Диссертация (1026217), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Поверхность графитизированного поршняавиационного двигателя АШ-82 со следами аномального«рамочного» контактирования с цилиндром согласно [97]Причины этого кроются в следующем. Если в холодном состоянии образующая юбки поршня прямолинейна (т.е.
выполнена цилиндрической или конической), то в рабочем состоянии она примет корсетную форму и будет контактировать с цилиндром только по верхней и нижней кромкам, как показано на Рисунок 1.14 и видно по следам приработки юбки (Рисунок 1.13). 24 Рисунок 1.14. Схема контакта нагретого поршня с цилиндром по работе [97]Таким образом, корсетность юбки, которая возникает из-за своеобразиятемпературной кривой, а также овализация поршня и цилиндра под действием боковой силы приводят к тому, что нагрузка, действующая на боковую поверхностьюбки, локализуется на участке в виде «рамки» (Рисунок 1.13). Подобная картинаконтактирования поршней типична и наблюдается на поршнях самых различныхконструкций, включая не только овально-конические, но и неудачно спрофилированные овально-бочкообразные поршни.Однако до сих пор среди типов профилей, применяемых для поршней современных средне- и быстроходных дизелей, традиционно доминируют бочкообразный в продольном направлении и овальный в поперечном – так называемыебочкообразно-овальные профили, каждый из которых, если поршень обработан понаружной поверхности как тело вращения, обладает симметрией в характерныхплоскостях коленчатого вала и качания шатуна (Рисунок 1.15).Рисунок 1.15.
Профиль бочкообразно-овального поршня 25 Распространенность симметричных (в плоскости качания шатуна) бочкообразно-овальных поршней обусловлена хорошей теоретической проработкой методики их профилирования [97], а также простотой технологии переноса профиляна деталь методами копирной или бескопирной токарной обработки заготовок.В гидродинамическом отношении, а также с позиций снижения механических потерь и изнашивания, такая конфигурация предпочтительнее ранее применявшихся обсужденных выше конических и ступенчато-конических форм юбки,т.к.
в условиях работы двигателя под нагрузкой конический поршень, нагреваясьнеравномерно по высоте боковой образующей, принимает практически цилиндрическую форму, что не способствует созданию несущего гидродинамическогодавления в слое смазочного материала одновременно на прямом и обратном ходахпоршня. Бочкообразный в продольном направлении профиль, гарантированно сохраняющий незначительную клинообразность (или точнее - серповидность) входного и выходного зазоров юбки с цилиндром, создает гидродинамическую подъемную силу при реверсивном движении поршня, отделяя юбку последнего отстенки цилиндра и снижая тем самым силу трения, а также вероятность изнашивания при контактировании.Вместе с тем, имеются и серьезные недостатки собственно бочкообразныхпрофилей юбки.
В частности, с ростом массы поршневого комплекта начинаетсказываться неудовлетворительная поперечная устойчивость поршня с бочкообразной юбкой при движении последнего в цилиндре как результат высокого (поотношению с оси пальца) расположения центра масс поршня. Это приводит к работе поршня с предельными углами опрокидывания (контактирование враспор вцилиндре), что сопровождается интенсивным соударением головы поршня о цилиндр, шумом и изнашиванием.Как альтернатива симметрично-бочкообразному профилю могут быть рассмотрены многоопорные профили поршней: параболоидная юбка, многоопорнаятрапецевидная юбка, двухопорная термоадаптивная юбка и варианты асимметричных в плоскости качания шатуна профилей юбки (Рисунок 1.16). 26 Рисунок 1.16.
Формы боковой поверхности юбок поршней:а – бочкообразно-симметричный [97]; б –многоопорный параболоидный[98]; в - двухопорный трапецевидный [99]; г – двухопорныйтермоадаптивный [100-102]; д – бочкообразный центрально-симметричный[103]; е - бочкообразно-асимметричный [104]Бочкообразно-асимметричный профиль в отличие от симметричного, учитываетасимметричный характер нагрузок, действующих на боковую поверх-ность юбки поршня [105]. В течение цикла поршень совершает до шести перекладок, т.е. имеет шесть смен стороны прилегания к (и ударов по) цилиндру различной интенсивности.
Наибольшие величины такого ударного импульса наблюдаются при перекладках поршней в начале рабочего хода, впуска и в конце выпуска.Вследствие перераспределения сил трения происходит рост работы трения на левой (так называемой «нагруженной») и снижение на правой («ненагруженной»)сторонах поршня/цилиндра при взгляде на носок коленчатого вала и традиционном правом (по часовой стрелке) направлении вращения последнего.При умеренном уровне форсирования возможно применение микрорельефана боковой поверхности поршня как резервной маслоудерживающей и маслоформирующей (в плане создания так называемой парциальной гидродинамическойнесущей способности) системы (Рисунок 1.17) [65, 106]. Однако, по причине более высоких температур и нагрузок на боковой поверхности поршней среднеоборотных форсированных дизелей по сравнению с автотракторными, применениемаслоудерживающего микрорельефа приводит к росту коксования моторногомасла и нагароотложения на поверхностях ЦПГ и поэтому вряд ли уместно. 27 Рисунок 1.17.
Профилограммы и параметры микрорельефа юбок поршнейавтомобильных дизелей: а – MERCEDES OM-420, б - MAN 0226MKFсогласно [65]Представляет интерес нанесение канавок для удержания смазки, выполненных по окружности юбки в виде волны (Рисунок 1.18) [107].
Их расположениеучитывает переменные боковые нагрузки на поршень на тактах «Рабочий ход» и«Сжатие». Ширина канавок изменяется по окружности юбки: в зонах наибольшего давления ширина канавок минимальна, а в зонах наименьшего давления —максимальна. Это приводит к повышению надежности и уменьшение потерь натрение поршня.Рисунок 1.18. Поршень двигателя внутреннего сгорания с нанесеннымина боковую поверхность юбки поршня канавками согласно [107]В работе [108] исследователями проделана значительная экспериментальнаяработа по определению влияния различных конфигураций профиля боковой поверхности поршня на величину механических потерь. Был изготовлен комплектопытных поршней с пятью новыми профилями юбки (Рисунок 1.19). 28 Рисунок 1.19.
Фронтальный вид профиля юбок опытных поршнейУглубления порядка 35…40 мкм на направляющих поверхностях выделеныболее темным цветом. Испытания проводились на одноцилиндровой двигательной установке, а значения сил трения измерялись на пяти различных режимах работы. В результате исследований выделен поршень 4, обладающий наименьшимипотерями на трение по сравнению с остальными. Это связано с тем, что верхнее инижнее углубления, выполненные на направляющей части поршня, способствуютудержанию смазки на юбке и обеспечивает поступление масла в главную зонуконтакта поршня равномерно на протяжении всего цикла работы двигателя.Назначение твердости и шероховатости трущихся поверхностей поршня неразрывно связано с определением целесообразности нанесения покрытия (приработочного, антифрикционного или противозадирного) на боковую поверхностьпоршня и (при положительном решении) выбор состава (или готовой торговоймарки), зон и способа нанесения [109].Особого внимания заслуживает нанесение специальной расточки в верхнейчасти цилиндра (Рисунок 1.20).
Гильза цилиндра в этом месте имеет большийдиаметр. Это увеличение вызывает в этой области образование более толстогослоя масляного нагара, который защищает огневой пояс поршня от отложений.Масляный нагар обладает абразивными качествами. У гильзы цилиндров с расточкой необходимо обращать внимание на то чтобы первое компрессионнойпоршневое кольцо не входило в область расточки. Таким образом, высота огневого пояса поршня должна быть больше, чем высота расточки. Несоблюдение этогоусловия приводит к повреждениям поршня и гильзы цилиндра. 29 Рисунок 1.20. Типичный вид внутренней поверхности гильзы цилиндрас расточкой верхнего поясаНесмотря на солидный по времени опыт применения технологии плосковершинного хонингования (ПВХ) как финишной обработки поверхности тренияцилиндров для обеспечения износо- и задиростойкости последнего, важные вопросы назначения рациональной глубины, шага и угла скрещивания винтовыхлиний следа хона (определяется сочетанием значений скорости подачи и вращения хонинговальной головки) в каждом случае приходится решать отдельно и, какправило, поисково-экспериментальным путем (Рисунок 1.21).Рисунок 1.21.
Вид внутренней поверхности цилиндровс различной глубиной и углом скрещивания сетки ПВХ [110]Кроме того, нанесение микрорельефа возможно осуществить при помощитехнологии поверхностного пластического деформирования (ППД) в виде раскатки шариком или роликом, что является уже достаточно апробированным и эффективным способом решения задач повышения износостойкости, но требует рассмотрения вопроса о рациональных зонах нанесения микрорельефа и увязки егошаго-высотных параметров с неизбежным ростом расхода масла на угар в случае 30 тотального (по всей площади внутренней поверхности) применения ППД к цилиндру [111, 112].Следует особо отметить решающее влияние макро- и микрогеометрии внутренней поверхности цилиндра на расход масла на угар.
Хотя проблемы сохранения заданной макрогеометрии (цилиндричности) зеркала цилиндра более характерны для ДВС с воздушным охлаждением, испытывающих, как правило, значительную монтажную деформацию от усилия затяжки анкерных шпилек [60, 61],для вставной гильзы ДВС с жидкостным охлаждением также весьма важно закладывать в конструкцию и технологию изготовления требования сохранения цилиндричности. Кроме того, необходимо обязательно оценить влияние монтажных итемпературных нагрузок на этот параметр. Многочисленные испытания и практика эксплуатации [61] показывают, что в условиях искаженной макрогеометриицилиндра, особенно в поперечном сечении (дефекты типа «овализация», «огранка»), никакие, даже самые лучшие поршневые кольца, нормально работать не будут: нарушение прилегания по окружности неизбежно приведет как минимум кросту расхода масла на угар и потере компрессии в цилиндре, как максимум - дополнительно к повышению трения и изнашивания соответствующих деталейЦПГ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
