XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Аннотация: В статье рассмотрено влияние температуры, давления и скорости скольжения на износостойкость втулок цилиндров. Анализируются способы осуществления местного усиленного отвода тепла от отливки в зонах, где требуется повышение износостойкости, а также целесообразность применения технологического процесса получения центробежной отливки втулки цилиндра с заданной износостойкостью рабочей поверхности. Приведен краткий обзор технологических методов повышения надежности втулок цилиндров.

Известно, что втулка цилиндра - наиболее ответственная деталь цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), определяющей ресурс двигателя до капитального ремонта. Втулки цилиндров современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) работают в тяжелых, неравномерных по высоте условиях.

Различный износ втулки в верхней и нижней её части значительно ухудшает условия работы всех деталей ЦПГ и экономические характеристики двигателей, что приводит к увеличению расхода масла на угар в несколько раз, а удельного расхода топлива на 10-15%. В результате износа цилиндр в верхней зоне имеет больший диаметр, чем на остальной длине, и возникает просвет между кольцом и втулкой, через который газы прорываются в картер, усиливается нагрев кольца, масляная пленка срывается с поверхности трения, что приводит к ещё большему ухудшению условия работы деталей ЦПГ. Кроме того, кольца получают радиальное и окружное движение в канавках при перемещении поршня из зоны с большим диаметром в зону с меньшим и наоборот. Это движение с малой скоростью при высоких давлениях приводит к повышенным износам канавок под кольца, выходу из строя поршня и ускоренному износу втулки.

Соответственно, получение втулки цилиндра с плавно изменяющейся износостойкостью рабочей поверхности по заданному закону позволило бы в процессе эксплуатации добиться ее равномерного износа и существенно повлиять на увеличение ресурса двигателя. Кроме того, при равномерном износе цилиндра не наблюдается падение индикаторных показателей дизеля.

Для получения такой втулки необходимо выполнить ряд мероприятий:

Изучить влияние внешних условий трения и структуры на износостойкость материалов втулок цилиндров и поршневых колец дизелей;

Разработать методику расчета износа цилиндров в нормальных условиях эксплуатации в зависимости от применяемых материалов, конструктивных соотношений, индикаторных, тепловых и кинематических параметров работы двигателя. Определить влияние режимов работы двигателя на характер износа втулок цилиндров;

По полученным теоретическим эпюрам износа цилиндра разработать технологический процесс получения втулок с заданной дифференцированной износостойкостью рабочей поверхности, обеспечивающей равномерный износ в процессе эксплуатации;

Освоить промышленное получение втулок с линейной эпюрой износа;

Провести эксплуатационное испытание дизелей с упрочненными втулками и выявить технико-экономическую эффективность их использования.

Коллегами из Николаевского кораблестроительного института имени адмирала С.О. Макарова (ныне Национальный университет кораблестроения имени адмирала С.О. Макарова) износостойкие свойства чугунов для втулок цилиндров и поршневых колец судовых среднеоборотных дизелей исследовались на машине трения СМЦ-2 и четырехпостовой машине трения с возвратно-поступательным движением образцов. Влияние температурного уровня на интенсивность износа чугунов определялось с помощью специального блока поддержания заданной температуры поверхности трения образцов. Выбранная схема испытаний обеспечила равенство температур поверхности трения образцов и реальных деталей ЦПГ, а также равенство температурных градиентов.

Температура поверхности трения образцов изменялась от 308 до 573 К, причем обнаружилось, что повышение температуры до 373 К почти не влияет на интенсивность износа чугунов (рис. 1д). Дальнейшее повышение температуры образцов до 423 К приводит к резкому снижению износа чугуна за счет интенсивного образования окисных и лаковых пленок. В интервале температур 423 – 473 К интенсивность износа чугуна меняется незначительно. Повышение температуры образцов благоприятно сказывается на качестве поверхности трения, значительно снижается шероховатость и несколько уменьшается коэффициент трения [1].

Влияние скорости скольжения на износ чугунов исследовалось на специально спроектированной и изготовленной установки при торцевом трении образцов из высокопрочного чугуна по диску из серого чугуна. Скорость скольжения ступенчато изменялась от 0,3 до 10 м/с при давлении 2,1 МПа и граничной смазке. Испытывались сразу три образца, расположенные по дуге окружности в 2/3π и прижимаемые к диску с помощью специальной системы нагружения, обеспечивающей самоцентрирование образцов и одинаковое усилие прижатия. Полученная зависимость износа от скорости скольжения имеет три характерных участка (рис. 1, ж): при скорости 0,3 – 1,5 м/с интенсивность износа максимальна, в интервале 2 – 8 м/с износ стабилизируется и находится на низком уровне, при скорости выше 8 м/с интенсивность износа вновь возрастает [2]. Форма кривой классическая, и в литературе дается описание процессов, происходящих при трении в каждом диапазоне скоростей.

Рис. 1. Схема расчета износа втулки графическим путем

Влияние давления на процесс износа чугунов исследовалось при давлениях 2 – 12 МПа, граничной смазке и скорости скольжения 1 м/с. Рост давления вызывает увеличение износа образцов, но не прямо пропорционально давлению (рис. 1, г). Коэффициент трения проходит через максимум при 8 – 10 МПа. При этих же давлениях наблюдается максимальная шероховатость поверхности трения [3].

Полученные экспериментальные зависимости износа чугунов от температуры, скорости и давления подверглись статистической обработке были выражены математически в виде полинома n-й степени.

Исследовалось влияние микроструктуры и механических свойств серых чугунов на их износостойкость. Химический состав испытанных чугунов находился в пределах, %: C 3,2 – 3,4; Si 1,7 – 1,9; Mn 0,8 – 1; S до 0,5; P до 0,12; Cr 0,3 – 0,5; Ni 0,4 – 0,6; Mo 0,25 – 0,35; V 0,2 – 0,3; Ti 0,05 – 0,07; Cu 0,45 – 0,65.

Определялось влияние структуры чугуна после термообработки и литой структуры чугуна. Термообработка (нормализация, закалка с последующим отпуском) повышает механические свойства и износостойкость серого чугуна. Но лучшие результаты получаются при управлении термодинамическими процессами кристаллизации и охлаждения отливки. Принудительное охлаждение отливки в области температур перлитного превращения приводит к сильному росту механических и износостойких свойств. Увеличение скорости прохождения эвтектоидного интервала температур от 0,25 – 0,3 до 0,55 – 0,7 К/с приводит к возрастанию твердости чугуна того же состава от HB 207 до HB 241, а при скорости охлаждения 9,2 К/с твердость чугуна увеличивается до HB 380. При этом в структуре наблюдается только графит и сорбит без структурно-свободного цементита. Износостойкость чугуна увеличивается в 1,3 и 3 раза. Равновесная шероховатость, установившаяся в процессе трения, также снижается от 0,65 до 0,15 мкм, падает и коэффициент трения.

Испытаниям подвергались образцы, вырезанные непосредственно из готовых втулок цилиндров, отлитых при различных термодинамических условиях формирования. Таким образом обнаружено, что наилучшими износостойкими свойствами обладает серый чугун в литом состоянии без какой бы то ни было дополнительной упрочняющей обработки, полученный при управлении термодинамическими процессами формирования отливки.

Найденные аналитические зависимости износа чугуна от температуры, скорости скольжения и давления положены в основу методики расчета износов втулки цилиндра в нормальных условиях эксплуатации в зависимости от конструктивных соотношений, применяемых материалов, индикаторных, тепловых и кинематических параметров работы двигателя.

На рис. 1 показана схема расчета износа втулки графическим путем: на рис. 1, а – изменение давления в канавке поршня под первое компрессионное кольцо в зависимости от перемещения поршня на тактах впуска, сжатия, расширения и выпуска; на рис. 1, б – изменение температуры поверхности втулки по длине образующей цилиндра; на рис. 1, в – изменение скорости поршня в зависимости от его перемещения. Зависимости износа от давления, температура и скорости скольжения приведены на рис.1, г, д, ж.

Каждый из этих факторов воздействует на процесс износа. Если воспользоваться принципом суперпозиций, то можно построить безразмерные кривые износа втулки в зависимости только от давления, температуры и скорости скольжения. Примем постоянными температуру стенки втулки и скорость скольжения, тогда в безразмерном виде износ втулки на каждом из четырех тактов будет описываться соответствующей кривой.

На рис. 1 построена эпюра износа втулки первым компрессионным кольцом при нахождении его в точки S₁ на такте расширения. Данному положению кольца соответствуют давление p₁. По кривой рис. 1, г определяем, что при таком давлении втулка изнашивается с интенсивностью i₁, которую строим на графике рис. 1, з в зависимости от перемещения поршня S₁. Таким путем находятся все точки для всех четырех тактов рабочего цикла. Полученная зависимость будет безразмерной функцией воздействия давления трения на износ втулки цилиндра.

Аналогично получена функция воздействия температуры поверхности втулки цилиндра на её износ (рис. 1, б, д, и) и функция воздействия скорости скольжения (рис. 1, в, ж, к).

Суммарная безразмерная эпюра износа втулки находится как сумма произведений функций воздействия давления трения на каждом из четырех тактов цикла на функции воздействия скорости скольжения и температуры.

Износ втулки от действия второго, третьего и четвертого компрессионных колец определяется аналогично с учетом реального давления в канавке под соответствующее кольцо и его положения по высоте поршня. Полный износ втулки складывается из износа втулки всеми кольцами в данном цилиндре.

Требуемые аналитические зависимости могут быть получены исходя из экспериментальных данных износа от величины давления трения, скорости скольжения и температуры, а также с использованием формул для определения давления газов, скорости поршня и температуры поверхности втулки в зависимости от перемещения поршня или угла поворота коленчатого вала.

Проведенный анализ влияния режимов работы двигателя на характер износа втулок цилиндров показывает следующее:

Для каждого дизеля существует оптимальная частота вращения коленчатого вала, при которой износ втулок минимален;

Увеличение степени сжатия и максимального давления сгорания приводит к дальнейшему дифференцированию интенсивности износа втулок в верхней зоне и на остальной ее части;

Повышение степени наддува благоприятно сказывается на характере эпюры износа втулок, выравнивая её;

Повышение температуры поверхности втулки снижает интенсивность износа и положительно отражается на ресурсе деталей ЦПГ. [5]

Методика расчета износа втулок позволило получить теоретически эпюры износов цилиндров конкретно каждого типа двигателей и по ним определить параметры технологического процесса изготовления деталей с заданными износостойкими свойствами.

Переменные износостойкие свойства в отливке формируются при регулировании скоростей кристаллизации и охлаждении чугуна в отдельных точках отливки. Опробовались три варианта отливки опытных деталей изготавливались втулки цилиндров дизелей ЧН 25/34 при литье в песчано-глинисты формы, втулки цилиндров дизелей ЧН 25/34 и ЧН 26/34 при центробежной отливке, гильзы цилиндров тракторных дизелей 4Ч12/14 (СМД – 14) и 4Ч11/13 (Д – 50) при литье в накатные формы.

Рис. 2. Схема отливки втулки цилиндра дизеля ЧН25/34 в песчаной форме с принудительным охлаждением:

1 – трубчатый охлаждающий элемент; 2 – арматура; 3 – кольцо; 4 – трубки для подачи и отвода хладагента; 5 - стержень

При отливке в песчано-глинистые формы (рис. 2) местный усиленный отвод тепла от отливки в зонах, где требовалось повышение износостойкости, осуществлялся постановкой в песчаный стержень трубчатого охлаждающего элемента. Внутри трубок продувался влажный воздух. Шаг трубок рассчитывался таким образом, чтобы обеспечить требуемую скорость охлаждения отливки в каждой точке для получения заданной структуры и свойств чугуна. Отливались втулки массой 220 кг из серого чугуна СЧ 23 - 44. Твердость чугуна в зонах упрочнения повысилась на HB 30, значительно увеличилась дисперсность перлита и износостойкость возросла почти на 30% по сравнению с остальной частью втулки.

Рис. 3. Схема центробежной отливки втулок цилиндров дизелей ЧН25/34 и ЧН26/34: 1 – кокиль; 2 – изоляция; 3 – отливка; 4 – устройство для подачи хладагента

Затем в НКИ им. адм. С.О. Макарова был разработан новый технологический процесс получения центробежной отливки втулки цилиндра с заданной износостойкостью рабочей поверхности [4]. В изолированный, предварительно подогретый вращающийся кокиль заливается жидкий чугун (рис.3), затвердевание происходит под слоем жидкого синтетического шлака, что обеспечивает направленную кристаллизацию с наружной поверхности вовнутрь и удаление всех дефектов и включений в тонкий внутренний слой металла. Замедление процессов кристаллизации при применении шлака и изоляции позволяет получить в структуре графит оптимальной формы и размеров. При достижении отливкой температуры 923 – 1053 К на внутреннюю свободную поверхность отливки подается с помощью специального устройства водовоздушная смесь. Интенсивность охлаждения регулируется по длине отливки для обеспечения требуемой скорости охлаждения в каждой точке рабочей поверхности. Охлаждение прекращается после достижения отливкой температуры 623 – 723 К, то есть по завершении эвтектоидного превращения с повышенной скоростью. Затем происходит самоотпуск. Таким образом, управляя термодинамическими процессами кристаллизации и охлаждения отливки, получаем износостойкую структуру: крупные включения графита и мелкодисперсную металлическую матрицу сорбитообразного перлита. Отливались втулки для дизелей типа ЧН 25/34 и ЧН 26/34 из комплексно-легированного чугуна массой 160 и 180 кг вместо 220 – 240 кг при отливке в песчано-глинистую форму.

Твердость рабочей поверхности в зоне максимального износа увеличивается на HB 80 – 100, износостойкость чугуна возрастает в 2 раза.

Отливались так же опытные партии гильз цилиндров тракторных дизелей Д – 50; Д – 240; СМД – 14 в накатные формы. Охлаждение требуемой интенсивности достигалось специальным отражательным профилем (рис.4). Механические и износостойкие свойства гильз также значительно выросли.

Рис. 4. Схема отливки гильз цилиндров тракторных дизелей:

1 – кокиль; 2 – сменная футеровка; 3 – отливка; 4 и 5 – устройства для подачи и отвода хладагента; 6 – отражатель; 7 – выталкиватель

Проверка эксплуатационных свойств опытных деталей осуществлялась на стенде завода-изготовителя при испытании дизель-генераторной установки ДГР 500/500 с дизелем 8 ЧН 25/34 мощностью 500 кВт в течение 5000 ч. Как показали результаты, интенсивность износа опытных втулок на 40% ниже, чем серийных; износы колец также на 20 – 25 % ниже; износов канавок под поршневые кольца в поршнях из опытных цилиндров не обнаружено.

Опытные втулки проверялись на головном дизеле 6 ЧН 26/34 мощностью 800 кВт при максимальном давлении сгорания 12 – 14 МПа.

Экспериментальные гильзы дизелей Д – 50, СМД – 14 испытывались в реальных условиях эксплуатации на дорожных машинах и показали повышенную работоспособность.

В современном машиностроении используются и другие методы повышения износостойкости поверхностей трения. Одним из них является применение новых перспективных материалов, обладающих высокой механической прочностью. Так, фирма MAN уже длительное время использует для изготовления втулок цилиндров таркаллой – чугун с пластинчатым графитом, легированный фосфором и бором. Он обладает высокой износостойкостью, а его предел прочности на растяжение составляет 252 МПа. В свою очередь, японская фирма Mitsui разработала чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ).

С целью повышения долговечности пары трения «втулка – поршневое кольцо» применяется метод формирования износостойкой поверхности втулок цилиндров ДВС путем управления микрогеометрией поверхностных слоев деталей с использованием метода хонингования алмазными брусками. В результате последовательных операций чернового хонингования крупнозернистыми брусками и чистового хонингования мелкозернистыми брусками микрорельеф представляет собой чередование глубоких рисок для размещения смазки (масляных карманов) и плоских плато, увеличивающих необходимую относительную опорную длину профиля (опорную поверхность и маслоемкость поверхности), т.е. создается плосковершинный микрорельеф. Определение структуры поверхности с помощью оптического профилометра позволило установить, что глубина рисок после плосковершинного хонингования находится в пределах 5 – 6 мкм, шероховатость плоских площадок составляет 0,277 мкм, а с учетом рисок – 0,578 мкм [6]. Сформированный микрорельеф позволяет стабильно удерживать смазку на стенках цилиндров, в результате чего образуется достаточная по толщине масляная пленка, улучшается смазывание и охлаждение нагруженных деталей, минимизируются потери на трение и скорость изнашивания.

В последнее время для повышения твердости рабочих поверхностей втулок цилиндров используют мощные лазеры. Они позволяют осуществлять локальный нагрев участков внутренней поверхности втулки с регулируемой интенсивностью, при этом не требуется принудительное охлаждение нагретого участка. Таким образом, происходит поверхностная закалка чугуна.

На основании рассмотренного материала можно сделать следующие выводы:

В результате анализа проведенных исследований в качестве оптимальной упрочняющей технологии определена центробежная отливка с управляемыми процессами кристаллизации и охлаждения заготовки.

Установлено, что повышение дисперсности феррито-цементитной смеси и микротвердости повышает износостойкость серого чугуна в три раза. Максимальной износостойкостью обладает серый чугун в литом состоянии, полученный при управлении термодинамикой процесса формирования отливки. Принудительное охлаждение отливки в области температур перлитного превращения повышает износостойкость чугуна в два – три раза.

Проведенные длительные стендовые испытания дизеля 8ЧН24/34 мощность 500 кВт в течение 5 000 ч. показали повышение износостойкости втулок на 40%.

Упрочненные втулки, установленные на головном форсированном судовом дизеле 6ЧН26/34 мощностью 800 кВт при максимальном давлении сгорания 14 МПа и частоте вращения 750 об/мин, после 500 ч работы имеют износы не выше 0,01 – 0,02 мм на диаметр.

Гильзы цилиндров, отлитые по рассматриваемой технологии, испытаны на двигателях ряда дорожных машин. При этом износы опытных деталей ЦПГ после 1000 ч. работы ниже серийных на 35 – 40 %.

Наиболее широкое применение нашли следующие технологические методы повышения износостойкости и надежности втулок цилиндров: создание новых материалов, формирование оптимальных параметров макро- и микроструктуры поверхности, лазерная закалка рабочей поверхности, нанесение антифрикционных покрытий различными способами.

Список литературы:

Медведев М.А., Клименко Л.П. Исследование влияния температурного уровня деталей ЦПГ ДВС на процессы трения и износа. – Тр. НКИ им. адм. С.О. Макарова, 1978, вып. 142, с. 51-56.

Медведев М.А., Клименко Л.П. Исследование влияния скорости скольжения на износ чугунов для цилиндров ДВС. – Тр. НКИ им. адм. С.О. Макарова, 1979, вып. 155, с. 92-96.

Медведев М.А., Клименко Л.П. Исследование влияния удельной нагрузки на процесс износа при трении чугунов для втулки цилиндров и поршневых колец среднеоборотных дизелей. – Тр. НКИ им. адм. С.О. Макарова, 1978, вып. 142, с. 48-51.

А.с. 715214. Способ центробежной отливки / М.А. Медведев, Л.П. Клименко и др. – Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки, 1980, №6, с. 40.

Медведев М.А., Клименко Л.П. Новая технология отливки втулок цилиндров ДВС с заданными свойствами // Двигателестроение, 1981, вып. 12, с. 39-42.

Леонтьев Л.Б., Леонтьев А.Л., Погодаев А.В. Повышение надежности втулок цилиндров судовых дизелей // Вестник инженерной школы ДВФУ, 2018, №3 (36).

Код для цитирования: Скопировать