Повышение прочностной надежности транспортных дизелей (1025560), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Максимальный уровень температурных напряже­ний сжатия может достигать atmax--350...400 МПа и выше [16].9Конструкторское исполнение крышки цилиндра во многом определяет типдвигателя. При диаметрах цилиндра более 200 мм. используются крышки ин­дивидуального исполнения (отдельно на каждый цилиндр) [2,5,6]. В настоящеевремя индивидуальные крышки цилиндров нашли применение и для двигателейс меньшими размерами цилиндра вследствие меньшей трудоемкости изготов­ления, удобства обслуживания, ремонта и эксплуатации. Крышки двухтактныхдвигателей с петлевой схемой газообмена наиболее просты по конструкции(ввиду отсутствия клапанов).

Наличие газовоздушных каналов в головках икрышках четырехтактных двигателей с верхним расположением клапанов су­щественно усложняет конструкцию. Конструкторское исполнение во многомзависит от числа клапанов, приходящихся на один цилиндр, взаимного распо­ложения газовых и воздушных каналов, полостей для охлаждающей жидкости,формы камеры сгорания, расположения форсунки, количества отверстий подкрепежные шпильки.Форма наружных стенок во многом определяется компоновочными сооб­ражениями, требованиями к прочности и жесткости конструкции. Выполнитьвсе требования часто довольно сложно, так как многие из них взаимно проти­воречивы. Например, для улучшения наполнения стремятся увеличить диаметротверстия под впускной клапан, что при прочих равных условиях ведет куменьшению ширины межклапанной перемычки, повышает температурные на­пряжения в ней и затрудняет получение равной прочности элементов крышки.Отступление при конструировании от принципа симметрии может привес­ти к перенапряжению конструкции, особенно при наличии высоких темпера­турных градиентов.

Так, асимметричное расположение отверстия под форсункупо отношению к отверстиям под клапаны снижает прочность центральной час­ти днища в результате ухудшения условий охлаждения, асимметрии тем­пературного поля и полей напряжений.Крышки цилиндров тепловозных и судовых среднеоборотных дизелей раз­нообразны по конструкции. Для 4-х тактных форсированных среднеоборотных10дизелей преимущественное распространение получили 4-х клапанные конст­рукции, с центрально расположенной вертикальной форсункой, с принудитель­ным жидкостным охлаждением, с плоским (или почти плоским) огневым дни­щем. Таковы крышки цилиндров дизелей MTU Series 8000, Caterpillar, MANB&WS35/40ME-B, Kawasaki Heavy Industries LTD ADD30, FAIRBANKSMORSE, ЧН26/26, ЧНЗО/38 и др.

4-х клапанная компоновка крышки цилиндрапозволяет добиться улучшения наполнения цилиндров, а вместе с этим и сни­жения расхода топлива. Кроме того, за счет большего коэффициента наполне­ния снижается средняя температура цикла. Симметрия данной конструкции(при центральном вертикальном расположении форсунки), по сравнению с 2-хи 3-х клапанными крышками, способствует повышению её надежности. Распо­ложение форсунки при 4-х и 3-х клапанной компоновке чаще всего централь­ное вертикальное, но иногда из условий компоновки и удобства обслуживанияфорсунку размещают наклонно.

Примером такой компоновки могут служитьдвигатели ЧН26/26 и ЧН16/17.Наиболее сложной конструкцией отличаются крышки четырех- и двух­тактных двигателей с клапанно-щелевой схемой газообмена. Крышки цилинд­ров 2-х тактных дизелей характеризуются большей теплонапряженностью. Поформе крышки могут быть прямоугольными, круглыми, в виде шестигранни­ка или восьмигранника. При круглой форме возможно равномерное размеще­ние по периферии крышки значительного числа крепежных шпилек, что обес­печивает наилучшее уплотнение газового стыка и равномерное деформирова­ние крышки под действием монтажных усилий.

В быстроходных многоцилинд­ровых двигателях для уменьшения длины двигателя применяют крышки пря­моугольной формы. В этом случае крышка крепится к корпусу обычно четырь­мя шпильками, расположенными по углам. В четырехтактных двигателях двавпускных и два выпускных клапана располагают вокруг форсунки, расположен­ной в центре днища головки.11В составных крышках двухтактных дизелей верхняя часть, выполненная излегкого сплава, имеет значительную высоту, что создает дополнительный теплоотвод от нижней, теплонапряженной части, изготавливаемой из чугуна.Нижняя часть воспринимает нагрузку от сил давления газов, обеспечивая жест­кость конструкции.

Нижнюю и верхнюю части стягивают специальнымишпильками.Повышение надежности работы крышек цилиндров связано в первую оче­редь со снижением температур и перепадов температур в днище крышки, яв­ляющемся наиболее нагруженным ее элементом. Решение вопросов улучшенияохлаждения и устранения образования отложений также вносит свой вклад вконструкторское исполнение крышек.С ростом форсирования двигателей стала актуальной задача повышенияэффективности охлаждения. Создание крышек с организованным движениемохлаждающей жидкости было связано с использованием промежуточного дни­ща. Примером такой конструкции может служить нижняя часть комбинирован­ной (составной) крышки цилиндров тепловозного двигателя ДН 23/30 (рис.1.2.), днище которой отлито из высокопрочного чугуна, а также конструкциякрышки двигателя ЧН 26/26 (рис.

1.З.). Несмотря на усложнение технологииизготовления и последующую очистку внутренних полостей эта мера позволи­ла снизить температуру огневого днища крышки цилиндра двигателя ЧН 26/26в среднем на 3-5%.Составная конструкция, верхняя часть которой изготовлена из легкогосплава, позволяет интенсифицировать теплоотвод от нижней части, однако ма­териалы при этом имеют существенное различие в коэффициентах линейногорасширения, что может приводить к перенапряжению отдельных частей и всейконструкции в целом.

Кроме того, в данном случае как показала практика Ко­ломенского завода, не всегда удается обеспечить необходимую жесткость кон­струкции.12Рис. 1.2. Составная крышка цилиндра двухтактного дизеля ДН 23/30: 1 огневая плита, 2 - верхняя часть, 3 - шпилькаРис. 1.3. Крышка цилиндра дизеля типа ЧН26/26 с промежуточным дни­щем и уменьшенной толщиной огневого днищаДля чугунных головок снижение температуры центральной зоны головкиможет быть достигнуто при использовании конструкции, с вставным стаканомпод форсунку, выполненным из материала с высокой теплопроводностью, вэтом случае предусмотрена цилиндрическая втулка, изготовленная из высокотеплопроводного материала, усиливающая отвод теплоты от центральной зоныднища рис. 1.4.Для уменьшения температуры центральной зоны и в первую очередь меж­клапанных перемычек в быстроходных двигателях интенсифицируют охлажде-13ние, организуя направленное движение охлаждающей жидкости на нагретыеэлементы крышки.

При этом движение охлаждающей жидкости возможно какот центра к периферии, так и наоборот (рис. 1.5 а, б). В первом случае при по­мощи специальных пистолетов охлаждающая жидкость со скоростью 3-5 м/снаправляется на охлаждаемый участок поверхности.Рис. 1.4. Схема интенсификация теплоотвода от центральной зоны днищакрышки: 1 - крышка цилиндра, 2 - втулка, 3 - форсунка, 4 - прокладкаСущественное снижение температур в наиболее нагретых элементах днищакрышки достигается применением для протока охлаждающей жидкости свер­леных каналов рис. 1.6.

В первую очередь такая обработка каналов использует­ся для крышек цилиндров крупных судовых малооборотных двигателей, конст­рукции которых характеризуются повышенной тепловой и механической на­пряженностью. Однако и при умеренных диаметрах цилиндра описанный спо­соб обработки каналов охлаждения весьма эффективен. Так крышки цилиндровдвигателей Wartsila W64, DEUTZ, MAN B&W, Paksman-Valenta и др. имеютсверленые каналы охлаждения.Следует признать, что данное направление перспективно, несмотря на ус­ложнение технологии изготовления, так как позволяет существенно снизитьтемпературы на огневой поверхности крышки.а)б)Рис. 1.5. Схемы интенсификации охлаждения центральной зоны днищакрышек: а - движение жидкости от центра к периферии через пистолеты, б движение жидкости от периферии к центру с отводом охлаждающей жидкостинад межклапанными перемычкамиРис.

1.6. Интенсификация охлаждения района межклапанных перемычек спомощью сверленых каналов охлаждения (двигатель «Паксман»)15При достаточной жесткости крышки и приемлемом уровне напряжений отмеханическихнагрузокпреимуществоимеют тонкостенные конструкции[5,15,56]. Уменьшение толщины днища крышек дизелей ЧН 26/26, в том числев наиболее нагретых местах, позволило добиться существенного повышения ихработоспособности.

Уровень максимальных температур в межклапанных пере­мычках и центральной части при этом снизился в среднем на 50°С. Дополни­тельное снижение максимальных температур огневого днища можно обеспе­чить применением колпачковой (или полуколпачковой) крышки цилиндра, ко­торые применятся в основном в судовых дизелях большой размерности. Газо­вый стык в этом случае размещен ниже верхней кромки поршня при его поло­жении в В.М.Т., что кроме всего прочего предохраняет верхнюю часть втулкицилиндра от непосредственного воздействия факела пламени. Колпачковаяформа крышки способствует повышению жесткости конструкции и понижениютемпературы стенок камеры сгорания, омываемой водой по верхним и боковымповерхностям. Колпачковая крышка цилиндра показана на рис.

1.7.Рис. 1.7. Крышка цилиндра (колпачкового типа) малооборотного судовогодизеля16Анализ конструкторских исполнений крышек цилиндров дизелей средне­оборотного класса показал, что современные конструкции достаточно совер­шенны с точки зрения обеспечения эффективности охлаждения, однако вопросснижения степени стеснения теплового расширения практически не рассмотренприменительно к крышкам цилиндров индивидуального исполнения. Стеснениетеплового расширения определяет в конечном итоге уровень напряжений, по­этому это направление весьма перспективно, особенно учитывая рост темпера­тур, связанных с дальнейшим форсированием и невозможностью существенно­го снижения температур огневого днища за счет совершенствования охлажде­ния.171.2.

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЫШЕКЦИЛИНДРОВМатериалы, применяемые для крышек цилиндров, должны обладать плот­ной структурой, иметь низкий коэффициент линейного расширения, высокуютеплопроводность и прочность при повышенных температурах, хорошую жидкотекучесть, быть технологичными. Кроме высоких прочностных характери­стик, материал должен обладать необходимым сопротивлением термической имеханической усталости, ползучести.

Принимая во внимание сложность конст­рукции и высокие требования к точности воспроизведения геометрических па­раметров крышки, качеству отливок и чистоте получаемых поверхностей, фак­тически единственным приемлемым способом получения заготовки в условияхсерийного производства остается отливка, что накладывает определенные огра­ничения по выбору материала. Высокие показатели рабочего процесса средне­оборотных дизелей фактически предопределяют использование в качестве кон­струкционного материала крышки чугунов, легированных хромом, никелем,молибденом, а также медью для повышения сопротивлению термоусталости.Статические и усталостные характеристики чугунов резко снижаются, начинаяс 450°С, поэтому температуры около 400°С являются предельными для чугун­ной крышки цилиндров с длительным сроком службы.В отличие от чугуна с пластинчатым графитом (его прочность до темпера­туры 300°С практически не меняется), повышение температуры высокопрочно­го чугуна с шаровидным графитом до 400°С и выше ведет к снижению прочно­стных показателей [22].

Характеристики

Список файлов диссертации