автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение работоспособности газового стыка дизелей с воздушным охлаждением

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Объект исследования.

1.2. Условия работы и причины снижения герметичности газового стыка.

1.3. Обзор, классификация и выбор конструкции соединения "головка-цилиндр" и уплотнения газового стыка дизеля с воздушным охлаждением.

1.4. Обзор и анализ методов расчета уплотнений.

1.5. Выводы и постановка задачи исследования.

2. РАСЧЕГНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГАЗОВОГО СТЫКА ДИЗЕЛЯ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ.

2.1. Выбор показателей технического состояния газового стыка и соединения "головка-цилиндр".

2.2. Определение допустимой величины утечки через газовый стык дизеля с воздушным охлаждением.

2.3. Методика расчета герметичности металл-металлических уплотнений.

2.3.1. Теоретические основы герметичности и выбор модели.

2.3.2. Исходные уравнения для расчета утечки и принятые допущения.

2.3.3. Определение высоты пористого слоя уплотнения.

2.3.4. Определение проницаемости металлметаллических уплотнений.

2.4. Выбор факторов, влияющих на работоспособность газового стыка.

2.4.1. Влияние силовых факторов на работоспособность стыка и соединения "головка-цилиндр".

2.4.2. Влияние тепловых факторов и коррозионно-механического износа на работоспособность газового стыка.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И

МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Описание безмоторной установки.

3.2. Описание моторной установки.

3.3. Описание приспособления и методика неплоскостности уплотняющих поверхностей и усилия затяжки анкерных шпилек.

3.4. Методика определения влияния утечки газа через стык на показатели дизеля 4 ЧН 10,5/12.

3.5. Описание оборудования и методика исследования топографии поверхности и стыка.

3.6. Методика исследования герметичности металл-металлических уплотнений.

3.7. Методика ускоренных стендовых испытаний газового стыка.

3.8. Методика определения влияния коррозионно-механического износа уплотняющих поверхностей газового стыка на его работоспособность.

3.9. Исследование совместного влияния основных факторов на работоспособность газового стыка.

ЗЛО. Оценка погрешностей измерений и обработки экспериментальных данных.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Исследование топографии уплотнительных поверхностей.

4.2. Экспериментальное определение параметров соединения "головка-цилиндр".

4.3. Экспериментальное исследование герметичности металл-металлических уплотнений.

4.4. Результаты исследования факторов,влияющих на работоспособность газового стыка.

5. КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ, НАПРАВЛЕННЫЕ НА ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

ГАЗОВОГО СТЫКА ДИЗЕЛЯ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ.

5.1. Снижение теплового состояния газового стыка дизеля путем применения теплоизолирующих покрытий.

5.2. Снижение теплового состояния зоны газового стыка путем применения биметаллических цилиндров.

5.3. Снижение теплового состояния зоны газового стыка путем рационального использования охлаждающего воздуха.

5.4. Повышение работоспособности газового стыка дизеля поверхностно-пластическим деформированием уплотнительных поверхностей.

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981-1985 г.г. и на период до 1990 года, принятыми ХХУ1 съездом КПСС, предусматривается дальнейшее увеличение производства и расширение области применения дизелей. Особое внимание уделено повышению надежности, технического уровня и качества, снижению трудоемкости производства, ремонта и обслуживания двигателей внутреннего сгорания.

К числу важнейших элементов дизеля, определяющих его надежность и технико-экономические показатели, относятся уплотнения и, в первую очередь, уплотнение соединения "головка-цилиндр" (газовый стык).

При создании новых конструкций и форсировании серийно выпускаемых дизелей, требования, предъявляемые к уплотнению газового стыка, значительно возрастают.

Разработка и исследование герметизирующих устройств, обеспечивающих надежную работу стыков при воздействии различных факторов: высоких давлений и температур, вибрации, деформации уплотни-тельных поверхностей и др.- является в настоящее время важной задачей, о чем свидетельствуют систематически проводимые в Дрездене (ГДР) международные конференции по уплотнениям, а также конференции по уплотнительной технике, организуемые Британской ассоциацией инженеров-гидравликов [1,2] . По мнению ряда исследователей, сейчас уже можно говорить о том, что сформировалась самостоятельная область знаний - герметология, изучающая механизм герметизации, закономерности работы, особенности конструирования и другие вопросы, связанные с обеспечением герметичности соединений.

Вопросами разработки и исследования уплотнений газового стыка двигателей внутреннего сгорания занимаются практически все моторостроительные предприятия и исследовательские организации как в СССР, так и за рубежом. Необходимость проведения этих работ обусловлена значительным числом отказов, происходящих из-за нарушения герметичности соединения "головка-цилиндр". Так, анализ, проведенный исследователями ГДР [з] по дизелю 12 ДН 23/30 (14 Д 40), выявил, что 48,9% отказов комплекта "втулка-головка" является следствием нарушения уплотнения газового стыка.

По данным Государственного научно-исследовательского тракторного института (НАТИ) 18% прокладок двигателей Алтайского, Минского и Харьковского заводов выходят из строя при средней наработке 800-900 часов [4]. Результаты, полученные Японскими специалистами, показали, что число отказов тепловозных и автомобильных дизелей из-за выхода из строя газового стыка достигает 35-40% [5] .

Приведенные цифры говорят о том, что проблема уплотнения газового стыка далеко не решена, при этом единое конструктивное решение, пригодное для всех двигателей вряд ли возможно, и, следовательно, уплотнение должно разрабатываться для каждого отдельного случая.

Сложность решения проблемы обеспечения необходимой герметичности газового стыка на всем периоде эксплуатации дизеля заключается в том, что уплотнение является лишь элементом силового узла, включающего цилиндр, головку и детали крепления, от конструкции которых зависят условия работы, а, следовательно, и надежность уплотнения.

Недостаточность, и в ряде случаев противоречивость имеющихся по данному вопросу сведений затрудняет выбор, разработку и доводку конструкции соединения "головка-цилиндр" и его уплотнения.

Целью настоящей работы является определение путей и средств повышения работоспособности газового стыка дизеля с воздушным охлаждением.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1. Исследование механизма герметизации и уточнение методики расчета металл-металлических уплотнений.

2. Выявление причин снижения герметичности газового стыка.

3. Обоснование, выбор и расчетно-экспериментальное исследование основных факторов, влияющих на работоспособность газового стыка дизеля с воздушным охлаждением.

4. Разработка конструктивных и технологических мероприятий, направленных на повышение работоспособности газового стыка дизеля с воздушным охлаждением.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Результаты исследования влияния 6а и Кр на работоспособность газового стыка приведены в разделе 3.

2.4.2. Влияние тепловых факторов и коррозионно-механичес-кого износа на работоспособность газового стыка

Влияние тепловых факторов,характеризуемых Тто/г и Л 7~, на работоспособность газового стыка определяется через механические свойства материалов уплотняющих поверхностей, что иллюстрируется зависимостями (2.42) и (2.43).

Имеющиеся в литературе значения предельно допустимых температур уплотнений отличаются большим разбросом, достигающим 100% (табл. 2.1).

1. Данных по влиянию неравномерности температур по периметру стыка на его работоспособность в литературе не найдено.

2. Таким образом, оценка влияния и определение предельно допустимой температуры конкретного уплотнения может выполняться только экспериментально на основе выбранных показателей работоспособности и с учетом других действующих факторов.

3. Имеются сведения о положительном влиянии катодной защиты на работоспособность газового стыка. Следует отметить, что большинство уплотнений зарубежных фирм имеют защитные покрытия, включая покрытия из благородных металлов зо. .

4. Несмотря на это, разработаны П,30. достаточно эффективные средства защиты от многих видов коррозии.

5. Практический интерес представляет количественная оценка совместного влияния всех видов коррозии на работоспособность газового стыка дизеля с воздушным охлаждением.

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

7. Описание безмоторной установки

8. Для исследования различных конструкций соединений "головка-цилиндр" и уплотнений газового стыка спроектирована и изготовлена безмоторная установка, принципиальная схема и внешний вид которой представлены на рис. 3.1.

9. Осевая и радиальная деформация цилиндра фиксируется индикаторами, установленными на стойках II и подвижной горизонтальной плите 13.

10. Деформация шпилек определяется с помощью тензодатчиков 18, наклеенных на стержневой части, и дублируется индикаторами 5,

11. Рис.3.2. Внешний вид установки для тарировкитензодатчиков на шпильках и цилиндрах

12. Рис. 3.3. Внешний вид установки для исследования герметичности газового стыка

13. Образующийся жидкий поршень под действием выходящего через стык газа перемещается по мерному участку трубки. Фиксируя время прохождения поршнем мерного участка, определяется расход газа.

14. Описание моторной установки

15. Замер утечек газа через стык производится так же, как и при безмоторных испытаниях.

16. Для динамических испытаний применяется четырехканальный усилитель ТА-5 и шлейфовый осциллограф Н-П5. При записи используются гальванометры типа М004-2,5 с собственной частотой 2500 Гц.

17. На шпильках устанавливаются 4 термопары по высоте.

18. Рис.3,5. Схема расположения термопар в головке- 83

19. Описание приспособления и методика замера неплоскостности уплотняющих поверхностей и усилия затяжки анкерных шпилек

20. Замер неплоскостности уплотняющих поверхностей производится методом сличения с эталонной плоскостью.

21. Для определения стабильности затяжки необходимо знать первоначальную величину затяжки и текущее значение .

22. Методика определения влияния утечки газачерез стык на показатели дизеля 4ЧН 10,5/12

23. Определение влияния утечки через газовый стык на мощностные и экономические показатели дизеля, а также на тепловое состояние стыка выполняется на моторной установке.

24. Пуск производится на частотах вращения 120 мин""^ и 100 мин-^ при температуре окружающей среды 10°С и -10°С.

25. Описание оборудования и методика исследования топографии поверхности и стыка

26. Методы исследования микротопографии можно разделить на локальные, если исследуется каждый элемент поверхности,и интегральные, дающие только общие характеристики микротопографии 144.

27. Методы первой группы весьма трудоемки, а методы второй -дают мало сведений о количественных параметрах шероховатости поверхности .

28. Исследуется участок поверхности размером 0,5 х 0,5 мм с шагом 5 мкм, что на порядок больше среднего шага неровностей. Винт продольной подачи позволяет возвращать образец в исходное положение без возврата иглодержателя.

29. Построение топографической карты поверхности производится следующим образом.

30. С исследуемого участка поверхности снимается серия профило-грамм с шагом 5 мкм. Далее, с каждой профилограммы через 0,5 мм определяется высота микронеровностей с точностью 0,1 мм и запи

31. Ячейки имеют горизонтальную и вертикальную нумерацию. Аналогичным образом получают таблицу высот другой контактирующей поверхности.

32. После получения таблицы планиметрированием определяется площадь блокированных зон и глухих каналов Л т . Коэффициент, связывающий величину общей (/7 ) и активной пористости (Па. ), находится из выражения (2.38).

33. Методика исследования герметичности металл-металлических уплотнений Исследования герметичности металл-металлических уплотнений проводятся на безмоторной установке, описание и внешний вид которой приведены в разделе 3.1.

34. Кроме того, установка позволяет замерять давление газа по радиусу уплотнения.

35. После окончания цикла нагружения внутренним давлением изменяют усилие затяжки и проводят следующий цикл с замером утечки.

36. По полученным результатам строятся графические зависимости

37. Q Ч(Р*) > Q = f(R*); О = {(рупл).

38. Для определения коэффициента жесткости исследуемой детали необходимо замерить её деформацию в зависимости от усилия затяжки. Испытания проводят на гидравлической машине МУП-50.

39. Одновременно с определением деформаций шпилек и цилиндра выполняют тарировку установленных на них тензодатчиков.

40. После замера деформаций отдельных деталей и определения их коэффициентов жесткости собираются 5 комплектов соединений с различным отношением С,/Сг .

41. Давление газа на входе из-за незначительности входных потерь 1112. принимается равным давлению в цилиндре Pz .

42. Для компенсации уменьшения уплотняющего давления на стыке из-за возрастания площади контактирующих поверхностей усилие затяжки увеличивается и соответственно ширине пояска равно: 120 кН, 171 кН, 224 кН, 278 кН.

43. Испытания проводятся при давлении воздуха 12 МПа, 10 МПа, 8 МПа и б МПа.

44. При проведении исследований герметичности уплотнений температура воздуха в цилиндре и деталей соединения контролируется термопарами и поддерживается в пределах 18°- 22°С.

45. Одновременно с исследованием герметичности газового стыка производится замер монтажных деформаций цилиндра и головки.

46. Рис.3.8. Внешний вид установки для исследования соединений "головка-цилиндр"

47. Деформация головки определяется по показаниям 9-и индикаторов, установленных на ее верхней плите.

48. Методика ускоренных стендовых испытанийгазового стыка

49. Разработка методики ускоренных стендовых испытаний на надежность газового стыка состоит из нескольких этапов. На первом этапе проводится анализ причин снижения плотности газового стыка.

50. На третьем этапе определяются режимы и условия работы дизеля.

51. Рис. 3.9. Режимы работы дизеля по 30-и минутному циклу и интенсивность изменения неплоскостности за 80 циклов

52. На заключительном четвертом этапе определяется коэффициент ускорения испытаний:зл)где^- продолжительность эксплуатационных испытаний; Ту- продолжительность ускоренных испытаний.

53. Таким образом, коэффициент ускорения может быть принят равным 20.

54. Последующие замеры массы кольца производятся через каждые 100 часов работы дизеля.

55. Установка кольца выполняется в строго фиксированном положении, для чего на днише головки и наружном торце кольца делаются соответствующие метки.

56. Исследование совместного влияния основныхфакторов на работоспособность газового стыка (планирование эксперимента)

57. В настоящее время методам математического планирования уделяется большое внимание в различных областях техники, о чем сви-детельстует значительное количество работ, посвященных этому вопросу 158, 159, 160, 161, 162, 163. .

58. Ниже рассматриваются методические аспекты построения математической модели изменения &Н , а также вопросы практического применения полученных моделей для прогнозирования ресурса газового стыка дизеля и определения путей повышения его работоспособности.

59. Построение математической модели

60. Общая схема применения математического планирования эксперимента в условиях моторных испытаний работоспособности газового стыка дизеля имеет следующий вид:

61. Исследуемый газовый стык представляется в виде модели "черного ящика", при этом выделяется группа управляемых параметров, именуемых в дальнейшем "факторами", и одним или несколькими выходными параметрами, называемыми "откликами".

62. В качестве откликов в данных исследованиях приняты ранее выбранные показатели работоспособности газового стыка, а именно: величина относительной неплоскостности уплотняющих поверхностей Д ^ и коэффициент стабильности затяжки Кст •

63. Исследования проводятся по разработанной методике ускоренных испытаний.

64. На основании предварительных исследований выбирается вид функциональной зависимости показателей работоспособности от значений выбранных факторов. Правильность выбора проверяется по оценке адекватности выбранной модели после завершения экспериментов.

65. Выбирается план эксперимента, в соответствии с которым строится таблица значений исследуемых факторов.

66. После проведения экспериментов на двигателе и получения результатов по методике,изложенной в работе l59j , вычисляются коэффициенты математической модели.

67. Проверяется адекватность полученной модели с помощью критерия Фишера £ 159.

68. Определяется доверительный интервал для полученных коэффициентов.

69. При выполнении условия (3.4) коэффициент Cti считается значимым, отличающимся от нуля, в противном случае им можно пренебречь. Коэффициенты й0 для модели всегда значимы.

70. ЗЛО. Оценка погрешностей измерений и обработки экспериментальных данных

71. При определении величины погрешностей измерений и обработки экспериментальных данных были использованы рекомендации, изложенные в работах 161, 178. и Г0СТ-18509-80.

72. Относительная погрешность результатов косвенных измерений вычисляется по предельным относительным погрешностям каждого прямого измерения величин, входящих в косвенное измерение.

73. Значения относительных среднеквадратичных ошибок остальных измеряемых величин приведены в табл. 3.1.