РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, НАГРУЗКИ И СКОРОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ СОПРЯЖЕНИЯ КАНАВКА ПОРШНЯ – ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО МАЛОРАЗМЕРНОГО ДИЗЕЛЯ
Авторы:
1.
Махачкалинский филиал Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета)
Тип:
Статья
Страницы:
с 111
по 116
Статус:
Опубликован
Получено:
20.04.2013
Одобрено:
20.04.2013
Опубликовано:
25.04.2013
Классификаторы:
УДК 621.43.06
ББК 31.365.4-042-02
ББК 31.365.4-042-02
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
долговечность кривошипно-шатунного механизма, удельное давление на пару трения, скорость скольжения в паре трения, температура в паре трения
Аннотация (русский):
Рассматриваются расчетные и экспериментальные данные влияния скорости скольжения, температуры и удельного давления на износ сопряжения канавка поршня – верхнее поршневое кольцо. Эти данные позволяют оценить роль каждого параметра в процессе изнашивания торцевых поверхностей до достижения предельно допустимого значения торцевого зазора S 1 = 0,4 мм, определяющего долговечность пары трения.
Рассматриваются расчетные и экспериментальные данные влияния скорости скольжения, температуры и удельного давления на износ сопряжения канавка поршня – верхнее поршневое кольцо. Эти данные позволяют оценить роль каждого параметра в процессе изнашивания торцевых поверхностей до достижения предельно допустимого значения торцевого зазора S 1 = 0,4 мм, определяющего долговечность пары трения.
Ключевые слова:
долговечность кривошипно-шатунного механизма, удельное давление на пару трения, скорость скольжения в паре трения, температура в паре трения
долговечность кривошипно-шатунного механизма, удельное давление на пару трения, скорость скольжения в паре трения, температура в паре трения
Долговечность кривошипно-шатунного механизма (КШМ) судового малоразмерного дизеля (СМД) определяется его наработкой до увеличения торцевого зазора в сопряжении канавка поршня – поршневое кольцо с исходного 0,08 мм до предельно допустимого 0,4 мм. Характер износа торцевых поверхностей канавки поршня и первого поршневого кольца строго закономерный, а темп их износа составляет 0,053 мкм/ч для дизеля 4Ч 8,5/11 с вихревой камерой сгорания и 0,071 мкм/ч при переводе его на камеру ЦНИДИ в поршне. Факторами, оказывающими решающее влияние на указанный износ, являются: - удельное давление на пару трения, обусловленное силами давления газов и силами инерции в КШМ; - скорость скольжения в паре трения, обусловленная вынужденными радиальными перемещениями кольца в канавке при перекладке поршня в пределах диаметрального зазора, овализацией и неравномерным износом зеркала цилиндра и высокочастотной вибрацией стенки цилиндра от действия знакопеременной боковой силы при перекладке поршня; - температура в паре трения, усиливающая попадание на трущиеся поверхности продуктов коксования моторного масла с насыщением ими торцевых поверхностей канавки, что повышает их износостойкость и приводит к усиленному истиранию поверхностей поршневого кольца. Объективная оценка относительной роли каждого фактора представляет повышенный интерес. В этой связи были изучены условия работы сопряжения канавка поршня – поршневое кольцо и на этой основе разработана физическая модель трения и изнашивания торцевых поверхностей канавки и кольца, что позволило теоретически оценить роль температуры Т, равной 26 %, роль нагрузки p, равной 34 %, скорости скольжения V, равной 40 %, долговечности пары трения, принятой за 100 %. Задача сводится к поиску экспериментальных способов подтверждения достоверности указанных расчетных исследований, поэтому была осуществлена статистическая обработка результатов длительных стендовых испытаний, данных технической экспертизы и микрометража завода-изготовителя СМД, что позволило установить следующее: - долговечность сопряжения канавка поршня – первое поршневое кольцо дизеля 4Ч 8,5/11 с вихревой камерой сгорания, температурой в зоне размещения сопряжения Тз.с = 393 К, давлением сгорания pz = 7,4 МПа, частотой вращения коленчатого вала n = 25 с-1 составляет 6 000 ч; - долговечность сопряжения канавка поршня – первое поршневое кольцо дизеля 4Ч 8,5/11 с камерой в поршне Тз.с = 463 К, pz = 8 МПа и n = 25 с-1 составляет 4 500 ч; - при замене вихревой камеры сгорания на камеру в поршне давление сгорания pz повышается с 7,4 до 8 МПа, температура в зоне размещения сопряжения Тз.с увеличивается с 393 до 463 К, долговечность сопряжения снижается с 6 000 до 4 500 ч, или на 1 500 ч; - вследствие неравномерности степени сжатия по цилиндрам на 1,5 ед. , давление сгорания pz в определенных цилиндрах было меньше 7,4 МПа и не превышало 6,9 МПа. Сопряжение канавка поршня – первое поршневое кольцо поршней отдельных цилиндров, в которых давление сгорания не превышало 6,9 МПа, имело долговечность равную 8 000 ч (табл.); - температура Тз.с = 393 и 463 К меньше приведенных (473÷523 К) в [1, 2], при которых отмечается коксование моторного масла, а факт попадания на торцевые поверхности канавок поршней и колец твердых частиц продуктов коксования масла отмечается в каждой технической экспертизе, что свидетельствует о прорыве горячих газов в сопряжение; - в целях снижения Т3с с 463 до 440 К, или на 23 град, для поршней с камерой в поршне расстояние от днища до первого поршневого кольца и его канавки было увеличено с 15,76 до 26 мм и проведены испытания длительностью 1 500 ч. Результаты исследований приведены в табл. 1. Таблица 1 Долговечность сопряжения канавка поршня – первое поршневое кольцо при различных значениях pz, T и V Камера сгорания, МПаТз.с, КУдельное давление в сопряжении p, МПаСкорость скольже-ния V, м/сДолговеч-ность τ, ч, мм, ммИзнос, мкмТемп износа, мкм/ч Вихревая 6,939323,40,01180000,080,403200,04 7,439326,40,01160000,080,403200,053 7,439326,40,013235000,080,403200,091 В поршне ЦНИДИ 8,046330,00,01145000,080,403200,071 8,044030,00,01154000,080,402890,0592 8,044036,00,013230000,080,402560,0856 Сравнительный анализ данных табл. 1 показывает, что: 1. Повышение Тз.с с 393 до 463 К, т. е. на 70 град, и снижение Тз.с с 463 до 440 К позволяет соответственно сократить долговечность рассматриваемого сопряжения с = 6 000 до = 4 500 ч, или на 1 500 ч, и увеличить с 4 500 до 5 400 ч, т. е. на 900 ч. В результате среднее арифметическое изменение долговечности сопряжения оказывается на уровне 1 200 ч, что составляет 20 % от номинального значения = 6 000 ч. 2. Повышение pz с 7,4 до 8 МПа и его снижение с 7,4 до 6,9 МПа соответственно влияет на удельное давление в паре трения и приводит к сокращению долговечности сопряжения с = 6 000 ч до = 4 500 ч и к его повышению с = 6 000 ч до = 8 000 ч. В результате изменения нагрузки среднеарифметическое изменение долговечности сопряжения оказывается на уровне 1 750 ч, что составляет 27,5 % от номинального значения = 6 000 ч. 3. Повышение скорости скольжения поршневого кольца в канавке поршня с 0,011 до 0,013 м/с, отмечаемое при повышении частоты вращения коленчатого вала с 25 до 30 с-1 приводит к снижению долговечности сопряжения с = 5 400 ч до = 3 000 ч, или на 2 400 ч, что составляет 33,3 % от номинального значения = 6 000 ч. 4. У СМД 4Ч 8,5/11 отмечается неравномерность степени сжатия на 1,5 ед. (15,5÷17,0), что приводит к неравномерности максимального давления сгорания pz в пределах 6,9÷7,4 МПа и различию долговечности сопряжения канавка поршня – первое поршневое кольцо в пределах от 6 000 ч при = 17 и до 8 000 ч при = 15,5 по цилиндрам. 5. Долговечность сопряжений канавка поршня – второе и третье поршневые кольца составляет 10 500 ч. Графики зависимости долговечности сопряжения канавка поршня – первое поршневое кольцо от T, p, V и других параметров приведены на рис. 1, 2. Рис. 1. Влияние удельного давления в сопряжении первое поршневое кольцо – канавка поршня на его долговечность Представленные на рис. 1 кривые 1 и 2 отличаются тем, что первая не учитывает, а вторая учитывает 20 %-ю поправку на снижение температуры в сопряжении на 23 град. Таким образом, как показали экспериментальные исследования, совместное действие температуры Т, удельного давления p и скорости скольжения V в паре трения торцевые поверхности канавки поршня и первое поршневое кольцо изнашиваются на 80,8 %, а их износ еще на 19,2 % обусловлен совместным действием побочных факторов (рис. 2). Действием последних объясняется факт более низких значений экспериментальных данных по сравнению с теоретическими на 6,0÷6,7 %. Рис. 2. Влияние T, P, V и других побочных факторов на износ торцевых поверхностей канавки поршня и первого поршневого кольца и долговечность их сопряжения Так, экспериментально подтверждается роль температуры Тз.с на уровне 20 %, нагрузки p на уровне 27,5 % и скорости скольжения V на уровне 33,3 %. В целях экспериментального подтверждения данных теоретических исследований в части повышения коэффициента ускорения испытаний были проведены стендовые испытания СМД 4Ч 8,5/11 с вихревой камерой сгорания и частотой вращения коленчатого вала и продолжительностью 1 500 ч. Повышение частоты вращения коленчатого вала с до и до привело к росту максимального давления сгорания с 6,9 до 7,25 и 7,7 МПа соответственно при При этом расчетная скорость скольжения в сопряжении первое поршневое кольцо – канавка поршня была повышена с 0,011 до 0,0165 и 0,022 м/с. Результаты экспериментальных исследований и микрометража поршневого кольца и его канавки в поршне приведены в табл. 2. Таблица 2 Темпы износа торцевых поверхностей кольца и канавки и условия испытания СМД 4Ч 8,5/11 с вихревой камерой сгорания p, МПаТ, КV, м/сПродолжительность испытаний, чИзнос, мкмТемп износа, мкм/чРасчетная долговечность, ч 0,086,923,43930,0118 0003200,048 000 при ne = 25 c-1 0,087,2524,593930,01651 500800,056 860 при 0,087,726,113930,0221 5001010,0635 333 при Анализ данных табл. 2 показывает, что при повышении скорости скольжения с 0,011 до 0,0165 м/с, т. е. на 50 %, износ сопряжения поршневое кольцо – канавка поршня за 1 500 ч работы повышается с 60,3 до 80 мкм или на 33,3 %, а при повышении скорости скольжения на 100 % – с 0,011 до 0,022 м/с отмечается рост износа с 60,3 до 101 мкм за 1 500 ч работы, т. е. на 67 %. В результате экспериментально подтверждена роль скорости скольжения в износе сопряжения первое поршневое кольцо – канавка поршня, которая в ходе теоретических исследований оценивалась на уровне 40 % и оказалась завышенной на 6,7 %. Несовпадение данных теоретических и экспериментальных исследований, во-первых, не достигает 10 %, а во-вторых, указывает на наличие факторов, не учтенных в ходе теоретических исследований. Расчетно-экспериментальные исследования позволили установить, что путем повышения температуры Т, удельного давления p и скорости скольжения V в паре трения поршневое кольцо – канавка продолжительность стендовых испытаний СМД с целью определения долговечности указанного сопряжения можно существенно сократить проведением ускоренных испытаний. Так, повышение температуры на 23 град позволяет сократить продолжительность стендовых испытаний для определения долговечности сопряжения первое поршневое кольцо – канавка поршня СМД на 20 %, поэтому где – долговечность сопряжения первое поршневое кольцо – канавка поршня или продолжительность работы СМД до достижения предельно допустимого торцевого зазора 0,4 мм в рассматриваемом сопряжении. Повышение удельного давления p за счет повышения в пределах 6,9÷8,5 МПа позволяет сократить продолжительность стендовых испытаний для определения СМД на 27,5 %, и поэтому . Повышение скорости скольжения V за счет повышения частоты вращения коленчатого вала в пределах позволяет сократить продолжительность стендовых испытаний для определения СМД на 33,3 %, поэтому . На основании изложенного можно получить для определения продолжительности ускоренных испытаний СМД следующее выражение: (1) Согласно выражению (1): при ; при ; при ; при Таким образом, продолжительность стендовых испытаний для определения можно регулировать для СМД от наименьшего значения до наибольшего значения = 8 000 ч в зависимости от используемых, для повышения темпа износа торцевых поверхностей поршневого кольца и канавки поршня, факторов (T, p, V) и их различных сочетаний. Последнее можно обеспечить выбором значений степени сжатия ε, максимального давления , угла опережения подачи топлива, частоты вращения коленчатого вала, температуры поршня в зоне размещения поршневых колец и др. Сопоставление полученных данных с результатами теоретических исследований показывает, что их расхождение по температуре не превышает 26 – 20 = 6 %, по нагрузке – 34 – 27,5 = = 6,5 % и по скорости скольжения – 40 – 33,3 = 6,7 %. Эти значения можно рассматривать в качестве приемлемых в условиях таких экспериментов. Полученные данные позволяют целенаправленно осуществить поиск технических решений для повышения срока службы сопряжения канавка поршня – первое поршневое кольцо, на их базе можно также разработать методику сокращения объема длительных испытаний для определения долговечности рассматриваемого сопряжения путем повышения температуры, нагрузки и скорости скольжения в паре трения.
1. Брук М. А. Инженерные основы эксплуатации ДВС: учеб. пособие. – Л.: СЗЛИ, 1976. – 250 с.
2. Белов П. М., Бурячко В. Р., Акатов Е. И. Двигатели армейских машин: в 2 ч. Ч. 2. Конструкция и расчет. – М.: Воениздат, 1972. – 568 с.
