Исследования изменения геометрических размеров металлизированной гильзы цилиндров при испытании на прочность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследования изменения геометрических размеров металлизированной гильзы цилиндров при испытании на прочность

Одним из элементов, оказывающим наиболее лимитирующее влияние на показатели надежности работы двигателей внутреннего сгорания, является гильза цилиндров. В процессе эксплуатации двигателя гильза цилиндра работает в условиях резко переменных давлений в надпоршневой полости. Стенки ее соприкасаются с пламенем и горячими газами, раскаленными до температуры 1500…2500°С, а средняя скорость скольжения поршня по рабочей поверхностименяется в пределах 11…17 м/с. Кроме того, в этой зоне происходит перекладка поршня, сопровождаемая ударными нагрузками на стенки цилиндра. Под действием высокого радиального давления колец происходит разрыв масляной пленки на стенках цилиндра сопровождаемое значительным повышением трения, что приводит к интенсивному изнашиванию цилиндра и поршневых колец[1].

В настоящее время для снижения износа гильз цилиндров используются различные методы. Одним из перспективных и эффективныхметодов снижения износа в сопряжении «гильза-кольцо-поршень» является нанесение на рабочую поверхность гильзы материалаимеющего меньшее сопротивление сдвигу, чем основной материал гильзы, например меди. Такие гильзы принято называть металлизированными [2], [3], [4].

Технологический процесс металлизации гильзы цилиндров заключается в нарезаниена ее внутренней рабочей поверхности встречныхвинтовых канавок (рис. 1) и наплавки в них меди, зачистки внутренней поверхности после наплавки, шлифование внутренней поверхности, её хонингования, контроля, консервации и упаковки [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]. Нанесение медных вставок позволяет, в процессе эксплуатации гильзы в двигателе, формировать на ее внутренней рабочей поверхности трения слой антифрикционного материала, обеспечивающий снижение коэффициента трения в контакте и износ сопряжения «гильза-кольцо-поршень».

Рис. 1. Гильза цилиндров совстречными винтовыми канавками

гильза двигатель металлизация

При технологическом процессе металлизации гильзы цилиндров изменяются физико-механические свойства рабочей поверхности трения и в частности прочностные свойства. Поэтому, для оценки влияния технологического процесса металлизации на прочностные свойства гильз цилиндров и принятия решения о возможности использования металлизированных гильз в двигателях автомобилей необходимо установить предельные значенияеё геометрических и прочностных параметров.

Поскольку для гильзы цилиндров справедливо соотношение то расчёт гильзы цилиндров на прочность проведём по безмоментной теории оболочек, как тонкостенный цилиндр находящийся под внутренним давлением.

Рис. 2. Схема гильзы цилиндров а) расчётная схема; б) эпюра напряжений

Согласно уравнению Лапласа:

(1)

где - меридиональное напряжение, МПа; окружное напряжение, МПа; - внутренний радиус гильзы цилиндров, мм; радиус кривизны для цилиндрической поверхности, мм; - толщина стенки гильзы цилиндров, мм; Р_В - давление внутри гильзы цилиндров, МПа.

Тогда

(2)

Согласно теории наибольших касательных напряжений эквивалентное напряжение:

(3)

В данном случае следовательно:

(4)

(5)

Тогда напряжение, выдерживаемое элементарным участком металлизированной гильзы цилиндров, составит:

Как видно, металлизация гильзы цилиндров не приводит к снижению прочностных свойств гильзы. Для подтверждения полученных теоретических результатов проведены экспериментальные исследования на возможность возникновения её радиальных и осевых деформациях при воздействия нагрузки, соответствующей рабочим значениям в двигателе.

Перед исследованиями проводили микрометраж внутренних размеров металлизированных гильз согласно ГОСТ 14846-81. Влияние металлизации на деформацию определялось исследованиямина разрывной машине марки Р-5 ГОСТ 28840-90 по изменению деформации стенок гильзы при её осевом сжатии (рис. 3) [12]. Исследования на прочность гильзы цилиндров проводились при гидравлических исследованиях на специализированном стенде НП - 150 ТУ 3632-00502566510 - 2006 по изменению геометрических размеров гильзы цилиндров (рис. 4).

Рис. 3. а) общий вид разрывной машины Р-5; б) исследуемая металлизированная гильза цилиндров со встречными винтовыми канавками наплавленными медью

Рис. 4. Гидравлические исследования: а) стенд НП-150; б) гильза цилиндров под минимальной нагрузкой в) схема приспособления для гидравлических исследований гильзы цилиндров: 1 - манометр; 2 - металлизированная гильза; 3 - шаровой кран; 4 - насос НП-150

гильза двигатель металлизация

Исследованиям подвергались три гильзы цилиндров с нанесенными на их внутренних рабочих поверхностях трения двух встречных винтовых канавок глубиной 1,5 мм, с последующей наплавкойв них медимарки М-1 ГОСТ 859-78.

При проведении испытаний на деформационные изменения стенок, гильзу цилиндра сжимали осевой нагрузкой 2000 Н. Измерение деформации стенок гильзы осуществлялось в поясах гильзы по ее высоте в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, через каждые 30 мм, начиная с верхнего торца. Измерения проводили с использованием индикатора часового типа ИЧП 100 ГОСТ 577-68, установленного на индикаторной магнитной стойке нормально к стенке гильзы цилиндров. Величина деформации стенок гильзы цилиндров оценивалась по среднему значению деформаций всех гильз в исследуемой партии.

Испытания металлизированных гильз цилиндров на прочность проводились в двух режимах - гидростатическом и гидродинамическом. В гидростатическом режиме в металлизированную гильзу цилиндров нагнетали воду, создавая давление 5 МПа, с последующей выдержкой при этом давлении в течение 10 мин. Температура воды 20 ^ОС.

Для имитации рабочего цикла работы ЦПГ во время гидродинамических исследований давление нагнетания составлялодо 5,5 МПа, с последующим снижениемдавлениядо 0,5 МПа. Выдержка при максимальном и минимальном давлениях 3 с. Число циклов (нагнетаний и снижения давления) - 100 раз.

Результаты исследования деформации стенок металлизированных гильз цилиндров показали (рис. 5), что геометрические размеры внутреннего диаметра гильз у всех исследуемых гильз остались в допустимых пределах изменения геометрических параметров - 0,06 мм и равняются 0,01 мм.

Рис. 5. Геометрические размеры металлизированной гильзы цилиндров до (1) и после (2) осевого сжатия

Исследованиями на прочность гильз в процессе гидравлических испытаний установлено (рис. 6), что геометрические размеры внутреннего диаметра исследуемых металлизированных гильз также остались в допустимых пределах - 0,06 мм [13].

Рис. 6. Геометрические размеры металлизированной гильзы цилиндров до и после гидравлических исследований

Результаты проведённых исследований свидетельствуют о том, что металлизация гильзы цилиндров методом нарезания встречных винтовыхканавок на внутренней рабочей поверхности гильзы цилиндров с последующейнаплавкойв них меди, не приводят к снижению прочностных свойств гильзы цилиндров и не вызывают изменения ее геометрических параметров, что позволяет использовать их в двигателях внутреннего сгорания на равнее со штатными гильзами цилиндров.

Список литературы

1. Официальный сайт производителя поршневых групп «МОТОРДЕТАЛЬ-КОСТРОМА» [Электронный ресурс]. - URL:http://www.motordetal.ru/ (дата обращения 23.05.2017)

2. Баринов С.В. Повышение износостойкости цилиндро-поршневой группы автотракторных дизелей путем биметаллизации внутренней поверхности гильзы цилиндров: дисс. канд. техн. наук: 05.20.03 /Баринова Сергей Вячеславович. - Саратов, 2003. - 148 с.

3. Салахутдинов И.Р. Повышение износостойкости гильз цилиндров бензиновых двигателей биметаллизацией рабочей поверхности трения: дисс. канд. техн. наук: 05.20.03 / СалахутдиновИльмасРифкатович. - Пенза, 2011. - 208 с.

4. Салахутдинов И.Р. Повышение износостойкости гильз цилиндров бензиновых двигателей металлизацией рабочей поверхности трения / И.Р. Салахутдинов, А.Л. Хохлов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - №2 (18). - С. 101-106.

5. Патент на изобретение 2508463 Россия, МПК F02F 1/20, F16J 10/04. Цилиндропоршневая группа / Д.А. Уханов, А.Ш. Нурутдинов, А.Л. Хохлов, И.Р. Салахутдинов, А.А. Хохлов. - №2012115019/06; Заяв. 16.04.2012; Опубл. 27.02.2014, Бюл. №6.

6. Патент на изобретение 2534327 Россия, МПК F002F1/20, F16J10/04, F02F3/10. Цилиндропоршневая группа / А.Л. Хохлов, И.Р. Салахутдинов, А.А. Глущенко, А.А. Хохлов, А.Ш. Нурутдинов, Д.М. Марьин. - №2013110185/06; Заяв. 06.03.2013; Опубл. 27.11.2014, Бюл. №33.

7. Патент на полезную модель №93465 РФ Цилиндропоршневая группа / И.Р. Салахутдинов; А.Л. Хохлов; Е.С. Зыкин; К.У. Сафаров. - №2010100259; Заяв. 11.01.2013; Опубл. 27.04.2010; Бюл. №12.

8. Патент на изобретение №2440503 РФ Цилиндро-поршневая группа / И.Р. Салахутдинов; А.Л. Хохлов; Е.С. Зыкин; К.У. Сафаров. - №2010100006/06; Заяв. 11.01.2010; Опубл. 20.01.12; Бюл. №2

9. Патент на изобретение №2451810 РФ Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания / И.Р. Салахутдинов; Д.А. Уханов, А.Л. Хохлов, А.А. Хохлов. - №2011100391/06; Заяв. 11.01.2011; Опубл. 27.05.12; Бюл. №15.

10. Субаев М.И. Гильза цилиндров повышенной износостойкости / М.И. Субаев, И.Р. Салахутдинов // IV Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ учащихся, студентов, аспирантов (соискателей) и научных сотрудников «Развитие агропромышленного комплекса юга России». - Краснодар: Издательство «Новация», 2015. - С. 363-367.

11. Субаев М.И. Ускоренные лабораторные исследования противоизносных свойств металлизированных гильз цилиндров / М.И. Субаев, И.Р. Салахутдинов, А.Л. Хохлов и др. //VII Международная научно - практическая конференция «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения». - Ульяновск: УГСХА, 2016. - С. 231-237

12. ГОСТ 25.503-80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. - Введен. 1981-07-01. - М.: Госстандарт СССР, 1980. - 57 с.

13. Нурутдинов А.Ш. Исследования металлизированной гильзы цилиндров на прочность / А.Ш. Нурутдинов, А.Л. Хохлов, И.Р. Салахутдинов и др. // Научно-производственный журнал «Сельский механизатор». - 2013. - №6. - С. 33-35

14. ГОСТ 53809-2010. Двигатели автомобильные. Гильзы цилиндров. Технические требования и методы испытаний. - Введ. 2010-09-15. - М.: Национальный стандарт РФ: Изд-во стандартов, 2010 - 137 с.

Размещено на Allbest.ru