Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Содержание

1. Втулки

2. Поршни

3. Цилиндровые крышки

Заключение

Список используемой литературы

Введение

За прошедшие 10-15 лет в конструкции судовых дизелей произошли радикальные изменения и вызвано это было необходимостью повысить удельную мощность и экономичность, надежность и моторесурс и, одновременно, снизить уровень эмиссии выхлопных газов. Если в 70-80 годы повышение мощности достигалось путем увеличения размеров двигателей (диаметры цилиндров были доведены до 105-106 см), то сегодня наблюдается обратная тенденция - к снижению размеров двигателей. Крейцкопфные двигатели строятся с диаметрами цилиндров в диапазоне 26-96 см., а увеличение мощности обеспечивается наддувом. В свою очередь, форсировка наддувом влечет за собой рост уровней тепловых и механических напряжений в элементах конструкции двигателей.

В новых конструкциях снижению нагрузок было уделено особое внимание. Были внедрены новые решения в организацию охлаждения цилиндропоршневой группы, позволившие снизить температуры рабочих поверхностей поршня, крышки и втулки цилиндра в районе камеры сгорания, уменьшить температурные перепады в их стенках при одновременном повышении температур зеркала цилиндра в его средней и нижней частях, чтобы предотвратить конденсацию на них воды и серной кислоты.

1. Втулки

В судовых дизелях находят применение исключительно сменяемые вставные и охлаждаемые «мокрые» втулки

Условия работы втулок, определяются:

- воздействием на них горячих газов, вызывающих большие механические и тепловые нагрузки;

- работой поршневых колец, приводящей к износу рабочей поверхности «зеркала»

- дополнительному нагреву; коррозии и кавитационной эрозии со стороны охлаждающей воды.

Материал втулок - чугун, легированный титаном, хромом, никелем, ванадием, или серый чугун (для втулок МОД и СОД) или легированная сталь (для втулок ВОД). Для повышения износостойкости чугунные втулки ВОД (иногда СОД) покрывают пористым хромом, а стальные азотируют. Для защиты от коррозии и эрозии охлаждаемую поверхность втулок покрывают краской или бакелитовым лаком, хромируют или кадмируют.

Рабочую поверхность втулок, как правило, хонингуют, иногда наносят сетку микроштрихов «зебру» или производят винтовую нарезку с шагом 12-15 мм и глубиной 0,03-0,06 мм, которые улучшают приработку рабочих поверхностей новой втулки и поршневых колец и позволяют визуально (через продувочные окна) контролировать износ в эксплуатации.

К втулке цилиндра предъявляются следующие требования:

- высокая прочность;

- хорошее охлаждение (особенно верхнего пояса) при возможно
меньших перепадах температур в стенке;

- наименьшая неравномерность радиальных и осевых деформаций;

- герметичность поверхностей, сопряженных с рубашкой и
крышкой цилиндра;

- обеспечивание свободного радиального и осевого расширения
втулки;

- материал втулки должен быть жаростойким и жаропрочным,
износостойким, иметь хорошие антифрикционные качества.

Конструкторам приходится учитывать, что испытываемые стенкой втулки напряжения, складываются из напряжений механических и тепловых. Стремление снизить механические напряжения путем увеличения толщины стенок приводит к росту тепловых напряжений. Поэтому в современных форсированных двигателях конструкторы пошли по пути сохранения или даже увеличения толщины втулок в их верхнем поясе, но приближения охлаждаемой поверхности к тепловоспринимающей путем сверления охлаждающих каналов непосредственно во фланцевой части (см. рис. 1 и 2).

Рисунок 1 - Изменения в организации охлаждения верхнего пояса втулок цилиндра в малооборотных двигателях

а) Зульцер; б) МАН

В форсированных СОД для уплотнения и предотвращения коррозии посадочного пояса втулки в него часто устанавливают резиновое кольцо. Уплотнение газового стыка обеспечивают притиркой поверхностей фланца втулки и бурта крышки или установкой в посадочную канавку прокладку из отожженной красной меди или мягкой стали.

Уплотнение нижнего пояса втулки со стороны охлаждающей воды и со стороны картера или подпоршневого пространства осуществляют резиновыми кольцами. Резиновые кольца круглого сечения заводят в канавки, проточенные в утолщенном круговом поясе втулки. У двухтактных дизелей с контурной продувкой пояс выпускных окон со стороны охлаждающей воды уплотняют резиновыми кольцами, а со стороны газа -- красно-медными кольцами 6, устанавливаемыми с натягом относительно центрирующего пояса блока.

Смазка рабочей поверхности втулок в тронковых дизелях обычно осуществляется за счет разбрызгивания масла, вытекающего из зазоров подшипников; масло забрасывается на нижнюю часть втулки и при движении поршня вверх разносится поршневыми кольцами по всему зеркалу цилиндра. У мощных СОД для верхней части втулки часто предусматривают принудительную лубрикаторную смазку. В крейцкопфных двухтактных дизелях применяют только принудительную смазку цилиндров, осуществляемую насосами плунжерного типа - лубрикаторами через масляные штуцеры, вворачиваемые в стенку втулки. В дизеле МАН KZ70/120 масло подается по радиальным и осевым сверлениям в верхней части втулки. В штуцере (перед цилиндром) имеется невозвратный клапан, предотвращающий попадание газов из цилиндра в маслопровод. В целях улучшения смазки нижерасположенной поверхности цилиндра фирма Зульцер в последних моделях двигателей применила 2-х уровневое расположение штуцеров. Для равномерного распределения масла по окружности на зеркале втулки в районе смазочных отверстий вырезают масло распределительные канавки или соединяют отверстия сплошной криволинейной канавкой. Расположение смазочных отверстий зависит от тактности дизеля и уровня его форсировки.

В последние 10-20 лет отмечается интенсификация работ по форсировке двигателей, сопровождаемой увеличением Ре в малооборотных до 17-18 бар и в среднеоборотных до 23-25 бар. Одновременно увеличиваются максимальные давления сгорания до 140-180 бар, что естественно приводит к увеличению механических напряжений особенно в верхнем поясе цилиндра. Рост среднего эффективного давления достигается путем увеличения давления наддува и, соответственно, величины подачи топлива (дц), а это влечет за собой рост величины теплового потока в стенки цилиндра, перепада температур в стенках и возникающих в них температурных напряжений. Температурные и механические напряжения действуют совместно и их рост, естественно, потребовал искать пути их снижения. Перепад температур в стенке, а вместе с ним и величина возникающих термических напряжений могут быть понижены путем уменьшения толщины стенки. Но это приведет к росту в ней механических напряжений.

Поэтому, уменьшая толщину, стали прибегать к оребрению стенки цилиндра в верхнем поясе - втулка двигателей RS (см. рис 1). В более поздней конструкции двигателей RD в целях снижения механических напряжений в верхнем поясе на него на прессовали силовое кольцо. Однако это решение в процессе эксплуатации себя не оправдало. Постепенно возникающая подвижка кольца вследствие возникающей подвижки и фреттинг-коррозии приводило к ослаблению его посадки. Нагрузка на втулку соответственно увеличивалась и в ней появлялись микротрещины. В новых конструкциях (двигатели RND и RTA) пошли на увеличение толщины и высоты фланцевой части втулки, сократив при этом толщину тепло проводящей части втулки путем ее сверления и подачи охлаждающей воды по сверлениям ближе к тепло воспринимающей поверхности.

Рисунок 2 - Организация охлаждения втулки цилиндра двигателя МАН-Бурмейстер и Вайн -МС и температуры камеры сгорания

Аналогичные решения приняты и фирмой МАН- Бурмейстер и Вайн (рис. 2), они же стали применяться и в современных форсированных средне оборотных двигателях (рис. 3).

Рисунок 3 - Организация охлаждения втулки цилиндра 4-х тактного двигателя L46 (Вяртсиля)

В классическом варианта охлаждение втулок осуществлялось по всей длине, что приводило к переохлаждению нижней и средней частей поверхности цилиндра и провоцированию интенсификации сернистой коррозии и износа. Чтобы этого избежать, в новых решениях нижняя часть втулок не охлаждается и режим охлаждения верхней части организуется таким образом, чтобы температура зеркала не была ниже точки росы паров воды (150° С) и не превышала Т=200° С, при которой происходит полимеризация масла с образованием лаковых пленок на зеркале и нагара в кепах поршневых колец. Как видно из рисунков 1 и 2 температуры рабочих поверхностей втулок в зоне первого поршневого кольца в вмт находятся в пределах рекомендованных уровней.

2. Поршни

К конструкции поршня предъявляют следующие основные требования: наименьшая теплонапряженность, т. е. температуры днища и стенок головки в зоне поршневых колец должны быть по возможности снижены при минимальных перепадах температур в радиальном и осевом направлениях; меньшая масса (для снижения сил инерции) при достаточной прочности и жесткости (для предотвращения деформации). Кроме того, материал головки должен быть жаропрочным и жаростойким, а направляющей части - износостойким, иметь хорошие антифрикционные свойства и малый коэффициент линейного расширения. Материал цельных поршней: серый чугун, высокопрочный чугун и алюминиевые сплавы литейные жаропрочные или деформируемые. В составных поршнях головку или днище изготавливают отъемными из легированной стали (обычно молибденовой или хромо-молибденовой), а направляющую часть - из чугуна или алюминиевого сплава. Это дает возможность получить жароупорную конструкцию при относительно небольшой массе и заменять при необходимости только головку поршня.

Высокий коэффициент теплопроводности алюминиевых сплавов (в 3-4 раза выше, чем у чугуна и стали) и небольшой коэффициент трения дают возможность снизить температуру днища поршня, его массу и силы инерции, а также потери на трение. Кроме того, поршни из алюминиевых сплавов более технологичны при изготовлении и на их поверхностях меньше образуется нагара. Передача теплоты от газов к алюминиевому поршню на 30-40% меньше, чем к чугунному или стальному.

Вследствие более низкой температуры (и, следовательно, лучшего наполнения цилиндров воздухом) и меньших потерь на трение при замене чугунных поршней поршнями из алюминиевых сплавов мощность дизеля может быть повышена на 10-15%, а расход топлива снижен.

Недостатки поршней из алюминиевых сплавов: малая прочность при высоких температурах, быстрая разработка канавок поршневых колец и бобышек поршневого пальца, относительно высокая стоимость. Из-за большого коэффициента линейного расширения алюминиевых сплавов (в 2-2,5 раза выше, чем у чугуна и стали) необходимо увеличивать радиальный зазор между тронком поршня и цилиндром почти в 2 раза по сравнению с чугунными поршнями, что затрудняет пуск дизеля, вызывает стуки в цилиндрах при работе на малых нагрузках и увеличивает тепловую нагрузку верхних поршневых колец.

В ВОД с поршнями из алюминиевых сплавов для снижения температуры тронка и уменьшения зазора в паре тронк - цилиндр между головкой поршня и тронком или в тронке иногда делают прорезь; в этом случае упругий тонкостенный тронк деформируется независимо от деформации головки поршня. Однако прорезь уменьшает жесткость поршня, поэтому в форсированных дизелях тронк не прорезают, а обрабатывают на конус (основание конуса в нижней части тронка).

Для снижения сил трения и износа тронка на его поверхности иногда выполняют клинообразные углубления. При перетекании масла из одного углубления в другое создается гидродинамическое давление, способствующее уменьшению трения и износа.

Утолщение в нижней части тронка служит для его ужесточения и предотвращения возможных деформаций при сборке и разборке (иногда для этого к торцу юбки крепят стальное кольцо), подгонки поршней по массе и использования в качестве технологической базы при обработке поршня.

Канавки для маслосъемных колец располагают на тронке выше или ниже поршневого пальца. В первом случае тронк будет обильно смазываться маслом, что способствует снижению его износа.

В направляющей части поршней МОД и мощных СОД делают круговые канавки в виде «ласточкина хвоста», в которые закатывают противозадирные кольца из свинцовистой или оловянистой бронзы; после проточки диаметр колец на 0,1-0,4 мм больше диаметра поршня. Указанные кольца одновременно служат для амортизации ударов юбки о стенку цилиндра, привалки поршня по цилиндру и контроля его положения в эксплуатации.

Для улучшения отвода теплоты от днища у неохлаждаемых поршней увеличивают толщину днища от центра к кромкам и сечение головки в зоне колец, и поршни изготавливают из алюминиевых сплавов, имеющих высокий коэффициент теплопроводности.

У форсированных ВОД применяют тепловую изоляцию днища поршня. Для этого на днище закрепляют стальную жаростойкую накладку или наносят керамическое жаростойкое покрытие (карбид вольфрама с присадкой кобальта, карбид хрома с присадкой никеля и др.). К сожалению, керамические покрытия, имея разные с материалом поршня коэффициенты теплового расширения, со временем отслаиваются и поэтому до сих пор распространения не получили.

В обоих случаях происходит перераспределение статей теплового баланса дизеля: уменьшается теплопоток в поршень и увеличивается температура выпускных газов. Снижение теплонапряженности охлаждаемых поршней достигается тщательной отработкой их конструкции (выбор материала, оптимальных толщин стенок и т.д.) и системой охлаждения. В качестве охладителя применяют масло или воду. Основное преимущество масляного охлаждения - возможность применения в тронковых и крейцкопфных дизелях (протечки масла в картер не опасны), а основной недостаток - вероятность коксования масла на донышке, резко ухудшающего теплоотвод. Преимущества водяного охлаждения: высокая теплоемкость воды (почти в 2,5 раза выше, чем у масла) и больший коэффициент теплоотдачи от стенок поршня к воде. Основные недостатки: возможность применения только в крейцкопфных дизелях: необходимость тщательного изготовления и изоляции системы подвода и отвода воды во- избежание ее попадания в масло.

3. Цилиндровые крышки

Крышка цилиндра, являющаяся одним из элементов остова дизеля, служит для плотного закрытия цилиндра, образования камеры сгорания (вместе с днищем поршня и стенками втулки), размещения клапанов и форсунки. втулка охлаждение двигатель теплопроводность

Крышки четырех- и двухтактных дизелей с прямоточно-клапанной продувкой конструктивно подобны. Конструкция крышек двухтактных дизелей с контурной продувкой более простые, так как в них отсутствуют впускные и выпускные клапаны. Условия работы крышки -- она подвергается воздействию больших механических и термических нагрузок. Механические нагрузки возникают под давлением газов и силы затяга крепежных шпилек. Термические нагрузки обусловлены непосредственным соприкосновением огневого днища крышки с горячими газами.

К конструкции цилиндровой крышки предъявляются следующие основные требования:

1) возможно меньшие напряжения в огневом днище;

2) свободное расширение наиболее нагретых частей;

3) простая и симметричная форма для обеспечения равномерного распределения температур и снижения напряжений от неодинаковой скорости нагрева и остывания отдельных стенок;

4) большие проходные сечения газораспределительных клапанов;

5) оптимальная форма камеры сгорания в соответствии с принятой системой смесеобразования и схемой газообмена;

6) должна способствовать уменьшению тепловых нагрузок верхнего пояса цилиндровой втулки.

Материал для изготовления крышек МОД - легированная сталь (молибденовая или хромоникелевая), крышек СОД - легированный чугун с присадками молибдена, хрома, никеля или серый чугун. Огневую часть составных крышек изготавливают из легированной стали, верхнюю - из чугуна или углеродистой, а шпильки СОД - из легированной стали и др.

По конструкции различают цилиндровые крышки цельные и составные. Крышка может быть четырех -, шести -, восьмигранной или круглой. Многогранная и круглая формы крышки дают возможность расположить крепежные шпильки по окружности, увеличить их число и уменьшить диаметр, а, следовательно, уменьшить прогиб участков крышки между шпильками и усилие затяга шпилек.

Форму огневого днища выбирают из условия обеспечения качественных процессов смесеобразования и газообмена с учетом возникающих в нем напряжений (напряжения растяжения нежелательны).

Охлаждается крышка водой, подводимой из фланцевой части цилиндровой втулки или из зарубашечного пространства у дизелей ранней постройки. Поток воды последовательно охлаждает огневое днище, стаканы форсунки и клапанов (часто непосредственно седла клапанов), каналы для газа и воздуха. Для улучшения охлаждения наиболее нагретых поверхностей отливают в крышке направляющие стенки, устанавливают специальные патрубки или сопла. Вода из крышки отводится из наиболее высокой точки полости охлаждения, что предотвращает образование застойных зон, воздушных и паровых мешков.

Конструктивные способы снижения механической и тепловой напряженности цилиндровой крышки. В крышке СОД Зульцер Z40/48 толстое промежуточное днище 2 является опорой для тонкостенного огневого днища / и принимает на себя механические нагрузки (через стенки, ребра и стаканы клапанов). Снижение механических напряжений в огневом днище достигнуто приближением к нему нейтральной оси крышки.

Снижение термических напряжений достигается уменьшением толщины тепло воспринимающей стенки огневого днища и его интенсивного охлаждения. Вода в крышку поступает по круговому кожуху 7. Часть воды поступает в полость между огневым и промежуточным днищами, часть - на охлаждение седел клапанов. Затем вода в верхнюю полость крышки проходит по каналу вокруг стакана форсунки.

В конструкции крышек современных форсированных двигателей в связи с ростом тепловых нагрузок промежуточное днище устранено и огневое днище воспринимает все механические и тепловые нагрузки. Поэтому его толщина увеличена, но для снижения тепловых напряжений близко к тепловоспринимающей поверхности просверлены охлаждающие каналы. Охлаждающая вода циркулирует в наклонных а, радиальных b и вертикальных с сверлениях. Вследствие близкого расположения охлаждающих каналов к огневой поверхности обеспечивается ее хорошее охлаждение, а температурные перепады концентрируются между каналами и огневой поверхностью. Температура основной массы днища (выше каналов) в крышке двигателя ZA40S остается приблизительно постоянной и относительно невысокой. Несмотря на возросший уровень нагрузок на огневое днище его тепло напряженность осталась приблизительно на прежнем уровне (как в дизеле Z40/48), а максимальные механические напряжения снижены почти на 70 %

Увеличение толщины стенок и сверление в них охлаждающих каналов - основной способ снижения механической и тепловой напряженности тепловоспринимающих деталей в современных дизелях. Эффективное снижение напряженности крышек цилиндров в большинстве форсированных дизелей достигнуто их изготовлением в виде стальной кованой плиты с выточкой для камеры сгорания и интенсивным охлаждением с помощью системы сверленых каналов;

Так в крышке дизеля Зульцер RTA вода подводится по сверлениям для охлаждения не только корпуса, но и непосредственно седла выпускного клапана. Низкая температура крышки за сверлениями и интенсивное охлаждение нижней части стакана форсунки позволили применить для ее охлаждения топливо (вместо воды), что значительно удобнее в эксплуатации. Важно отметить, что крышка имеет колпачковую форму. Это повышает жесткость конструкции, а главное, в ней размещается камера сгорания. Верхняя часть цилиндра перекрывается поршнем при его положении в ВМТ. В результате существенно снижается тепловая нагрузка верхнего пояса втулки, так как он подвергается воздействию газов на ходе расширения, когда их давление и температура сравнительно низкие. Для охлаждения бурта крышки (толстой вертикальной стенки колпака) ближе к огневой поверхности сделаны тангенциальные каналы - сверления, подобные сверлениям в бурте втулки.

Подобная конструкция крышки применена и в новейших, сверхдлинноходных форсированных дизелях МАН - Бурмейстер и Вайн типа L-MC/MCC. Использование колпачковых крышек наряду с отмеченными преимуществами дает возможность отказаться от резьбовых сверлений (для подъемных рымов) в днище поршня, являющихся концентраторами напряжений, а иногда расположить пусковой, предохранительный и индикаторный клапаны на боковой поверхности колпака, в итоге уменьшается количество отверстий в огневом днище.

Заключение

Дизельные двигатели известны давно и развивались в направлении создания двигателей большей мощности, необходимой для высокой скорости хода судна. В последние 10-20 лет отмечается интенсификация работ по форсировке двигателей, сопровождаемой увеличением Ре в малооборотных до 17-18 бар и в среднеоборотных до 23-25 бар. Одновременно увеличиваются максимальные давления сгорания до 140-180 бар, что естественно приводит к увеличению механических напряжений особенно в верхнем поясе цилиндра. Рост среднего эффективного давления достигается путем увеличения давления наддува и, соответственно, величины подачи топлива (дц), а это влечет за собой рост величины теплового потока в стенки цилиндра, перепада температур в стенках и возникающих в них температурных напряжений.

Температурные и механические напряжения действуют совместно и их рост, естественно, потребовал искать пути их снижения. Перепад температур в стенке, а вместе с ним и величина возникающих термических напряжений могут быть понижены путем уменьшения толщины стенки. Но это приведет к росту в ней механических напряжений.

Список используемой литературы

1. Ваншейдт, В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. / В.А. Ваншейдт. - Л.: Судостроение, 1977. - 371 с.

2. Самсонов, В.И. Судовые двигатели внутреннего сгорания. / В.И. Самсонов, Н.И. Худов, А.А. Мирющенко. - М.: Транспорт, 1981. - 490 с

3. Возницкий, И.В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. / И.В. Возницкий, А.С. Пунда. - М,: Моркнига, 2008. - 468 с.

Размещено на Allbest.ru