Что такое поршневые тронковые
Что такое поршневые тронковые
Поршни такого типа применяются практически на всех современных четырехтактных дизелях, и размеры их могут изменяться от минимальных для маломощных высокооборотных двигателей до 600 мм для мощных среднеоборотных машин.
Среднеоборотные двигатели современной конструкции имеют композитные поршни, собранные из тонкостенной головки из нержавеющей стали и направляющей или тронка из алюминиевых сплавов. Это составляет прочную и легкую конструкцию, обладающую высокой прочностью и коррозионной сойкостью при высоких температурах и низкими значениями инерционных потерь. Стальная головка может быть литой или кованой, форма ее должна обеспечивать достаточную поверхность теплообмена для эффективного охлаждения. Внутреняя поверхность поршня охлаждается разбрызгиванием масла, естественно вытекающего из зазоров рамовых и мотылевых подшипников, а также прицельной подачей струи масла на нагретые поверхности через специальные отверстия в верхней головке шатуна в определенных положениях головного подшипника. Дренаж отработавшего масла в картер осуществляется самотеком по системе каналов внутри тронковой части поршня.
Компрессионные поршневые кольца размещают в канавках на цилиндрической поверхности стальной головки. Боковые поверхности канавок цементируют или закаливают для повышения износостойкости. Днище поршня может быть вогнутым для образования достаточного объема камеры сгорания, в которой должны разместиться все впускные и выпускные клапана, открытые одновременно при продувке. Для крепления направляющей поршня или тронка к стальной головке применяются несколько предварительно напряженных болтов или шпилек.
Тронк изготавливается литьем из кремний-алюминиевых сплавов (силумины) с отлитыми заодно бобышками для поршневого пальца. Наружная поврхность тронка должна иметь овальную форму для компенсации неравномерного термического расширения бобышек. Длина тронка должна быть достаточной для эффективного распределения бокового усилия на поверхность втулки. На верхней части тронка устанавливаются маслосъемные кольца для удаления излишней смазки, поступающей на зеркало цилиндра из картера.
Поршни двигателей небольшой мощности изготавливаются целиком из литейного серого или ковкого чугуна, обладающего достаточной прочностью и износостойкостью при невысоком термическом расширении.
В целях экономии поршни из алюминиевых сплавов выполняют цельнолитыми вместе с тронком. Они обладают малой инерцией и имеют удовлетворительные показатели прочности и износостойкости при средних нагрузках. Для снижения износа кольцевых канавок применяют плакирование твердыми сплавами, особенно для верхних компрессионных колец, работающих в более тяжелых условиях повышенных температур и коррозии. Высокий коэффициент термического расширения легких сплавов требует увеличение зазора между поршнем и зеркалом цилиндра. Эти поршни не используются при сжигании тяжелых топлив, так как их прочность, коррозионная стойкость и устойчивость к абразивному износу сильно уменьшаются с повышением температуры.
На рисунке ниже показан разрез композитного тронкового поршня, установленного на двигателе MAN-B&W 58/64. Он имеет цельнокованую тонкостенную головку из легированной стали, которая соединяется удлиненными шпильками со штампованным тронком из алюминиевого сплава. Канавки компрессионных поршневых колец цементированы на достаточную глубину, обеспечивающую возможность их шлифовки при ремонте.
Три компрессионных кольца расположены на головке поршня, из которых верхнее упрочнено плазменным напылением, а нижние – хромированием. Маслосъемное кольцо размещается на верхней части тронка.
Поршень охлаждается маслом по методу разбрызгивания. Масло поступает из отверстия в верхней головке шатуна, прикрытого подпружиненной крышкой, в центральную полость головки, охлаждая днище. Затем по высверленным каналам оно проходит к полостям, расположенным сзади кольцевых канавок, и по дренажным отверстиям стекает обратно в картер.
СУДОРЕМОНТ ОТ А ДО Я.
В своем блоге буду описывать основы технологии судоремонта, методы дефектоскопии, восстановления и упрочнения деталей, виды и методы ремонта судов и механизмов.Будет приведена технологическая документация на ремонт и изготовление деталей.
Оглавление
Подвижные детали тронковых и крейцкопфных ДВС.
Кривошипно-шатунный механизм тронкового ДВС состоит из следующих основных деталей: поршня, поршневого пальца, шатуна и коленчатого вала. В крейцкопфных ДВС в состав кривошипно-шатунного механизма дополнительно входит шток и крепящиеся к нему ползуны. В зависимости от мощности двигателя ползунов может быть до четырех.
Поршень воспринимает усилие от давления газообразных продуктов сгорания и передает его через поршневой палец и шатун коленчатому валу.
Поршни двигателей в зависимости от конструкции разделяются на поршни тронковых ДВС, крейцкопфных ДВС и ДВС двойного действия. Поршни изготавливают цельными и составными, применяемыми в двигателях большой мощности с диаметром цилиндра более 400 мм. Цельные поршни отливают из чугуна или алюминиевых сплавов. Головки составных поршней изготавливают из специального жаростойкого чугуна или стали, а тронки — из чугуна. Поршни из алюминиевых сплавов применяют в основном в быстроходных двигателях. Они хорошо отводят тепло от сильно нагретой головки и за счет меньшей массы позволяют значительно снизить инерционные усилия, возникающие во время движения поршня в цилиндре.
Поршень тронкового типа четырехтактного ДВС:
На рисунке показан поршень тронкового типа четырехтактного двигателя, который состоит из верхней части — головки 1 и цилиндрической направляющей, называемой тронком или юбкой 8.
Поршень тронкового типа соединяется с шатуном 7 шарнирно при помощи поршневого пальца 5, располагающегося в бобышках 3. Для предотвращения попадания масла, вытекающего из головного подшипника 4, на днище поршня и образования на нем нагара устанавливается экран 10. На головке и юбке поршня протачиваются канавки для установки уплотнительных 2 и маслосъемных 9 колец. Излишки масла, снимаемые с поверхности рабочей втулки, стекают в картер через отверстия 6, расположенные по всей окружности поршня. Выемка поршня из цилиндра осуществляется с помощью рым-болтов, ввинченных в отверстия 11.
Составной поршень двухтактного ДВС:
На рисунке представлена конструкция составного поршня двухтактного ДВС. Поршень состоит из съемной головки 1 с шестью уплотнительными кольцами 3; юбки 10 с двумя маслосъемными кольцами 11; вставки 5, в которой расположено гнездо для верхнего вкладыша головного подшипника. Головка поршня, юбка и вставка стягиваются между собой длинными шпильками 8. Палец 7, жестко соединенный с шатуном 12, устанавливается в головном подшипнике, нижняя крышка которого состоит из двух половинок и крепится при помощи шпилек 9. На направляющей части юбки в специальных канавках установлены и расчеканены латунные кольца 6, предназначенные для лучшей приработки рабочей втулки и увеличения сроков работы цилиндро-поршневой группы. Головка поршня охлаждается маслом, которое подается к ней через телескопические трубки. В полости охлаждения масло проходит между стенкой головки и вытеснителем 2, имеющим в верхней части спиральный канал, улучшающий циркуляцию. Центральное отверстие 4 служит для отвода масла из полости охлаждения в сливную магистраль. Подача масла для смазки головного подшипника и охлаждения пальца производится из полости охлаждения головки поршня через специальные отверстия.
Принудительное охлаждение чугунных поршней водой или маслом используют в ДВС с диаметром цилиндра 300—400 мм и более. Эффективность отвода тепла водой более чем в 2 раза выше, чем маслом. Однако водяное охлаждение поршней не нашло широкого применения из-за трудности обеспечения герметичности охлаждающего устройства. Водяное охлаждение используется в мощных двухтактных двигателях с повышенным давлением наддува и большим диаметром цилиндра, когда при масляном охлаждении не удается обеспечить допустимые температуры днища. Охлаждающая жидкость (вода, масло) подводится к поршням по телескопическим и шарнирным качающимся трубкам, а также через осевое отверстие шатуна и специальное сопло, закрепленное на его верхней головке (струйное охлаждение). Струйное охлаждение поршней применяется в тронковых ДВС небольшой мощности. Подача воды для охлаждения поршней осуществляется только по телескопическим трубкам.
Поршневые кольца служат для предотвращения прорыва газов из камеры сгорания в картер, а также для отвода части тепла к стенке рабочей втулки, охлаждаемой водой. Кроме того, они регулируют распределение масла по стенкам втулки и предотвращают его попадание в камеру сгорания. В зависимости от быстроходности двигателя число поршневых колец колеблется от трех до семи. Большее число колец устанавливается на поршнях тихоходных двигателей. Поршневые кольца изготавливаются из высококачественного чугуна. Твердость поршневых колец должна быть несколько выше твердости рабочей втулки.
Поршневые уплотнительные кольца могут иметь прямоугольное, коническое, трапецеидальное сечение, а также с бронзовым пояском. Наиболее широкое применение нашли уплотнительные самопружинящие кольца прямоугольного сечения. В свободном состоянии диаметр такого кольца больше диаметра рабочей втулки, поэтому после установки в цилиндр кольцо оказывает определенное давление на его стенки. Во время работы двигателя кольцо дополнительно прижимается к рабочей поверхности давлением газов, проникающих через зазоры.
Поршневые маслосъемные кольца могут быть коническими, коробчатыми и скребковыми (двойными).
Наиболее распространенные формы замков поршневых колец показаны на рисунке:
В быстроходных двигателях применяются преимущественно кольца с косыми и прямыми замками, в тихоходных — с косыми и ступенчатыми. Поршневые кольца устанавливаются в канавках (кепах) с определенными зазорами (по высоте и в замках), достаточными для компенсации их расширения при нагревании. Два верхних кольца должны иметь несколько больший зазор, чем остальные. Величины зазоров приводятся в инструкциях по эксплуатации двигателей.
Поршневые пальцы воспринимают большие динамические нагрузки от поршня и передают их шатуну. Их изготавливают сплошными и полыми (для уменьшения массы) из малоуглеродистой или низколегированной стали с содержанием углерода 0,1—0,2%. После обработки пальцы подвергают поверхностной цементации и закалке. При сборке с поршнем палец устанавливается в бобышках с небольшим натягом и закрепляется от проворачивания стопорными болтами, шпильками или шпонками.
В современных двигателях чаще всего применяют плавающий палец, который не крепится в бобышках и может поворачиваться вокруг своей оси. Плавающий палец в отличие от фиксируемого изнашивается равномерно, что увеличивает срок его службы.
Шатуны предназначены для передачи усилия давления газов на поршень коленчатому валу. Они должны быть прочными,надежными, достаточно жесткими и иметь возможно меньшую массу. Шатуны отковываются или штампуются из высококачественной углеродистой или легированной стали. В тихоходных двигателях большой мощности стержень шатуна, как правило, круглого сечения, в быстроходных — двутаврового. Последнее позволяет уменьшить массу и силы инерции шатуна при сохранении его высокой прочности.
Шатун ДВС со стержнем двутаврового сечения:
На рисунке изображен шатун двигателя со стержнем двутаврового сечения. Он состоит из верхней неразъемной головки 1, стержня 2 и нижней разъемной головки 4. В верхней головке установлен головной подшипник 12, который (в двигателях малой и средней мощности) представляет собой бронзовую втулку. Втулка запрессовывается в головку и от проворачивания может крепиться шпильками.
В двигателях большой мощности головной подшипник делают разъемным, состоящим из двух половинок, а вместо бронзовых вкладышей часто применяются стальные, залитые баббитом.
В нижней разъемной головке 4 устанавливается шатунный подшипник, состоящий из верхнего 11 и нижнего 5 стальных вкладышей, залитых баббитом. Вкладыши шатунных подшипников могут быть залиты также свинцовистой бронзой или алюминиево-никелевым сплавом. Шатунный подшипник стягивается шатунными болтами 3 и корончатыми гайками 8. Для предотвращения самоотвинчивания гаек ставятся шплинты 7. От проворачивания шатунного болта при завинчивании гайки предусмотрен штифт 10, который, выступая, упирается в специально сделанную грань на головке болта и фиксирует его в определенном положении.
Для регулирования величины масляного зазора в разборных подшипниках, залитых баббитом, в разъемы между их половинками устанавливают наборы прокладок разной толщины. При увеличении зазоров в подшипниках, залитых свинцовистой бронзой или алюминиево-никелевым сплавом, выше допустимых вкладыши заменяют новыми.
Штифты 9 служат для фиксации крышки 6 нижней головки шатуна относительно ее верхней части 4.
Шатуны крейцкопфных двигателей имеют верхние головки вильчатого и безвильчатого типа. Более широко используются шатуны первого типа.
Вильчатый шатун крейцкопфного ДВС:
У них верхняя часть стержня заканчивается вилкой, на которой устанавливаются два головных подшипника, залитых баббитом. У шатунов второго типа стержень заканчивается фланцем, к которому крепятся два головных подшипника. Шатуны ДВС большой мощности в основном имеют отъемную нижнюю головку 2. Между головкой и пяткой шатуна 1 устанавливается компрессионная планка 3 за счет ее толщины регулируют объем камеры сжатия (сгорания). Нижняя головка в данном случае не имеет вкладышей, поэтому баббит наплавлен непосредственно на поверхность верхней и нижней ее частей.
В быстроходных ДВС нижняя головка шатуна часто имеет косой разъем, что уменьшает ее ширину и позволяет вынимать поршень с шатуном через рабочий цилиндр. Шатунные болты выдерживают большие усилия и работают в условиях переменной нагрузки. Их разрыв, как правило, сопровождается значительными разрушениями основных деталей двигателя. В двухтактных ДВС шатунные болты работают только на растяжение от силы затяжки гаек, в четырехтактных — испытывают знакопеременную нагрузку, так как во время процесса впуска свежего воздуха и выпуска продуктов сгорания движущая сила изменяет свое направление. Шатунные болты изготавливают из прочного вязкого материала. Для изготовления болтов быстроходных ДВС используют никелевую и хромоникелевую стали, а для малооборотных мощных ДВС применяют углеродистую сталь. После изготовления и обработки шатунные болты точно подгоняют по отверстиям в нижней головке шатуна. Для этой цели болты имеют от одного до трех посадочных поясков.
Смазка подшипников верхней и нижней головок шатуна осуществляется по циркуляционной масляной системе через каналы в рамовых и шатунных шейках коленчатого вала. К головному подшипнику масло подается из шатунного подшипника по отверстию в шатуне или по специальной трубке, прикрепленной к его стержню.
Поршневые штоки крейцкопфных двигателей служат для соединения поршней с ползунами. Во время работы двигателя они испытывают большие нагрузки, поэтому их изготавливают из углеродистой стали. Для уменьшения массы штока по его оси просверливают канал, который часто используется для подвода и отвода масла, охлаждающего головку поршня. В этом случае в шток вставляется трубка из латуни или из нержавеющей стали, по которой отводится масло, а его подвод осуществляется по кольцевому каналу, образованному между трубкой и штоком. Пресная вода в качестве охлаждающей жидкости используется очень редко, так как требует защиты внутренней поверхности штока от коррозии.
Верхняя часть штока отковывается в виде фланца, при помощи которого он соединяется с головкой поршня. Нижняя часть штока может иметь фланец, цилиндрический или конусный хвостовик с гайками. С помощью фланца или хвостовика с гайками шток своей нижней частью соединяется с поперечиной (крейцкопфом) ползуна. Стержень штока имеет круглое сечение, что облегчает создание уплотнения при его проходе через сальник, установленный в диафрагме, отделяющей картер от нижней полости цилиндра. Тем самым предотвращаем проникновение циркуляционного масла из картера в цилиндры и продувочные ресиверы двухтактных ДВС, а также исключаются попадание загрязненного масла из цилиндров в картер.
Крепление штока к поперечине ползуна цилиндрическим хвостовиком с гайкой показано на рисунке:
Поперечина 2 жестко соединяется с ползуном 3 при помощи болтов 6 и шпонки 4, передающей усилие от поперечины на ползун. Шток 1 крепится к поперечине при помощи хвостовика и гайки 5. Ползун воспринимает боковое усилие от шатуна и обеспечивает прямолинейное движение штока 1 и поршня. Ползуны отливают из стали, а их трущиеся поверхности заливают баббитом Б83.
В зависимости от расположения трущихся поверхностей относительно поперечины (крейцкопфа) различают односторонние и двухсторонние ползуны. Односторонние ползуны при работе двигателя на передний ход передают нормальное давление на параллели основной опорной поверхностью, а при работе на задний ход — уменьшенными затылочными опорными поверхностями, расположенными на его обратной стороне. Крейцкопфный механизм с двусторонними ползунами сложнее, чем с односторонними, но имеет ряд преимуществ, основным из которых является меньший износ ползунов.
Коленчатый вал является наиболее ответственной и дорогостоящей деталью двигателя. Во время работы коленчатый вал подвергается действию сложных изгибающих и скручивающих сил. Он воспринимает усилия от шатунов и передает вращающий момент гребному винту.
Коленчатые валы выполняются цельноковаными и составными, состоящими из двух и более частей, соединяемых при помощи фланцев. Составные валы используются в тихоходных ДВС большой мощности. В этих двигателях нередко применяются коленчатые валы с составными коленами. Шейки и щеки таких валов изготавливаются отдельно. При сборке валов шейки запрессовывают при слабом нагреве (200—250 С) и соответствующем натяге, обеспечивающем прочность соединения даже без постановки шпонок. Коленчатые валы судовых двигателей отковывают из углеродистой и легированной стали. Иногда валы отливают из стали и специального чугуна.
Взаимное расположение кривошипов зависит от тактности двигателя и от числа цилиндров. При этом стремятся достигнуть наиболее равномерного вращения коленчатого вала и наилучшего уравновешивания сил инерции движущихся частей ДВС. Основные размеры кривошипа должны обеспечивать необходимую прочность и жесткость вала и получение допустимых удельных давлений на шатунные и рамовые подшипники.
Щеки кривошипа могут иметь различную форму: прямоугольную, овальную, круглую, восьмигранную и т. д. Наиболее простой в изготовлении является щека прямоугольной формы, наиболее сложной — овальная. Однако последняя является наиболее рациональной в отношении прочности, равномерного распределения напряжений и массы. Для того чтобы разгрузить рамовые подшипники от неуравновешенных сил инерции вращающихся масс кривошипа, а также для уравновешивания свободных сил инерции или их моментов, коленчатые валы двигателей часто снабжаются противовесами, которые крепятся к щекам различными способами при помощи болтов. В быстроходных двигателях противовесы могут быть откованы заодно с коленчатым валом.
Коленчатый вал четырехтактного ДВС:
Поршень двигателя – конструкция, условия работы, нагрузки
Условия работы, нагрузки
Поршень служит для:
Головка поршня воспринимает давление газов и осуществляет газораспределение (в двухтактных дизелях), тронк выполняет роль ползуна, скользящего по стенке цилиндра, передает на нее нормальную силу и перекрывает выпускные и продувочные окна при положении поршня в ВМТ для предотвращения прорыва газов и продувочного воздуха в картер (в двухтактных дизелях). Юбка поршня в крейцкопфных дизелях обеспечивает его центровку в цилиндре и перекрывает окна при положении поршня в ВМТ (в двухтактных дизелях с неуправляемым выпуском).
Во время работы дизеля поршень нагревается и расширяется больше, чем цилиндровая втулка. Для предотвращения заедания поршня предусматривают между ним и втулкой цилиндра тепловой зазор. Наиболее интенсивно нагревается головка поршня. Поэтому радиальный зазор 5 между головкой и втулкой устанавливают больше, чем между тронком (или юбкой) и втулкой. Для этого головку поршня изготавливают меньшего диаметра, чем тронк, или обрабатывают ее на конус (рис, 6.1 б). Зазор зависит от диаметра цилиндра, конструкции, материала и условий охлаждения поршня, его устанавливают опытным путем, так как при увеличении зазора возрастает температура газа и поршня над верхним поршневым кольцом (рис. 6.1 в), ухудшая условия его работы. Зазор между тронком и втулкой должен обеспечивать только свободное перемещение поршня. Большой зазор вызывает стуки при переходе поршня через мертвые точки, так как нормальная сила изменяет свое направление и перекладывает поршень в цилиндре с одной стороны на другую. Кстати, появление глухих стуков свидетельствует об износе цилиндро-поршневой группы.
Поршень подвергается воздействию больших механических и термических нагрузок.
Механические нагрузки возникают под действием силы давлений газов и силы инерции. Сила давления газов Рг вызывает циклически повторяющуюся деформацию днища и стенки поршня (см. рис. 6.1а), а сила инерции Рj стремится разорвать шпильки крепления головки или днища (в составных поршнях).
Термические нагрузки обусловлены непосредственным соприкосновением головки поршня с горячими газами (через поршень отводится 8-10% теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в цилиндре), тепловая нагрузка поршня резко возрастает при увеличении диаметра цилиндра D (квадратичная зависимость) и при переходе от четырехтактного (т = 2) к двухтактному (т = 1) циклу.
У тронковых дизелей при прочих равных условиях тепловая нагрузка поршня выше, чем у крейцкопфных, вследствие дополнительного нагрева тройка поршня от трения о стенку цилиндра. У двухтактных дизелей с контурной схемой газообмена неравномерный нагрев поршня приводит к значительной асимметрии температурного поля относительно его оси и возникновению дополнительных термических напряжений.
У 2-тактных дизелей с прямоточно-щелевой схемой газообмена большая тепловая нагрузка выпускного поршня обусловлена омыванием горячими газами не только днища поршня, но и всей боковой поверхности его головки. В лучших условиях работают поршни дизелей с прямоточно-клапанной продувкой, у которых поток продувочного воздуха хорошо и равномерно охлаждает головку поршня.
Сильный нагрев головки снижает ее прочность, а значительные перепады температур (осевой и радиальный) вызывают в днище поршня высокие термические напряжения, и головка деформируется (рис. 6.1 г).
Термические напряжения и характер деформации существенно зависят от формы днища поршня. Если днище условно отделить от стенок головки поршня, то при линейном изменении температуры по толщине термические напряжения в днище не возникнут, а его свободная тепловая деформация выразится в увеличении наружного диаметра и изгибе в сторону газов. В реальных условиях свободной тепловой деформации днища препятствуют более холодные стенки головки поршня, и в местах соединения возникают изгибающие моменты М и сжимающие усилия Q (рис. 6.1d.). В результате плоское днище и вогнутое будут изгибаться в сторону холодных поверхностей, и на горячих поверхностях днищ (со стороны газов) возникнут термические напряжения сжатия, усиливающиеся за счет циклически действующих механических нагрузок; холодные поверхности днищ под действием тепловых и механических нагрузок будут испытывать напряжения растяжения. Если во время работы дизеля температура днища достигнет значения, при котором возникает явление «криппа» (ползучести материала), то напряжения сжатия на горячей поверхности снимаются.
После уменьшения нагрузки или остановки дизеля поршень охлаждается, и в нем возникают остаточные напряжения растяжения, которые могут вызвать трещины, прогрессирующие при дальнейшей работе дизеля с попеременными нагревами и охлаждениями поршня. В выпуклом днище поршня сила Q на плече Ɩ создает изгибающий момент, противоположный по знаку моменту М и обычно более значительный по значению. В результате на горячей поверхности выпуклого поршня возникнут напряжения растяжения. С учетом противоположного направления действия механических нагрузок от газовых сил выпуклая форма днища является наиболее целесообразной.
У тронковых дизелей в результате действия силы давления газов на днище поршня (рис. 6.1а), нормальной силы N на боковую поверхность (рис. 6.1 е), нагрева от головки поршня и теплоты трения (рис. 6. 1.е) деформируется также тронк поршня. Вследствие неравномерного распределения металла по сечению тронка он принимает овальную форму с большей осью по оси поршневого пальца, который является как бы направляющей при деформации. В результате между цилиндровой втулкой и тронком может возникнуть натяг, что приведет к заеданию поршня. Поэтому в большинстве конструкций в районе бобышек с поверхности поршня снимается металл.
У неохлаждаемых поршней теплота от головки отводится охлаждающей цилиндр водой (рис. 6.1 з) через поршневые кольца (60-80%) и тронк (20-40%). Некоторое количество теплоты отводится через поршневой палец к шатуну, а также передается картерным газам и масляному «туману».
Высокий коэффициент теплопроводности алюминиевых сплавов (в три-четыре раза выше, чем у чугуна и стали) и небольшой коэффициент трения дают возможность снизить температуру днища поршня, его массу и силы инерции, а также потери на трение. Кроме того, поршни из алюминиевых сплавов более технологичны при изготовлении и на их поверхностях меньше образуется нагара. Передача теплоты от газов к алюминиевому поршню на 30-40% меньше, чем к чугунному или стальному.
Вследствие более низкой температуры (и, следовательно, лучшего наполнения цилиндров воздухом) и меньших потерь на трение при замене чугунных поршней поршнями из алюминиевых сплавов мощность дизеля может быть повышена на 10-15%, а расход топлива снижен.
Недостатки поршней из алюминиевых сплавов: малая прочность при высоких температурах, быстрая разработка канавок поршневых колец и бобышек поршневого пальца, относительно высокая стоимость. Из-за большого коэффициента линейного расширения алюминиевых сплавов (в 2-2,5 раза выше, чем у чугуна и стали) необходимо увеличивать радиальный зазор между тронком поршня и цилиндром почти в два раза по сравнению с чугунными поршнями, что затрудняет пуск дизеля, вызывает стуки в цилиндрах при работе на малых нагрузках и увеличивает тепловую нагрузку верхних поршневых колец.
Высота головки поршня зависит от размеров и расположения поршневых колец, а также расстояния канавки верхнего кольца от кромки днища. Для обеспечения лучшего отвода теплоты и более совершенных условий работы верхнего поршневого кольца его канавку до недавнего времени размещали по возможности дальше от днища так, чтобы при положении поршня в ВМТ кольцо было не выше уровня охлаждающей воды в зарубашечном пространстве; у двухтактных дизелей с контурной продувкой положение верхнего кольца согласуют с расположением верхних кромок окон. Для предотвращения быстрого изнашивания канавок их нижние поверхности хромируют или закаливают, в канавках устанавливают кольца из легированного чугуна с высокой механической прочностью, в головку поршня из алюминиевого сплава заливают обойму 1 из аустенитного чугуна с большим содержанием никеля для одного или двух верхних колец (рис. 6.2d). Для уменьшения тепловой нагрузки верхних поршневых колец у неохлаждаемых поршней в ряде случаев предусматривают наружные, а у охлаждаемых поршней внутренние «тепловые дамбы».
Длину тронка поршня определяют в зависимости от допустимого удельного давления на стенку цилиндра и системы газообмена (в двухтактных дизелях). Толщину стенок тронка под уплотнительными кольцами в цельных неохлаждаемых поршнях часто резко уменьшают (см. рис. 6.2а, б) для снижения теплопотока к тронку, предотвращения его перегрева, деформации и заедания поршня. Необходимую жесткость тронку обеспечивают его оребрением.
Для снижения сил трения и износа тронка на его поверхности иногда выполняют клинообразные углубления. При перетекании масла из одного углубления в другое создается гидродинамическое давление, способствующее уменьшению трения и износа.
Утолщение в нижней части тронка служит для его ужесточения и предотвращения возможных деформаций при сборке и разборке (иногда для этого к торцу юбки крепят стальное кольцо), подгонки поршней по массе и использования в качестве технологической базы при обработке поршня.
Канавки для маслосъемных колец располагают на тронке выше или ниже поршневого пальца. В первом случае тронк будет обильно смазываться маслом, что способствует снижению его износа. Под канавками для колец или в самих канавках для отвода масла высверливают отверстия 2 и 5 (рис. 6.2а), 3 и 4 (рис. 6.2б).
В направляющей части поршней МОД и мощных СОД (среднеоборотные) делают круговые канавки в виде «ласточкина хвоста», в которые закатывают противозадирные кольца из свинцовистой или оловянистой бронзы; после проточки диаметр колец на 0,1-0,4 мм больше диаметра поршня. Указанные кольца одновременно служат для амортизации ударов юбки о стенку цилиндра, привалки поршня по цилиндру и контроля его положения в эксплуатации.
Для предотвращения заедания поршня вследствие неравномерной деформации тронка выполняют следующие мероприятия:
Для улучшения отвода теплоты от днища у неохлаждаемых поршней увеличивают толщину днища от центра к кромкам и сечение головки в зоне колец (см. рис. 6.2а, б), и поршни изготавливают из алюминиевых сплавов, имеющих высокий коэффициент теплопроводности.
У форсированных ВОД применяют тепловую изоляцию днища поршня. Для этого на днище закрепляют стальную жаростойкую накладку или наносят керамическое жаростойкое покрытие (карбид вольфрама с присадкой кобальта, карбид хрома с присадкой никеля и др.). К сожалению, керамические покрытия, имея разные с материалом поршня коэффициенты теплового расширения, со временем отслаиваются и поэтому до сих пор распространения не получили.
В обоих случаях происходит перераспределение статей теплового баланса дизеля: уменьшается теплопоток в поршень и увеличивается температура выпускных газов.
Снижение теплонапряженности охлаждаемых поршней достигается тщательной отработкой их конструкции (выбор материала, оптимальных толщин стенок и т.д.) и системой охлаждения. В качестве охладителя применяют масло или воду.
Преимущества водяного охлаждения: высокая теплоемкость воды (почти в 2,5 раза выше, чем у масла) и больший коэффициент теплоотдачи от стенок поршня к воде. Основные недостатки: возможность применения только в крейцкопфных дизелях, необходимость тщательного изготовления и изоляции системы подвода и отвода воды во избежание ее попадания в масло.
В судовых тронковых дизелях используют следующие способы охлаждения поршней.
Струйное (фонтанное) охлаждение (рис. 6.3а) применяют при умеренной теплонапряженности поршня. Масло по сверлению 1 в шатуне поступает в кольцевую канавку 2 поршневого подшипника 3, через сопло 4 струей омывает днище поршня 5 и стекает в картер дизеля.
Проточное охлаждение с помощью змеевика 1 (рис. 6.3в), залитого в тело головки при изготовлении поршня, или организованной в теле головки кольцевой полости 1 (рис. 6.36).
В змеевик масло обычно поступает по сверлениям в шатуне и поршневом пальце, а затем из поршня или через сверления в пальце и шатуне (см. рис. б.Зв) сливается в картер. В кольцевую полость масло попадает по сверлениям в шатуне и поршневом пальце или через сопло, установленное в картере дизеля соосно с вертикальным сверлением в теле поршня.
Охлаждение взбалтыванием масла (за счет «коктейль-эффекта») является наиболее эффективным, его широко применяют в современных судовых дизелях (рис. 6.4а, б). Сечения подводящих и отводящих масло каналов или высоту сливных отверстий подбирают таким образом, чтобы полость охлаждения была заполнена маслом только частично. Под действием сил инерции объем масла попеременно отбрасывается то к верхней, то к нижней части полости охлаждения, интенсивно омывая нагретые зоны поршня. Нагретое масло заменяется поступающим в поршень холодным маслом. Высокий коэффициент теплоотдачи в масло (почти в два раза больше, чем при циркуляционном охлаждении) обеспечивается за счет высокой средней скорости поршня и участия в теплообмене всей массы масла, а не только пограничного слоя.
Вероятность коксования масла на охлаждаемых поверхностях поршня при охлаждении взбалтыванием значительно уменьшается.
В крейцкопфных дизелях применяют циркуляционное охлаждение поршней (рис. 6.6а, д) или охлаждение взбалтыванием (рис. 6.6е, ж). Охладитель подводят к поршню с помощью телескопических (масло или вода) или шарнирных качающихся труб (масло).
Конструкция поршня со сферическим подшипником имеет следующие преимущества:
На рис. 6.5 приведена конструкция поршня быстроходного двигателя, у которого стальная головка выполнена отдельно от алюминиевой юбки. Оригинальность решения состоит в том, что юбка и боковая поверхность головки полностью разгружены от механических нагрузок, передаваемых с донышка непосредственно на головное соединение, отлитое за одно целое с головкой. Таким образом, юбка, свободно висящая на пальце поршня, выполняет лишь функцию направляющей, а деформация канавок поршневых колец, расположенных в боковой стенке головки, полностью исключается.
У дизеля «Бурмейстер и Вайн» 84VT2BF180 головка 1 поршня (рис. 6.6а) из жароупорной стали, чугунная юбка 5 и фланец штока 6 скреплены шпильками. В канавки уплотнительных колец 2 зачеканены противоизносные чугунные кольца 3. Поршень охлаждается маслом. Масло поступает по подвижной телескопической трубе, закрепленной на поперечине крейцкопфа, трубке 7 в осевом сверлении штока и далее в сварную вставку 4. Вставка имеет направляющие патрубки, обеспечивающие подачу масла с большой скоростью в полость охлаждения поршня. Масло из головки отводится через воронку вставки 4 и далее по кольцевому каналу между трубкой 7 и сверлением штока (такое решение неудачно, так как выходящее из головки масло имеет температуру около 60°С, что ухудшает охлаждение штока).
У дизеля типа K90GF (рис. 6.6ж) сила давления газов передается от днища поршня через стальное силовое кольцо 2 непосредственно фланцу штока поршня. Кольцо выполняет роль дополнительной опоры, уменьшающей механические напряжения изгиба в днище и разгружающей боковые стенки головки поршня. Это дает возможность уменьшить толщину днища и снизить в нем термические напряжения. Для уменьшения напряжений, возникающих из-за разных тепловых расширений, головка поршня и шток не имеют жесткого соединения. Фланец штока опирается на упругое кольцо 3, которое лежит на кольцевом бурте короткой юбки 4, прикрепленной шпильками к головке поршня. Охлаждающее масло подается по кольцевому каналу между трубкой и сверлением в штоке (попутно охлаждая шток), через сопла 1, расположенные по касательной к окружности силового кольца 2, с большой скоростью поступает в периферийную полость поршня, затем омывает днище и отводится по трубке в штоке.
Поршень дизеля MAH KZ70/120 (рис. 6.6в) состоит из головки 1 из жароупорной молибденовой стали с уплотнительными кольцами 5, проставки 6 и длинной юбки 7, отлитых из чугуна. К кольцевому приливу 5 длинными шпильками (для увеличения их податливости) крепится шток поршня 9. Днище поршня подкреплено кольцевым ребром с каналами для прохода охлаждающей воды. Тонкостенная оребренная юбка крепится к нижнему фланцу 8 штока. Для обеспечения свободного теплового расширения головки поршня между юбкой и проставкой предусмотрен зазор. В канавки на юбке и проставке закатаны противозадирные кольца 4 из свинцовистой бронзы. Охлаждающая вода подводится и отводится по подвижным телескопическим трубам, прикрепленным к нижней части штока. По кольцевому каналу между центральной трубкой и штоком вода поступает в головку, а через воронку 2 по трубке 10 уходит из поршня. Для защиты штока от коррозии внутри осевого сверления устанавливают защитную трубку из нержавеющей стали.
Поршень дизеля «Зульцер» RD76 (рис. 6.60) состоит из головки 1 с уплотнительными кольцами 7, отлитой из хромомолибденовой стали, и короткой чугунной юбки 3 с противозадирными кольцами 2 из свинцовистой бронзы. Головка и юбка крепятся к фланцу 6 поршневого штока с помощью длинных шпилек 4 с дистанционными трубками (для увеличения их податливости). Для уменьшения толщины и снижения термических напряжений днище подкреплено ребрами. Охлаждающая вода подводится и отводится по телескопическим трубам 5. После остановки дизеля и прекращения подачи воды она не должна уходить из головки поршня, поэтому выходное отверстие 8 трубы, по которой отводится вода, располагается ближе к днищу и выше отверстия, через которое вода поступает в поршень.
В новой модификации поршня двигателей «Зульцер» RTA охлаждение головки интенсифицировано путем введения струйного охлаждения глухих сверлений (рис. 6.7).
Фирма МАН в своих современных двигателях МСС в целях снижения тепловой нагрузки поршневых колец и в первую очередь первого кольца от проникающих в зазор между верхней боковой стенкой головки поршня горячих газов удлинило эту стенку, спустив весь пакет колец вниз (см. рис. 5.36).
Поршневой палец (в тронковых дизелях) служит для шарнирного соединения поршня с шатуном и передачи ему силы давления газов.
Условия работы пальца. Палец подвержен механическим нагрузкам от действия движущей силы и термическим нагрузкам вследствие нагрева от головки поршня и теплоты трения в поршневом подшипнике.
Под действием механической нагрузки (рис. 6.8а) палец испытывает напряжения изгиба (опасное сечение I-I) и среза (опасное сечение II-II), подвержен деформации. Его рабочая поверхность работает на истирание при высоких удельных давлениях и неблагоприятных условиях смазки (качательное движение шатуна не обеспечивает образования масляного клина).
К поршневому пальцу предъявляются следующие основные требования:
Материал пальцев: малоуглеродистая сталь или легированная сталь. Наружную поверхность пальцев цементируют или азотируют с последующей закалкой и отпуском, а после механической обработки для повышения усталостной прочности полируют.
Конструкции пальцев показаны на рис. 6.8. Пальцы могут быть сплошными и полыми, с постоянным или переменным диаметром расточки. Полые пальцы имеют меньшую массу, а переменный диаметр расточки позволяет рационально распределить материал.
Расположение поршневого пальца по длине тронка поршня определяется условием отсутствия перекоса поршня на такте расширения и минимальной работы трения поршня.
В современных дизелях применяют плавающие пальцы, которые устанавливают в бобышках с незначительным натягом или зазором. Благодаря зазору после нагрева поршня во время работы дизеля палец получает возможность проворачивания в бобышках. Преимущества плавающего пальца: меньше работа трения и нагрев вследствие снижения относительной скорости скольжения; равномерное изнашивание по окружности; возможность проворачиваться в бобышках поршня в случае заедания в поршневом подшипнике.
Для предотвращения повреждения зеркала цилиндра осевые перемещения плавающего пальца ограничивают пружинящими кольцами 1 (кольцами Зегера) прямоугольного или круглого сечения (см. рис. 6.8а), устанавливаемыми в кольцевые выточки в бобышках поршня, или заглушками 3 (рис. 6.86) из антифрикционного сплава или стальными.
Заглушки, установленные в отверстие пальца 1, повышают его радиальную жесткость и улучшают отвод теплоты; отверстия 2 предотвращают сжатие воздуха при их установке и при нагреве пальца во время работы дизеля. Заглушки, установленные в расточки бобышек поршня, фиксируют от проворачивания штифтами. У некоторых дизелей в пальце имеются радиальные и осевые сверления для принудительного подвода масла из поршневого подшипника к трущимся поверхностям бобышек. В этом случае заглушки с уплотняющими прокладками не только ограничивают осевые перемещения пальца, но и предотвращают попадание большого количества масла на стенки цилиндра.
В мощных СОД в пальце часто предусматривают радиальные отверстия для подвода масла от поршневого подшипника через отверстия в бобышках на охлаждение поршня.
Повреждения поршней в эксплуатации
В большинстве случаев выход из строя поршней связан с их перегревом.
Причины перегрева головок поршней:
При масляном охлаждении следы коксования масла (появление темно-коричневой окраски) на внутренней поверхности головки.