Влияние дорожных условий на износ деталей ЦПГ

Износ двигателя

Основной вопрос этой статьи – а не приводит ли езда на низких оборотах к преждевременному износу мотора? И, какие режимы самые «износообразующие».
Постановка экспертных испытаний, в целом, понятна. Двигатель – один и тот же: ВАЗовский «восьмиклапанник». Стенд, аппаратура, бензин и несколько канистр масла – каждый цикл испытаний требует его замены. Задача простая – надо «проехать» одно и тоже расстояние, с одной скоростью, но используя различные режимы работы двигателя. На разных передачах…
Как этого достичь? Ехать можно на одной и той же скорости, поддерживая обороты двигателя и 1500, и 2500, и даже 4000 об/мин. Чем выше обороты – тем ниже передача, важно, чтобы мощность, выдаваемая мотором, была бы одинакова. На стенде это сделать просто – крутящий момент измеряем по динамометру, обороты известны – следовательно, и мощность знаем. «Скорость» множим на моточасы, которые мы тоже фиксируем – вот вам и пробег.
С износом сложнее – придется каждый раз, после наработки двигателя на фиксированном режиме заданного времени, мотор разбирать и взвешивать основные детали, образующие узлы трения, это вкладыши подшипников и поршневые кольца. Плюс к тому – дополнительный промежуточный контроль, который будем проводить, определяя содержание продуктов износа в пробах масла. Нашли хром – стало быть, изнашиваются первые поршневые кольца; обнаружили железо – цилиндры и шейки вала; появилось олово – оно определит скорость износа вкладышей подшипников (поскольку входит в состав антифрикционного слоя); алюминий – следствие износа поршней и подшипников распределительного вала.
Двигатель отработал на заданных постоянных режимах с примерно одинаковой мощностью по 50 моточасов на каждом. Немного для ресурса, но мы получаем скорости износа, а дальше простой экстраполяцией оцениваем и примерный ресурс мотора. При этом обороты двигателя на циклах испытаний меняли от 1200 до 4000, то есть больше, чем в три раза. А потом нагрузку на мотор увеличили – и еще раз прогнали цикл. А потом – еще… Получилась объемистая таблица, где для каждой точки режима была записана своя скорость износа, причем разделенная по узлам – подшипникам и кольцам.

Так меняется средняя скорость износа первых поршневых колец двигателя при изменении режима работы

«Черные зоны» активного износа обнаружились сразу. Самые серьезные – когда на малые обороты накладывается большая нагрузка, и с высокой температурой масла. Скорость износа в таком режиме максимальна – как для подшипников, так и поршневых колец с цилиндрами. У двигателистов эта область называется зоной буксировочных режимов.
С ростом оборотов зона износа сразу стала уменьшаться и где-то при 1800 об/мин – исчезла. Все узлы трения «всплыли» на масляные пленки, прямой контакт между поверхностями деталей исчез – и с ним и скорость износа обратилась практически в ноль. Но надо понимать, что ноль скорости износа на графиках, не означает, что его нет, просто износ на этих режимах меньше погрешности измерения. На практике, конечно, не совсем так. Микрочастицы пыли, продуктов износа, сажи, проскочившие масляный фильтр, дадут какой-то износ и здесь.

А так – вкладышей шатунных подшипников

С увеличением частоты вращения коленчатого вала, зона износа снова начинает появляться и расти. В нашем случае – уже где-то с режимов 3800 об/мин при большой нагрузке, и дальше – прогрессирует. Причем, здесь износ подшипников и поршневых колец с цилиндрами ведет себя по-разному. Быстрее всего высокие обороты начинают чувствовать подшипники коленчатого вала. Почему? Дело в том, что с ростом оборотов резко увеличиваются нагрузки на подшипники – давление инерционных сил от оборотов зависит в квадрате. А вот кольца свой износ снова получают с больших частот вращения – где-то с 4500 об/мин, и там это связано в основном с ростом температуры масла.
Где же наиболее благоприятная зона эксплуатации мотора? У испытанных нами вазовских «восьмерок» (неважно, карбюраторных или впрысковых, восьми- или шестнадцатиклапанных), зона оптимальных оборотов, при которых мотор способен воспринимать любые нагрузки без какого-либо ущерба для себя, составляет примерно 2000…3000 об/мин. Тут мы учитываем, что исходное состояние двигателя может быть разным, да и моторные масла – тоже… Принцип простой – чем больше изношен двигатель, тем выше нижняя и тем ниже верхняя границы зон безызносной работы. Чем выше вязкость масла, тем с более низких оборотов можно безопасно грузить мотор. Но точных цифр нет – очень это индивидуально.
А как это соотнести с моторами другой размерности? Тут есть одна зацепка… В принципе, узлы трения мотора чувствуют не обороты, а линейные скорости перемещения поверхностей деталей. Есть такой параметр мотора – средняя скорость движения поршня, это произведение хода поршня на частоту вращения коленчатого вала, деленное на тридцать. Тот диапазон, который мы получили, примерно соответствует средним скоростям поршня 5…7 м/с. Это значит, что для «длинноходовых» двигателей, которых ход поршня больше диаметра, зона оптимальных режимов сместится в область более низких оборотов. Отсюда – и их «эластичность». У «коротокоходных» зона оптимальных режимов сместится в область более высоких оборотов.
Кстати, именно этот диапазон изменения средних скоростей поршня обычно закладывают для определения основных зон эксплуатации двигателей с большими ресурсами. Судовых дизелей, дизель-генераторов и т.д.
Так что – берите свою размерность, выполните элементарные действия, и приблизительно получите свой диапазон безопасных оборотов. Но это так, приблизительно…
А в целом, вывод понятен. Мотору вредны как низкооборотные режимы с тяжелыми нагрузками, так и экстремальные обороты. Александр Шабанов

Изначально новые вкладыши отработали на низких оборотах с большой нагрузкой. Износы не замедлили проявиться.

Весы точно покажут, какая часть вкладыша «ушла» в масло

Кольца также жестко контролируются по массе

Влияние дорожных условий на износ деталей ЦПГ

ИЗНОС ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗНОСА

Но сначала, что бы было понятно о чем будем говорить, посмотрим на детали ЦПГ (рисунок ниже) :

И что бы далее понимать друг друга, давайте определимся с некоторыми понятиями, терминами и определениями.

Работа двигателя складывается из совокупности процессов, протекающих в цилиндрах двигателя с определённой последовательностью. Эти процессы называют рабочим циклом. Рабочий цикл четырёхтактного двигателя осуществляется за два оборота коленчатого вала и состоит из тактов впуска, сжатия, рабочего хода (расширения) и выпуска.

Поршень, движущийся в цилиндре, проходит расстояние равное расстоянию между верхней и нижней мёртвыми точками.

Это расстояние называется ходом поршня . Двигатели, у которых ход поршня меньше его диаметра, носят название «короткоходных». За один ход поршня кривошип коленчатого вала проходит расстояние равное двум его радиусам, т.е. совершает полуоборот (180°)

Объем цилиндра , заключённый между крайними положениями поршня в цилиндре (между мёртвыми точками) называют рабочим объёмом цилиндра (Vр). Сумма рабочих объёмов всех цилиндров двигателя, равняется рабочему объёму двигателя, называемому иначе как «литражом двигателя».

Сумма рабочего объёма цилиндра (Vр) и объёма камеры сгорания (Vксг) равняется полному объёму (Vп).

Литраж двигателя (рабочий объём) указывается в технической характеристике автомобиля.

Чем больше литраж двигателя, тем выше его мощность и удельный расход топлива.

Камерой сгорания называют объём цилиндра над поршнем, при положении поршня в верхней мёртвой точке. Топливно-воздушная смесь в цилиндре сжимается поршнем как раз до этого объёма и сгорает в этом объёме после воспламенения. Отношение объёма смеси, поступившей в цилиндр на такте впуска, к объёму смеси, сжатой до объёма камеры сгорания при такте сжатия, называют степенью сжатия двигателя. Степень сжатия показывает, во сколько раз в цилиндре сжимается смесь и определяется по формуле n = Vп/Vксг.

Степень сжатия бензиновых двигателей лежит в пределах 8 – 12, дизельных – в среднем 18 – 22. От степени сжатия зависит топливная экономичность и мощностные характеристики двигателя. Степени сжатия двигателей ограничиваются, у бензиновых двигателей – свойством применяемого топлива (бензина), у дизельных – конструктивными особенностями применяемых материалов, из которых изготавливаются детали двигателя и которые с повышением степени сжатия должны выдерживать большие нагрузки. Свойства бензинов описываются октановым числом бензина, характеризующим его антидетонационную стойкость. Антидетонационная стойкость топлива тем выше, чем больше его октановое число (А –80, 93, 95, 98 и др.). Конструкция двигателя предполагает применение бензина со строго заданным октановым числом (регламентируется заводом изготовителем). Применение бензина с меньшим октановым числом приведёт к работе двигателя с детонацией и, как следствие, к преждевременному износу, или поломке двигателя. Высокооктановые бензины при сгорании выделяют больше тепла.

Детонационное сгорание рабочей смеси (детонация) предполагает нехарактерно быстрое сгорание (взрыв) топливно-воздушной смеси в цилиндре двигателя, приводящее к повышению нагрузок, в первую очередь на детали цилиндропоршневой группы. Скорость распространения фронта пламени, сгорающего в цилиндре топлива, может возрастать с 40 м/сек. до 2000 м/сек. и более. Признаком работы двигателя с детонацией являются характерные и хорошо прослушиваемые стуки, получившие название детонационных стуков. Детонационные стуки возникают вследствие вибрации стенок цилиндра и других деталей ЦПГ под воздействием «ударной волны». Причиной детонации может быть:

применение топлива с октановым числом ниже рекомендованного инструкцией производителя перегрев двигателя , перегрузка двигателя по оборотам или крутящему моменту чрезмерно раннее зажигание, а также та или иная совокупность перечисленных явлений.

Работа двигателя с детонацией может сопровождаться перегревом двигателя, падением его мощности и высоким расходом топлива.

Следствием работы двигателя с детонацией могут быть поломки перемычек между кольцами на поршнях, поломки самих колец, оплавление кромки и/или прогорание днища поршня.

Калильное зажигание – самопроизвольное и несвоевременное воспламенения смеси от сильно нагретых деталей двигателя (юбки свечи, кромки поршня, кромки клапана, тлеющего нагара и т.п.).

Причиной появления калильного зажигания может быть: повышенное нагароотложение на днищах поршней несоответствие свечей зажигания данному типу двигателя

На работающем двигателе, при движении поршня к нижней мёртвой точке силы, действующие на поршень, прижимают его к правой стенке цилиндра, а при движении к верхней мёртвой точке, к левой. При переходе поршня через мёртвые точки происходит изменение опоры поршня (перекладка поршня) с одной стенки цилиндра на другую.

Изменение направления действия сил в цилиндре приводит к неравномерному износу цилиндр а (под овал и под конус с образованием износного уступа в верхней части цилиндра).

Давление, создаваемое поршнем в цилиндре в конце такта сжатия называется компрессией .

Величина компрессии зависит от: степени сжатия двигателя состояния деталей цилиндропоршневой группы и клапанов.

Измеряя компрессию в цилиндрах двигателя, мы только косвенно можем судить о степени изношенности соответствующих деталей или об их неисправности.

Это моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в углах поворота коленчатого вала относительно мёртвых точек.

Как видите, существует достаточно много нюансов, из-за которых может происходить износ ЦПГ и снижаться свойства работы камеры сгорания и, значит, свойства двигателя в целом.

Он перестает «работать нормально», как обычно говорят.

О способах проверки износа ЦПГ говорилось уже много, но это не значит, что сказано уже всё и говорить больше не о чем.

Говорить о чем есть.

Например, о «степени сжатия».

Одни говорят, другие повторяют, что «степень сжатия двигателя не меняется на протяжении всей эксплуатации двигателя».

Неправильно . Меняется. Пусть по-разному, больше или меньше, но меняется.

Например, от величины нагара в камере сгорания и на клапанах.

И после пробега автомобиля в сто или двести тысяч километров, после эксплуатации и обслуживании автомобиля «по-русски», степень сжатия будет отличаться от той, которая была вначале, когда автомобиль сошел с конвейера.

И если уж мы заговорили о нагаре, то надо обязательно упомянуть о другой его отрицательной стороне – уменьшении теплоотвода в стенки.

По этой причине температура топливо-воздушной смеси и давление в конце такта сжатия повышается, что может провоцировать возникновение детонации.

Косвенно наличие нагара в камере сгорания можно определить при помощи т.н. «калильного теста».

Это когда отключаем катушку зажигания (и не забываем про обязательные условия безопасного отключения) и запускаем двигатель.

Если завелся или сделал попытки завестись, то можно предположить о наличии нагара в камере сгорания.

Более точную проверку по нагару можно провести при помощи автомобильного эндоскопа, например, такого: http://www.autodata.ru/autodata.ru/endoscope.pdf. Или других, коих существует великое множество.

На этом рынке приборов цена = качеству и возможностям устройства.

Состояние цилиндро-поршневой группы обычно проверяют при помощи компрессометра.

Однако эта проверка является весьма относительной, так как на её показания влияют разного рода причины, например:

– насколько сильно она может «раскрутить» двигатель при проведении теста

– разряженная или «полумертвая» батарея не даст возможность провести тест правильно

Невозможность установления точной причины пониженной или увеличенной компрессии: если компрессию измерить на холодном и горячем двигателе, то её величина будет разной. На «холодном» двигателе – меньше, на «горячем» больше. И причина здесь не только в величине сжатия холодного или горячего воздуха поступающего в цилиндры, а и в клапанах, имеющих разный коэффициент расширения при разных температурах.

Состояние дроссельной заслонки: при открытой или закрытой показания будут разными.

Состояние «обратного» клапана самого компрессометра: если он «пропускает», то показания будут неверными.

Нельзя провести тест, если стартер неисправен или двигатель снят с автомобиля для ремонта.

Нельзя определить состояние деталей группы поршня: поршень, поршневые кольца (компрессионные и масляные), стопорные кольца и заглушки. Эти детали определяют герметичность рабочей полости.

Кроме того, неточные показания компрессометра могут быть вызваны не только износом гильз цилиндров, поршней, компрессионных колец, но и другими причинами:

нарушение тепловых зазоров в клапанном механизме износ направляющих втулок клапанов

прогорание клапана или поршня негерметичность впускных и выпускных клапанов дефекты прокладки ГБЦ закоксовывание поршневых колец или их физическое разрушение

И не стоит забывать, что при проведении теста при помощи компрессометра, надо опираться не на «количественные» показания прибора ( цифры на шкале ), а обращать внимание на разность показаний между цилиндрами и выводы делать только из этих данных.

Что бы избежать таких погрешностей измерения и более точно определить состояние цилиндро-поршневой группы, применяется пневмотестер – « индикатор утечек в надпоршневом пространстве » .

Надо сразу отметить, что пневмотестер не заменяет компрессометр , это совершенно другой прибор с другими целями и задачами.

Устройство и принцип работы замечательно простой:

два манометра соединенных между собой через каллибровочное отверстие (стрелка на фото вверху) регулятор давления на входе соединительные шланги

При проведении измерений надо обращать внимание на инструкцию в прибору: каждый производитель делает свое каллибровочное отверстие и полученные данные необходимо интерпретировать через инструкцию к устройству.

Далее и обязательно:

прогреваем двигатель до рабочей температуры фиксируем коленчатый вал от проворачивания выставляем поршень проверяемого цилиндра в ВМТ в конце такта сжатия

Читайте также:  Влияние режимов работы двигателя на износ деталей ЦПГ

Если показания двух манометров одинаковые – утечек нет.

Если разные – есть.

По разности давлений (показаний прибора), можно судить о состоянии ЦПГ.

Можно косвенно определить состояние ЦПГ по звуку, назовем это – «по шипению», что будет означать утечку в том или ином месте, к примеру, если мы слышим звук из: клапанной крышки: неплотное прилегание поршневых колец, прорыв газов в картер выхлопной трубы: негерметичность выпускного клапана пузыри в расширительном бачке охлаждающей жидкости: прокладка ГБЦ перетекание воздуха в соседний цилиндр – прокладка между цилиндрами

Вот так или приблизительно так звучал ответ на вопрос по износу ЦПГ и способах его проверки на курсах обучения автомобильной Диагностике преподавателем Козырой Андреем Николаевичем .

Информационный отдел компании BrainStorm

Влияние дорожных условий на износ деталей ЦПГ

Дорожные условия работы автомобиля характеризуются типом и состоянием дорожного покрытия, величиной и продолжительностью дорожных уклонов, интенсивностью прямого и встречного движения и степенью запыленности воздуха. В зависимости от дорожных условий в широких пределах изменяются число оборотов коленчатого вала, а также степень использования мощности-и крутящего момента двигателя. Дорожные условия влияют также на нагрузочные режимы агрегатов силовой передачи, ходовой части и упругих элементов подвески автомобиля.

Экспериментальные исследования показали, что на грунтовых дорогах, находящихся в хорошем состоянии, средние технические скорости автомобиля меньше в 1,3—1,4 раза, чем на дорогах с усовершенствованным покрытием, а на дорогах с твердым изношенным покрытием средние технические скорости уменьшаются более чем в 2 раза. При движении автомобиля по плохим дорогам увеличиваются амплитуды скоростей и число оборотов коленчатого вала (по отношению к среднему значению). Движение приобретает импульсный характер. Величина средней технической скорости в условиях движения по плохим дорогам ограничивается не динамическими качествами автомобиля, а толчками и колебаниями, которые передаются через рессоры кузову, и устойчивостью автомобиля. Исследования Н. Я. Говорущенко показали, что основное влияние ка относительные перемещения кузова и колес автомобиля оказывает высота неровностей. Изменение формы неровностей оказывает меньшее влияние.

При ухудшении дорожных условий увеличиваются число оборотов коленчатого вала на единицу пути, расход топлива и число включений сцепления, тормозов и передач. Аналогично на

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

работу двигателя влияет и увеличение веса прицепной нагрузки.

Исследования влияния режима работы на износ двигателя ГАЗ -51 показали, что при увеличении числа оборотов коленчатого вала (при Ре = const) и повышении нагрузки (при n = const) абсолютный износ двигателя увеличивается, причем в первом случае эта зависимость степенная, а во втором — линейная.

При увеличении скорости вращения коленчатого вала от 800 до 1600 об!мин интенсивность изнашивания двигателя уменьшается, так как при этом увеличиваются скорость поршня, подача масла к трущимся поверхностям, вследствие чего граничное трение переходит в жидкостное. При дальнейшем увеличении вала интенсивность изнашивания температурного режима числа оборотов коленчатого увеличивается вследствие повышения двигателя и ухудшения условий смазки. Следовательно, для данного двигателя существует число оборотов (1600—1700), при котором интенсивность изнашивания его минимальная. Оптимальное число оборотов зависит также от качества применяемых топлива и масла.

Очевидно, пользование такими скоростями должно иметь ограниченное применение. В ряде случаев некоторое увеличение скорости движения может дать такое повышение производительности автомобиля, при котором изнашивание двигателя на единицу работы будет меньше, чем при оптимальной скорости. Однако ценность этого исследования состоит в том, что оно устанавливает связи между скоростью движения и интегральным изнашиванием двигателя.

При увеличении среднего эффективного давления интенсивность изнашивания двигателя возрастает вследствие ухудшения условий смазки трущихся поверхностей и увеличения работы сил трения. Опытами, проведенными на Ярославском моторном заводе, установлено, что длительная работа двигателей ЯАЗ -204 при максимальной подаче топлива и при 1200 об/мин коленчатого вала приводит к увеличению износа поршневых колец в 4—8 раз и гильз цилиндров в 10 раз по сравнению с работой двигателя при максимальной мощности и 2000 об/мин коленчатого вала

Такое интенсивное изнашивание двигателей обусловливается резким снижением несущей способности масляной пленки между поршнем и стенкой цилиндра в результате уменьшения скорости движения поршня.

При резком изменении числа оборотов коленчатого вала карбюраторного двигателя также нарушается процесс смесеобразования и интенсивно образуется жидкая топливная пленка на внутренних стенках всасывающей системы. Если при установившемся режиме количество топливной пленки не превышает 1—2% от общего количества подаваемого топлива, то при определенных режимах количество ее может достигать 15—20%. При перемещении этой пленки от карбюратора к цилиндрам (скорость 0,2—1,0 м1сек) часть ее испаряется, а неиспарившая-ся часть поступает в цилиндры, смывает смазку с их зеркала и разжижает масло в картере двигателя, что приводит к повышенному износу цилиндров, поршневых колец и других деталей..

На рис. 2 показан график зависимости фракционного состава автомобильного бензина и топливной пленки от температуры конца разгонки бензина. Как следует из графика, в топливной пленке отсутствуют легкие фракции, поэтому значительная часть ее поступает в картер двигателя в жидкой фазе. На процесс образования топливной пленки при неустановившихся режимах работы двигателя большое влияние оказывает температура всасывающего трубопровода, работа на переобогащенных смесях и температура конца разгонки бензина.

По результатам экспериментальных испытаний был получен следующий износ двигателя в зависимости от состава смеси и качества топлива: если принять износ двигателя на экономичном составе смеси (а = 1,15) за единицу, то при работе на мощностном составе смеси (а = 0,8) и на облегченном бензине износ составит 1,3, а на утяжеленном бензине— 1,8. Изменение износа двигателя в зависимости от состава смеси имеет такую же закономерность, как и изменение количества топливной пленки в цилиндрах (рис. 3).

Распыливание жидкой пленки можно осуществлять специальным пленкораспылителем, устанавливаемым во всасывающую систему.

При неустановившихся режимах работы двигателя интенсивность его изнашивания увеличивается также вследствие ударного приложения нагрузок, нестабильного теплового режима и режима смазки трущихся поверхностей. Сравнительные стендовые испытания двигателей ГАЗ -51 и ЗИЛ -120, проведенные в НИИАТ , показали, что при переменном режиме изнашивание двигателя ГАЗ -51 оказалось в 1,7, а двигателя ЗИЛ -120 —в 1,8 раза больше, чем при сопоставимом установившемся режиме. Дорожные исследования автомобилей при вождении их способом разгон — накат показали, что интенсивность изнашивания этом случае у двигателей ГАЗ -51 увеличивается на 28%, а у ЗИЛ -150—-на 42%, чем при вождении с установившейся скоростью.

Следовательно, повышенный износ двигателя при работе на плохих дорогах обусловливается переменным режимом его работы, при котором изменяются условия смазки трущихся поверхностей и тепловой режим, происходит интенсивное образование топливной пленки во всасывающей системе, разжижение смазки и другие явления.

“При использовании автомобилей на сухих грунтовых или на твердых дорогах с быстроизнашивающимся дорожным покрытием происходит интенсивное изнашивание деталей цилиндро-порш-невой группы, колец двигателя, а также пальцев и втулок рессор, шкворней поворотных цапф и других деталей в результате попадания пыли на трущиеся поверхности деталей вместе с воздухом, топливом или маслом.

На рис. 4 показан график зависимости износа верхней части гильз цилиндров от размера частиц пыли и степени запыленности воздуха, поступающего в цилиндры. Как видно из графика, при увеличении размеров частиц пыли до 10—15 мк износ гильзы при запыленности воздуха 4 мг/м3 увеличивается более чем в 3 раза по сравнению с износом при технически чистом воздухе, а при увеличении размеров частиц до 20—30 мк — на 18%. Очевидно, значительная часть крупных частиц пыли выбрасывается вместе с отработавшими газами.

Наиболее агрессивным компонентом пыли является кварц, частицы которого обладают высокой твердостью (порядка 1100— 1200 кг/см2).

Загрязнение масла, циркулирующего в системе смазки, абразивными частицами вызывает также ускоренный износ шеек коленчатого вала и подшипников, распределительного вала, толкателей и других деталей. При работе двигателя в условиях запыленного воздуха увеличение зазора в подшипниках происходит в 9—10 раз быстрее, чем в условиях чистого воздуха.

Современные воздухоочистители автомобилей при надлежащем уходе за ними задерживают 98—99% пыли, содержащейся в воздухе. Таким образом, только 1—2% пыли поступает с воздухом в цилиндры двигателя. При плохом уходе (загрязнены фильтрующие сетки, недостаточный уровень масла в поддоне воздухоочистителя или очень вязкое масло) воздухоочиститель задерживает 80—85% пыли.

Исследованиями установлено, что только 1/6 часть пыли, попавшей в цилиндры, выбрасывается при выхлопе, а остальная часть задерживается в двигателе. Один грамм пыли, попавшей в цилиндр, может вызвать увеличение его диаметра в верхнем поясе до 10 мк.

Дорожные условия работы автомобиля оказывают большое влияние на срок службы упругих элементов подвески. Исследования показали, что усталостная прочность рессор зависит от пределов изменения напряжений в листах рессор при движении автомобиля по неровной дороге. Повышение амплитуды напряжений сверх определенной критической величины резко сокращает срок службы рессор. При возрастании амплитуды напряжений в два раза (с ±15 кг!мм2 До ±30 кг!мм2) срок службы рессор грузовых автомобилей по количеству циклов сокращается с 275 до 58 тыс., или почти в 5,6 раза; при изменении прогиба рессоры от нуля до максимума срок службы ее меняется обратно пропорционально величине максимального напряжения приблизительно в девятой степени.

На рис. 5 показаны кривые распределения вертикальных динамических нагрузок в задней рессоре автомобилей ЗИЛ -164А и ЗИЛ -130.

Как следует из кривых, распределение вертикальных нагрузок в рессоре близкое к нормальному распределению. Критерии согласия Пирсона Р(Х2) для всех случаев имеют величину более 0,5. Величина этих нагрузок зависит от дорожного покрытия, скорости движения и веса груза в кузове. При увеличении неровностей динамические нагрузки резко возрастают, а срок службы рессор уменьшается. Величина динамических нагрузок и деформации рессор в большей степени зависят от жесткости рессор и сопротивления амортизатора. Поэтому правильный выбор соотношения этих параметров имеет важное значение при проектировании подвески автомобиля.

Кроме вертикальной нагрузки, листовые рессоры подвергаются действию боковой и скручивающей нагрузок, воспринимаемых ушками и первыми листами рессор. В случае движения автомобиля с поперечными колебаниями кузова вокруг продольной оси (езда по колее разной глубины, по разбитому булыжному шоссе и др.) и при поворотах автомобиля боковые и скручивающие нагрузки в рессорах, установленных на пальцах, Достигают большой величины, что и является причиной разрушения коренных листов около ушек.

Основными эксплуатационными мероприятиями, обеспечивающими повышение срока службы рессор, являются: соблюдение установленных норм нагрузки автомобиля и равномерное распределение груза в кузове; уменьшение сил межлистового трения рессор, которое зависит от чистоты листов, регулярной их смазки, правильной затяжки хомутиков и стремянок; предохранение листов от коррозии установкой защитных чехлов или покраской. Большое влияние на долговечность рессор оказывает правильное действие амортизаторов (оптимальное значение относительного коэффициента затухания).

Коррозия листов рессор или пружин независимой подвески значительно уменьшает их усталостную выносливость. Это объясняется тем, что в результате знакопеременных деформаций листов рессор образующиеся на их поверхности окислы непрерывно удаляются, обнажая слон металла, которые снова корродируют. Следовательно, процесс коррозии рессор имеет циклический характер.

Характер дороги также оказывает большое влияние на режим работы механизмов силовой передачи автомобиля. При движении автомобиля по тяжелым дорогам увеличивается путь, проходимый на пониженных передачах, а также резко увеличивается число включений сцепления и коробки передач, что влияет на надежность и долговечность этих механизмов.

Характер изменения интенсивности износа для различных нагрузочных режимов имеет общую закономерность. На рис. 6 показана зависимость интенсивности износа шестерни главной передачи автомобиля ГАЗ -51 при движении по дороге с асфальтобетонным покрытием.

Если при движении автомобиля по дороге с асфальтобетонным покрытием интенсивность износа принять за единицу, то при движении по дороге с булыжным покрытием она равна 2,41 и по грунтовой дороге — 1,98. Соответственно при движении с прицепом — 1,62; 3,84 и 2,98.

В особых случаях движения коэффициент динамичности, т. е. отношение максимального крутящего момента на карданном валу к максимальному крутящему моменту двигателя для автомобиля ЗИЛ -585 (на I передаче) может составлять более 3,0; для автомобиля МАЗ -200Г (на II передаче)—2,5 и на пря-пой передаче — 4,4; для автомобиля ГАЗ -51 — от 3,0 (на II передаче) до 3,7 (на IV передаче).

Такое увеличение крутящего момента вызывает высокие контактные давления на поверхностях деталей и разрушение шестерен коробок передач и главных передач, крестовин и подшипников карданных валов, полуосей, шпилек фланцев полуосей и других деталей.

По данным Горьковского автомобильного завода, при испытании па статическую прочность задних мостов автомобиля ГАЗ -51 поломки отдельных деталей происходят при крутящем моменте, превышающем максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем, в 3,5—4 раза.

Исследования режима работы ведущих мостов автомобиля ЗИЛ -151 показали, что при движении в условиях бездорожья динамическое воздействие неровностей дороги на напряженное состояние балки моста может быть оценено коэффициентом, равным 4,2, в то время как при движении по булыжному шоссе динамический коэффициент равен 2,0 и по асфальту — 1,7.

Дорожные условия оказывают большое влияние и на нагрузки, воспринимаемые подшипниками задних колес. При движении автомобиля ЗИЛ -110 по асфальтированному шоссе со скоростью 38 км/ч на подшипниках заднего колеса кратковременно действует нагрузка, превышающая статическую в 1,9 раза, а при движении его по проселочной дороге со скоростью 12 км/ч 8,0% от общего времени движения действует нагрузка, превышающая статическую в 4—5 раз.

Для цилиндрических шестерен коробок передач, роликоподшипников и цилиндрических шестерен редуктора заднего моста т = 6; для зубьев конических шестерен главной передачи т=7; Для шарикоподшипников т.—10.

Между напряжениями и вызывающей их нагрузкой существует также степенная зависимость. В шариковых подшипниках напряжение пропорционально кубическому корню из приложенной нагрузки (или из действующего на валу момента); в роликовых подшипниках и шестернях оно пропорционально квадратному корню из приложенной нагрузки. Поэтому срок службы этих деталей (по числу циклов до разрушения) в зависимости от приложенной нагрузки Р можно выразить уравнением

Следовательно, при увеличении нагрузки на цилиндрические шестерни и роликоподшипники в 2 раза их срок службы сокращается в 8 раз; при двукратном увеличении нагрузки на шариковый подшипник его срок службы сокращается в 10 раз, а конических шестерен главной передачи — в 12,25 раза.

Экспериментальными исследованиями, проведенными в Киевском автодорожном институте, установлено, что ресурс редукторов задних мостов и коробок передач хорошо апроксимируется распределением Вейбулла.

При расчете деталей на выносливость задаются величиной фактических нагрузок, возникающих в трансмиссии автомобиля, длительностью действия этих нагрузок и их повторяемостью. Характер действия нагрузки учитывается коэффициентом динамичности.

В условиях эксплуатации действительная долговечность подшипника будет ниже расчетной, так как на срок его службы окажет влияние ряд дополнительных факторов, которые не учитываются при расчете: загрязнение смазки продуктами износа, перекосы, вызываемые действующими нагрузками, монтажные деформации и др.

Читайте также:  Двухконтурные тормозные приводы

В зависимости от дорожных условий, особенно от ровности дорожного покрытия, изменяются ресурс автомобиля, средняя техническая скорость и производительность, что оказывает весьма существенное влияние на себестоимость перевозок.

Для уменьшения влияния дорожных условий на износ автомобиля необходимо выбирать и поддерживать постоянные оптимальные скорости движения, тщательно следить за своевременной и качественной смазкой деталей механизмов и агрегатов, не допускать перегрузок автомобиля сверх установленной нормы и длительной работы с буксованием, принимать эффективные меры по защите двигателя от пыли, соблюдать оптимальный тепловой режим двигателя и режим подогрева горючей смеси; при работе на плохих дорогах не применять топливо с высокой температурой конца разгонки, а также обогащенного состава горючей смеси.

Износ деталей цилиндро-поршневой группы

Износ деталей цилиндро-поршневой группы зависит от целого ряда факторов.

Цилиндры (гильзы) изнашиваются в основном в результате трения поршневых колец, действия абразивных частиц о поверхности цилиндров и коррозии.

В процессе сгорания топлива в цилиндре резко повышаются температура и давление газов. Газы проникают за поршневые кольца и прижимают их к зеркалу цилиндра, вследствие чего повышается удельное давление колец на поверхность цилиндра.

Возрастание удельного давления поршневых колец на стенку цилиндров приводит к резкому увеличению силы трения во время движения колец, выдавливанию масляного слоя из-под них, вследствие чего между кольцами и цилиндром возникает граничное трение.

Образование граничного трения между первым поршневым кольцом и цилиндром способствует также неплотное прилегание кольца к поверхности цилиндра по окружности. Даже при незначительном просвете между ними масляная пленка с поверхности цилиндра сдувается газами, проникающими через эти неплотности, в результате чего между поверхностями кольца и цилиндра возникает граничное трение. Кроме того, при высоких температурах вязкость масла резко снижается, что влечет за собой уменьшение прочности масляной пленки, и она местами разрывается.

Исследования влияния вязкости масла на износ цилиндров и механические потери в тракторных и автомобильных двигателях показали, что износ, вызванный электростатическими явлениями при трении, может составлять заметную часть общего износа. С понижением вязкости электростатическая прочность тонких масляных пленок уменьшается.

Помимо физико-механических факторов (температура и давление), на изнашивание цилиндров оказывает большое влияние химическое воздействие продуктов сгорания.

В процессе сгорания топлива получается целый ряд кислот и других химических соединений (кислород, углекислый газ, пары воды, муравьиная, уксусная, угольная, серная и азотная кислоты), которые вызывают усиленную коррозию металла цилиндра в обнаженных от масла местах.

На интенсивность изнашивания цилиндров под химическим воздействием агрессивных веществ большое влияние оказывает температурный режим двигателя.

Исследования показывают, что износ цилиндров повышается при температуре стенки цилиндра ниже 90 цельсий. Увеличение износа поверхности цилиндров при температуре, меньше указанной, объясняется тем, что при более низких температурах на стенках цилиндров конденсируются водяные пары и с продуктами сгорания образуют кислоты, под воздействием которых повышается коррозийный износ рабочей поверхности цилиндров.

О влиянии температуры на изнашивание свидетельствует разница износе отдельных цилиндров одного и того же двигателя. В одном и том же блоке цилиндры, ближе расположенные к вентилятору, изнашиваются больше.

Снижение скорости поршня до нуля в момент перехода через в. м.т. способствует разрушению масляной пленки и повышению темпа изнашивания, что служит одним из факторов, ухудшающих условия работы колец.

Следовательно, наибольшему износу детали подвержены в верхней части цилиндра, в зоне высоких давлений и температур, высокой концентрации химически активных соединений и ухудшенных условий смазки. Таким образом, цилиндры автотракторных двигателей неравномерно изнашиваются по длине, но они неравномерно изнашиваются и по окружности. Цилиндры автомобильных и гильзы тракторных двигателей в работе деформируются, вследствие чего нарушается их форма. Цилиндры деформируются в результате разностенности, неправильной затяжки болтов крепления головки блока, неравномерного нагрева цилиндра, недостаточной жесткости верхней стенки блока.

Износ цилиндра по окружности зависит также от перекоса поршня при движении в цилиндре, в плоскости качания шатуна, вследствие чего наблюдается скребущее действие кромок поршневых колец.

Износ цилиндров и шатунных шеек коленчатого вала в значительной мере зависит от изгибов шатуна и коленчатого вала, а также от перекосов в шатунно-поршневой группе. В этих случаях поршень работает в цилиндре с перекосом. Расположение большей оси овала цилиндров в плоскости продольной оси коленчатого вала свидетельствует об изгибе шатуна, нежесткости коленчатого вала или перекосе, полученном при сборке шатуна с поршнем.

Поршневые кольца изнашиваются по наружному диаметру в результате трения о поверхность цилиндра и по высоте вследствие трения о торцы канавок поршней. Одновременно изнашиваются торцовые поверхности канавок поршня.

Наиболее быстро изнашиваются первое поршневое кольцо и первая канавка поршня, так как это сочленение работает в наиболее тяжелых температурных, абразивных и нагрузочных условиях при недостатке смазки. Кольца обычно изнашиваются в несколько раз быстрее канавок, и зазор между ними увеличивается главным образом вследствие износа кольца. Поршневые кольца во время работы теряют свою упругость в результате износа их по толщине и высоте, а также от воздействия высоких температур, вследствие чего происходит релаксация внутренних напряжений.

По мере износа цилиндра и наружной поверхности поршневых колец резко увеличивается зазор в стыке.

У канавок поршня больше изнашивается нижний торец, так как эта поверхность подвергается большему давлению колец. Кроме того, поршневые кольца почти всегда (исключая такт всасывания) прилегают к этой поверхности.

После смены изношенного поршневого кольца новое кольцо и канавка поршня изнашиваются значительно быстрее новых пар. Это объясняется тем, что форма канавок не соответствует форме кольца, последнее прилегает к торцу канавки не по всей поверхности, в результате чего резко увеличивается удельное давление кольца на поверхность канавки. Кроме того, кольцо недостаточно плотно прилегает к изношенной и искаженной поверхности цилиндра. При этом удельное давление на кольцо и цилиндр распределяется неравномерно. Все это приводит к быстрому износу новых колец, работающих в изношенных цилиндрах.

Износ деталей цилиндро-поршневой группы зависит также от работы и состояния системы очистки воздуха. При недостаточной очистке воздуха в цилиндр попадают абразивные частицы, которые значительно усиливают износ деталей цилиндро-поршневой группы. Масла, имеющие абразивные примеси, низкую вязкость и химически активные вещества, также усиливают износ деталей цилиндро-поршневой группы.

В результате износа цилиндров, поршневых колец и канавок поршня снижается компрессия при запуске и на малой частоте вращения двигателя, так как при недостаточной плотности прилегания компрессионных колец к цилиндрам и канавкам поршня значительная часть заряда прорывается через неплотности при медленном вращении коленчатого вала.

При падении компрессии особенно сильно затрудняется пуск дизеля в холодное время, ввиду того что в конце сжатия не достигается температура воздуха, достаточная для самовоспламенения топлива.

Износ цилиндров, канавок поршня, колец по высоте и диаметру приводит к увеличению зазоров, через которые перекачивается масло в камеру сгорания.

Расход картерной смазки в процентах к израсходованному топливу зависит также от размера зазора между гильзой цилиндра и поршнем и овальности гильзы двигателя.

Перерасход масла приводит к образованию нагара на поршнях и камерах сгорания, ухудшению теплоотдачи, образованию абразивной грязи и усилению износа деталей цилиндро-поршневой группы двигателя. При износе деталей цилиндро-поршневой группы резко увеличивается количество газов, проникающих из камеры сгорания в картер.

Прорыв газов в картер приводит к повышению давления в нем, в результате чего масло частично выжимается через неплотности соединений наружу. Это приводит к частичному снижению мощности двигателя и вызывает разжижение, загрязнение и ухудшение химико-физических свойств масла.

Внешний признак прорыва газов в картер и повышение давления в нем — появление светлого газа из сапуна.

Отверстия в бобышках поршня, поршневые пальцы и втулки верхней головки шатунов изнашиваются в результате работы сил трения при изменении направления движения поршня.

Основным внешним признаком износа этих деталей служит появление стуков, носящих резкий, металлический характер и хорошо прослушиваемых в верхней части цилиндра при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Бобышки поршня, поршневой палец и втулка верхней головки шатуна двигателя изнашиваются менее интенсивно, чем цилиндры, поршневые кольца и канавки поршня.

Если двигатель выходит из строя в результате только износа поршневых пальцев, бобышек поршня и втулок шатунов, это указывает на то, что во время ремонта не были обеспечены надлежащее качество обработки поверхностей и требуемые значения зазоров и натягов в соединениях этих деталей или был допущен перекос деталей при их сборке.

Влияние условий эксплуатации на износ и долговечность машин

В процессе эксплуатации тракторов и автомобилей их техническое состояние непрерывно изменяется.

Основные причины ухудшения технического состояния автомобилей — это нарушение начальных регулировок, ослабление креплений в соединениях и изменение зазоров и натягов в сопряжениях в результате износа деталей.

Правильная и своевременная регулировка механизмов машины исключительно важна.

Так, уменьшение угла опережения впрыска топлива на 2° или увеличение его на 5. 6 против нормального для дизельного двигателя снижает мощность на 2,2 кВт и увеличивает расход топлива на 27 г/кВт-ч.

Своевременная и правильная регулировка зазора в клапанах предупреждает снижение мощности на 1,5. 3 кВт и перерасход топлива на 19. 22 г/кВт-ч.

Нарушение зазоров между подшипниками и шейками коленчатого вала двигателя, зубьями конических шестерен, осевого зазора в конических и радиального в шариковых и роликовых подшипниках, а также нарушение (увеличен) зазоров в гладких сопряжениях (детали шатунно-поршневой группы, плунжерные пары, пальцы звеньев гусеницы и др.) приводят к падению полезной мощности, перерасходу топлива и к снижению коэффициента полного действия трактора или автомобиля.

Ослабление крепления соединений вызывает дополнительную вибрации: динамические нагрузки на детали, а также нарушение соосности между отдельными агрегатами. Например, нарушение соосности в тракторах между коленчатым валом двигателя и первичным валом коробки передач, валом заднего моста и ведущими шестернями сопровождается повышенным нагревом и быстрым разрушением деталей этих сопряжений.

Условия, значительно влияющие на износ деталей и узлов автомобиля — это температура окружающего воздуха, качество применяемого топлива и смазочных материалов, состав почвы, равномерность нагрузки в процессе работы, своевременность и качество выполнения технического обслуживания и эксплуатационных ремонтов.

Запуск не прогретого двигателя и работа при пониженной температуре увеличивают износ всех сопряжений в несколько раз. Поэтому двигатели перед запуском необходимо прогревать, а полную нагрузку можно давать только после прогрева на газу до нормальной температур.

В холодное время года необходимо применять топливо и смазочные материалы пониженной вязкости и с соответствующими присадками, рекомендуемыми техническими условиями.

Применение топлива и смазочных материалов, не соответствующих усмотренными техническими условиями для трактора данной марки, или нарушение температурного режима неизбежно вызывают повышенный износ деталей. Так, работа двигателя при пониженной температуре влечет за собой износ деталей шатунно-поршневой группы, в десятки раз большие, чем при работе в нормальных условиях. Износ деталей двигателя при работе на топливе с содержанием серы до 0,8% и температуре охлаждающей жидкости 35°С в 4 ; выше, чем при работе на этом же топливе, но при температуре охлаждающей жидкости 70°С .

Чтобы избежать повышения износа деталей, применяют топливо с соответствующими присадками, а двигатель утепляют различными устройствами Исключительно важно предъявлять высокие требования к чистоте топлива и смазочных материалов, т. е. освобождать их от механических примесей которые повышают износ деталей в несколько раз.

Износ деталей машин, особенно ходовой части автомобилей, при работе на песчаных почвах с большим содержанием кварцевых частиц в несколько раз выше, чем на черноземах.

Запыленность окружающего воздуха также вызывает ускоренный и поршневой группы двигателя и других деталей. Поэтому в местах с повышенной запыленностью необходимо особенно тщательно следить за исправное воздухоочистителя, фильтров, сальников и других уплотнений.

Частые перегрузки автомобиля при работе видный износ и усталостное разрушение.

Частая разборка и сборка сопряжении без необходимости и обезличивание деталей при технических обслуживания и текущих ремонтах также повышают износ и снижают долговечность узлов и агрегатов машин.

Влияние износа деталей цилиндропоршневой группы дизеля на температурное состояние поршня Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Жуков Владимир Анатольевич, Мельник Олеся Владимировна, Тузов Леонид Васильевич

Форсирование судовых двигателей внутреннего сгорания по среднему эффективному давлению сопровождается ростом максимального давления цикла, повышением теплонапряженности деталей цилиндропоршневой группы и интенсификацией их изнашивания. Износ деталей цилиндропоршневой группы приводит к увеличению зазора между поршнем и зеркалом цилиндра. Следствием увеличения зазора являются снижение теплоотвода от поршня к стенкам цилиндра и возрастание прорыва газов, имеющих высокую температуру, из камеры сгорания в зазор. Критическое повышение температуры поршня может привести к его разрушению и выходу двигателя из строя. В статье представлены наиболее характерные виды разрушений поршня. Целью проведенных исследований являлась оценка влияния двух указанных факторов на температурное состояние поршня . Расчет процессов теплообмена в кольцевом канале, выполненный с использованием дифференциальных уравнений энергии и неразрывности, а также критериальных уравнений течения жидкости в плоских каналах, позволил определить температуру газов и боковой поверхности поршня при различных значениях зазора между поршнем и цилиндровой втулкой и различных расходах газа в зазоре. Расчет выполнялся для двигателя ЧН 18/20, имеющего поршень, изготовленный из алюминиевого сплава. Было установлено, что увеличение количества газов, поступающих в зазор из камеры сгорания, оказывает более существенное влияние на температурное состояние поршня по сравнению с величиной зазора, возрастающего вследствие износа деталей цилиндропоршневой группы двигателя. Сделан вывод о том, что именно количество газов с высокой температурой, поступающих в зазор, приводит к существенному повышению температуры поршня. Повышение температуры поршня вследствие износа деталей цилиндропоршневой группы необходимо учитывать при определении его теплонапряженного состояния. Для обеспечения допустимого температурного уровня поршня в процессе эксплуатации необходимо разрабатывать конструкторские и технологические мероприятия, направленные на снижение расхода газов через зазор между поршнем и зеркалом цилиндра.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Жуков Владимир Анатольевич, Мельник Олеся Владимировна, Тузов Леонид Васильевич

THE INFLUENCE OF THE WEAR OF DIESEL’S CYLINDER GROUP ON THE TEMPERATURE STATE OF PISTON

Forcing of ship internal combustion engines at the average effective pressure is accompanied by an increase in the maximum cycle pressure, an increase in the thermal stress of the cylinder-piston group parts and an intensification of their wear . Wear of parts of the cylinder group leads to an increase in the gap between the piston and the cylinder mirror. The consequence of increasing the gap is a decrease in heat transfer from the piston to the cylinder walls and an increase in the breakthrough of gases having a high temperature from the combustion chamber to the gap. A critical increase in the temperature of the piston can lead to its destruction and engine failure. The most typical types of piston failure are presented in the article. The aim of the research was to assess the influence of these two factors on the temperature condition of the piston . Calculation of heat transfer processes in the annular channel, performed using differential equations of energy and continuity, as well as the criterion equations of fluid flow in flat channels allowed to determine the temperature of the gases and the lateral surface of the piston at different values of the gap between the piston and the cylinder sleeve and different gas flow rates in the gap. The calculation was performed for the engine CHN 18/20, having a piston made of aluminum alloy. It was found that the increase in the number of gases entering the gap from the combustion chamber has a more significant effect on the temperature condition of the piston compared to the gap, increasing due to wear of the engine cylinder group parts. It is concluded that the number of gases with high temperature entering the gap leads to a significant increase in the temperature of the piston. The increase in the temperature of the piston due to wear of the parts of the cylinder group must be taken into account when determining its heat-stressed state. To ensure the permissible temperature level of the piston during operation, it is necessary to develop design and technological measures aimed at reducing the flow of gases through the gap between the piston and the cylinder mirror.

Читайте также:  Блок цилиндров двигателя

Текст научной работы на тему «Влияние износа деталей цилиндропоршневой группы дизеля на температурное состояние поршня»

Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

THE INFLUENCE OF THE WEAR OF DIESEL’S CYLINDER GROUP ON THE TEMPERATURE STATE OF PISTON

V. A. Zhukov, O. V. Melnik, L. V. Tuzov

Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping,

St. Petersburg, Russian Federation

Forcing of ship internal combustion engines at the average effective pressure is accompanied by an increase in the maximum cycle pressure, an increase in the thermal stress of the cylinder-piston group parts and an intensification of their wear. Wear of parts of the cylinder group leads to an increase in the gap between the piston and the cylinder mirror. The consequence of increasing the gap is a decrease in heat transfer from the piston to the cylinder walls and an increase in the breakthrough of gases having a high temperature from the combustion chamber to the gap. A critical increase in the temperature of the piston can lead to its destruction and engine failure. The most typical types ofpiston failure are presented in the article. The aim of the research was to assess the influence of these two factors on the temperature condition of the piston. Calculation of heat transfer processes in the annular channel, performed using differential equations of energy and continuity, as well as the criterion equations offluid flow in flat channels allowed to determine the temperature of the gases and the lateral surface of the piston at different values of the gap between the piston and the cylinder sleeve and different gas flow rates in the gap. The calculation was performedfor the engine CHN18/20, having a piston made of aluminum alloy. It was found that the increase in the number of gases entering the gap from the combustion chamber has a more significant effect on the temperature condition of the piston compared to the gap, increasing due to wear of the engine cylinder group parts. It is concluded that the number of gases with high temperature entering the gap leads to a significant increase in the temperature of the piston. The increase in the temperature of the piston due to wear of the parts of the cylinder group must be taken into account when determining its heat-stressed state. To ensure the permissible temperature level of the piston during operation, it is necessary to develop design and technological measures aimed at reducing the flow of gases through the gap between the piston and the cylinder mirror.

Keywords: marine internal combustion engines, parts of cylinder and piston, wear, gas breakthrough, heat transfer in flat channels, the temperature condition of the piston, the reliability of marine diesel engines.

Zhukov, Vladimir A., Olesya V. Melnik, and Leonid_V. Tuzov. ” The influence of the wear of diesel’s cylinder

group on the temperature state of piston.” Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota

imeni admirala S.O. Makarova 10.5 (2018): 1040-1052. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-5-1040-1052.

ВЛИЯНИЕ ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДИЗЕЛЯ НА ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРШНЯ

Ю В. А. Жуков, О. В. Мельник, Л. В. Тузов

ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова», Л Санкт-Петербург, Российская Федерация

Форсирование судовых двигателей внутреннего сгорания по среднему эффективному давлению со-5 провождается ростом максимального давления цикла, повышением теплонапряженности деталей цилин-

дропоршневой группы и интенсификацией их изнашивания. Износ деталей цилиндропоршневой группы приводит к увеличению зазора между поршнем и зеркалом цилиндра. Следствием увеличения зазора являются снижение теплоотвода от поршня к стенкам цилиндра и возрастание прорыва газов, имеющих высокую температуру, из камеры сгорания в зазор. Критическое повышение температуры поршня может привести к его разрушению и выходу двигателя из строя. В статье представлены наиболее характерные виды разрушений поршня. Целью проведенных исследований являлась оценка влияния двух указанных факторов на температурное состояние поршня. Расчет процессов теплообмена в кольцевом канале, выполненный с использованием дифференциальных уравнений энергии и неразрывности, а также критериальных уравне-

ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ЕШщ^

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА,

ний течения жидкости в плоских каналах, позволил определить температуру газов и боковой поверхности поршня при различных значениях зазора между поршнем и цилиндровой втулкой и различных расходах газа в зазоре. Расчет выполнялся для двигателя ЧН18/20, имеющего поршень, изготовленный из алюминиевого сплава. Было установлено, что увеличение количества газов, поступающих в зазор из камеры сгорания, оказывает более существенное влияние на температурное состояние поршня по сравнению с величиной зазора, возрастающего вследствие износа деталей цилиндропоршневой группы двигателя. Сделан вывод о том, что именно количество газов с высокой температурой, поступающих в зазор, приводит к существенному повышению температуры поршня. Повышение температуры поршня вследствие износа деталей цилиндропоршневой группы необходимо учитывать при определении его теплонапряженного состояния. Для обеспечения допустимого температурного уровня поршня в процессе эксплуатации необходимо разрабатывать конструкторские и технологические мероприятия, направленные на снижение расхода газов через зазор между поршнем и зеркалом цилиндра.

Ключевые слова: судовые двигатели внутреннего сгорания, детали цилиндропоршневой группы, износ, прорыв газов, теплообмен в плоских каналах, температурное состояние поршня, надежность судовых дизелей.

Жуков В. А. Влияние износа деталей цилиндропоршневой группы дизеля на температурное состояние поршня / В. А. Жуков, О. В. Мельник, Л. В. Тузов // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2018. — Т. 10. — № 5. — С. 10401052. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-5-1040-1052.

Основной тенденцией развития судовых дизелей на протяжении нескольких последних десятилетий является их форсирование по среднему эффективному давлению и частоте вращения коленчатого вала [1]—[3]. Оба фактора обусловливают повышение тепловых и механических нагрузок на детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ). В наиболее тяжелых условиях работают цилиндровые втулки, поршни и поршневые кольца форсированных двигателей. Рабочая температура цилиндровых втулок в зоне перемещения поршневых колец составляет 150-200 °С, температура кромок камер сгорания — 350 °С, а температура поршней в районе поршневых колец — 200- 250 °С для поршней из алюминиевых сплавов и 350-400 °С для чугунных поршней [4], [5]. Превышение допустимых рабочих температур поверхностей поршней и поршневых колец приводит к отказам, связанным с разрушением масляной пленки и нарушением условий смазывания в паре «поршень – гильза цилиндра», приводящим к задирам поршня и зеркала цилиндра (рис. 1), механическим разрушениям поршня вследствие перегрева днища (рис. 2), жарового пояса и поршневых колец (рис. 3), а также камеры сгорания (рис. 4) — [6].

Рис. 1. Следы задиров на юбке поршня (а) и зеркале (б) цилиндра

Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

Рис. 2. Расплавленная головка поршня дизельного двигателя

Рис. 3. Оплавленные участки на жаровом поясе поршня (а) и поршневых кольцах (б) дизельного двигателя

Рис. 4. Трещины на кромке камеры сгорания: а

По имеющимся статистическим данным, собранным в течение длительного периода времени, надежность деталей ЦПГ определяет безотказность двигателя в целом. Доля отказов двигателей различного назначения, связанных с выходом из строя деталей ЦПГ, составляет 30-45 % общего количества отказов [7]-[9]. Проблема обеспечения необходимого уровня надежности деталей ЦПГ требует проведения анализа их напряженно-деформированного состояния с использованием методов математического моделирования [10]-[13], а также экспериментальных исследований условий работы деталей ЦПГ [14]-[16]. На основании исследований совершенствуются конструкция поршней [17]-[19] и технология их изготовления [20], [21], разрабатываются и внедряются новые материалы [22], [23]. Анализ литературных источников позволяет сделать вывод о том, что конструкторские и технологические мероприятия направлены на обеспечение допустимого температурного состояния деталей поршневой группы, что является обязательным условием надежной работы двигателя. Одним из факторов, определяющих температурное и теплонапряженное состояние поршня, является интенсивность отвода теплоты от него в процессе эксплуатации.

Методы и материалы (Methods and Materials)

Известно, что теплота, воспринимаемая днищем поршня при осуществлении рабочего цикла, передается к цилиндровой втулке и далее к охлаждающей жидкости через поршневые кольца [24], [5]. Износ поршней, поршневых колец и цилиндровых втулок при эксплуатации дизелей приводит к нарушению нормального сопряжения трущихся пар, увеличивает зазор между ними, изменяет условия теплообмена по боковой поверхности поршня до первого компрессионного кольца и увеличивает температуру газов, непосредственно соприкасающихся с компрессионными кольцами. Износ компрессионных колец и поверхностей втулок вызывает также нарушение уплотняющей функции компрессионных колец, при этом будет возрастать количество прорывающихся в картер газов, что, в свою очередь, должно отрицательно сказаться на температурном уровне деталей поршневой группы.

Экспериментальные исследования дизеля ЧН18/20 показали, что при увеличении зазора в результате износа цилиндровой втулки на 0,9 мм температура центра днища поршня повышается на 30-35 °С, а при износе на 1,37 мм — на 140 °С. Безусловно, еще большее влияние на тепло-напряженность поршневой группы может оказать аварийное состояние поршневых колец — их залегание (пригар). Эксперименты также показывают, что уровень теплонапряженности поршня значительно изменяется при увеличении зазоров в канавках поршневых колец. В связи с этим возникает вопрос: что может служить объективным показателем допустимости эксплуатации дизеля без ремонта при значительных износах поверхностей цилиндропоршневой группы.

Многочисленные исследования дизелей с различной степенью изношенности ЦПГ показали, что даже при предельно допустимом износе их мощность падает всего на 6-14 %, а расход топлива растет на 2-10 %. Критерий допустимости эксплуатации дизеля без ремонта должен учитывать показатели роста теплонапряженности. При оценке теплонапряженности поршневой группы дизелей, находящихся в эксплуатации, целесообразно отдельно оценить влияние износа соприкасающихся деталей и ухудшения уплотняющей способности колец. У дизелей ЧН18/20, широко распространенных на флоте и имеющих средний уровень форсированности, износ боковых поверхностей поршней в процессе эксплуатации сравнительно невелик, однако наблюдается значительный износ втулки цилиндра в зоне остановки первого компрессионного кольца. В процессе эксплуатации это может нарушить уплотнительную способность кольца, вызвать резкое увеличение прорыва газов в картер и, как следствие, повышение уровня теплонапряженности поршневой группы дизеля.

Одновременно ухудшаются и условия теплообмена поршня с втулкой цилиндра. На базе имеющихся источников научной и технической литературы практически невозможно установить причины, оказывающие более сильное влияние на тепловое состояние поршня: увеличение прорыва газов вследствие износа компрессионных колец и втулки цилиндра или ухудшение теплоот-вода от поршня из-за увеличения зазора. Для двигателя ЧН18/20 эта проблема особенно актуальна,

Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

так как поршень двигателя изготовлен из алюминиевого сплава, а цилиндровая втулка — из стали. Различные коэффициенты теплового расширения приводят к необходимости увеличенного зазора между деталями ЦПГ. Поршень имеет уплотняющую часть с тремя компрессионными кольцами и короткую юбку. Указанные особенности повышают вероятность прорыва газов из камеры сгорания в зазор между поршнем и цилиндровой втулкой и изменения вследствие этого температурного состояния поршня.

Для выяснения этого важного для практики вопроса необходимо детально изучить изменения условий теплообмена в зазоре между головкой поршня и втулкой цилиндра в зависимости от его величины и качества прорывающихся газов. С этой целью, прежде всего, необходимо определить температуру газов в зазоре. Для определения температуры газов найдем тепловой поток на стенках канала, который можно определить из уравнения баланса энергии для элемента жидкости длиной йх, ограниченного стенками канала и двумя сечениями, нормальными к его оси. Для этого проинтегрируем уравнение энергии по сечению канала. Уравнение энергии в общем случае имеет вид

Рср — = ^ (^гаёТ) + ду + , а т

где р — плотность жидкости; ср — изобарная теплоемкость газа, отнесенная к единице массы; Т — температура жидкости; т — время; 1 — коэффициент теплопроводности жидкости; qv — мощность внутренних источников теплоты; т — динамический коэффициент вязкости; — дис-сипативная функция.

Преобразуем левую часть этого уравнения с помощью уравнения неразрывности и перейдем от температуры к энтальпии:

др) д(р^) 1 д д ( дтЛ 1 д(лдтЛ

+ ^-¿ + ) = — I X — 1 + – —I гХ— 1 + qv +VS,

дт дх г дг дх у дх) г дг у дг)

где юх и юг — соответственно осевая и радиальная составляющие скорости; к — энтальпия, отнесенная к единице массы.

Введя допущения о стационарности течения и теплообмена и пренебрегая диссипацией и наличием внутренних источников, получим

Ссылка на основную публикацию