Дипломная работа: Разработка технологии восстановления гильз цилиндров ДВС
Дипломная работа: Разработка технологии восстановления гильз цилиндров ДВС
Введение
О надежности
и долговечности машины судят обычно по стабильности рабочих характеристик,
заложенных в ней при изготовлении. В условиях эксплуатации стабильность рабочих
характеристик двигателя может нарушаться вследствие многих причин, вызывающих
неисправности его механизмов и систем. Неисправности могут возникнуть в
результате нарушения регулировок, устранимых в процессе эксплуатации, или
вследствие естественного износа деталей сопряжений, не устранимого простой
регулировкой.
Долговечность,
как правило, определяется естественным износом сопрягаемых деталей, в основном
износостойкостью таких сопряжений, как гильза цилиндра – поршень, поршневое
кольцо – канавка поршня, поршневой палец – бабышка поршня, поршневой палец –
втулка шатуна, шейки коленчатого вала – подшипники, клапан – гнездо клапана в
головке цилиндров.
Поддержание
коэффициента технической готовности на высоком уровне в значительной мере
определяется степенью удовлетворения их потребностей в запасных частях.
Обеспечение
потребностей предприятий по эксплуатации и ремонту техники в запасных частях
осуществляется за счет изготовления и восстановления деталей. В этих условиях
большое внимание должно уделяться экономному использованию материальных
средств, развитию работ по восстановлению деталей. При этом в 5 – 8 раз
сокращается объем технологических операций по сравнению с изготовлением новых
одноименных изделий. Стоимость восстановления, как правило, на 30 – 50% ниже
затрат на производство новых аналогичных изделий.
На различных
типах предприятий разработаны и усовершенствованы технологические процессы и
оборудование, которые позволяют восстанавливать многие детали автомобилей
прогрессивными методами, обеспечивающими их послеремонтные ресурсы на уровне,
близком к доремонтным.
Научно-исследовательские
и учебные институты проводят различные исследования в области совершенствования
организации ремонта и восстановления деталей.
Соединение
гильза цилиндра – поршень является одним из соединений, подвергающихся
наибольшему износу в двигателях внутреннего сгорания. Поэтому разработка
технологии ремонта гильз является важной задачей для улучшения качества ремонта
двигателей.
1.
Особенности
конструкции гильз цилиндров
Блок
цилиндров или блок-картер является остовом двигателя. На нем и внутри него
расположены основные механизмы и детали систем двигателя. Блок цилиндров – это
сложная отливка коробчатой формы. Он может быть отлит из легированного серого
чугуна (двигатели автомобилей ЗИЛ-130, МАЗ-5335, КамАЗ-5320) или из
алюминиевого сплава (двигатели автомобилей ГАЗ-53А, ГАЗ-24 «Волга», ГАЗ-3102
«Волга», ГАЗ-53–12 и др.). После литья блок цилиндров подвергают искусственному
старению, что уменьшает его коробление в процессе эксплуатации и обеспечивает
сохранность правильной геометрической формы.
Поверхность блока цилиндров используется в качестве рабочей только
в некоторых автомобильных и тракторных двигателях с небольшим диаметром
цилиндра. У большинства современных двигателей жидкостного охлаждения цилиндр,
где перемещается поршень, выполняется в виде мокрой гильзы, омываемой снаружи
охлаждающей жидкостью, либо в виде сухой гильзы, устанавливаемой по всей длине
цилиндра или в верхней его части, где наблюдается максимальный износ (рис. 1.1).
а) б)
в) г)
Рис. 1.1. Гильзы блока цилиндров
а, б-мокрые; в, г – сухие
Гильза занимает среди теплонапряженных деталей двигателя особое
место как по выполняемым функциям, так и по предъявляемым к ней требованиям.
Обеспечение только одной прочности гильзы, несмотря
на всю важность этого требования, недостаточно для длительной и надежной работы
двигателя. [3]
Сухие гильзы толщиной 2–4 мм (рис. 1.1, в, г) запрессовывают
или устанавливают с зазором 0,01–0,04 мм. Небольшая толщина сухих гильз
обусловливает при их применении экономию качественных материалов, однако
повышенное термическое сопротивление контактной поверхности между гильзой и
блоком ухудшает теплоотвод от цилиндра в охлаждающую жидкость. Вследствие этого
в форсированных двигателях, как правило, применяют мокрые гильзы-втулки,
обеспечивающие лучшую теплопередачу и легко заменяемые в случае повреждения.
Кроме того, при их использовании упрощается литье блока цилиндров. Однако
жесткость блока уменьшается, появляется дополнительная возможность для развития
кавитационных явлений в полости охлаждения в результате повышенных вибраций
мокрых гильз.
В зависимости от способа установки в блоке цилиндров можно
выделить гильзы, опирающиеся буртом на верхнюю плиту блока, и так называемые
подвесные, когда гильза, соединенная с крышкой цилиндра относительно тонкими
шпильками, образует с последней узел, закрепляемый в корпусе основными силовыми
шпильками.
Первый вид гильз наиболее распространен и применяется в двигателях
всех типов. Конструкция гильзы должна обеспечить, с одной стороны, невысокий
уровень напряжений от монтажных усилий и газовой нагрузки, а с другой – умеренный
уровень температур и температурных напряжений.
В автомобильных и тракторных дизелях применяют мокрые гильзы,
отливаемые из чугуна, с верхним опорным фланцем (см. рис. 1.1, а, б и
рис. 1.2). Опорная площадь фланца, ограниченная диаметрами D1 и D2, составляет 8–15% площади
поршня. При этом давление от сил затяжки шпилек, крепящих головку цилиндра к
блоку, на кольцевой поверхности (Dt – D2) не должно превышать 380–420
МПа для чугунных и 140–180 МПа для алюминиевых блоков. С увеличением разности D2 – D1 повышается напряжение
изгиба в верхнем поясе. Высота h фланца составляет 7–10%
диаметра цилиндра D.
а) б) в)
Рис. 1.2. Способы опирания гильзы цилиндра в блоке:
а – верхним опорным поясом; б, в-нижним опорным поясом
Для повышения герметичности газового стыка на фланце втулки
выполняют кольцевой буртик шириной 2–5 мм, выступающий над плоскостью
блока на величину S, достигающую 0,15 мм и зависящую от типа уплотняющей
прокладки и диаметра цилиндра. Основное усилие приходится на зону выступающего
буртика, где контактное давление достигает 145–200 МПа и часто неравномерно
распределено по окружности. В результате этого искажается форма рабочей
поверхности цилиндра и снижается работоспособность цилиндро-поршневой группы,
увеличивается расход масла. [1]
В некоторых карбюраторных двигателях, где меньше усилия,
действующие на втулку, ее опорный фланец иногда значительно смещают от верхней
плоскости блока (рис. 1.2, б, в). При этом уменьшается
температура верхней части втулки и соответственно поршневых колец.
Внутреннюю
поверхность цилиндра, внутри которой перемещается поршень, называют зеркалом
цилиндра. Эту поверхность подвергают закалке с нагревом токами высокой частоты
для повышения износостойкости и долговечности и тщательно обрабатывают для
уменьшения трения при движении в цилиндре поршня с кольцами. Гильзы в блок
цилиндров устанавливают так, чтобы охлаждающая жидкость не проникала в них и в
поддон, а газы не прорывались из цилиндра. Предусмотрена возможность изменения
длины гильз в зависимости от температуры двигателя. Для фиксации вертикального
положения гильзы имеют специальный бурт для упора в блок цилиндров и
установочные пояса. Мокрые гильзы в нижней части уплотняют резиновыми кольцами,
размещаемыми в канавках блока цилиндров (двигатели автомобиля КамАЗ-5320), в
канавках гильз (двигатели автомобилей МАЗ-5335, ЗИЛ-130 и др.), или медными
кольцевыми прокладками, устанавливаемыми между блоком и опорной поверхностью
нижнего пояса гильзы (рис. 1.1, г). Для правильной установки в
блоке и сохранения формы при работе гильзу центрируют по двум направляющим
поясам, при этом диаметр верхнего пояса несколько больше, чем нижнего, в
котором для обеспечения удлинения гильзы при работе предусматривается зазор
0,05–0,13 мм по свободной посадке. Верхний торец гильзы выступает над
плоскостью блока цилиндров на 0,02 – 0,15 мм, что способствует лучшему
обжатию прокладки головки блока и надежному уплотнению гильзы, блока и головки
блока. [3]
Интенсивность кавитации, приводящей к разрушению цилиндров,
снижают при помощи ряда мероприятий: уменьшают зазоры между поршнем и втулкой;
специально профилируют юбку поршня; используют замкнутую систему охлаждения;
повышают стойкость поверхностей путем их химико-термической обработки;
увеличивают проходные сечения охлаждающей полости, а также используют
эмульсионные присадки, и, наконец, повышают жесткость гильзы и закрепляют ее
более прочно. Повышение жесткости достигается применением упрочняющих ребер на
наружной поверхности гильзы, так как при увеличении толщины ее стенки
повышается тепловая напряженность.
Распространенная продольно-диагональная схема (рис. 1.3, а)
обтекания имеет ряд недостатков, выражающихся в снижении интенсивности
теплоотдачи в верхней наиболее нагретой части гильзы, большой неравномерности
температурного поля гильзы и опасности возникновения объемного кипения в
застойных зонах.
а) б)
Рис. 1.3. Схемы охлаждения гильз блока цилиндров:
а – продольно-диагональная; б – с поперечным обтеканием
На рис. 1.3, б представлена исследованная в НАТИ схема
с верхним подводом охлаждающей жидкости и поперечным обтеканием.
Основное отличие этой схемы заключается в наличии кольцевой щели с
радиальной шириной (0,03–0,04) D, которая является верхней частью полости
охлаждения. Данная схема обеспечивает допустимый уровень температур во втулке
(150–160 °С) при форсировании дизелей до 22,5 кВт/л, а также более
равномерное распределение температур по длине и периметру гильзы.
Для гильз используют серые чугуны, например СЧ 30, СЧ 35,
легированные хромом, никелем, молибденом, которые имеют перлитную структуру с
достаточным количеством графита в виде пересекающихся пластин. Легирование
чугуна повышает его прочностные свойства, износостойкость и жаростойкость.
Применение пористого хромирования позволяет получить значительную поверхностную
твердость и уменьшить износ чугунных гильз (в 2,5–4,5 раза в зависимости от
вида топлива). [2]
Двигатели,
имеющие цилиндры, изготовленные в виде сменных мокрых гильз (двигатели
автомобилей ГАЗ-53А, ГАЗ-55–12, ЗИЛ-130, МАЗ-5335, КамАЗ-5320 и др.), проще
ремонтировать и эксплуатировать. Блок цилиндров, отлитый вместе с цилиндрами,
сложнее ремонтировать, так как если вышел из строя хотя бы один цилиндр
(например, в результате задира зеркала цилиндра), то нужно растачивать и
шлифовать все цилиндры.
Материал гильз должен обеспечивать наряду с износостойкостью
высокую плотность, определяемую гидравлическим испытанием гильз при давлении
воды, превосходящим рабочее давление газов. В форсированных двигателях
применяют гильзы из легированных высокопрочных чугунов с азотированной
поверхностью, имеющие повышенные прочностные характеристики. В этом случае
особое внимание обращают на улучшение антифрикционных свойств рабочих
поверхностей поршней и колец.
В форсированных высокооборотных двигателях для изготовления гильз
применяют сталь типа 45Х, а также азотируемые стали типа 38ХМЮА,
обусловливающие получение легкой тонкостенной конструкции [3].
Изображения гильз различных марок, а также в каких двигателях
применяются те или иные гильзы можно посмотреть в приложении 1.
2. Основные дефекты и причины возникновения
2.1 Износ
внутренней поверхности цилиндров
Во время
работы двигателя в верхней части цилиндров сгорает рабочая смесь. Горение
сопровождается выделением продуктов окисления – окиси углерода и азота,
углекислого газа, сернистого газа, паров воды и других веществ.
При работе
двигателя с пониженными температурами (50 – 60 °С) охлаждающей жидкости и
масла часть продуктов окисления и особенно пары воды конденсируются на стенках
цилиндров. Они растворяют продукты окисления (двуокиси) и образуют кислоты,
вызывающие коррозию цилиндров. Кроме того, разрушается масляная пленка и
увеличивается износ цилиндров и поршневых колец. Для повышения износостойкости
цилиндров в некоторых двигателях применяют вставки 3 (рис. 2.1),
изготовленные из коррозионно-стойкого чугуна. Их запрессовывают в блок
цилиндров (двигатели автомобилей ГАЗ-52–04, ЗИЛ-157КД) или в гильзу цилиндра
(двигатели автомобилей ГАЗ-24 «Волга» и ЗИЛ-130). Использование таких вставок
(например, в двигателе автомобиля ГАЗ-53А) повышает стоимость и усложняет
технологию изготовления двигателя.
Рис. 2.1.
Вставка в блоке цилиндров:
1 – блок
цилиндров; 2 – водяная рубашка; 3 – вставка
На двигателях
автомобилей ГАЗ-3102 «Волга» и ГАЗ-53–12 гильзы цилиндров отливают монолитными
из высокопрочного чугуна без вставки и крепят по верхнему бурту.
Во время
работы двигателя зеркало цилиндров, кроме указанной выше коррозии, подвергается
также абразивному и механическому изнашиванию вследствие проникновения в
двигатель пыли. Много пыли попадает в цилиндры с воздухом через впускной
трубопровод, если имеются неплотности в месте его крепления, или с топливом и
маслом при их небрежном хранении.
Пыль, попавшая
в масло, образует своеобразную притирочную пасту, вызывающую изнашивание
поршневых колец, цилиндра, поршня и других деталей. Для уменьшения абразивного
износа необходимы хорошая герметизация воздухоочистителя (воздушного фильтра) и
впускного коллектора: заправка двигателя чистым маслом и работа его на чистом
топливе; заливка в баки дизелей топлива, которое отстаивалось не менее 48 ч,
и своевременная замена (или очистка) фильтров систем питания и смазочной.
Механическое
изнашивание зеркала цилиндра больше в верхней части, чем в нижней, так как в
первой значительно выше давление. Когда в конце такта сжатия в цилиндре сгорает
рабочая смесь, то резко повышается давление образовавшихся горячих газов, и
первое компрессионное кольцо сильно прижимается к зеркалу цилиндра. В ВМТ
скорость поршня снижается до нуля, масляная пленка выгорает, и первое поршневое
кольцо вступает непосредственно в контакт с зеркалом цилиндра. При движении
поршня вниз (в первый момент) происходит интенсивное изнашивание зеркала цилиндра
и поршневого кольца. Для снижения износа цилиндров не следует допускать
перегрева двигателя, нарушения момента начала подачи топлива (дизели) и
применять для смазывания двигателя масла, не рекомендуемые заводской
инструкцией. Абразивное и механическое изнашивание деталей происходит не только
в механизмах двигателя, но и в различных механизмах автомобиля.
Кроме износа по длине также наблюдается износ в направлении,
перпендикулярном оси коленчатого вала, т.е. овализация гильз. Овализация гильз
цилиндров вызывается как неравномерностью изнашивания, так и остаточными
деформациями, возникающими от сил давления газов и бокового усилия поршня.
Наибольшая овальность гильзы происходит в верхнем поясе в зоне расположения
верхнего поршневого кольца при положении поршня в верхней мертвой точке.
Долговечность гильзы цилиндра зависит от качества ремонта и
технической культуры эксплуатации двигателя. В процессе ремонта очень важно
правильно произвести установку гильзы и сборку всего кривошипно-шатунного
механизма, обеспечив при этом точное выполнение технических условий на сборку
двигателя. Всякое отклонение от этих условий вызывает деформацию гильзы и
перекос поршней, что приводит к повышенному износу гильзы цилиндра. При
эксплуатации двигателя срок службы гильзы находится в прямой зависимости от
качества смазки, ухода за воздухоочистителем, а также от выполнения правил
запуска и прогрева холодного двигателя.
2.2
Кавитационное изнашивание
В дизелях
наблюдаются случаи вибрации гильз цилиндров. Она возникает при переходе поршня
двигателя через ВМТ, т.е. при перемещении («перекладке») его от одной стороны
цилиндра к другой. Между поршнем и зеркалом цилиндра есть зазор, и перемещение
поршня происходит с ударом. При этом изменяется давление на стенки цилиндра.
Вибрация цилиндра вызывает его кавитационное изнашивание.
В переводе с
латинского языка слово «кавитация» означает пустота. В потоке охлаждающей
жидкости при вибрации гильз цилиндров образуются пузырьки воздуха (пустоты),
которые под действием высокого давления разрушаются (замыкаются) с выделением
большой энергии. Внешняя поверхность гильзы цилиндра, а также часть блока
цилиндров, где замыкаются кавитационные пузырьки системы охлаждения,
подвергаются разрушению. Для предотвращения кавитационного разрушения в гильзах
двигателей (например, ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238) протачивают специальную канавку, в
которую вставляют антикавитационное кольцо прямоугольного сечения (рис. 2.2).
1
2
3
Рис. 2.2.
Схема цилиндра с антикавитационным кольцом:
1 – гильза
цилиндров; 2 – уплотнительные кольца (резиновые или медные, устанавливаемые под
бурт); 3 – антикавитаиионное кольцо
Оно
расположено между гильзой и отверстием в блоке цилиндров, и, кроме того, через
него нижний пояс гильзы опирается на кромку отверстия блока. В сборе с гильзой
кольцо устанавливают в блок с натягом, что значительно уменьшает амплитуду
колебаний гильзы цилиндра, а следовательно, и кавитационные разрушения ее и
блока. Избежать кавитационного разрушения можно уменьшением вибрации гильз
цилиндров, поддержанием нормального температурного режима двигателя и т.д. [2]
В
карбюраторных двигателях кавитационное разрушение гильз цилиндров почти не
встречается. Эти двигатели работают, как правило, с малыми степенями сжатия, а
следовательно, давление на поршень в конце сгорания рабочей смеси в них
значительно меньше, чем в дизеле. Зазор между поршнем и гильзой цилиндра в
карбюраторном двигателе также меньше, и при работе он уменьшается. Поэтому при
перекладке поршня в ВМТ не происходит сильного удара и значительной вибрации
гильзы. [1]
2.3 Излом
бурта гильзы
В блоке
цилиндров двигателя имеется округлое гладкое углубление, так называемое седло
буртика. Оно аксиально фиксирует гильзу в блоке. Буртик должен сидеть точно в
углублении таким образом, чтобы гильза полностью прилегала по всему периметру
седла. Затем в блоке цилиндров устанавливается прокладка головки блока
цилиндров. Уплотнение камеры сгорания (в прокладках старших поколений
металлическая окантовка, в более современных металлических прокладках – профиль)
должно при этом прилегать точно к верхней стороне седла буртика. [2]
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
|