Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Представленный на рис. 4.20 поршеньчетырехтактного двигателя имеетсравнительно небольшую относительную длину тронка, составляющую H 2 » 0,73 при H п »100, . В данном случае более эффективным поусловиям смазывания оказалосьверхнее расположение маслосъемных колец (рабочая поверхностьюбки покрыта дисульфидом молибдена). Многие поршни тепловозных четырехтактных дизелейимеют более длинные поршни с H поколо 1,35 при длине тронка H 2около 0,85, вследствие чего уменьшается удельная нагрузка на боковую поверхность и снижается расход масла.
Однако масса поршня,нагрузки на подшипниковые узлыи шатун возрастают.Повышение цилиндровой мощности четырехтактных тепловозныхдизелей и увеличение давления сгорания рz до 18–20 МПа требуютдальнейшегосовершенствованияконструкции поршня, направленного на повышение его прочностной надежности. Фирма Mahle объявила о создании для дизелей с диаметром цилиндра более 160 мм составных поршней со стальной головкой и тронком из специальнойстали, способных работать при рz == 25 МПа и выше. Элементы поршня соединяются между собойшпильками; поршни имеют масляное охлаждения. Втулки под поршневой палец отсутствуют.Поршни двухтактных тепловозных дизелей отличаются высокойтеплонапряженностью и исключительным разнообразием конструкций.
Достаточно отметить, что напротяжении многолетнего выпускаи эксплуатации двухтактных отечественных тепловозных двигателей(10Д 20,7/2´25,4) были предложеныи поставлены на двигатели поршнинескольких десятков вариантовконструкций, отличающихся формой днища, способом креплениявставки под поршневой палец ккорпусу поршня, типом масляногоохлаждения, марками материалов ит.д. На рис. 4.21 приведен поршеньбесшпилечной конструкции дизеля2Д100, который с некоторыми изменениями перешел и на болеефорсированные дизели 10Д100.
Вместо применяемых часто шпилек, которыми вставка 2 прикреплена ккорпусу, поставлено стопорноекольцо 5 в малонапряженной нижней части юбки. Поршни дизелейданного семейства отливались изсерого чугуна с небольшими легирующими добавками. Следует отметить, что различные варианты чугунных поршней с применениемшпилек имели дефект в виде трещин в местах вворачивания шпилекв головку поршня, так называемых"бонках" (при головке поршня, вы146Рис. 4.21.
Поршень двухтактного тепловозного дизеля типа 10ДН 20,7/2´25,4:1 – верхняя плита; 2 – вставка; 3 – втулка; 4 – нижняя плита; 5 – стопорноекольцо; 6 – радиальное ребро; 7 – маслосъемные кольца; 8 – штифт, фиксирующий нижнюю плиту на вставке; 9 –упоры пальца; 10 – компрессионноекольцо; а, б, в – канавка и отверстия длявыхода масла из головки и вставкипоршня; I – отверстие для штифта, фиксирующего поршень на вставкеполненной из стали [(см. рис.
4.20),конструкция со шпильками вполненадежна]). В поршне (рис. 4.21)применено циркуляционное масляное охлаждение с подачей масла через шатун. Масло из охлаждаемыхканалов головки выходит через канавку а в плите 1. Двигатели 10Д20,7/2´25,4 имеют расходящиеся(противоположнодвижущиеся)поршни, поэтому отвод масла вверхнем и нижнем поршнях осуществляется поразному.Кроме конструкций, у которыхголовка и юбка поршня выполненыкак одно целое, широко применялись и составные поршни. Так, усоставного поршня двухтактноготепловозного дизеля типа ДН 23/30стальная головка соединялась скорпусом поршня с помощью винтов, а вставка под поршневой палец крепилась на юбке с помощьюстопорного пружинного кольца.Подобные конструкции имеют топреимущество, что головка совместно с корпусом может поворачиваться относительно вставки приработе двигателя, что выравниваеттемпературное поле поршня, приближая его к осесимметричному.Поршни тепловозных двухтактныхдизелей охлаждаются маслом, подаваемым через шатун в центральную часть поршня, с перетеканиемзатем в наружную зону полости головки (инерционное охлаждение).Поршни двигателей 10Д 20,7/2´´25,4 и ДН 23/30 многократно усовершенствовались и доводилисьдля устранения возникавших в эксплуатации дефектов, вызванныхвысокой напряженностью конструкции.
Работоспособность поршней подобного типа зависит нетолько от его конструкторскогооформления, но и от свойств охлаждающего масла. При эксплуатации дизелей ДН 23/30 при использовании масла М14 на внутреннейповерхности днища образовывалась пленка нагара из продуктовразложения масла и присадки, обладающая низкой теплопроводностью, что приводило к резкому повышению температуры головки,структурным изменениям материала и интенсифицированию процесса термоусталостного разрушения.При замене масла М14 масломМ14ВИ и М14ВЧ с эффективнымипротивонагарнымиприсадкамибыли полностью устранены появляющиеся ранее термоусталостныетрещины в головке поршня.Поршни среднеоборотных судовых двигателей (СОД) с частотойвращения коленчатого вала в диапазоне 450–750 мин-1 принципиально не отличаются от тепловозной составной конструкции.
Помере увеличения линейных размеров и, в первую очередь, диаметраD цилиндра при одинаковом сред147нем эффективном давлении возрастает тепловая и механическаянапряженность деталей, образующих камеру сгорания двигателя,включая поршень.На среднеоборотных судовыхдвигателях при умеренном уровнефорсирования применяют цельнометаллические поршни из легкогосплава или из чугуна, а при повышенной форсировке составныеконструкции. Поршни из алюминиевых сплавов имеют меньшуюмассу по сравнению с цельночугунными поршнями. Так, для двигателя типа 16 ЧН48/58 это различиесоставило около 25 %.
Однако чугунные поршни допускают существенное уменьшение зазора в холодном состоянии между поршнем ицилиндром, а также применениеболее простого профиля юбки. Одним из преимуществ составнойконструкции поршня с маслянымохлаждением взбалтыванием является существенное снижение температуры в районе первого компрессионного кольца за счет снижения доли отводимой теплоты через поршневые кольца при уменьшении толщины головки поршня изкачественной стали.
Это снижениесоставило, например, по сравнениюс цельноалюминиевой конструкцией в случае двигателя 16 ЧН48/58около 40 °С, несмотря на более высокую теплопроводность алюминиевого сплава по сравнению состалью.На рис. 4.22 для сравнения приведены кривые распределения температур в цельнометаллическом (алюминиевый сплав) и составном со стальной головкой поршнях среднеоборотного двигателя типа ЧН45/52. Несмотря на более высокий уровеньфорсирования двигателя, при установке составного поршня достигается более низкая температура в районепервой поршневой канавки.В целом в связи с повышениеммаксимального давления газов в цилиндре и среднего эффективногодавления в среднеоборотных форсированных дизелях часто переходят отцельнометаллических поршней изалюминиевых сплавов к тонкостенным чугунным, а также к составным поршням со стальной головкой.При этом тронк может выполнятьсяРис.
4.22. Распределение температур в поршнях среднеоборотного дизеля:а – цельнометаллического; б – составного148Рис. 4.23. Распределение температур в головкепоршня среднеоборотного дизеля типа ЧН40/54:¾ – ре = 2,3 МПа; – – – – ре = 2,1 МПа;ne = 514 мин-1из различных материалов (алюминиевые сплавы, чугуны с шаровидным графитом, специальные стали).На рис. 4.23 представлен фрагментпоршня среднеоборотного дизелятипа ЧН40/54 и распределение температур в головке поршня.Поршни малооборотных судовыхдвухтактных дизелей (МОД) скрейцкопфом по конструкции существенно отличаются от поршней,рассмотренных выше.
При большом диаметре цилиндра и высокихмаксимальных давлениях сгораниясущественно возрастает влияниемеханических нагрузок на изгибднища и верхнюю часть боковойповерхности головки. Толщина стенок поршня, как правило, оченьзначительна. Увеличение толщиныстенок и, в первую очередь, днищапоршня с целью снижения механических напряжений от давления газов приводит к возрастанию температурных перепадов, а следовательно, к появлению значительных температурных напряжений, часто превышающих предел упругости материала поршня. В связи с высокимиРис.
4.24. Поршень судового крейцкопфногодвухтактного дизеля с клапаннощелевой схемой газообмена:а – конструкция с масляным полостным охлаждением; б – конструкция со сверленымиохлаждающими каналами; 1 – головка поршня; 2 – компрессионные кольца; 3 – штокнагрузками головки поршней МОДделаются из сталей (в частности,хромомолибденовых).Крейцкопфныечетырехтактные, а также малооборотные двухтактные двигатели с клапаннощелевой схемой газообмена имеют относительно короткий поршень(рис.
4.24), состоящий из головки 1высотой Нг около 0,5D, к которойнепосредственно крепится шток 3.По мере совершенствования конструкций поршневой группы малооборотных двухтактных двигателейчисло колец 2 неуклонно сокращалось от 10 до 4 (в настоящее время).На рис. 4.24 представлены два варианта поршня судового дизеля. Вотличие от варианта с развитой охлаждаемой маслом полостью (см.рис. 4.24, а) поршень с системойсверленых каналов (см. рис. 4.24, б),по которым протекает охлаждающеемасло, каналы расположены достаточно близко от жаровой поверхности днища. Такая конструкция обеспечивает эффективное охлаждениеголовки поршня, лишь незначительно уменьшая ее жесткость. Однакотехнология изготовления поршня149Рис.
4.25. Поршень судового крейцкопфногодвухтактного дизеля с уменьшенным числомколец:а – SMCC; б – SMC; 1 – поршень; 2 –поршневые кольца; 3 – штокпри этом усложняется, а поперечное сечение охлаждающих каналов стечением времени может сужатьсяизза отложений. Дальнейшее развитие конструкция поршней получила вмалооборотных двухтактных двигателях серии SMC и SMCC (рис. 4.25,а, б). Бо' льшая длина жарового поясаH 0 = 0,33 при H п » 0,70 положительно влияет на состояние втулки цилиндра и колец, так как последниерасположены в менее нагретой зоне.Поршни МОД с петлевой схемой газообмена имеют кроме головки с расположенными в нейпоршневыми кольцами достаточнопротяженную направляющую частьдлиной Нн = (1,3 – 1,4)D, перекрывающую окна во втулке цилиндрапри положении поршня в ВМТ.При наличии на выпуске специальной заслонки величина H п уменьшается до (0,7 – 1,0)D.Поршни малооборотных крейцкопфных судовых двигателей отличаются большим разнообразием конструкций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
