Диссертация (1026217), страница 6
Текст из файла (страница 6)
У двигателей с воздушным охлаждением этапроблема усугубляется неравномерностью температурных и монтажных деформаций трущейся поверхности цилиндра, вызванных несовершенством этого типаохлаждения и особенностями несущей схемы крепления цилиндров на блоке.Среди отечественных быстроходных ДВС с воздушным охлаждением следует выделить универсальные малоразмерные дизели производства АК «Туламашзавод им. В.М.
Рябикова» (далее то тексту - ТМЗ), поставляемые в основном вкачестве силовых агрегатов для генераторных установок специального назначения (Таблица 1.1). 37 Таблица 1.1.Дизели с воздушным охлаждением ТМЗОсновныетехническиеТМЗ-450ДТМЗ-520ДТМЗ-650ДпоказателиОбщий видОхлаждениеВоздушноеЧисло цилиндров1D/S, мм85/80n, мин-185/9295,5/803600Ne, кВт89,512m0,680,710,73Эти достаточно простые по конструкции одноцилиндровые дизели, представленные сегодня тремя моделями ТМЗ-450Д, -520Д и -650Д соответственнономинальной мощностью 8, 10 и 12 кВт при частоте 3600 мин-1, имеют, к сожалению, ряд системных проблем, среди которых, если касаться только аспекта конструкции и надежности, можно указать повышенные механические потери, натиры,износ и в ряде случаев задиры деталей ЦПГ (Рисунок 1.25).Рисунок 1.25. Характерные формы натира и следы задира на поверхностяхвнутренней поверхности цилиндра и юбки поршня дизелей ТМЗ 38 Несмотря на проведенные ранее совместные работы по данной тематике сфирмой AVL, руководство отдела дизелей АК «Туламашзавод» неоднократно обращалось с предложениями оказания содействия в научно обоснованной доводкеи модернизации конструкции трущихся деталей ЦПГ с релью решения указаннойпроблемы.
Анализ конструкций трущихся деталей ЦПГ выявил низкий уровеньих конструкционно-технологической проработки.Поршни дизелей семейства ТМЗ имеют распространенную бочкообразноовальных форму юбки. Эта форма достаточно хорошо зарекомендовала себя понадежности. Однако, как отмечалось выше в данной главе, общеизвестна такженеустойчивость (плохая самоустанавливаемость) в цилиндре и высокая чувствительность таких поршней к нарушениям правильной геометрии внутренней поверхности цилиндра, которые весьма типичны для ДВС с воздушным охлаждением.Окончательный, рациональный профиль юбки поршня для каждой из моделей этих дизелей, отвечающий требованиям минимизации механических потерь,износа и риска задира, согласованный с условиями режима работы двигателя иособенностями конструкции цилиндра, пока еще не определен.
Острота проблемыповышается каждый раз при очередном случае отказа ЦПГ или смене технологии(в том числе поршневого сплава) для производства заготовок.Обращает на себя внимание и факт отсутствия на всех поршнях семействадизелей ТМЗ антифрикционно-противоизносного покрытия юбок, что также противоречит отмеченной выше существующей в мире тенденции проектирования ипроизводства легких поршней для быстроходных ДВС. 39 Рисунок 1.26. Искажение (мкм) исходной геометрии поперечного сечениявнутренней поверхности цилиндра воздушного охлаждения под действиеммонтажных нагрузок в верхнем (I – I), среднем (II - II) и нижнем (III - III) поясахМногочисленными, ранее выполненными, исследованиями [60, 61, 63 и др.]доказано, что внутренняя (трущаяся) поверхность цилиндра, установленного наблок путем затяжки (сжатия) гаек на анкерных шпильках, в поперечном сечениивместо круга приобретает форму овала в средней части и огранки в верхней (Рисунок 1.26).Однако этот негативный эффект можно практически свести к нулю, еслиосвободить цилиндр от анкерных связей, например, переходом от серийной несущей к свободной фланцевой схеме крепления цилиндра на блоке.
Эта известнаясхема предполагает опору цилиндра на специально выполненный в верхнем поясефланец, анкерные шпильки при этом также преобразуются во фланцевые, получаяопорные поверхности в верхней и нижней частях для связи с цилиндром и блоком. Деформированная зона цилиндра в данном случае ограничивается тольковысотой его (цилиндра) верхнего опорного фланца.Выполненные в рамках данного анализа предварительные расчетные оценкис помощью программы SOLIDWORKS показывают, что к искажениям геометрии 40 цилиндра дизелей семейства ТМЗ добавляется деформация неразрезной тонкостенной юбки поршня под действием гидродинамического давления смазки состороны стенки цилиндра и температурного расширения.
В этом случае круглаяформа юбки приобретает провал, заключенный между двумя участками вспучивания (Рисунок 1.27). Исходя из классических положений гидродинамики, этоприводит к резкому (пропорционально кубу глубины провала) падению гидродинамической несущей способности и, следовательно, нарушению гидродинамического режима трения, росту механических потерь и возникновению риска задираюбки в цилиндре.Рисунок 1.27.
Характер деформации юбки поршня под действием боковойсилы и температуры (результаты оценочного расчета по программеSOLIDWORKS)Такой аномальной деформации чаще всего способствует недостаточная жесткость юбки, особенно ее нижней части, в том числе из-за явно переразмереннойв сторону завышения высоты поршня [124, 125]. Так, относительная высотапоршней H/D (H – высота поршня, D – его диаметр) дизелей ТМЗ находится впределах от 0,83 до 0,97, что не соответствует современным мировым тенденциямконструирования легкосплавных поршней для быстроходных ДВС [126]. В частности, зарубежные производители KOLBENSCHMIDT и Mahle стремятся к значениям относительной высоты юбки поршня на уровне 0,8 и менее.
Особенно этоважно для быстроходных ДВС, поскольку, во-первых, сокращение относительнойдлины юбки призвано снизить массу поступательно движущихся деталей, и, как 41 следствие, силу инерции (и связанную с ней силу давления юбки на стенку цилиндра), во-вторых, поршни с увеличенной относительной длиной юбки имеютбольшую контактную поверхность, подверженную износу в случае нарушенийсплошности разделяющего юбку поршня и цилиндр масляного слоя.Анализ профилей юбки поршня дизелей ТМЗ-450Д и ТМЗ-650Д выявил абсолютную идентичность их формы (Рисунок 1.28), что плохо согласуется с различной размерностью, преимущественными режимами работы и разницей эффективных показателей этих двигателей.
Такой упрощенный подход к профилированию, основанный, чаще всего, на геометрическом масштабировании, в современных условиях нельзя признать правильным, т.к. он противоречит существующей вмире тенденции тщательного подбора и увязки профиля поршня с условиями кинематики, динамики, температурного состояния и маслоснабжения в ЦПГ.Рисунок 1.28. Эпюра рабочей поверхности поршня:а – ТМЗ-450Д, б – ТМЗ-650ДТо же самое относится и к комплекту поршневых колец, рабочие поверхности которых для дизелей ТМЗ вообще не выбираются исходя из рациональных 42 принципов проектирования для каждого двигателя в отдельности, поскольку в качестве поршневых колец используются готовые изделия, подходящие по ключевым размерам, обеспечиваемым собираемость сборочной единицы.
Речь идет обустанавливаемых на поршни дизелей ТМЗ чугунных поршневых кольцах производства Goetze Werke (Германия), включающих два компрессионных и одно маслосъемное кольца (Таблица 1.2).Таблица 1.2.НижнеекомпрессионноеМаслосъемноеВЧХ852,03,600,3…0,5СЧН853,03,750,2…0,5СЧХсечения0,3…0,5поперечного3,60Эскиз1,5Зазор в замке, мм85толщина, ммПокрытиекомпрессионноеМатериалВерхнееРадиальнаякольцаОсевая высота, ммНаименованиеДиаметр, ммПараметры комплекта поршневых колец дизеля ТМЗ-450ДПримечание: сокращения ВЧ, СЧ – высокопрочный и специальный чугунсоответственно; Х, Н – хромированная, нехромированная рабочая поверхностьсоответственно.Рассматривая трибологический аспект конструкции цилиндров дизелейТМЗ, необходимо отметить следующее:-по форме макрообразующей внутренней (трущейся) поверхности все цилиндры одинаковы и предполагают после изготовления наличие заданных чертежом традиционных прямолинейного в продольном и круглого в поперечном направлениях профилей;-микротопография трущейся поверхности обеспечивается финишной технологией плосковершинного хонингования (ПВХ) и при этом, как свидетельствуют 43 заводские данные профилометрии, имеет отклонения от оптимальной геометрии,определяемой границами рекомендуемой изготовителем формы кривой Аббота(Рисунок 1.29);-трущаяся поверхность не содержит специально наносимого регулярногомикрорельефа.Подводя итог обзору конструкции основных деталей ЦПГ дизелей ТМЗ,можно констатировать существование определенного резерва конструкционногосовершенствования поршня, поршневых колец и цилиндра с позиций снижениямеханических потерь в русле отмеченных выше доминирующих тенденций конструирования и производства этих деталей.Рисунок 1.29.
Профилограмма (а) и результат ее обработки - кривая Аббота (б)трущейся поверхности цилиндра дизеля семейства ТМЗ: p - глубина впадинпрофиля; tp - относительная опорная длина профиля 44 1.5 Описание расчетных средств и программ1.5.1 Известные программы численного моделирования процессов динамики,гидродинамики и трибологии в основных сопряжениях ДВСХорошо известно, что успеха при разработке нового сложного продукта вжестких временных рамках можно добиться только при принятии правильногорешения на стадии концептуального проектирования. На этой ранней стадиистоимость изменения конструкции несоизмеримо меньше, чем при изготовлениипрототипа. Для увеличения доли исследований на ранних этапах разработки различные компании и научные центры создают свои собственные программныеобеспечения.Так, AVL Group - признанный лидер среди создания расчетных комплексовдля анализа двигателей внутреннего сгорания - имеет в своем арсенале расчетнуюпрограмму EXCITE/ PISTON & RINGS, позиционируемую как инструмент дляконструирования деталей ЦПГ [127].
Результаты расчета по этой программевключают вторичные перемещения поршня, контактные нагрузки и энергию дляанализа шума и трения. Программа учитывает влияние на конечные показателишероховатости поверхности, профиля юбки поршня, эксцентриситета поршневогопальца, а также скручивания поршневых колец в канавке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
