Гильза цилиндра
Опыт создания поршневых двигателей свидетельствует о необходимости тщательной отработки конструкции блока цилиндров для уменьшения монтажных деформаций гильз в сборе с ним и его головкой. Наибольшее значение имеет размещение резьбовых гнезд под шпильки крепления головки блока, а также совершенствование силовой схемы цилиндровой части блока.
Основная задача конструктивной отработки цилиндровой части - предотвращение чрезмерной концентрации напряжений и связанных с ней деформаций гнезд, служащих для упора и направления гильз цилиндров.
Одним из путей решения данной задачи является рациональное оребрение цилиндровой части блока. При введении соответствующей связи в виде кольцевой стенки повышается жесткость в зоне гнезда для упора и направления гильзы цилиндров.
Одним из ответственных элементов блока цилиндров являются опорные поверхности под бурты (фланцы) гильз, так как от точности выполнения их размеров в значительной степени зависит работа деталей цилиндро-поршневой группы дизеля. В исходном технологическом процессе механическая обработка опорных поверхностей под упорные бурты-фланцы гильз, а также их верхних и нижних посадочных поясов производилась движением резцов с осевой подачей за две операции с разных установок. При этом методе обработки затруднено выполнение требований плоскостности опорных поверхностей и перпендикулярности их общей оси посадочных поясов под установку гильз, что отрицательно сказывалось на деформации последних и повышало контактные напряжения на опорной поверхности блока и упорной поверхности бурта гильзы и их контактный износ. Кроме того, для компенсации неперпендикулярности опорной поверхности блока под бурт гильзы к общей оси посадочных поясов блока для установки гильзы на блоках, изготовленных по исходной технологии, чтобы избежать деформации гильз, был увеличен зазор по нижнему поясу между гильзой и блоком цилиндров на 0,13 мм, т. е. до 0,18-0,26 мм. Вследствие этого возросла амплитуда колебания гильз, что отрицательно сказалось на долговечности как гильз, так и блока цилиндров.
Для устранения указанных недостатков были применены новый метод обработки опорных поверхностей блока под упорные поверхности буртов гильз, а также обработка поверхности поясов под гильзы в одну операцию и за одну установку. При этом обработка опорной поверхности под бурт гильзы осевой подачей инструмента была заменена точением резцом с радиальной подачей. Это позволило уменьшить зазор в нижнем поясе между гильзой и блоком цилиндров до 0,05-0,09 мм и соответственно уменьшить колебания гильз цилиндров на дизеле, а также снизить контактные напряжения между опорной поверхностью блока и упорной поверхностью бурта гильзы. Уменьшение зазора между гильзой и блоком в нижнем поясе положительно отразилось на запасе по кавитационному разрушению. В результате уменьшения колебаний гильз улучшилась также герметичность стыка гильзы с блоком цилиндров.
Остаточная деформация гильз цилиндров ЯМЗ
Для выявления закономерностей развития остаточных деформаций и разработки мер по их уменьшению в опытном порядке была изготовлена партия гильз по описанной выше технологии и измерен их внутренний диаметр через 2; 3; 4; 10 и 20 суток после изготовления. Измерения каждой гильзы производились в четырех вертикальных плоскостях и четырнадцати поясках по высоте.
При этом было сделано 56 измерений на каждой гильзе и 4200 измерений на всей партии гильз. По этим данным было определено изменение внутреннего диаметра гильз в зависимости от продолжительности хранения их до измерения после изготовления.
Для проверки этих гипотез были изготовлены опытные партии гильз способами, отличающимися от исходного следующим:
- вместо развертывания - зенкерования внутренней поверхности гильз после закалки с нагревом т. в. ч. и отпуска производилось шлифование;
- перед хонингованием цилиндров гильзы проходили естественное старение в течение 3 суток;
- вместо развертывания - зенкерования внутренней поверхности гильз после закалки т. в. ч. и отпуска производилось шлифование, а перед хонингованием гильзы проходили естественное старение в течение 3 суток.
Измерение диаметра отверстия гильз, изготовленных перечисленными способами, проводилось по одинаковой, описанной выше, методике.
Реализация предложений, направленных на релаксацию остаточных напряжений путем длительной выдержки и исключения операции развертывания, дает возможность значительно уменьшить остаточные деформации гильз. При этом данное изменение технологии по сравнению с исходной наиболее существенно влияет на величину максимальной дисперсии. Значительно меньшее влияние оно оказывает на среднюю остаточную деформацию, радикальное уменьшение последней достигается предотвращением возникновения остаточных напряжений путем исключения операции развертывания - зенкерования после закалки. Следует отметить, что в последнем случае значительно повышается теснота корреляции опытного закона распределения теоретическому закону распределения Гаусса, что свидетельствует о большей стабильности технологии.
Остаточная деформация цилиндров гильз происходит как в направлении увеличения, так и в направлении уменьшения отверстия.
Среди исследованных вариантов максимальную деформацию имели гильзы, изготовленные по исходному технологическому процессу. Амплитуды деформации достигают 0,035 мм, что составляет 22% минимального зазора между гильзой и поршнем. Введение в технологический процесс операции естественного старения в течение 3 суток снижает максимально остаточные деформации цилиндров гильз до 0,012 мм, что составляет примерно 8% минимального зазора между гильзой и поршнем. При исключении из технологического процесса операции развертывания - зенкерования внутренней поверхности гильзы после закалки т. в. ч. и отпуска с одновременным введением перед хонингованием старения в течение 3 суток максимальные деформации цилиндров уменьшаются до 0,006 мм, что не превышает 4"о минимального зазора между гильзой и поршнем.
Износостойкость гильз цилиндров ЯМЗ
Изготовление гильз цилиндров позволяет уменьшить первоначальный минимальный зазор между гильзой и поршнем на 0,020-0,030 мм и, сохранив первоначальный максимальный зазор, ликвидировать разбивку гильз и поршней на группы по наименьшему диаметру гильзы цилиндра и наибольшему диаметру юбки поршня.
В связи с необходимостью дальнейшего повышения ресурса дизелей особое значение приобретает увеличение износостойкости гильз цилиндров. Поэтому были проведены исследования в следующих направлениях: уточнение срока службы гильз цилиндров, изготовленных из исходного материала, при работе с серийными поршневыми кольцами и стандартными инерционно-масляными воздухоочистителями; изыскание более износостойких материалов гильз цилиндров; хромирование гильз цилиндров; исследование более эффективных воздухоочистителей; подбор моторных масел более высокого качества.
Для уточнения срока службы исходного варианта гильз было необходимо выявить предельно допустимый износ, при котором еще не происходит заметного ухудшения технико-экономических показателей дизелей и их пусковых качеств. В результате исследований установлено, что предельный износ ограничивается не снижением энергетических показателей и увеличением расхода масла, а главным образом ухудшением пуска дизеля в холодном состоянии.
По опытным данным были построены графики износа гильз и колец в зависимости от наработки. Средняя наработка до предельного износа гильз (0,16 мм) составляет 5700 ч при условии сохранения слоя хрома на верхнем компрессионном кольце. При этом радиальный износ поршневых колец равен 0,14 мм. Следовательно, для обеспечения средней наработки дизеля до замены поршневых колец 5700 мото-часов исходная толщина хрома на рабочей поверхности колец должна быть не менее 0,14 мм. Это требование необходимо выполнять, так как после срабатывания слоя хрома на поршневых кольцах темп износа гильз повышается примерно в 2, а поршневых колец в 4 раза.
При одной промежуточной замене поршневых колец, имеющих толщину хрома на рабочей поверхности не менее 0,14 мм, через 5700 мото-часов и предельно допустимом износе гильз, равном 0,24 мм, ресурс гильзы составляет 8200 мото-часов. Кроме того, из этого графика следует, что дальнейшее повышение долговечности гильз в результате дополнительного увеличения толщины слоя хрома на рабочей поверхности поршневых колец невозможно. В результате форсированных испытаний гильз нескольких вариантов установлено, что износостойкость гильз цилиндров из низкоуглеродистого чугуна с карбидами в структуре на 10% выше, чем износостойкость серийной гильзы. Износостойкость гильзы с повышенным содержанием хрома, никеля, меди, титана и наличием бора повышается в среднем на 20?6, а износостойкость гильз с хромированной поверхностью цилиндров более чем на 50% превышает износостойкость серийных гильз цилиндров. Однако внедрение хромированных гильз цилиндров требует решения задачи повышения износостойкости поршневых колец. Внедрению хромированных гильз препятствует их высокая стоимость.