Файл: Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей..pdf

шенііе прочности верхнего бурта, высокие антифрикционные качества рабочей поверхности втулки и эффективную защиту ее наружной поверхности, омываемой охлаждающей водой, от элек­ трохимической коррозии и кавитационной эрозии. Толщина азотированного слоя после окончательной обработки рабочей поверхности была равна 0,4 мм, а твердость больше или равна

HRC 40 [20].

Для улучшения условий смазки юбки поршня и поршневых колец рабочую поверхность втулки цилиндров фосфатируют на глубину растравливания, равную 4—8 мкм.

Вследствие проведения указанных выше изменений поршневых колец и втулки цилиндра были полностью устранены зависание, потеря подвижности и поломка поршневых колец, но при длитель­ ной работе дизелей систематически стало наблюдаться уменьше­ ние первоначальной упругости вторых компрессионных колец с уменьшением ширины замка на 40—50%. Уменьшение ширины замка первых колец при этом не превосходило 10—15%.

Замеренная термопарами со стороны выпуска температура перемычки над вторым кольцом оказалась выше на 90— 100й С, чем температура над первым кольцом, и составила примерно 360° С. Это обстоятельство, очевидно, следует объяснять тем, что в объеме между первым и вторым кольцами горячие газы находятся относи­ тельно большее время, чем над первым кольцом, где температура существенно снижается во время тактов выпуска и впуска [23].

Температура перемычки над вторым кольцом, естественно, может быть несколько выше, чем температура второго кольца, из-за наличия интенсивного теплообмена между кольцом и втул­ кой цилиндра. Уменьшение упругости вторых колец, изготовлен­ ных из чугуна с высокой термостойкостью, при отсутствии нагара в их канавках свидетельствовало о том, что температура колец была выше допустимой.

Анализ этого явления позволил установить, что с ростом фор­ сировки дизеля условия работы колец могут значительно ухуд­ шаться.

Подсчеты показывают, что при достаточно высоких давлениях сгорания (ПО—120 кгс/см2) давление над вторым кольцом дости­ гает 75—80 кгс/см2. В качестве аналогичного примера на рис. 34 приведено расчетное распределение давлений перед кольцами близкого по размерности четырехтактного дизеля. Для такого распределения давлений при исходной максимальной температуре 1700—1800 К средняя температура газов в объеме над вторым кольцом также достаточно высока и может достигать 1000—1100 К, что существенно влияет на температуру вторых компрессионных колец.

В поршнях, изготовленных из материала с высокой теплопро­ водностью (например, из алюминиевых сплавов), явление подоб­ ного перегрева вторых колец и перемычек над ними будет менее заметно, чем в поршнях из стали и чугуна.

66

Для улучшения охлаждения вторых колец в головке поршня был выполнен второй ряд дополнительных маслоподводящпх от­ верстий диаметром 4 мм, направленных в место расположения вторых колец. Оба ряда отверстий (по 8 шт. в каждом ряду) были расположены со смещением одного относительно другого на по­ ловину расстояния между отверстиями. При этом диаметр ранее имевшихся верхних отверстий был уменьшен с 8 до 4 мм, чтобы суммарное проходное сечение верхнего и нижнего рядов отверстий не превышало диаметра (16 мм) подводящего отверстия в стержне шатуна.

В первоначальной конструкции S 4 это соотношение не выдерживалось,1

сумма площадей маслоподводящих отверстий в головке примерно

ее охлаждение.

На рис. 35 показана головка поршня дизеля 6ЧН 30/38 с точ­ ками замера температур головки. Левая половина головки— старой конструкции с одним рядом отверстий, на правой половине головки показано условно смещенным дополнительное отверстие, обеспечивающее подачу масла в место расположения второго компрессионного кольца.

В табл. 4 показаны результаты термометрирования поршней со стороны выпуска с двумя вариантами системы охлаждения головки поршня.

Соответствующие изменения температур, очевидно, имели место и для самих колец, так как снижение упругости их умень­ шилось в 2—2,5 раза. Испытания головки этого варианта под-

4. Температура головки поршня в °С

Для оценки эффективности увеличения диаметра сливных отверстий из масляной полости поршня были проведены испыта­ ния поршней с тремя диаметрами сливных отверстий (табл. 5). Положение сливных отверстий по высоте при этом не менялось.

5. Температура головки поршня в °С

диаметра сливных отверстий значительно улучшаются условия охлаждения поршня (температура в месте расположения вторых и первых колец снижается на 55—115° С).

I Последующие опыты с изменением диаметров сливных отвер­ стий позволили установить, что суммарную площадь сливных отверстий целесообразно выбирать в 1,5—2 раза больше площади отверстия, подводящего масло к поршню. Поэтому окончательно был принят диаметр сливных отверстий, равный 16 мм. Результаты термометрирования поршня показали, что общий эффект снижения температуры в месте расположения первых и вторых колец со­ ставляет примерно 115—240° С [23].

Повышение эффективности охлаждения коренным образом улучшило условия работы вторых компрессионных колец и обес­

ных чугунов с различным химическим составом) показали ее высо-

68

кую износостойкость и хорошие антифрикционные качества. При тяжелых условиях работы этой пары на дизелях не было ни одного случая зависания, потери упругости, поломок поршне­ вых колец и задиров втулок цилиндров.

IB процессе эксплуатации первых дизелей после длительной работы наблюдались случаи появления начальных повреждений нерабочей поверхности юбки поршней и в меньшей степени — следов этих повреждений на втулках цилиндров в местах с более твердой рабочей поверхностью.

Начальные повреждения появились после длительной работы двигателя, когда на отдельных участках рабочей поверхности юбки поршня, воспринимающих наибольшие удельные нагрузки при движении и перекладках поршня, изнашивался слой полуды и с материалом рабочей поверхности втулки цилиндра продолжи­ тельно контактировался материал юбки поршня — чугун СЧ 24-44. При этом было замечено, что начальным повреждениям предшествовало образование блестящих полированных участков юбки поршня, обладающих минимальной маслоемокстью рабочей поверхности [21 ]. В связи с этим было решено ввести механиче­ скую накатку рабочей поверхности юбки. Углубления от накатки после окончательной шлифовки имели форму четырехгранной пи­ рамиды глубиной до 0,3 мм, со сторонами основания на поверх­ ности юбки 0,4 мм и располагались в шахматном порядке с шагом 2,5 мм. Накатка производилась до лужения.

Одновременно были тщательно проанализированы причины расположения начальных повреждений только с «нерабочей» стороны поршня и установлено, что при наличии высоких давле­ ний сгорания (до 130 кгс/см2) во время рабочего хода через три компрессионных кольца в зазор между юбкой поршня и втулкой, образующийся с нерабочей стороны, прорывается некоторое коли­ чество горячих газов, существенно ухудшающих условия смазки рабочих поверхностей.

Для уменьшения прорыва газов и предотвращения попадания масла в камеру сгорания на головку поршня было поставлено четвертое призматическое кольцо, выполняющее одновременно функцию компрессионного и маслосъемного колец. В результате уменьшился удельный расход масла с 6,0 до 1,5—2,0 г/(л. с. ч)

иувеличился срок работы поршней без начальных повреждений. Однако полностью устранить начальные повреждения юбки поршня после введения накатки, улучшения профиля юбки поршня

иустановки дополнительного кольца все же не удалось.

Дальнейшие исследования причин появления начальных по­ вреждений привели к выводу, что чугун СЧ 24-44 не имеет необхо­ димой стабильности антифрикционных качеств. В связи с этим было решено применять в качестве материала юбки поршня хромо­ молибденовый чугун.

Микроструктура этого чугуна имеет сетку фосфидной эвтек­ тики, которая обеспечивает высокую износостойкость и аитиза-

69