Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
Применение латунных поршневых колец Несмотря на имеющийся опыт использования ФАБО для цилиндров, до настоящего времени широкомасштабного применения эта технология не нашла ни в нашей стране, ни за рубежом по двум причинам. 1. Существующие конструкции оснастки ФАБО цилиндров не обеспечивают необходимой производительности при массовом изготовлении цилиндров. Это связано с тем, что натирающими элементами (инструментом) являются всего лишь 1...3 латунных прутка диаметром 3...4 мм, что вынуждает выполнять несколько проходов инструмента, чтобы покрыть латунной пленкой всю поверхность зеркала цилиндра. Для этого требует пять и более минут на один цилиндр двигателя. 2. Разработанные технологии ФАБО цилиндров не дают необходимого упрочнения рабочей поверхности (зеркала) цилиндра, что не позволяет обеспечить его износостойкость на более длительный срок службы (в автомобильных двигателях, по данным немецких специалистов, до 70 000 км пробега). Это объясняется также незначительной толщиной натираемого слоя цветного металла при ФАБО (2…4 мкм), по сравнению с величиной износа гильз (до 200 мкм и более). При выборе способа создания условий ИП в сопряжениях следует учитывать некоторые особенности изнашивания деталей на наиболее неблагоприятных режимах, например, ЦПГ на пусковых режимах двигателя, длительную задержку поступления масла в верхнюю зону гильз после запуска, и недостаточное количество смазки при работе двигателя на номинальных режимах. Поэтому представляется целесообразным создавать условия самоорганизации ИП для деталей ЦПГ двигателей непрерывно в процессе работы двигателя. Это обеспечивается установкой бронзовых, латунных, медных вставок в поршневые кольца, или установкой на поршень цельных колец, изготовленных из цветных металлов. Из-за малых размеров поршневых колец автотракторных двигателей и значительных трудностей установки в них цветных вставок, рекомендуется устанавливать на поршень одно цельное латунное или бронзовое кольцо (взамен уплотнительного), которое предназначено в основном для создания медной сервовитной пленки на трущихся поверхностях деталей ЦПГ. Применение таких колец-доноров ионов меди обосновано также тем, что с целью снижения потерь на уплотнительных (компрессионных быстроходных д.в.с. Поскольку предотвращается в основном радиальном зазоре третьего давления Рz ), снятие или величину сжатия в цилиндре Рис . 3.17. Схема установки максимального износа верхней условиях эксплуатации Р1, Р2, Р3 - давление газов I, II и III поршневое кольцо 0,08 максимального давления Результаты испытаний латунными или бронзовыми показали возможность применения условий ИП при трении деталей Двигатели испытывали стенде (теплые пуски), легковоспламеняющейся пусковой пуски»). Износ деталей определяли подшипников коленчатого шатунные шейки коленчатого контролировали спектральным 118 потерь на трение в настоящее время уменьшают компрессионных) колец (с трех до двух Поскольку прорыв газов из камеры основном двумя верхними кольцами (давление третьего поршневого кольца Р3 составляет снятие или замена третьего кольца практически цилиндре (рис. 3.17). установки уплотнительных колец на поршне износа верхней зоны гильз цилиндров на режимах эксплуатации (1) и при позднем впрыске топлива газов в радиальном зазоре кольцо-канавка кольцо к стенке гильзы, равное соответственно давления сгорания топлива в цилиндре Рz испытаний трех двигателей СМД-14БН с бронзовыми кольцами (вместо второго и третьего применения и эффективность данного способа трении деталей ЦПГ. испытывали на пусковых режимах на обкаточно пуски), а также в зимнее время с ейся пусковой жидкости «Д-40 Холод определяли взвешиванием (поршневые кольца коленчатого вала) и микрометрированием (гильзы коленчатого вала); скорость изнашивания спектральным анализом проб работавшего масла уменьшают количество до двух) на поршне из камеры сгорания кольцами (давление газов в составляет менее 10 % практически не снижает колец на поршне и эпюра на режимах пуска в впрыске топлива (2). канавка, прижимающее соответственно 0,76, 0,20 и z БН с установленными и третьего чугунных) данного способа создания обкаточно-тормозном время с применением Холод» («холодные поршневые кольца и вкладыши гильзы цилиндров и изнашивания деталей работавшего масла. В цилиндрах с латунными хромированные кольца за время режиме пуска- разгона двигателя контрольными. На этих значительное снижение относительного кольца, расположенного установленным во второй канавке Эксплуатационные испытания снижение износа уплотнительных латунными и бронзовыми бронзового кольца в других При испытании двигателя в цилиндрах с латунными кольцами верхнего хромированного маслосъемных − до 0,72 и цилиндрах (рис. 3.18). Рис . 3.18.Износ уплотнительных поршневых колец и вкладышей СМД -14Н за время обкатки применением пусковой 119 с латунными и бронзовыми кольцами кольца за время приработки износились на 20 % разгона двигателя − на 30 % меньше, по этих режимах испытаний наблюдается снижение относительного износа третьего чугунного расположенного непосредственно под латунным второй канавке поршня (до 0,78 и 0,49 соответ Эксплуатационные испытания двигателя в течение 74 уплотнительных поршневых колец, работающих бронзовыми кольцами. Однако из-за поломки других двигателях устанавливали латунные двигателя на более тяжелых режимах «холодного латунными кольцами, установленными в третьей хромированного кольца уменьшился до 0,64, а первого 2 и 0,59 износа соответствующих колец Износ уплотнительных (ПК) и маслосъемных вкладышей подшипников коленчатого время обкатки (а) и на пусковых режимах пусковой легковоспламеняющейся жидкости кольцами верхние на 20 % меньше, а на меньше, по сравнению с наблюдается довольно чугунного поршневого латунным кольцом, соответственно). течение 74 ч подтвердили работающих в комплекте с поломки хрупкого латунные кольца. режимах «холодного пуска» третьей канавке, износ а первого и второго колец в контрольных маслосъемных (МС) коленчатого вала двигателя режимах зимой с легковоспламеняющейся жидкости (б) 120 Анализ результатов испытаний показывает, что чем тяжелее условия работы и интенсивнее изнашивание латунных колец под воздействием динамических нагрузочных факторов на пусковых режимах, тем заметнее уменьшение износа компрессионных и маслосъемных поршневых колец. Поэтому для повышения срока службы наиболее нагруженных верхних хромированных ПК, довольно часто ограничивающих наработку двигателя до ремонта, целесообразно латунные кольца устанавливать в верхней канавке поршня, а хромированные − во второй. Однако за время обкатки двигателя на стенде в течение 8 ч увеличился (в 2,28 раза) относительный износ латунных колец в верхней поршневой канавке всех цилиндров, по сравнению с износом хромированных колец, установленных во второй канавке. Это объясняется неблагоприятными условиями граничной смазки, высокой температурой деталей, высоким давлением сгорания топлива Рz и жесткостью рабочего процесса dР/dφ в цилиндре двигателя. Износ цветных колец способствует снижению износа основных деталей ЦПГ двигателя. При этом весьма существенно (в 10–15 раз) уменьшился износ маслосъемных колец. Эффективность способа создания условий ИП при трении деталей ЦПГ установкой на поршень латунных колец проверялась также более длительными эксплуатационными испытаниями двигателей ВАЗ-2101, УМЗ, СМД-14Н в производственных условиях. При испытании двигателя ВАЗ-2101, у которого на поршне устанавливается два компрессионных кольца, латунным кольцом заменяли чугунное заводское кольцо во второй канавке первого и третьего цилиндров. Поршневые кольца второго и четвертого цилиндров оставались контрольными для сравнения величины износа. Результаты измерений компрессии на различных этапах подготовки испытаний двигателя показывают, что установка латунных поршневых колец в первый и третий цилиндр двигателя не уменьшила компрессию в них. Латунное поршневое кольцо предназначалось, прежде всего, для создания условий ИП (как источник-донор меди), тем не менее, латунное поршневое кольцо выполняет также роль компрессионного Весовой износ поршневых колец за период обкатки двигателя приведен в табл. 3.6 Средний весовой износ первых хромированных поршневых колец первого и третьего цилиндров, работавших в комплекте с латунными кольцами, на 25…40% меньше контрольных серийных колец второго и четвертого цилиндров, а маслосъемных – в 2,3 раза. 121 Износ чугунных поршневых колец во второй канавке контрольных цилиндров в 3,5…4,8 раза больше износа верхних хромированных колец. Однако недопустим большой износ латунных колец – в три раза больше, чем серийного чугунного (табл. 3.6) . Отсюда следует, что латунное поршневое кольцо действительно служит донором меди, что подтверждается не только его интенсивным износом, но и некоторым увеличением содержания меди и цинка в пробах масла. Таблица 3.6 Потеря массы (весовой износ) поршневых колец Номер цилиндра Применяемые кольца Потери массы поршневых колец Верхнее компрессионное Компрессионное и латунное Маслосъемное г % г % г % 1 Заводские + латунное 0,0202 0,26 0,2791 2,44 0,0011 0,01 2 заводские 0,0242 0,31 0,0820 0,86 0,0359 0,34 3 Заводские + латунное 0,0205 0,26 0,3152 2,77 0,0332 0,31 4 Заводские 0,0267 0,35 0,1002 1,06 0,0456 0,44 Рентгеноспектральный анализ рабочей поверхности поршневых колец после испытаний двигателя показал незначительное присутствие на ней меди и цинка. Вероятно, эти элементы, содержащиеся в латунных поршневых кольцах, плохо откладываются на хромированной поверхности серийных колец, и, прежде всего, наносятся на рабочую поверхность гильз цилиндров. При испытании автомобильного двигателя УМЗ в двух цилиндрах устанавливали латунные кольца в первой поршневой канавке, устанавливая хромированное кольцо – во вторую канавку. В остальных двух цилиндрах латунные кольца устанавливали во второй поршневой канавке взамен чугунных колец. Латунные кольца работали как доноры меди и как уплотнительные кольца, обеспечивая необходимое давление сжатия в цилиндрах. Это подтвердили результаты периодических измерений компрессии в цилиндрах и данные рентгеноспектрального анализа проб моторного масла. После пробега автомобиля 7,7 тыс. км весовой износ латунных колец во второй и, особенно в первой поршневой канавке также оказался недопустимо большим, ограничивающим ресурс двигателя. При этом прямоугольное сечение колец приняло форму тавра вследствие износа верхней и нижней поверхностей. 122 Полученные данные показали явно недостаточную долговечность латунных поршневых колец, устанавливаемых в первой и второй поршневой канавках высокофорсированных двигателей. В связи с этим в тракторном двигателе СМД-14Н латунные поршневые кольца устанавливали только в третью поршневую канавку всех цилиндров. Пробы работавшего масла брали через 1 ч («нулевая» проба), а также через 50 и 100 мото-часов работы двигателя. Для получения сравнительных данных брали пробы моторного масла из контрольного двигателя, работавшего в этих же условиях. В пробах свежего масла двигателя с латунными кольцами содержание цинка (оцениваемое по скорости счета) оказалось примерно в 10 раз меньше, чем в масле контрольного двигателя (табл. 3.7). Таблица 3.7 Относительное содержание элементов в пробах моторного масла, % (числитель) и скорость счета, имп/с (знаменатель) Проба масла Fe Cr Cu Zn Mn Свежее 3,81 542 0,20 29 79,30 11269 16,41 2332 0,27 38 0 (через 1ч) 7,93 1299 0,25 41 74,34 12182 17,08 2799 0,40 66 50 (мото-час) 5,47 1185 0,25 54 56,46 12243 37,63 8159 0,19 42 100 (мото-ас) 4,69 1041 0,38 84 48,24 10701 46,42 10297 0,28 61 Контрольный двигатель 0 (1мото-час) 8,15 2237 0,26 71 46,75 12833 44,60 12242 0,24 67 50 (мото-час) 7,05 1572 0,35 78 52,46 11697 39,92 8902 0,22 49 100 (мото-ас) 5,06 1401 0,24 67 44,72 12383 49,78 13785 0,20 56 Однако в процессе работы содержание цинка постоянно увеличивается вследствие износа латунных поршневых колец, что сопровождается снижением износа двигателя в 1,4…1,7 раза, оцениваемого по содержанию железа в пробах. Изменение содержания железа Y Fe и цинка Y Zn в масле выражается зависимостью: Y Zn =516τ 0,5943 , Y Fe =894τ -0,1265 , где τ – продолжительность работы двигателя, мото-часы. 123 В пробах масла контрольного двигателя содержание цинка было намного больше (по скорости счета в 4 раза), тем не менее, износ оказался выше, чем у двигателя с латунными кольцами: Y Fe =1817τ -0,163 Результаты РСФА свежего и работавшего масла показали, что величина износа деталей ЦПГ, оцениваемая по относительному содержанию железа в пробах, зависит от содержания в них меди и цинка. Причем, с увеличением содержания цинка износ деталей ЦПГ уменьшается. Дальнейшие многолетние эксплуатационные испытания двигателей СМД- 14Н, СМД-18 подтверждают эффективность и целесообразность создания условий ИП при трении деталей постановкой латунных поршневых колец. Латунный водомасляный теплообменник в поддоне двигателя для создания условий избирательного переноса при трении Эффективность современных смазочных материалов повышают введением в них комплекса присадок, улучшающих их эксплуатационные свойства: вязкостные, депрессорные, антиокислительные, антикоррозионные, противоизносные и противозадирные присадки, содержащие хлор, серу, фосфор, цинк и другие элементы. Особой эффективностью отличаются маслорастворимые медьсодержащие присадки к смазочным материалам, обеспечивающие создание условий ИП при трении деталей машин. На первом этапе исследования и практического применения ИП (эффекта безызносности) применялись мелкодисперсные порошки цветных металлов (меди, свинца, олова, бронзы, бронзовой пудры). Следует отметить при этом, что присадки и порошки в смазочных материалах, срабатываются или выпадают в осадок в процессе эксплуатации машин, концентрация их становится ниже оптимальной, и эксплуатационные свойства масел и смазок снижаются. В связи с этим через некоторое время работы машин требуется добавление необходимых присадок или замена смазочных материалов. Известны другие методы создания условий ИП в сопряжениях деталей, например нанесением на поверхность детали слоя латуни или меди в процессе фрикционной обработки (ФАБО). Возможна также установка в деталь вставок из цветных металлов (в поршневые кольца мощных судовых и стационарных двигателей) или замена одного чугунного поршневого кольца на поршне латунным кольцом. В этом случае латунь или медь вставки переносится на сопрягаемые трущиеся поверхности деталей ЦПГ (гильз цилиндров и поршневых колец), а продукты износа латунного кольца растворяются в моторном масле, в результате чего повышается концентрация меди и цинка в масле. Содержание меди, электролитическим анодным деталей из цветных металлов этих металлов с маслом поступают сопряжении и выделяются в процесс растворения меди холодильниках, в которых маслофреоновой жидкостью обеспечивает длительную и и более лет. В двигателях внутреннего концентрацию меди и цинка теплообменника (ВМТ), расположенного систему охлаждения (рис. 3.19). Известно, что такие значительно повышают эффективность период эксплуатации при температуре когда пуск двигателя автомобиля застывания смазочных материалов Рис . 3.19. Масляный теплообменником (1) (а двигателя ВАЗ-2103 (б), 3 Теплообменник, включенный выполняет не только продолжительность прогрева поддержанию оптимальной эксплуатации двигателя: температур и охлаждает летом Температура масла в температуры воды всего радиатором эта разница достигает 124 меди, а также цинка в масле можно анодным растворением специальных таллов, устанавливаемых в системе смазки маслом поступают в зону контакта микронеровностей выделяются в виде медной пленки на поверхности меди и создания медной пленки проте которых ионы меди трубок охладителя жидкостью в зону трения стальных деталей компрессора длительную и безотказную работу холодильника утреннего сгорания условия ИП и цинка можно поддерживать с помощью ), расположенного в масляном поддоне и рис. 3.19). такие жидкостно-масляные радиаторы (теплообменники повышают эффективность системы смазки, особенно при температуре окружающей среды минус автомобиля затруднен вследствие повышения материалов. Масляный поддон (2) с латунным водомасляным (1) (а) и схема включения его в систему б ), 3 – электрический нагревательный включенный постоянно в систему только предпусковой разогрев, но прогрева масла после пуска, а также оптимальной рабочей температуры масла двигателя: подогревает масло зимой в охлаждает летом. масла в процессе эксплуатации двигателя всего на 2…3 ºС, тогда как с воздушно разница достигает 10…30 ºС. можно увеличить специальных дополнительных системе смазки. Элементы микронеровностей деталей в поверхности трения. Такой протекает в домашних охладителя переносятся деталей компрессора, что холодильника в течение 30–40 ИП и необходимую помощью водомасляного поддоне и включенного в радиаторы (теплообменники) особенно в зимний среды минус 40 ºС и ниже, повышения вязкости и водомасляным систему охлаждения нагревательный элемент (ТЭН) систему охлаждения, но и сокращает также способствует масла в процессе в условиях низких двигателя отличается от воздушно-масляным 125 Испытания двигателя СМД-14Б трактора ТДТ-55А с водомасляным теплообменником со стальными трубками показали уменьшение износа деталей двигателя на 20…25 %, что объясняется разогревом и снижением вязкости моторного масла перед пуском, а также оптимальной его температурой в процессе работы двигателя (скорость изнашивания деталей определяли эмиссионным спектральным анализом проб работавшего масла). Эффективность ВМТ увеличивается, если его изготовить из трубок из цветного металла (латуни, меди). Наружная поверхность латунных трубок теплообменника (или изготовленных из меди и других медь-цинк содержащих материалов) и расположенных в масляном поддоне двигателя, постоянно омывается моторным маслом, а по трубкам ВМТ постоянно циркулирует охлаждающая жидкость. Под действием температурного градиента между водой и маслом ионы меди и цинка непрерывно поступают как в моторное масло, так и в охлаждающую жидкость, и выделяются в точке контакта смазываемых трущихся поверхностей рабочих деталей двигателя. Вследствие растворения латунных трубок в процессе работы двигателя происходит непрерывное поступление и поддержание на необходимом уровне концентрации противоизносных и противозадирных присадок меди и цинка в моторном масле. С увеличением кислотности и коррозионной агрессивности моторного масла, повышением температуры и с появлением воды (конденсата) в системе смазки растворение трубок протекает более интенсивно. В этих неблагоприятных условиях работы двигателя увеличивается поступление меди и цинка в воду и масло и, тем самым повышаются противоизносные и противозадирные свойства моторного масла. К тому же уменьшается (или даже предотвращается) коррозионный износ рабочих деталей двигателя, изготовленных из цветных металлов (подшипников коленчатого вала, медных и бронзовых втулок), и повышается износостойкость всех трущихся деталей и сопряжений двигателя, смазываемых маслом. Латунный водомасляный теплообменник испытывали на двигателе ВАЗ- 2101 в течение 4-х лет. Износ двигателя и содержание меди и цинка оценивали по результатам рентгеноспектрального анализа (РСФА) проб моторного масла, периодически отбираемых из системы смазки. На рис. 3.20 показаны спектры моторного масла, которые обрабатывали по суммарным относительным интенсивностям линий излучения элементов. Результаты обработки спектров показали незначительное изменение содержания меди в пробах масла, а также довольно заметное увеличение содержания железа, хрома и свинца в масле, что объясняется техническим состоянием двигателя, требующим капитального ремонта. |