Файл: Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей..pdf

дирные качества вследствие ее большой твердости (HV1000), повышенной сопротивляемости пластической деформации и мень­ шей склонности к схватыванию по сравнению с другими структур­ ными составляющими чугуна, например перлитом. Легирование чугуна хромом и молибденом повысило также твердость, сопро­ тивляемость пластической деформации и теплоустойчивость пер­ лита. Для увеличения смазывающей способности чугун имеет повышенное количество графита за счет увеличения в структуре процентного содержания углерода.

Предварительно были проведены сравнительные испытания образцов из чугунов СЧ 24-44 и хромомолибденового на прирабатываемость н склонность к схватыванию. Испытания проводились на возвратно-поступательной машине трения. Втулки цилиндров изготовлялись из высокопрочного азотированного чугуна. Твер­ дость азотированного слоя HRC 40-45, глубина слоя 0,4—0,5 мм.

Испытания показали, что износ образцов из хромомолибдено­ вого чугуна в 3 раза меньше износа образцов из чугуна СЧ 24-44 и что у хромомолибденового чугуна рост коэффициента трения, свидетельствующий о начале интенсивного нарушения сплошности масляной пленки, начинается при существенно большей нагрузке.

Эти результаты, характеризующие лучшие условия смазки хромомолибденового чугуна, получены следующим образом. При фосфатированни чугуна в солях Мажеф происходит вытравливание перлита, а фосфидная эвтектика не травится, благодаря чему соз­ дается микрорельеф с твердыми и износостойкими выступающими участками и углублениями между ними. Эти углубления являются резервуарами для смазки, распределяющими ее по рабочим по­ верхностям юбки поршня, поршневых колец и втулки цилиндра.

Учитывая высокие местные нагрузки на отдельные участки рабочей поверхности юбки поршня при наличии относительно большой для данной размерности дизеля средней скорости поршня (с,„ = 9,5 м/с), было решено поверхность юбки поршня, изготовленной из хромомолибденового чугуна, фосфатировать на глубину растравливания 15—30 мкм, а затем покрывать слоем дисульфида молибдена MoS2 (ВАП-2) толщиной 0,015—0,025 мм.

Поршни, имеющие в головке три односторонних клинообраз­ ных хромированных кольца из легированного чугуна и одно приз­ матическое комбинированное кольцо, и юбки поршня из хромомо­ либденового чугуна, покрытые слоем дисульфида молибдена, при длительной работе по азотированным втулкам из высокопрочного чугуна показали высокие эксплуатационные качества.

Износы деталей поршня и втулки цилиндра после работы в течение 2200—4400 и 7000 ч приведены в табл. 6. Анализ данных, приведенных в табл. 6, позволяет сделать вывод, что двигатели ЧН 30/38 могут иметь сроки службы между выемками поршней

12 000—15 000 ч.

В процессе доводки дизеля 6ЧН 30/38 были обнаружены усталостные разрушения вставок поршней из алюминиевого

70

сплава АК8 с очагами развития трещин на верхних внутренних кромках отверстий под поршневой палец (рис. 36, а). Расчетные и экспериментальные исследования показали, что одной из основ­ ных причин появления трещин являлись высокие касательные

Результаты тензометрирования и расчеты показали, что в месте разрушения уровень, переменных напряжений от сил давления газов и сил инерции невелик и не мог явиться причиной возникно­ вения трещин. Было сделано предположение, что трещины яви­ лись следствием высоких внутренних (остаточных) напряжений, связанных с термической обработкой заготовки. Методом тензо-

71

мигрирования был определен уровень внутренних напряжений, который оказался очень высоким (до 2500 кгс/см2).

На основании результатов исследования для повышения на­ дежности вставки были применены:

термическая обработка вставок после предварительной меха­ нической обработки; при этом одновременно повышена темпера­ тура воды в ванне для закалки заготовок до 90—95° С;

упрочняющая обкатка роликом поверхностей отверстий во вставке для втулок поршневого пальца;

покрытие наружной поверхности втулок тонким слоем свинца для предотвращения возможности контактной коррозии вставки от микроперемещений втулок поршневого пальца.

В результате повышения температуры воды в ванне при за­ калке остаточные напряжения в материале вставки снизились до 700 кгс/см2, что в совокупности с проведением остальных меро­ приятий полностью исключило случаи возникновения трещин

имеющий головку из жаростойкой стали ЭИ415 и тронк из алю­ миниевого сплава АКб (рис. 37).

. Охлаждение этого поршня обеспечивается взбалтываемым мас­ лом, которое подается через отверстие в шатуне и алюминиевый стаканчик сначала в центральную полость охлаждения поршня,

азатем — в кольцевую периферийную.

Вголовке поршня расположены три клинообразных хромиро­ ванных компрессионных кольца, отлитых из термостойкого леги­ рованного высокопрочного чугуна, и одно маслосъемное кольцо, имеющее скребущую кромку. В верхней части алюминиевого

тронка расположено второе маслосъемное кольцо с двумя скре­ бущими кромками.

В первоначальном варианте поршня два маслосъемных кольца были расположены в нижней части тронка, однако впоследствии на основании результатов доводки для обеспечения лучших усло­ вий смазки трущейся пары тронк поршня ■— втулка цилиндра маслосъемные кольца были перенесены выше поршневого пальца, а рабочую поверхность тронка стали покрывать дисульфидом молибдена ВАП-2.

При определении конструктивных соотношений и размеров стальной головки поршня были проведены исследования напря­ жений в головках от действия переменных сил давления газов при нормальной температуре. Эти исследования имели назначение выявить наиболее напряженные элементы головок поршней и оце­ нить влияние толщины стенки в периферийной части головки на уровень напряжений.

72

Исследовались две головки поршня, выполненные с различной глубиной периферийной кольцевой проточки в головке (I вариант— глубина проточки 59 мм, II вариант—■глубина проточки 62 мм; рис. 38). Относительная деформация замерялась при помощи дат­ чиков сопротивления ба­ зой 5 и 10 мм. На внутрен­ ней и наружной поверхно­ стях головок деформации замерялись в радиальном и тангенциальном направ­ лениях, в проточках — в радиальном направлении.

При рассмотрении результатов тензометрирования выявлено, что характер распределения напряжений в головках обоих ва­ риантов одинаков.

I Наиболее высокий уровень напряжений (сжатия, в кгс/см2)

Со стороны камеры сгорания максимальный уровень напря­ жений замерен в центральной части головки. Величины напря­ жений (сжатия, в кгс/см2) в головках со стороны камеры сгорания для обоих вариантов практически одинаковы и составляют:

Напряжения растяжения замерены в районе тороидальной впадины и не превышают 600 кгс/см2.

Исходя из полученных величин напряжений в головках двух вариантов и конструктивного выполнения при гарантированном зазоре между тронком и внешним цилиндром головки поршня (отсутствие опирания) была выбрана головка поршня с глубиной проточки 59 мм, имеющая на 35% более низкий уровень пере­ менных напряжений от сил давления газов.

73

Учитывая высокую степень форсировки дизеля 16ЧН 26/26 мощностью 4000 л. с. и необходимость обеспечения возможности дальнейшего повышения форсировки до ре = 20 кгс/см2 при со­ здании более мощных дизелей этого типа, были проведены экспе­ риментальные исследования температурных полей поршней при различных количествах масла, находящегося в периферийной кольцевой полости охлаждения.

Рис. 39. Температура головки поршня с различными вариантами слива охлаж­

На рис. 39 показаны результаты исследований двух вариантов охлаждения поршня:

1 — два сливных отверстия расположены на нижней поверх­ ности А кольцевой полости охлаждения;

2 — два сливных отверстия расположены в бобышках выше поверхности Л на 19 мм.

На основании этих и других аналогичных исследований, про­ веденных на поршнях, имеющих подвод охлаждающего масла из специальных форсунок, можно сделать два вывода.

1.Наибольшая эффективность масляного охлаждения дости­ гается при заполнении маслом примерно половины объема пери­ ферийной кольцевой полости охлаждения поршня.

2.Уровни температур участков головки поршня существенно различаются между собой в зависимости от приближения участка головки к выпускным или впускным клапанам.

74

На основании опыта доводки и работы поршней во время экс­ плуатации дизелей КТЗ можно сделать следующие выводы.

1. Цельноалюминиевые неохлаждаемые поршни без вставок из нирезиста, испытанные на четырехтактных дизелях 8ЧН 26/26 (Ne = 1200 л. с. , п — 1000 об/мин, ре = 9,8 кгс/см2) при длитель­ ной работе на режимах номинальной мощности, оказались нера­ ботоспособными вследствие повышенного износа канавок первых

из высокопрочного чугуна, охлаждаемые взбалтываемым маслом, показали высокую надежность и большой моторесурс.

Остаточные литейные напряжения в этих головках достигли 300—400 кгс/см2. Замеренные тензометрированием после 14 000 ч работы суммарные остаточные напряжения в головке поршня составили всего 700 кгс/см2. Такая стабильность остаточных напряжений исключает необходимость замены головок поршней при капитальном ремонте дизеля.

Этот положительный опыт позволяет рекомендовать поршень данной конструкции с отношением его длины к диаметру, рав­ ным 1,3, для дизелей, имеющих частоту вращения 700—750 об/мин и ре = І5-НІ8 кгс/см2.

При такой относительно высокой форсировке по рабочему про­ цессу головка должна быть отлита из высококачественного леги­ рованного теплостойкого высокопрочного чугуна, а тронк поршня должен отливаться из чугуна, обеспечивающего высокую износо­ стойкость и стабильную маслоемкость (например, из хромомолиб­ денового чугуна), и покрываться дисульфидом молибдена.

3. При увеличении частоты вращения дизеля до 1000 об/мин и выше и высоких форсировках по ре, исходя из необходимости уменьшения сил инерции и желания получить минимальные массогабаритные показатели дизеля, следует рекомендовать составной поршень: тонкостенная головка из легированной теплостойкой стали, тронк из алюминиевого сплава с отношением длины поршня к его диаметру 1,0.

Для обеспечения наиболее интенсивного охлаждения поршня объем взбалтываемого масла должен составлять приблизительно половину объема камеры охлаждения головки, а сменяемость масла опытным путем должна быть подобрана оптимальной. Следовательно, при проектировании поршня надо предусматри­ вать возможность варьирования проходных сечений подводящих и сливных отверстий на первом опытном дизеле.

Для обеспечения лучших условий смазки трущихся пар масло­ съемные кольца необходимо располагать выше поршневого пальца. Рабочая поверхность тронка поршня должна быть тщательно спрофилирована и покрыта слоем дисульфида молибдена.

4. Учитывая наличие повышенных тепловых нагрузок, вос­ принимаемых поршнями двухтактных тепловозных дизелей, по

75