Файл: Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей..pdf

рубашки зону расположения уплотнительных резиновых колец можно вынести в район более низких температур, но возникает необходимость обеспечить переток воды в крышку цилиндра непосредственно через верхний пояс втулки (рнс. 57, а). При этом нужно изолировать поток воды, чтобы не вызывать высоких

максимальному нагреву, а следовательно, и значительным темпе­ ратурным напряжениям. Кроме того, эти параметры определяют и жесткость верхнего пояса втулки, которая оказывает большое влияние на работоспособность газового стыка. На основании опыта КТЗ рекомендуются следующие соотношения:

h (0,18-ж0,2) £>ң; b (0,15-ж0,18) Dv

где Dц — диаметр цилиндра.

Втулки цилиндров подвесного типа на КТЗ были применены в варианте без рубашки на тепловозных и судовых дизелях раз­ мерности 23/30.

1 Авторское свидетельство № 285412 кл. 46 с 47. — «Открытия. Изобрете­ ния. Промышленные образцы. Товарные знаки», 1970, № 33.

94

В последующих конструкциях дизелей ЧН 30/38 и ЧН 26/2б нашли применение втулки с рубашкой.

МАТЕРИАЛ ВТУЛОК ЦИЛИНДРОВ

В качестве материала для втулок цилиндров дизелей в боль­ шинстве случаев применяют антифрикционный легированный чугун, значительно реже — сталь с последующим азотированием или хромированием рабочей поверхности втулок.

В некоторых случаях при высоком уровне механических и тепловых нагрузок, как показывает опыт КТЗ по доводке дизе­ лей 6ЧН 30/38, усталостная прочность чугуна с пластинчатым графитом, легированного хромом и никелем, оказывается недо-

Рис. 58. Разрушение втулки цилиндра по верхнему поясу

статочной, и возникает необходимость в применении легированного высокопрочного чугуна с азотированием внутренней и внешней по­ верхностей втулки.

После длительной работы этих дизелей были обнаружены трещины в верхних поясах втулок цилиндров по отверстиям для перетекания воды в крышку (рис. 58). Появление трещин было вызвано недостаточным запасом прочности.

В связи с этим были изготовлены и испытывались азотирован­ ные кругом втулки из высокопрочного чугуна. Применение этих втулок позволило увеличить минимальный запас прочности их верхнего пояса с 1,2 до 1,8, что полностью исключило случаи появления трещин.

При использовании азотированных втулок из высокопрочного чугуна, имеющих существенные технологические преимущества перед стальными азотированными втулками, обеспечиваются:

высокая износостойкость рабочей поверхности втулок;

95

хорошие антифрикционные Качества; уменьшение возможности возникновения и распространения очагов «схватывания» и задиров материалов трущихся пар (втулок, колец, поршней);

повышенные прочностные показатели, обеспечивающие надеж­ ную работу втулок при наличии высокого уровня их напряжен­ ности;

повышенная стойкость против коррозионно-кавитационных пов­ реждений азотированных поверхностей втулок, подвергающихся воздействию охлаждающей воды'.

Уже отмечалось, что одной из самых сложных проблем при создании форсированных дизелей является проблема обеспечения работоспособности трущихся пар: тронк поршня — втулка ци­ линдра и поршневое кольцо — втулка. Трудности решения этой проблемы связаны с тем, что форсировка существующих дизелей как по средней скорости поршня, так и по среднему эффективному давлению приводит к высоким температурам выпускных газов (600—700° С) и большим максимальным давлениям сгорания в цилиндре (до 140 кгс/см2). Дополнительно повышаются требо­ вания к удельному расходу масла, величина которого должна быть в пределах 1,0—1,5 г/(л. с. ч).

Для обеспечения работоспособноепі указанных пар трения втулка цилиндра должна иметь достаточную маслоемкость поверх­ ности. Для выполнения этого условия втулка цилиндра двига­ теля 6ЧН 30/38 после шлифовки и хонингования подвергается фосфатированию в растворе солей А4ажеф. Структура азотирован­ ного слоя состоит из азотистого сорбита н феррита, глобулярного графита и фосфидной эвтектики. При фосфатированин на поверх­ ности втулки создается микрорельеф, в котором выступающими участками являются включения фосфидной эвтектики, а углубле­ ния между этими участками выполняют функцию резервуаров для смазки, распределяющих ее по рабочим поверхностям тройка поршня, колец и втулки цилиндра.

Наличие фосфидной эвтектики в серых легированных чугунах, идущих на изготовление втулок цилиндров, обеспечивается опре­ деленным содержанием фосфора в чугуне, как правило, в преде­ лах 0,1—0,2%. В материале втулок цилиндров большого диаметра содержание фосфора может быть больше. Так, в материале втулок цилиндров двигателя Ханшин 6LU50 (Япония) содержание фос­ фора составляет 0,5—0,7%.

При подборе оптимальных вариантов химического состава и структуры материала втулок цилиндров и других деталей цилиндро-поршневой группы, чистоты поверхности, различных методов термохимической обработки, лриработочных покрытий большое значение имеет, как показывает опыт КТЗ, проведение экспериментальных исследований на машинах трения, которые позволяют значительно сократить время доводки цилиндро­ поршневой пары дизеля [31 ].

96

ПРОЧНОСТЬ ВЕРХНЕГО ПОЯСА И ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ГАЗОВОГО СТЫКА

ВТУЛКИ ЦИЛИНДРА ПОДВЕСНОГО ТИПА

Для втулок цилиндра подвесного типа характерны особенности, заключающиеся, в приложении к верхнему торцу втулки цилин­ дра сосредоточенных усилий от затяжки шпилек, замыкающих газовый стык; в относительной свободе для упругих перемещений верхней части втулки при действии как давления газов, так и тепловых деформаций, которые ограничиваются здесь только силовой радиальной связью с днищем крышки через уплотни­ тельную прокладку.

Возможный тепловой натяг, возникающий в верхнем посадоч­ ном поясе между втулкой и блоком цилиндров в рабочем состоянии узла (из-за более высокого нагрева верха втулки), имеет, как показывает опыт эксплуатации, временный характер из-за после­ дующего износа деталей соединения. Таким образом, большую часть времени втулка работает без скрепляющего действия блока по верхнему поясу, сохраняя силовую связь лишь непосредственно

скрышкой цилиндра.

Вэтих условиях приобретает особое значение обеспечение прочности втулки в ее верхней части от суммарного действия максимальных статических напряжений от затяжки собственных шпилек комплекта, рабочих температурных напряжений в замкну­ той системе (втулка—крышка) от неравномерного нагрева и циклических напряжений от переменного давления газов.

Существенное влияние на герметичность газового стыка могут оказывать радиальные сдвигающие усилия, приложенные к уплотнительной прокладке, из-за разных силовых и тепловых деформаций втулки и днища цилиндровой крышки.

При неполной замкнутости стыка под действием радиальных усилий в зависимости от конструкции разъема, начальной затяжки комплекта и ряда других факторов наблюдаются поверхностные повреждения прокладки и местный прорыв горячих газов с после­ дующим прогаром стыка (рис. 59, а, б). Аналогичное нарушение герметичности газового стыка отмечается рядом исследователей и в конструкции втулок с закрепленным буртом при моноблочном выполнении крышки (головки) цилиндров автотракторных дви­ гателей.

Экспериментальные исследования втулок дизелей ДН 23/30 позволили установить, что при сборке втулки с крышкой и за­ тяжке шпилек газового стыка в элементах верхнего пояса возни­ кают осевые и радиальные напряжения, распределение которых по периметру втулки неравномерно. При этом максимальные напряжения действуют в месте установки шпилек газового стыка.

Установленная неравномерность распределения, имеющая циклический характер с периодом-, равным шагу шпилек, вызвана сосредоточенным действием усилий от шпилек при затяжке.

Рис. 59. Прогар газового стыка дизеля 6 4 Н 30/38:

а — вту л ка цилиндра; б — п р о кл адк а газоиого стыка

98

Это существенно осложняет расчетное определение возникающих монтажных напряжений и деформаций в верхнем бурте втулки подвесного типа ввиду непригодности для нее осесимметричной

в верхнем поясе втулки, накладываются дополнительные напря­

ности создаваемых распорных усилий в соединении (между гнездом и шпилькой) эти напряжения носят явно выраженный локальный характер и имеют максимум в непосредственной близости к резь­ бовым отверстиям.

В настоящее время более точное определение суммарных монтажных напряжений в верхнем поясе втулок подвесного типа возможно только экспериментальным путем с использованием метода электротензометрирования. Для ускорения проверки соз­ даваемой конструкции исследования проводят сначала на спе­ циальных металлических моделях втулки, а затем на натурных первых экземплярах втулок (после изготовления опытной пар­ тии).

Статические напряжения от монтажных усилий в верхнем поясе втулок подвесного типа достигают относительно высоких уровней и являются фактором, который должен учитываться при расчетах на прочность от рабочих нагрузок ввиду значитель­ ного понижения показателей выносливости чугуна при наличии средних растягивающих напряжений (в опасном сечении). При этом надо иметь в виду, что задача ограничения монтажных напряжений, как показывает опыт, носит комплексный характер и может успешно решаться лишь при одновременном правильном задании параметров затяжки газового стыка и при последующем практическом их обеспечении (по уровню и равномерности) в про­ цессе обслуживания в условиях эксплуатации двигателей.

Определенным резервом снижения начальной напряженности в зоне резьбовых отверстий является отказ от стопорения шпилек во втулке заданным моментом при ввертывании (т. е. осевым распором) и переход на применение специальных фиксирующих клеевых составов типа Loctite, исключающих отворачивание при длительной работе. При этом распорные усилия и напряжения в верхнем бурте втулки от вворачивания шпилек могут быть уменьшены в 2,5—3 раза.

Для определения напряжений от рабочих нагрузок во втулке подвесной конструкции существующие расчетные схемы, разра­ ботанные применительно к втулкам цилиндра с опиранием на плиту блока, непосредственно не могут быть применены. В этом случае необходимо введение граничных условий для верхнего