ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 5, 2004
НАДЕЖНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МАШИН
И КОНСТРУКЦИЙ
УДК 621.43:62-192
© 2004 г. Арон A.B., Леонтьев Л.Б., Флорианская М.В.
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВТУЛОК ЦИЛИНДРОВ СУДОВЫХ ДВС ПРИ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИИ В ГАЛТЕЛИ ОПОРНОГО БУРТА
На основании анализа напряженного состояния района верхнего опорного бурта втулок цилиндров средне- и малооборотных судовых дизелей предлагаются технологические решения проблемы повышения надежности втулок цилиндров при трещинообразовании в галтели опорного бурта.
Старение судов морского и рыбопромыслового флотов делает актуальной проблемы повышения надежности ответственных деталей (например, втулка цилиндра дизеля), определяющих во многом ресурс дизеля и время его капитального ремонта. Применение современных технологий восстановления и упрочнения деталей позволяют существенно повысить надежность деталей, находящихся в эксплуатации или требующих ремонта и сократить потребность в приобретении сменно-запасных частей.
Анализ отказов втулок цилиндров дизелей, установленных на судах Дальневосточного бассейна [1, 2], позволяет сделать вывод, что для большинства типов дизелей характерно образование трещины в галтели опорного бурта втулки. Из-за этого отказа заменяется 80% втулок цилиндров дизелей фирмы МАН, 91% втулок дизелей фирмы "Бурмейстер и Вайн", 83,8% дизелей типа 6VD 26/20, 90,0% дизелей NVD 36.1, 37,0% дизелей 6ЧН 25/34 и т.д. При этом наработка втулок не превышает половины назначенного ресурса, а износ внутренней рабочей поверхности отказавших втулок составляет 10-50% от предельно допустимого износа. Глубина трещин на момент их обнаружения в зависимости от типа двигателя колеблется в пределах 2-15 мм.
Процесс образования трещин в галтели опорного бурта втулки цилиндра можно аппроксимировать выражением
N^N = C, (1)
где aN - разрушающие напряжения; Na - базовое число циклов нагружений; m, C -постоянные характеристики усталости материала.
Анализ выражения (1) показывает, что для повышения надежности втулок цилиндров необходимо или снижать уровень действующих рабочих напряжений, или увеличивать усталостную прочность конструкции в опасном сечении. Однако снижение уровня действующих напряжений можно достичь применением конструктивных решений, что представляет весьма сложную задачу в условиях судоремонтного предприятия, или ограничением мощности дизеля при эксплуатации. Наиболее простыми яв-
ляются технологические решения по повышению усталостной прочности втулок при ремонте дизелей, например путем применения методов поверхностного пластического деформирования (ППД) или наплавки дефектного района более прочными материалами, чем серый чугун.
Предел усталостной прочности а^ для образцов из серого чугуна марок СЧ25 и СЧ30 втулок среднеоборотных дизелей составляет 90-132 МПа, малооборотных 80-105 МПа [2]. Практика показывает, что предел выносливости натурной детали в 2-6 раз меньше о-1. Указанное снижение предела выносливости является следствием влияния ряда факторов: концентрации напряжений; абсолютных размеров поперечных сечений (масштабный фактор); качества обработки поверхности; эксплуатационных факторов (коррозия, температура, частота и асимметрия переменных напряжений и т.д.). Неравномерность распределения графитовых включений в металлической основе чугуна и наличие постоянных включений в металле (литейных засоров, газовых раковин и т.п.) определяют низкую усталостную прочность втулок цилиндров.
Для выбора оптимального технологического решения проблемы повышения надежности втулок цилиндров был выполнен анализ напряженного состояния втулок средне- и малооборотных судовых дизелей, наиболее подверженных образованию трещин в галтели опорного бурта.
При работе дизеля общее напряженное состояние втулки цилиндра складывается из температурных а,, монтажных ом от затяжки шпилек с усилием Р > 1,5Рг (Рг -максимальное давление сгорания в цилиндре дизеля) и механических ог напряжений от давления газов. Из-за высокой частоты изменения параметров газа и значительной тепловой инерции металла температура стенки втулки на протяжении цикла при установившемся режиме работы двигателя не изменяется, поэтому а, являются статическими напряжениями.
При Рг = 0 напряженное состояние втулки цилиндра определяется из выражения
= < + <м. Давление газов при сжатии и сгорании действует на крышку цилиндра и растягивает шпильки, ослабляя усилие затяжки. Это приводит к уменьшению ом и появлению ог. При достижении максимального давления в цилиндре напряженное состояние стенки втулки изменится и напряжения будут равны
о2 = а, + 0,33 (ом + ог). (2)
Характер изменения напряжений в районе галтели опорного бурта подчиняется асимметричному циклу.
Напряженно-деформированное состояние втулок цилиндров было проанализировано на двигателях, на которых наиболее часто возникали отказы из-за образования трещин УО 26/20, КУБ 36.1 и ДКРН 74/160-3. Напряженно-деформированное состояние втулки цилиндра исследовали расчетным путем с использованием метода конечных элементов. Реализация программы позволила установить величины и распределение осевых и окружных напряжений от температурных, механических и монтажных нагрузок по высоте и толщине стенки втулки цилиндра в верхней части при номинальном режиме работы двигателя.
Результаты расчетов показали, что зона галтели втулки цилиндра является наиболее напряженной частью конструкции. Здесь наблюдается значительный уровень осевых напряжений растяжения, определяемый конструктивными и эксплуатационными особенностями работы данной зоны втулки цилиндра. По толщине стенки втулки поверхность действия наибольших нормальных напряжений располагается не в горизонтальной плоскости, а под некоторым углом к ней (примерно 45-50°), что и определяет направление развития трещины. За образование такого вида трещин у деталей из серого чугуна ответственными являются максимальные нормальные (осевые) напряжения растяжения. У наружной поверхности происходит скачок напряжений из-за влияния галтели, являющейся концентратором напряжений. В дальнейшем по толщине стенки втулки напряжения распределяются близко к линейной зависимости. Результаты расчетов распределения осевых напряжений от температурных (2), механических (1) и монтажных (3) нагрузок по поверхности действия наибольших нормальных напря-
жений для втулки цилиндра дизеля 6УО 26/20 представлены на рис. 1 (гн - радиус наружной поверхности, гвн -радиус внутренней поверхности.).
Анализ величин суммарных осевых напряжений из выражения (2) показывает, что в момент сгорания топлива в цилиндре, т.е. при давлении газов равном Р , уровень напряженного состояния галтели опорного бурта будет наибольшим (о2 тах = 184 МПа для втулки УО 26/20). В период газообмена он минимален (о2 = 114 МПа для втулки УО 26/20). Характер изменения напряжений в галтели втулки подчиняется асимметричному циклу. Цикл нагружения галтели опорного бурта втулки характеризуется параметрами ат = 149 МПа и оа = 35 МРа (для втулки УО 26/20). При таком цикле нагружения очевидна недостаточная усталостная прочность материала втулки цилиндра, что и приводит к образованию трещин.
Анализ напряженного состояния втулок цилиндров показал, что материал втулки (серый чугун) в районе галтели обладает недостаточной усталостной прочностью. При этом слой материала, напряженное состояние которого превышает предел выносливости, незначительных размеров и охватывает по длине втулки только непосредственно галтель и углубляется в тело втулки на глубину 5-8 мм. Повысить усталостную прочность района галтели можно двумя способами: упрочнением ППД методом чеканки или заменой материала слоя наружной поверхности втулки цилиндра на другой, обладающий большим пределом выносливости (биметаллическая втулка).
Метод чеканки позволяет получить глубину упрочнения свыше 8 мм и повысить предел выносливости чугуна в 1,7 раза, а предел прочности на растяжение на 11% (таблица). Доминирующее влияние на повышение выносливости оказывают увеличение плотности дислокаций и образование остаточных напряжений сжатия, достигающие 140 МПа в верхних слоях упрочненного слоя.
Способ повышения усталостной прочности и соответственно надежности втулок цилиндров чеканкой целесообразно применять для новых втулок и втулок, находящихся в эксплуатации и имеющих трещины в галтели опорного бурта при глубине их распространения не более 20% толщины стенки втулки. Удаление трещины проводят механическим путем в направлении ее распространения. Данная технология упрочнения втулок цилиндров внедрена на Находкинском судоремонтном заводе.
Второй способ повышения усталостной прочности втулки - создание биметаллической конструкции. С технологической точки зрения легче осуществить данную конструкцию путем запрессовки в прочную наружную втулку внутренней тонкостенной чугунной вставки. По такому пути пошла фирма "Фиат", создав двухслойную конструкцию втулки цилиндра двигателя С9008 [3]. Однако из-за высоких контактных термических сопротивлений в месте посадки повышается температура рабочей внутренней поверхности, ухудшаются условия смазки и усиливается износ.
Для устранения недостатков вышеприведенной конструкции была разработана биметаллическая втулка цилиндра [4], содержащая металлический пояс для упроч-
Ое, МПа 80 40
0
-40
гнар 115 110 105 г,н, мм
Рис. 1
Наименование параметра
УБ 26/20 ДКРН62/140-3
Предел прочности при растяжении 296 240
Предел выносливости гладкого образца 120 95
Предел выносливости с концентратором напряжений 108 93
Предел прочности при растяжении после ППД 329 265
Предел выносливости гладкого образца после ППД 190 166
Величина параметра образцов из чугуна втулок, МПа
А(4 : 1)
Рис. 2
Рис. 3
нения ее только в районе галтели. Этот пояс выполняется путем наплавки из материала с пределом выносливости выше действующих напряжений (рис. 2).
Пояс выполнен в виде кольца с сечением, внутренний контур которого является огибающей трех точек 3, 4, 5. Точка 5 размещена в нижней части образующей наружной цилиндрической поверхности бурта. Точка 5 размещена на образующей наружной ц
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.