкольцевые перемычки. Число колец зависит также и от частоты вращения коленчатого вала двигателя, уменьшаясь с ростом последней.

Связь диаметра и других характеристик поршня показана на рис. 5.1 на примере поршня автомобильного дизеля из алюминиевого сплава. Обозначения на графике иллюстрирует чертеж поршня.

Обозначения на графике показаны на чертеже, D-диаметр поршня.

Характерные особенности изнашивания цилиндро-поршневой группы заключаются в следующем.

Р и с. 5.1. Размерные характеристики поршня

Имеет место неравномерность распределения нагрузки и износа в контакте колец и юбки поршня, что создает искажение его цилиндричности. Износ в зоне 1-го кольца обычно больше, чем в других местах; юбка поршня в поперечном сечении приобретает форму эллипса.

Дополнительная неравномерность распределения нагрузки в трущихся контактах связана с неравномерным тепловым расширением поршня, имеющего распределения массы, и тепловой деформацией блока цилиндров.

Важной причиной неравномерности распределения контактных нагрузок является неточность размеров и формы цилиндра, поршня, колец и их элементов, сборочные отклонения взаимного расположения и др.

Износ поршневых колец при работе двигателя обусловлен их одновременным перемещением в продольном и радиальном направлениях относительно канавок. Направление, интенсивность перемещений и износа поверхностей определяет соотношение между силами инерции и упругости колец, силами трения о поверхности канавок поршня и гильзы цилиндра, давление газов в закольцевом пространстве.

Гильзы цилиндров изнашиваются неравномерно как по образующей, так и по окружности в поперечном сечении. Пик износа по образующей располагается в месте остановки компрессионного кольца в верхней мертвой точке. Это связано с увеличением силы трения при замедлении, остановках и реверсе; ухудшением условий смазки; смывом масла конденсатом паров топлива со стенок гильзы; наличием высоких нормальных давлений на стенки гильзы в момент изменения ориентации поршня в зоне верхней мертвой точки; испарением граничных слоев смазки под действием высоких температур, нарушением гидродинамического режима смазки в "мертвых точках" и др. Гидродинамический режим смазки в паре кольцо-гильза возможен лишь в средней части хода поршня.

Зона наибольшего износа по окружности в поперечном сечении обычно располагается в стороне, противоположной впускному клапану, что связано с поступлением в эту зону горючей смеси с абразивными частицами.

Наибольший износ гильз наблюдается в плоскости, перпендикулярной к оси вала, что связано с характером деформаций поршня, гильзы и действием нормальной нагрузки.

Поршневые кольца также изнашиваются по торцам и в радиальном направлении. Износ по торцам связан с перемещением колец в радиальном направлении под действием газовых сил и переориентацией поршня при смене направления движения.

Износ колец в радиальном направлении происходит вследствие трения под давлением газов в закольцевом пространстве и сил упругости колец. Наибольшему износу подвержены первые компрессионные кольца, работающие при высоких давлениях и температурах, при недостаточной смазке.

Маслосъемные кольца работают в более благоприятных условиях, однако их давление на стенки цилиндров от сил упругости в 2 ¸ 4 раза превышает давления компрессионных колец, что определяет их повышенный износ и потерю способности сбрасывать излишки масла со стенок цилиндров.

Ресурс работоспособности поршня, как правило, лимитируется износом канавки под верхнее компрессионное кольцо, возникающим под действием относительных перемещений кольца.

Интенсивность изнашивания поверхностей юбки поршня, поршневых пальцев и внутренних поверхностей бобышек поршня невелика. Эти износы, как правило, не лимитируют долговечность ЦПГ.

Весомым фактором, определяющим вид и скорость изнашивания в цилиндро-поршневых парах, является механохимические процессы на поверхностях трения.

Рабочий процесс в двигателях сопровождается образованием паров воды, двуокиси углерода и других соединений, которые взаимодействуют с продуктами окисления серы, что создает серную или сернистую кислоту. Происходит также образование азотной и угольной кислот, которые инициируют процессы электрохимической коррозии. В случае применения современных высококачественных масел с дополнительным удалением серы ведущая роль переходит к абразивному виду изнашивания, что, в свою очередь, ставит проблему улучшения очистки масла от механических примесей.

Узлы трения шатунов, крейцкопов и подшипников коленчатых валоввходят во вторую, особенно высоко нагруженную и ответственную группу изнашивающихся деталей ДВС, характерную использованием подшипников скольжения.

В подшипниках поршневой и кривошипной головок шатунов, а также коренных подшипниках коленчатых валов с целью обеспечения высокой износостойкости наиболее часто применяют бронзовые (Бр ОФ 7.0-0.2), латунные или биметаллические втулки. В последнем случае антифрикционный слой изготавливают на основе свинца, олова и меди, например, сплав СОС-6-6 (сурьма, олово, металлокерамические включения).

Смазка в зону трения подается по внутренним каналам в теле шатунов или шатунных шеек.

Износ коренных и шатунных подшипников обусловлен действием ряда порой непреодолимых факторов.

Один из главных - невозможность поддержать гидродинамический режим трения при пусках и остановках, мгновенных перегрузках, что связано с разрывом масляного клина, снижением вязкости масла в случаях перебоев подачи масла и др. Другой фактор связан с наличием в масле абразивных частиц. Однако износ происходит и при нормальной работе в гидродинамическом режиме, так как локальное давление в масляном клине в 2,5 ¸ 3 раза превышает среднее давление, вызывает деформацию и накопление усталости в приповерхностных слоя материала подшипников.

Соотношение износа коренных и шатунных подшипников различно и зависит от величины нагрузки. Так, например, в однорядных двигателях нагрузки на шатунные шейки больше, чем на коренные, и износ их выше.

У V- образных двигателей большие нагрузки приходятся на коренные подшипники. В результате этого износ коренных шеек и вкладышей в 1.5 ¸ 2 раза больше, чем шатунных. Износ шеек неравномерен по окружности, что связано с недостаточной жесткостью коленвалов, а также с наличием противовесов. У всех двигателей в коренных подшипниках нижние вкладыши изнашиваются больше верхних, а в шатунных подшипниках верхние вкладыши изнашиваются больше нижних. Износостойкость вкладышей определяется жесткостью конструкции, формой расточки, схемой подвода масла, качеством масла, антифрикционными свойствами материалов и т.д. Отклонения макрогеометрии шеек, деформации вкладышей и узла под нагрузкой также вызывают локальное нарушение гидродинамического режима смазки, резкое повышение температуры, в результате чего интенсифицируется изнашивание и возможен задир, сопровождающийся выплавлением антифрикционного слоя.

Однако неравномерность распределения давления в подшипниках является конструктивно обусловленной, что иллюстрирует рис. 5.2,а.

Здесь R_AK и R_BK – усилия, действующие на подшипник; q (n), q₀₁, ₀₂, ₀₃, q_y - эпюры давлений в функции угла контакта n; d - средний зазор в подшипнике; R₀ и r₂ - радиусы подшипника и шипа.

По оси шипа эпюры давления тоже нелинейны и определяется формой пятна контакта после приработки пары. Наиболее часто она имеет форму, приведенную на рис. 5.2,б, где U_К - кромочные износы.

Характер износа шатунных шеек коленчатого вала показан на рис. 5.3.

С целью обеспечения прочности и износостойкости коленчатые валы и шатуны изготовляют ковкой, штамповкой или отливкой из высокопрочных марок стали или чугуна.

Применение валов из углеродистых сталей для двигателей малой и средней напряженности объясняется сравнительно низкой стоимостью и хорошими пластическими свойствами этих сталей.

а	б
Р и с. 5.2. Распределение давления в подшипниках головки шатуна

Для валов стационарных, судовых и тепловозных двигателей чаще применяют стали 35, 40, 50, 35Г, 40Г, 45Г, 50Г и др. Валы быстроходных двигателей изготовляют из тех же сталей, а также из хромовых, хромоникелевых и хромомолибденовых (40Х, 40ХН, 35ХМ, 30ХН2МА, 18Х2Н4МА и др.). Для валов автомобильных и тракторных двигателей применяют стали 45, 50Г, 40Х, 45Г2, 38хгн, 40ХН2МА.

Хромованадиевые, хромомолибденовые, хромоникелевые и хромоникельмолибденовые стали (30ХМА, 20ХН3А, 38Х2МЮА, 40Х2Н2МА, 25Х2Н4МА, 38Х2МЮА и др.) служат для изготовления коленчатых валов быстроходных дизелей повышенной мощности различного назначения, в том числе поршневой авиации, судов на подводных крыльях и др.

В судовых, стационарных, тепловозных и автотракторных двигателях нередко применяют литые коленчатые валы из специального модифицированного чугуна с шаровидным графитом (СЧ 30, СЧ 35 и др.) перлитно-ферритной структуры и из углеродистой и легированной сталей.

Изготовление литых чугунных валов проще и экономичнее, при этом расходуется меньше металла и меньше времени затрачивается на обработку, чем при изготовлении стальных штампованных или кованых валов. Причем износостойкость

	а	б
Р и с. 5.3. Характер износа шатунных шеек коленчатого вала двигателя: а – автомобиля ЗИЛ - 130; б - автомобилей "Москвич"; I - IV - номера шеек; А - ось коленчатого вала; 1 - линия отсчета; 2 - профиль изношенных шеек под первым, вторым, третьим и четвертым шатунами" 3 - профиль изношенных шеек под пятым, шестым, седьмым и восьмым шатунами; 4 - профиль изношенных шатунных шеек.

шеек вследствие наличия в чугуне графита возрастает, надежность работы вала благодаря большой циклической вязкости чугуна повышается.

При применении сплавов цветных металлов для подшипников шейкам придают высокую твердость термообработкой. Термообработку применяют для повышения износостойкости также и в случаях заливки подшипников баббитом.

Характерным является изнашивание контактирующих пар газораспределительного механизма: кулачок-толкатель, клапан-седло, стержень клапана-направ-ляющая втулка, подшипники распределительного кулачкового вала. В особо тяжелых условиях работают пары кулачок-толкатель и клапан-седло, износ которых лимитирует долговечность механизма газораспределения. Причиной износа пары выпускной клапан-седло является высокотемпературная газовая коррозия под воздействием агрессивных компонентов продуктов сгорания рабочей смеси, а также биения клапана относительно седла, вызванные износом направляющей втулки клапана.

Износ этого сопряжения приводит к нарушению его герметичности и прогоранию клапана.

Для отвода тепла и снижения температуры выпускного клапана на форсированных двигателях применяют натриевое охлаждение. Для обеспечения равномерного износа седла и уплотняющего пояска клапана предусматривают конструктивные меры по проворачиванию клапана во время работы двигателя. На износ сопряжения клапан-седло влияет также величина регулировочного зазора. С увеличением зазоров возрастает динамичность посадки клапана в седло и ускоряется износ.

Для изготовления седел клапанов применяют сплавы на основе никеля ЭПЦ-616, высокохромистые стали, аустенитный чугун, хромистый и хромоникелевый высокопрочный чугун и др. На дополнительные фаски клапанов наносят покрытия из высокопрочных антикоррозионных сплавов.

Направляющие втулки клапанов изготовляют из металлокерамики, стали, чугуна.

Пара кулачок-толкатель работает при контактных давлениях 1200 ~ 1700 МПа и скоростях скольжения 2-5 м/с. Износ деталей рассмотренных пар сопровождается усталостным выкрашиванием (питтинг) и задирами.

Износ кулачков и толкателей приводит к сокращению времени отсечки клапанов и снижению мощностных и экономических показателей двигателей.