автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка и исследование методов оптимизации тепловых процессов в цилиндре шлюпочного дизеля

¿3 ' • ■ ^ ' •* " МИНИСТЕРСТВО экономики РОССИЙКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ДИЗЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

АБАЧАРАЕВ ИБРАГИМ МУСАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРЕ ШЛЮПОЧНОГО ДИЗЕЛЯ

05.04.02. - Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Институте физики Дагестанского научного центра Российской Академии Наук

Научный руководитель — к.т.н., доцент Дорохов Александр

Федорович.

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор

Тузов Леонид Васильевич — кандидат технических наук, с.н.с. Кулик Александр Яковлевич

Ведущая организация — АООТ «Дагдизель»

Защита состоится «27» мая 1998 года в 10-00 часов в ауд._на

заседании Диссертационного совета К 134.02.01 в Центральном научно-исследовательском дизельном Институте по адресу: г.Санкт-Петербург, Московское шоссе, 25, корпус 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИДИ.

Автореферат разослан «27» апреля 1998 г.

Ученый секретарь Совета, к.т.н.

Петраков Г.В.

1 Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Необходимость создания специальных двигателей для спасательных средств коллективного спасения экипажей судов (шлюпок, катеров) обуславливается специфичностью требований, предъявляемых к их эксплуатационным качествам.

Это связано с требованиями международной конвенции по спасению человеческой жизни на море (СОЛАС) по максимально возможному упрощению конструкции двигателей (и систем охлаждения в частности) с использованием забортной воды в качестве теплоносителя.

В этой связи для обеспечения условий невыпадения солей в системе охлаждения процесс осуществляется в режиме "холодного" цилиндра (температура воды на выходе не более 55°С), который предопределяет повышенный удельный расход топлива для дизеля с камерой сгорания в поршне.

Ввиду низкой температуры стенки цилиндра, способствующей интенсификации износа деталей цилиндро-поршневой группы, дизель имеет малый ресурс работы до первой переборки (500

ч).

Важное практическое значение приобретает также проблема снижения удельного расхода топлива (что позволит увеличить дальность плавания шлюпки или уменьшить запас топлива в пользу полезных грузов).

Цель работы.

Исследование конструкторско-технологических методов с целью оптимизации тепловых процессов в цилиндре шлюпочного дизеля по удельному расходу топлива и ресурсу работы.

Одним из направлений решения этой проблемы может стать термоизоляция рабочего цилиндра в такой степени, которая позволила бы привести условия протекания рабочего процесса в цилиндре к более оптимальному по тепловому режиму.

Научная новизна.

В данной работе решена задача повышения технико-экономических и эксплуатационных характеристик шлюпочного дизеля "Каспий-40" (4 ЧС 119,5/11) за счет частичной термоизоляции втулки цилиндра путем нанесения на охлаждаемую поверхность термоизоляционного плазменного покрытия оптимального состава.

Экспериментально изучена и разработана математическая

модель теплопередачи через втулку цилиндра в охлажденную среду для штатной и модернизованной втулки. На базе этих исследований разработана оптимальная конструкция втулки цилиндра с дискретным теплоизоляционным покрытием.

Исследовала теплопроводность плазменных покрытий систем МеО—Ме и установлено, что наименьшую теплопроводность имеет покрытие ,2Гг02 + 7%Тг, которое может быть использовано в качестве термоизолятора для втулок цилиндров рассматриваемых дизелей.

Показано, что теплоизоляционное покрытие указанного состава способствует поддержанию внутри цилиндра теплового режима, соответствующего "горячему" двигателю, а в системе охлаждения — параметров "холодного" дизеля, что значительно улучшает его эксплуатационные показатели.

На базе проведенных исследований разработана и апробирована технология нанесения теплоизолирующих покрытий плазменным способом, оптимизированы параметры напыления и технология обработки.

Предложенная технология реализована в АООТ "Дагди-зель".

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований доложены в 1989—1997 годах на российских и международных конференциях, симпозиумах и семинарах. Дизели с опытными втулками прошли промышленное испытание.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 6 работ в центральных периодических изданиях и тематических сборниках, получено 3 патента.

Автор защищает:

— концепцию и технологию формирования теплоизолирующих покрытий на водоохлаждаемой поверхности втулки цилиндра шлюпочных дизелей с целью улучшения их эксплуатационных характеристик;

— новую конструкцию втулки цилиндра с теплозащитными покрытиями и методику расчета параметров дискретного термоизолирующего покрытия;

— результаты теоретических и экспериментальных исследований по оптимизации состава теплозащитных покрытий и технологию их нанесения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных

литературных источников и приложения. Содержит_страниц

машинописного текста,_рисунка,_таблиц, ссылки на 110 литературных источников,_страниц приложения.

2 Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы основные цели и направления их решения. Кратко приведены предложения автора в решении проблемы.

В первой главе показано, что особенность и специфичность условий эксплуатации спасательных шлюпок и катеров обуславливает комплекс специальных требований, предъявляемых к пусковым и рабочим характеристикам их двигателей.

В частности, так как невозможно прогнозировать и гарантировать время оказания внешней помощи судам, терпящим бедствие на море, дизели спасательных шлюпок должны выдерживать 24-30 часов непрерывной работы, а также иметь низкий удельный расход топлива и масла, малые габаритные размеры и удельную массу.

Тепловое состояние шлюпочного дизеля, являющегося основным показателем его пусковой надежности, в основном определяется внешними условиями работы и величиной температуры воды на выходе, которая должна быть в пределах

Предварительными исследованиями установлено, что общее количество теплоты, отводимое через цилиндровую втулку рассматриваемых дизелей, практически одинаково и составляет около 3000 Вт. для "горячего" и "холодного" двигателей, однако, у первого через втулку отводится до 85... 87% от общего количества теплоты, уносимого охлаждающей водой, а у второго — этот показатель составляет около 50%.

Распределение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в двигателе, на отдельные составляющие (полезно используемую теплоту и различные виды потерь), получившее название теплового баланса, позволяет определить степень совершенства теплоиспользования, наметить пути улучшения показателей работы двигателя и рассчитать систему охлаждения.

Уравнение теплового баланса для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) имеет вид

Я = Яе + Я«+Яг + Я* + Яо ш, (1)

где: С} — теплота сгорания израсходованного топлива; — теплота эквивалентная эффективной работе двигателя; Я в — теплота, отводимая от двигателя охлаждающей средой; Яг — теплота, отводимая с газами; 0,ж — теплота, отводимая смазочным маслом; Я ост — теплота, отводимая в результате лучистого и конвективного теплообмена частей двигателя с окружающей средой.

Средние значения отдельных составляющих этого уравнения приведены в таблице 1, откуда видно, что 52 ... 78% от всей располагаемой теплоты, приходится на тепловые потери Яг и <2е и это предопределяет преимущественное развитие работ, направленных на снижение тепловых потерь в ДВС.

Таб. 1: Значения составляющих внешнего теплового баланса двигателей раз-

Двигатели Яе Яе Яг Ям Яост

Карбюраторные 22-29 20-35 30-35 3-8 3-8

Дизели без наддува 29-42 20-35 25-45 2-4 2-7

Роторно-поршяевые машины 13-23 18-30 30-52 1-3 2-4

Долю теплоты, отводимой с охладителем, можно снизить повышая его температуру. Установлено, что увеличение температуры охладителя на каждые 10°С приводит к снижению доли отводимой теплоты на 3—4%. Это способствует повышению механического КПД двигателя в результате увеличения температуры масла на стенках цилиндра и уменьшения потерь на трение.

При ограничении теплоотвода в системе охлаждения ДВС и с отработанными газами за счет применения керамических теплозащитных покрытий (ТЗП) необходимо прежде всего решить проблему оптимизации состава и толщины покрытий.

Теплозащитные свойства керамических покрытий и их эксплуатационная надежность существенно зависят от толщины покрытий. Например, по теплоизоляционной способности оптимальными являются керамические покрытия толщиной 2,5 мм, но долговечность их резко падает при толщинах более 1 мм. Это прежде

всего связывают с возникновением внутренних напряжений, образованием трещин в слое.

Установлено, что тонкие покрытия (<1,0 мм) отслаиваются после 5000-6000 циклов, а толстые (> 2,0 мм) — после 100-300 циклов.

К керамическим материалам, применяемым в качестве теплозащитных покрытий, предъявляются следующие требования:

— керамическая облицовка не должна разрушаться от теплового удара;

— керамика должна сочетать низкую теплопроводность, малое рассеивание теплоты и термостойкость;

— покрытие не должно отслаиваться при длительной эксплуатации.

Основными недостатками керамических деталей и покрытий на основе керамики является высокая чувствительность к концентраторам напряжений. При наличии в покрытии канавок или рисок уровень напряжений в конструкции резко возрастает.

В качестве теплоизолятора для деталей ДВС в отечественном и зарубежном двигателестроении получили распространение следующие материалы (табл. 2).

Таб. 2: Некоторые материалы, применяемые в качестве теплозащитных покрытий деталей ДВС._

Материал Модуль упругости, ГПа Коэффициент терм. расширения, хЮ-10С Прочност на изгиб, МПа ьПрочность на сжатие, МПа

А12ТЮ5 13,8 2,0 16,0 270

гг02 20,7 10,8 1550 6200

МдО 158 10,8 186 760

А1203 103 7,4 80 345

Как видно из таблицы 2, титанат алюминия имеет низкую прочность, поэтому его нецелесообразно применять для нанесения покрытий на металлическую поверхность. Двуокись циркония обладает достаточной прочностью и может быть применена для цельнометаллических деталей.

Для деталей, испытавших знакопеременные нагрузки, рекомендуется применять магниево-алюминиевый сшшкат, обладающий сравнительно невысокой прочностью, но очень высокой термостойкостью.

Анализ имеющихся сведений по температурному состоянию втулок цилиндров малоразмерных дизелей показал отсутствие данных расчетов и практического термометрирования для решения задачи создания системы термоизоляции деталей, формирующих водяную рубашку дизелей.

Сведения по снижению тепловых потерь в охлаждающую среду за счет нанесения на водоохлаждаемую поверхность втулок цилиндров малоразмерных дизелей также ограничены, а по шлюпочным дизелям такие исследования ранее не проводились.

Для решения проблемы оптимизации тепловых процессов цилиндровой втулки шлюпочного дизеля путем нанесения термоизоляционных покрытий на водоохлаждаемую поверхность, в работе сформулированы следующие задачи:

— выполнить математическое моделирование теплового состояния втулки цилиндра при различных условиях охлаждения;

— разработать методику термометрирования цилиндровой втулки и произвести термометрирование по высоте и периметру;

— на базе данных теоретических и экспериментальных исследований температурного состояния цилиндровой втулки разработать принцип (концепцию) термоизоляции водоохлаждаемой поверхности;

— разработать конструкцию и технологию механической обработки втулки цилиндра шлюпочных дизелей с теплоизолирующими покрытиями;

— исследовать теплопроводность плазменных покрытий системы Ме — МеО и определить наиболее оптимальные составы покрытий по теплоизолирующей способности;

— разработать технологию нанесения теплозащитных покрытий на водоохлаждаемую поверхность втулок цилиндров и оптимизировать параметры технологического процесса;

— обобщить результаты теоретических и экспериментальных исследований и на их основе составить рекомендации для промышленного применения новых конструкторско-технологических решений.

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию теплового состояния втулки цилиндра шлюпочного дизеля.

Для успешного решения задачи снижения теплоотдачи в системе охлаждения дизеля необходимо прежде всего иметь полное представление о его тепловом состоянии. Для решения этой задачи в работе выполнено исследование температурного состояния втулки цилиндра дизелей 4ч СП 9,5/11 методами математического моделирования и экспериментальными.

В основу математической модели положено уравнение стационарной теплопроводности в цилиндре при осесимметричном распределении температур.

Сопоставление данных термометрирования позволило определить граничные условия для математической модели.

В основу модели положено уравнение Лапласа в цилиндрических координатах

дЧ г т дЧ п

+ + = 0 (2)

Для установления граничных условий тело втулки цилиндра условно разбито на характерные участки, как это показано на рис. 1. Размеры цилиндра даны в условном масштабе 1:10, участки поверхности втулки проиндексированы цифрами от 1 до 9. Задача определения температур по сечению решалась в смешанных граничных условиях 1 и 2 рода.

Результаты термометрирования позволили составить уравнение в граничных условиях 3-10, что представляет собой математическую модель температурного состояния по телу цилиндровой втулки.

Для реализации предложенной математической модели была составлена программа, которая в первой части решает задачу определения температур по сечению втулки, во второй части рассчитываются температурные градиенты в тех же сечениях, а решение третьей части дает значения локальных тепловых потоков на поверхности охлаждения втулки.

Анализ выполненных исследований по определению теплового состояния дизеля позволяет сделать следующие выводы:

— общее количество теплоты, отведенной в охлаждение, составляет 29,6% или 184805 т;

— количество теплоты, переданной в систему охлаждения водоомываемой поверхностью втулки, составляет 67% (31005т) от общего количества теплоты, отведенной в охлаждение.

Эти расчеты хорошо согласуются с проведенными в последствии экспериментальными исследованиями.

Для натурного изучения теплового состояния цилиндровой втулки на тепловоспринимающей поверхности, поверхности охлаждения и на посадочных поясах было проведено термометри-рование с установкой 40 хромель-алюминиевых (ХА) и хромель-копелевых (ХК) термопар.

Хромель-алюминиевые термопары (24 шт) установлены по шести поясам в двух взаимоперпендикулярных направлениях: в плоскости оси вращения коленвала и в плоскости качения шатуна. Термопары вмонтированы в препарированную деталь на глубину 1 мм от тепловоспринимающей поверхности (ТВП).

Хромель-копелевые термопары (16 шт) были приварены конденсаторной сваркой непосредственно к наружной поверхности втулки.

Регистрацию и запись показаний термопар производили с помощью электронных автоматических приборов ЭПР-09, ЭПП-09, КСП-4.

Для определения действительной картины распределения теплоты по статьям теплового баланса для дизелей 4ч СП 8,5/11 были проведены обширные теплобалансовые испытания этих дизелей при температуре воды на выходе из блока цилиндров 76° и 55°С.

Установлено, что температура охлаждающей воды в дизеле существенно изменяет соотношение составляющих теплового баланса по величине теплоты, отведенной в воду и с отработанными газами. Например, для условий Ьохл = 76°С и = 55°С значения Я» и Яг составляют 33,33 и 21,6% от Ят (для Яв) и 24,53 и 40,9% от Я (для Яг) соответственно.

Эти данные подтверждают правильность выбранного направления исследований по увеличению эффективности работы дизеля за счет теплоизоляции водоомываемой поверхности цилиндровой втулки и переводе двигателя на режим работы с 10ХЛ —

55°С, что позволит почти в 1,5 раза повысить эффективность использования теплоты сгорания топлива. Это эквивалентно повышению мощности двигателя, при том же объеме камеры сгорания, или равнозначно экономии топлива для совершения той же полезной работы.

Проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований по изучению теплового состояния втулок цилиндров шлюпочных дизелей, с построением математической модели распределения тепловых потоков и температур по высоте и объему втулки при режимах "холодного" и "горячего" двигателей позволило установить общее количество теплоты, отведенное в систему охлаждения, которое составляет 29,6%. Количество теплоты, отведенное от водоохлаждаемой поверхности втулки, составляет 67 % от всего количества отводимого тепла.

Для поддержания внутри цилиндра режима соответствующего "горячему" двигателю, а в системе охлаждения — параметров, соответствующих "холодному" двигателю, необходимо создать теплоизоляционное покрытие, экранирующее 67% водоохлаждаемой поверхности втулки цилиндров.

Третья глава посвящена разработке оптимальной конструкции втулки цилиндра дизелей, расчету и проектированию технологического процесса нанесения теплозащитного покрытия.

Исходя из того, что коэффициент линейного расширения чугуна выше, чем у термоизоляционного покрытия, априорно можно сказать, что сплошное теплозащитное покрытие на втулке не будет эксплуатационно надежным, из-за разрушения под действием растягивающих напряжений при нагреве втулки в процессе работы двигателя. Следовательно, если не принять специальных мер, или не изменить конструкцию системы втулка-покрытие, то добиться надежной теплозащиты не удастся.

Известны конструкции цилиндровых втулок крупных дизелей с термоизоляционным слоем на теплоотводящей поверхности, обеспечивающие уменьшение теплоотвода в охлаждение через цилиндровую втулку (гуммирование, оребрение, утолщение стенок втулки и др.). Однако, такие конструктивные и технологические решения неприемлемы для малоразмерных быстроходных дизелей. Это связано с необходимостью увеличения наружных диаметров цилиндра, не вписывающихся в габариты блок-картера.

При занижении наружных диаметров втулки под покрытие на величину его толщины, уменьшается ее жесткость, что приводит к интенсификации навигационных процессов в зарубашечном пространстве дизеля и повышает степень разрушения его элементов и в первую очередь самой втулки.

Поэтому решение нашей задачи сводится к созданию конструкции цилиндровой втулки обладающей жесткостью, не уступающей базовой, и с теплозащитным покрытием, обеспечивающим внутри цилиндра оптимальные условия для протекания рабочего процесса, снаружи — температурный режим теплоносителя, препятствующего выпадению солей в зарубашечном пространстве дизеля.

При решении этой задачи нами предложен новый вариант конструкции цилиндровой втулки, которая отличается от базовой следующими принципиальными новшевствами:

— для сохранения покрытия в процессе эксплуатации и избежания трещин при его нанесении, покрытие делается дискретным с закономерным (ленточным, шахматным) распределением по периметру и высоте втулки;

— для размещения теплозащитного покрытия на водоохлаж-даемой поверхности втулки выфрезеровываются канавки (пазы) сегментного строения с определенной глубиной.

Предлагаемое решение поясняется рисунком 2, на котором показаны продольное и поперечное сечение (а) цилиндровой втулки в виде кольцевых секторов (1) или сегментов (2), продольное сечение втулки с прерывистыми термоизоляциоными экранами (б) по образующей цилиндра на поверхности охлаждения и термоизоляционными экранами, расположенными в шахматном порядке (в).

Втулки предлагаемой конструкции были изготовлены для малоразмерного судового дизеля 4ч СП 9,5/11 и испытаны в варианте шлюпочного (<01Л = 55°С) и судового вспомогательного (^охл — 76° • • • 78°С) дизелей. Проведены также исследования теп-лообменных характеристик указанных дизелей.

В качестве термоизолятора были использованы окисные тугоплавкие малопроводные порошки (А^Оз, -2>02), наносимые плазменным напылением. Размеры пазов, их количество и интервалы распределения на водоохлаждаемой поверхности втулки,

Рис. 2:

а также составы оптимальных защитных покрытий определены расчетным путем и экспериментально.

Расчет теплозащитного покрытия проводили, основываясь на формуле Фурье

№-г2) ,,

4 О.бАЬ^/^-ЬО^Мт*! 4 ^

При допущении, что соотношение ¿^¡¿ъ < 2 (на самом деле это имеет место, так как ¿±¡¿1 = 106,7/95 = 1,12), погрешность измерения не превышает 4%. Тогда расчет можно производить по упрощенной формуле

+ Й (4>

где: д — средний тепловой поток, проходящий через стенку втулки; АТ — разность температур на внутренней и внешней поверхности втулки; Ач и Хт.и. — коэффициенты теплопроводности чугуна и теплоизолятора; 5о — толщина стенки втулки; 5Х — толщина наносимого покрытия.

Решение уравнения 4 показывает, что для сокращения теп-лоотвода в охлаждение через втулку на требуемую величину достаточно иметь покрытие толщиной 0,1 мм.

Схема расположения термоизолятора и движения тепловых потоков на поверхности втулки показана на рис. 3.

Тепловой расчет проводился с допущением, что теплопередача через изолированные участки втулки отсутствует, а основное количество теплоты, проходящее через втулку цилиндра (3000 Вт), передается неизолированными участками втулки.

Расчеты показывают, что среднеинтегральная температура на внутренней поверхности термоизолированной втулки по своему значению близка к среднеинтегральной температуре "горячего" двигателя, а это значит, что выполняется условие обеспечения температурного состояния внутри цилиндра, соответствующего "горячему" двигателю при поддержании в системе охлаждения условий невыпадения солей.

По величине допускаемого теплового потока (расчетная величина которого составляет 6890Вт/м2) определяем поверхность

свободной теплопередачи втулки, которая составляет 4367мм2.

В соответствии с габаритами втулки (высота 160 мм) можно равномерно разместить 8 ребер шириной по 4 мм. По конструктивным соображениям и для обеспечения требуемой жесткости втулки, учитывая технологические моменты, принимаем ширину ребер 10 мм, а ширину канавки под теплозащитное покрытие — 32 мм.

Проверочные расчеты показали, что такая конструкция втулки цилиндров обеспечивает требуемый режим "горячего" двигателя.

При количестве 8-ми зон термоизоляции (п) и их ширине по контуру (Е), равной 20-и.и, общая длина покрытия по периметру охлаждения составит 0,16«и. Тогда количество продольных ребер жесткости на втулке с первоначальным диаметром 0 = 0,1067 м будет 8, а их ширина составит 25 мм, при этом

_ 0,335-0,16

£/ = -2--—I— = 0,022т

8

будет обеспечена необходимая жесткость втулки.

Расчеты показывают, что абсолютное удлинение по ширине зоны термоизоляции составляет 0,00023-и и в 16,7 раз меньше, чем при сплошной термоизоляции. Это служит основанием для утверждения, что при дискретном строении термоизолятора, его отслаивания от основного материала втулки не произойдет.

Для решения проблемы о сохранении необходимой жесткости втулки при нанесении на ее тело сегментных или прямоугольных надрезов был осуществлен прочностной расчет цилиндровой втулки новой конструкции.

Рассматривая втул-

ку, подвергшуюся равномерно-распределенному давлению газов, найдем наибольшие нормальные напряжения растяжения в тан-генциональном направлении на внутренней поверхности втулки

(стОтах = Рг~|-§ , МП а,

Г 2 ~ 1"!

где Рг — максимальное давление сгорания в цилиндре; и гг равны соответственно 4,75 и 5,335сл, с учетом выполнения пазов на наружной поверхности втулки глубиной 0,1 см (тогда

ПОТОК

(тЛоЦщосТЬ ч^^аоа")

И

'ш <тшш\

гО, +7% Тс

Рис. 3:

т*2 = 5,235 см). Максимальные температурные" напряжения составят— (сг^щах = 753,52МП а.

Наименьшее нормальное напряжение растяжения в танген-циональном направлении у наружной поверхности стенки втулки составит

Нормальное напряжение сжатия в радиальном направлении на внутренней поверхности ее будут

Эквивалентные напряжения в точках у внутренней поверхности цилиндра из выражения

Эквивалентные напряжения на наружной поверхности втулки

Втулка цилиндра изготовлена из специального модифицированного чугуна и имеет твердость НВ — 240 кгс/мм2. По этой категории материал втулки относится к высокопрочным чугунам и имеет предел прочности равный 5500 МПа (предел текучести не менее 4000 МПа). Тогда допускаемые напряжения определяются из выражения

стг = -Рх = -73 МПа

&зкв = &)тах — ^¡СГг

СГзкв = (о*).

>тах

= МПа

(5)

Подставив принятые значения, получим

5500-0,95

= 1742 МПа

Отсюда можно сделать вывод, что соблюдается условие механической прочности втулки <тзкв < [о]р.

Температурные напряжения в цилиндровой втулке изменяются по ее толщине симметрично оси втулки. Температурные напряжения сжатия на внутренней поверхности втулки определяются по формуле

. . . а- Е • AT г <?т = 0; (<7s)ri = L, МП а (6)

где: а — коэффициент линейного расширения чугуна, Е — модуль упругости, ¡1 — коэффициент Пуассона, ЛТ — среднеинтег-ральный перепад температур между зеркалом цилиндра (T^J и поверхностью охлаждения (Т/^).

L\ = /(А), где к = г\/т2 = 0,89, приняв L\ = 1,042, получим

( \ 10 • Ю~6 • 8 • 105 • 33 • 1,042 ^лмтт =-2(1-0,25)-=

Напряжения растяжения на наружной поверхности втулки (при ¿2 = 0) 957 и сгг = 0) составят

f \ Ю-Ю"6-8-Ю5-33-0,957

(£7i)" =-Щ^25)-= ШМПй

Суммарное напряжение по наружной поверхности, как наибольшее от действия сил давления газов и температур определяется по формуле

v _ 2т\ аЕ&Т _ /1тЧ

<7)

Подставив значения составляющих получим £7^в = 680,53 + 168 = 848,53 МП а.

Допускаемые суммарные напряжения (механические и тепловые) составляют 800 • • -900 МП а. Однако эти значения характерны для обычных серых чугунов с перлитной основой, для модифицированного чугуна втулок цилиндров рассматриваемых ди-

зелей [о"экв]р составляет 1742 МПа, [о^] = 2613 МПа, т.е. в данном случае сг£„ < [о^] сохраняются условия прочности втулки по механическим и тепловым напряжениям.

Для втулок с относительно тонкими стенками (г2/в = 0,89 < 1,1) температурные напряжения по толщине стенок изменяются по линейному закону и могут быть рассчитаны по формуле 6. Подставляя значения аргументов в эту формулу, имеем (<Г{)чуг = 5,35ДТ МПа. Поскольку мы приняли = 2613 МПа, [сгэкв]р = 1742 МПа, то на долю допускаемых термических напряжений приходится [ег(] = 870 МП а. Это значение использовано в дальнейших расчетах по формуле 6

ы > 5,35ДГ; [сгг] = 444 МПа < [а]

Таким образом, расчеты подтверждают допустимость нанесения пазов глубиной 0,1 см на наружную поверхность втулок цилиндров для размещения термоизолирующего покрытия.

Четвертая глава посвящена исследованию и разработке технологии нанесения теплозащитных покрытий методами напыления.

Для получения теплозащитных покрытий плазменным напылением нами были использованы порошковые композиции системы МеО — Ме, полученные механической коагуляцией фракций компонентов на органическом связующем. В качестве связующего материала была использована нитроцеллюлоза, которая при высоких температурах, разлагаясь, создает защитную среду и предотвращает окисление металлических частиц. Исходные порошки титана (ПТЭМ-1), никеля (ПНК-5), алюминия (АСД-1) и окислов (А^Оз, ЯгОг, Тг'Ог, А^ТЮ^, МдО) имели фракционный состав 20 • • • 40 мкм. Размер полученных гранул коагулянта составлял 70 • 90 мкм.

В большинстве случаев связь покрытия с подложкой имеет механический характер и реже — атомный, поэтому предварительная подготовка подложки оказывает непосредственное и существенное влияние на прочность сцепления напыляемого материала с подложкой (адгезионная прочность).

Прочность механического сцепления можно увеличить повышением площади контакта покрытия с подложкой и активацией

ее. Это реализуется созданием высокой степени шероховатости, очищением подложки от окислов и загрязнений, промывкой деталей перед напылением в химически активных растворах. Минеральные масла удаляются с поверхности обработки промывкой трихлорэтиленом и другими реагентами.

Прочность сцепления покрытия с основой существенно зависит от температуры поверхности раздела. Чем выше контактная температура, тем больше вероятность сцепления за счет диффузии. Температуру поверхности раздела можно повысить следующими путями: 1) повышая температуру напыляемых частиц; 2) увеличивая степень нагрева подложки; 3) создавая промежуточные слои с небольшим показателем теплопередачи. На практике чаще используют подогрев подложки.

Подбором плазмообразующего газа можно получать любую среду плазменной струи: окислительную, восстановительную или нейтральную. Основными характеристиками плазменной струи является среднемассовая мощность, температура и скорость плазменного потока, зависящие главным образом от расхода транспортирующего газа и силы тока дуги.

Для осуществления плазменного напыления необходимо поддерживать на оптимальном уровне ряд важнейших параметров: мощность плазменной струи, расход напыляемого материала и плазмообразующего газа, дистанцию напыления. При выборе этих параметров руководствуются возможностями плазмосозда-ющего источника и рядом технологических особенностей.

Выбор расстояния напыления (длины дуги) — важный параметр технологии плазменного напыления. Если расстояние до мишени слишком большое, температура летящих частиц снижается и формируется рыхлое покрытие с малой прочностью адгезии с основой. Дистанция напыления зависит от свойств напыляемого материала (температуры плавления, его гранулометрического состава), тепловой мощности струи, скорости расхода плазмообразующего газа, и оптимальное значение ее для конкретных ситуаций определяется эксперимантельным путем. Как правило, эта вличина составляет 70 -г 200 мм.

Напыление опытных образцов для лабораторных исследований теплопроводности покрытий и втулок цилиндров для натурных и стендовых испытаний нами осуществлено на установ-

ке "Плазматехник" в специально разработанной и изготовленной герметической камере с защитной средой и непосредственно в атмосфере окружающей среды. Расход плазмообразующего аргона составлял 60 л/мин., водорода — 4 л/мин., время напыления втулок 10-12 мин.

Согласно разработанной нами и апробированной технологии получения плазменных теплостойких покрытий все опыты проводили с соблюдением следующих оптимальных параметров технологического режима: (.7) — 400 А, напряжение (С/) — 50 • • • 60 В, дистанция напыления (£) — 130 мм. Для определения влияния состава плазменных покрытий на их теплозащитные характеристики были нанесены слои разного состава примерно равной толщины: 0,5 - •• 1,5 мм. Чтобы исключить влияние толщины покрытия на ее теплопроводность, опытные образцы перед испытанием сошлифовывали до равной толщины покрытия всех составов. Адгезионную прочность определяли штифтовым методом.

Микроструктурным анализом контролировалась также пористость покрытия. Объемная пористость у исследованных покрытий составляла 7 - ■ -9%.

Из рассматриваемых методов измерения прочности сцепления покрытия с подложкой наиболее простая и распространенная штифтовая методика расчета с нормальным отрывом штифта, вмонтированного в обойму заподлицо с контактной напыляемой поверхностью. В наших исследованиях использована методика с некоторой модернизацией аппаратуры. Покрытия наносили на торец обоймы (основы) и штифта. Хвостовая часть штифта соединена шарнирным разъемом с системой нагрузки. За меру адгезионной прочности принята величина средних напряжений (<тср), определяемая как отношение усилия отрыва (Р) к площади контакта (2^).

Коэффициент концентрации напряжений — а (а = 0тах/<?тт) в значительной степени зависит от соотношения диаметра пятна контакта а и толщины покрытия — к. Для обоснованного выбора диаметра пятна контакта нами проведены опыты по изучению зависимости коэффициента концентрации напряжений — от диаметра пятна контакта. Установлено, что наименьшее значение а при напылении ИгОг — Тг состава получены на штифтах диаметра 1 мм, который и принят за основу при изме-

рениях адгезионной прочности.

Установлено, что для исследованных систем покрытий (например, ¿?гС>2 — N1 и Zг02 — А1) прочность сцепления покрытия с подложкой имеет экстремальный характер: наибольшее значение а достигается при толщине покрытий 0,4 — 0,5 мм и разрушение при этом имеет когезионный характер, а при больших толщинах покрытий (>1,5 мм) наблюдается их самоотслаивание, вызванное действием значительных остаточных напряжений.

В качестве теплозащитных покрытий были исследованы композиции системы Ме — МеО, где частицы металла играли роль связующего, а оксиды являлись теплоизоляторами.

Нами были исследованы более распространенные системы А120з - А1, 2тО2 — Т{(Н1,А1), МдО — Тг толщина покрытия во всех вариантах сохранялась на выбранном уровне 0,3±0,003 мм), объемная пористость составляла 5 • • • 7%. Содержание связующих —металлов изменяли в пределах 3 • • • 11 % (от массы). Такое количество связующих оптимально с точки зрения сохранения высокой теплоизолирующей способности оксидных покрытий.

Результаты измерения теплопроводности покрытий приведены в таблице 3. Как видно из таблицы 3 наилучшую теплозащитную способность имеет покрытие окиси циркония с содержанием 7% титана. Этого и следовало ожидать, так как из рассмотренных окислов Zr02 имеет теплопроводность на порядок ниже, по сравнению с А120% и МдО, более того, связующее — титан также характеризуется наименьшей теплопроводностью по сравнению с алюминием и никелем.

Таким образом, на основании проведенных лабораторных исследований влияния состава оксидных теплозащитных покрытий на их теплопроводность выявлено покрытие оптимального состаг ва (#гС>2 + 7%Тг) с наименьшим коэффициентом теплопроводности (0,44Втп/м -град), которое и рекомендовано для практики.

Пятая глава отражает результаты натурных испытаний дизелей с установленными на них экспериментальными втулками цилиндров с оптимальными по толщине (0,1 см) и составу (ИгС>2 + 7%Тг) ленточными теплозащитными покрытиями. Испытания проводили в дизельной лаборатории завода "Дагдизель" на штатном испытательном стенде с регулируемой нагрузкой на дизель.

Таб. 3

NN Система Содержание Толщина по- Теплопроводность

п/п покрытт связующего, % масс. крытий, мм Вт/(м -град)

10 0,30 0,85

5 0,32 0,65

1 АА120г+ А1 7 0,31 0,80

9 0,29 0,87

11 0,30 0,83

3 0,29 0,77

5 0,33 0,86

2 гю2 + ж 7 0,28 0,80

9 0,31 0,88

11 0,30 0,93

3 0,30 0,78

5 0,30 0,59

3 2г0<1 + Тг 7 0,29 0,44

9 0,32 0,62

11 0,28 0,71

3 0,28 1,15

5 0,29 1,03

4 МдО + Г» 7 0,31 1,00

9 0,31 1,07

11 0,32 1,13

3 0,29 2,41

5 0,31 2,30

5 А12ТЮ5+ Ж 7 0,33 2,24

9 0,30 2,28

11 0,31 2,37

В качестве базового был принят шлюпочный дизель "Каспий 40" (4ч СП 9,5/11). Мощность дизель определяли при испытаниях на установившемся режиме измерением крутящего момента с помощью электрической балансировочной машины.

Частоту вращения коленвала дизеля, температуру воды на входе и выходе в системе охлаждения, масло в картере, а также давление масла в системе смазки контролировали штатными приборами.

Методикой испытаний предусматривался также контроль удельного расхода топлива и масла в ходе эксперимента. Удельный расход топлива измеряли весовым способом и вычисляли по формуле

, 1000В .

Ье = —р—, г/(л.с. у.) (8)

где: Ре — мощность дизеля, л.с.; В — часовой расход топлива, кг/ч.

Для контролирования израсходованной дозы топлива дизелем были использованы образцовые весы марки ВЛТ-10-1. Удельный расход масла также определяли весовым методом.

Методикой натурных испытаний предусмотрены также проверка работоспособности дизеля при затоплении его водой по ось коленчатого вала при кратковременном его перевороте, и проверка пусковых качеств при различных температурных условиях.

Проверка работоспособности дизеля с опытными втулками цилиндра в состоянии переворота показала, что дизель в таком положении сохраняет стабильность в работе. Например, при переворотах дизеля на 360°С по часовой и против часовой стрелки, запуском, остановкй, повторным запуском, показало, что во время испытаний дизель не перегревался, вытекание масла из кожуха маховика и выпускного патрубка не превышало 50 • • • 60 г., температура воды на выходе из дизеля составляла 45 • • • 50°С, давление масла--3,2 • • -4,0 МПа. Эти данные удовлетворяют требованиям Морского Регистра РФ.

Проверку работоспособности дизеля "Каспий-40", с втулками с теплозащитными покрытиями в затопленном по ось коленчатого вала состоянии, осуществляли в специальной ванне с водой в

течение 1 часа при частоте вращения вала 1900л»ин-1. Результаты анализа содержания воды в масле показали, что после испытаний масло было исходной консистенции без воды.

Таким образом можно заключить, что дизель "Каспий-40" с опытными втулками с теплозащитными покрытиями надежно работает и в затопленном по ось коленвала состоянии. Внедрение данных разработок в производство шлюпочных дизелей будет способствовать повышению эффективности спасательных работ на море.

В заключении кратко сформулированы основные результаты и выводы диссертации.

3 Основные выводы но работе

На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований конструкторско-технологических методов оптимизации рабочего процесса в цилиндрах шлюпочных дизелей можно сделать следующие основные выводы:

1. На основании теоретических и экспериментальных данных разработана математическая модель теплового и температурного состояния втулки цилиндра 4ч СП 9,5/11 и на этом основании выполнен расчет температурного состояния втулки по высоте и объему.

2. Произведено термометрирование втулки по высоте и объему, результаты этих измерений подтверждают рассчетные данные, полученные при решении математической модели теплового состояния втулки.

3. На базе данных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика и технология нанесения теплозащитных покрытий на водоохлаждаемую поверхность втулки цилиндра исследуемого дизеля.

4. Предлложена оптимальная конструкция втулки цилиндра с углублениями (пазами) сегментного строения на водоохлаж-даемой поверхности втулки для размещения теплозащитного покрытия.

На эту конструкцию втулки цилиндра получен патент.

5. Выполненные прочностные расчеты показали, что равномерное размещение сегментных пазов глубиной 1,0 мм на водо-охлаждаемой поверхности втулки цилиндра не вызывает заметного снижения ее жесткости и прочности.

6. Исследована теплоизоляционная способность различных ме-таллокерамических систем и установлено, что наименьшую теплопроводность имеет покрытие состава + 7%Тг, которое и рекомендовано для натурных испытаний.

7. Разработана технология плазменного нанесения выбранных теплозащитных покрытий втулки цилиндра. Оптимизировании: параметры плазменной технологии, разработана и изготовлена специальная технологическая оснастка.

8. Проведены комплексные испытания дизеля "Каспий-40" с опытными втулками цилиндров с теплозащитными покрытиями оптимального состава (£гС>2 + 7%Тг) и толщиной (1,0 мм). Испытания при низких температурах (до - 16°С), в перевернутом состоянии вокруг оси коленвала (на 360°С), в затопленном по ось коленвала состоянии показали, чтоо работа дизеля с опытными втулками цилиндров соответствует требованиям Морского Регистра РФ.

9. Стендовыми испытаниями дизеля с опытными втулками по 600-часовой программе установлено, что теплоизоляция водо-охлаждаемой поверхности втулки цилиндра улучшает пусковые качества дизеля, снижает удельный расход топлива на 2,3% и расход масла на 15%.

10. Разработки диссертации переданы в АООТ завод "Дагди-зель" для внедрения.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах автора:

1. Дорохов А.Ф., Абачараев И.М.

К вопросу о работе температурных полей и тепловых потоков цилиндровой втулки шлюпочных дизелей. В сб.Технологические методы обеспечения качества машин. — Махачкала, 1990. — с.166-171.

2. Абачараев И.М., Дорохов А.Ф.

Исследование и анализ возможности ограничения теплопередачи через цилиндровую втулку шлюпочного дизеля.

В сб. Современные технологические методы повышения качества машин. - Махачкала, 1992. - с.19-25.

3. Дорохов А.Ф., Абачараев И.М.

Цилиндровая втулка с теплозащитным покрытием. Положительное реше ние о выдаче патента по заявке 94-021669/6.

4. Абачараев И.М., Абачараев М.М. Поверхностное хромотитанирование литейной формы.

Проблемы машиностроения и надежность машин. 1996, № 1, с.100-104.

5. Разработка, исследование и внедрение конструкторско-технологических мероприятий по повышению механического КПД, уменьшению удельных расходов топлива и масла.

Отчет по НИР, № гос.рег. 01910001938, Махачкала, ДПТИ.

6. Абачараев И.М., Дорохов А.Ф.

Регуляризация микрорельефа и имплантация покрытий, как направление Уменьшения потерь мощности на преодоление сил трения в поршневых двигателях.

В сб. научных трудов под ред. д.т.н., профессора Булатова В.П., Санкт-Петербург, 1998, с. 1-27.

7. Абачараев И.М., Дорохов А.Ф.

Повышение эксплуатационных характеристик шлюпочных дизелей термоИзолированием втулок цилиндров.

В сб. научных трудов под ред. д.т.н., профессора Булатова В.П., Санкт-Петербург, 1998, с.46-50.

Подписано к печати 17.04.1998 Заказ 72, Тираж 150 экз., Объем 1,5 п.л. ИПМаш РАН 199178, С.-Пб, В.О., Большой пр., 61.