CC BY
18
-\-
УДК 621.436
Н.Я. Яхьяев, Н.М. Вагабов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЕСТКОСТИ БЛОК-КАРТЕРА И ВТУЛОК ЦИЛИНДРОВ СУДОВЫХ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Приведены результаты исследования жесткости блок-картера и втулки цилиндра судового малоразмерного дизеля 4Ч8,5/11. Определены постоянно действующие факторы, приводящие к отклонениям геометрической точности цилиндров. Разработана методика комплексного экспериментального исследования контактных давлений в труднодоступных стыковых соединениях двигателей внутреннего сгорания. Впервые применен способ получения наглядной характеристики контактных давлений на опорные бурты втулок цилиндров, влияющих на их упругие деформации. Показаны методы уменьшения искажения формы отверстий цилиндров, как известные в конструкторско-технологической практике, так и новые, требующие проведения специальных исследований для подтверждения их эффективности.
Ключевые слова: Дизель, втулка цилиндра, силовая шпилька, групповое резьбовое соединение, деформация, овальность, опорный бурт, контактное давление.
Введение. Оценка технического состояния цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС), как правило, производится по двум параметрам: расходу масла на угар, расходу картерных газов. Величины этих параметров зависят от степени износа деталей ЦПГ и отклонений их геометрической точности.
Базовой деталью ЦПГ судовых малоразмерных дизелей является втулка цилиндра (ВЦ) с фланцевой посадкой в верхней части и резиновой уплотнением резиновыми кольцами в нижней части. Для надежной работы ДВС втулка цилиндра кроме прочности должна обладать правильной (цилиндрической) геометрической формой рабочей поверхности. При этом важно обеспечивать способность сохранять требуемую точность формы цилиндров в процессе всего жизненного цикла ДВС.
Большое значение для обеспечения требуемой геометрической точности рабочих поверхностей цилиндров имеют конструктивная жесткость деталей, способы и виды их соединений в сборочный узел, а также характер силового замыкания звеньев, влияющие на равномерность упругих деформаций деталей.
В конструкциях большинства судовых дизелей втулки цилиндров, головки цилиндров (ГЦ), коленчатый вал (КВ) с блок-картером (Б) образуют групповые резьбовые соединения (ГРС).
ВЦ, поступившие на сборку, до их соединения в узел, как правило, имеют высокие параметры точности формы, соответствующие требованиям нормативно-технической документации (например, для дизеля 4Ч8,5/11 допуск на овальность после механической обработки 0,01мм). Однако, как показывает опыт изучения деформаций втулок цилиндров ДВС различных конструкций [1—4 и др.], после соединения в узлы втулки цилиндров часто деформируются неравномерно и их исходная (после механической обработки) овальность увеличивается в несколько, а иногда и в десятки раз [1,2].
Силы затяжки, передаваемые на детали через силовые шпильки должны создавать равномерные контактные давления по всему периметру стыка опорного фланца втулки цилиндра и обеспечивать плотность и герметичность соединения деталей в узле. Однако, равномерность контактных давлений достигается не во всех дизелях, из-за действия факторов различной природы: неравномерной жесткостью по периметру опорных буртов, обусловленной конструктивными особенностями блоков цилиндров; неточностью и неравномерностью усилий затяжки; погрешностью размеров и формы (случайный фактор), допущенной при изготовлении сопряженных деталей и усиливающих отклонения
-\-
макрогеометрии при неблагоприятном сочетании этих геометрических погрешностей в
собранном узле и др.
Блок цилиндров представляет собой корпусную деталь сложной формы, в верхней плите которого изготовлены отверстия с посадочными поясками для установки и базирования втулок цилиндров. У блоков цилиндров посадочные пояски часто имеют неодинаковую по периметру жесткость, относительно радиуса цилиндра.
Неравномерные упругие деформации по периметру поясков передаются на опорные бурты втулок цилиндров и являются причиной искажений геометрической формы рабочих поверхностей цилиндров. На ухудшение технико-экономических показателей ЦПГ ДВС одно из главных влияний оказывает овальность цилиндров, особенно в тех случаях, когда большая ось эллипса расположена в плоскости движения шатуна [2,3 и др]. Исследование жесткости блок-картера и разработка рекомендаций для повышения точности сборки ДВС является актуальной задачей.
Постановка задачи. Из-за сложности доступа к стыковым поверхностям исследуемого ГРС, в литературе очень мало сведений о экспериментальных исследованиях контактных давлений, деформирующих базовые поверхности сопрягаемых деталей. Поэтому, целью данного исследования была разработка методики исследования и определение контактных давлений, действующих на верхнюю опорную плиту блок-картера.
Выполненный для дизеля 4Ч8,5/11 расчет сил затяжки по известной в деталях машин методике при моменте Мзат=200Нм показал, что на каждую шпильку должна действовать растягивающая сила, значением 7,5 кН. При этом упругое удлинение шпильки составляет 0,375мм. Учитывая, что отклонения коэффициентов трения в резьбе [6] приводит к существенным изменениям этих значений в различных шпильках одного и того же ГРС, при проведении экспериментального исследования сила затяжки на каждой шпильке контролировалась по ее удлинению, в соответствие с известными рекомендациями [9]. Это позволяет повысить точность сил затяжки в несколько раз, а следовательно и чистоту эксперимента.
Методы испытаний. Предварительная оценка неравномерности контактных давлений в исследуемом стыке осуществлялась по разработанной методике, которая заключается в следующем. Был использован способ получения контактных отпечатков на мелованной бумаге (ГОСТ 21444-75) через копировальную бумагу (ГОСТ 489-88). Вырезанные по форме прокладки мелованную и копировальную бумаги укладывали на верхнюю плиту блока цилиндров под прокладку.
Затягивали групповое резьбовое соединение с усилиями и в последовательности, соответствующими техническим требованиям на сборку дизеля. После разборки узла, аккуратно вынимали бумагу с отпечатками из стыка и по интенсивности окраски анализировали характер распределения контактных давлений на сопрягаемых поверхностях. Предлагаемая методика позволила получить качественную картину распределения контактных давлений в труднодоступных местах (на опорной поверхности верхней плиты блока цилиндров и на поясках втулок цилиндров). При ее применении не требуется специальных инструментов и оборудования. Разработанная методика впервые применена для комплексной оценки геометрической точности деталей сопряжения и факторов на нее влияющих.
На рис. 1 показан один из экспериментальных контактных отпечатков, откуда видно, что контактные давления по периметру опорного фланца втулки цилиндра имеет окраску разной интенсивности, это свидетельствует о меньших значениях давлений в местах менее окрашенного отпечатка. Такая картина распределения контактных давлений характерна для тех частей фланцев, которые опираются на межцилиндровый участок опорного пояска блока цилиндров (например, на рис. 1 это перемычка между 3 и 4 цилиндрами).
-\-
Анализируя конструкцию опорной плиты блока, следует заметить, что нагрузка от
сил затяжки шпилек распределена на площадь плиты, изменяющуюся вдоль периметра опорного фланца втулки, а так как сечение межцилиндровой перегородки имеет наименьшее значение, то и контактные давления здесь минимальные из-за наиболее значительных упругих деформаций этой части блока цилиндров. Защемленный фланец втулки цилиндров деформируется неравномерно, повторяя деформацию опорного пояска блока, и эта деформация является фактором, искажающим правильную геометрию цилиндра.
С точки зрения распределения контактных давлений, а также податливости элементов корпусных деталей в зоне стыка, силовые шпильки в исследуемых дизелях расположены неблагоприятно — при относительно малом количестве шпилек, приходящихся на один цилиндр (/ц = 4). Невозможность установки шпилек в центре перемычек — общий конструктивный недостаток двигателей с рядным расположением цилиндров и малым межцилиндровым расстоянием.
/ ГКУК! - 2 ЕТПЗ- 3 I- 4
Рис.4.4 Экспериментальный контактный отпечаток, характеризующий распределение контактных давлений в стыке «блок-головка-втулки цилиндров» дизеля 4Ч8,5/11: а — отпечаток опорного фланца втулки цилиндра; б — место расположения силовой шпильки; 1 — > 100МПа; 2 — 50...80МПа; 3 — 10...30МПа; 4 — 0...3МПа.
Вследствие завышенных значении момента Мзат шпилек в двигателях коэффициент затяжки (&ЗАТ) значительно больше рекомендуемой величины 3,5, что служит одной из причин повышенных монтажных нагрузок.
В дизелях распределение контактных давлений в зоне стыка ВЦ—ГЦ крайне неравномерно, причем эта неравномерность имеет вполне закономерный характер.
Для количественной оценки контактных давлений был применен метод пластичных индикаторов, которые были установлены в прокладку газового стыка дизеля. В качестве пластичных индикаторов использованы калиброванные свинцовые вставки диаметром 3 мм, которые устанавливались в отверстия, выполненные в прокладке и фиксировалась в ней силиконовым герметиком.
Пластичные индикаторы тарировались осевой силой с шагом 100Н на рычажном прессе. Значения контактных давлений в зависимости от деформации индикаторов
-\-
заносились в таблицу, данные из которой были использованы при анализе полученных
результатов измерений остаточных деформаций индикаторов.
На рис. 2 показаны места размещения пластичных индикаторов в прокладке газового стыка.
Для измерения остаточных деформаций индикаторов использовалась индикаторная скоба с точность 0,001мм. Значения остаточных деформаций определялись как математическое ожидание результатов измерений остаточных деформаций по трем экспериментам. Располагая характеристикой обжатия прокладки (зависимость деформации от удельного давления), с достаточной для практики точностью строится искомая эпюра давлений на бурт ВЦ.
Рис. 2 Размещение пластичных индикаторов на верхней плите блок-картера
На рис. 3. показана деформация верхней плиты блок-картера после затяжки силовых шпилек ГРС. Здесь наблюдаются большие значения деформаций плиты в районе перемычек между 1-2 и 3-4 цилиндрами из-за их меньшей жесткости.
Для построения эпюры контактных давлений по периметру верхних опорных буртов ВЦ был выполнен анализ результатов измерения остаточных деформаций индикаторов и по тарировочной таблице определены контактные давления в 12 точках по периметру каждой ВЦ, входящей в ГРС.
Результаты опыта показали (рис.4.7), что среднее контактное давление равно 28...30МПа. При этом минимальное давление наблюдается в зоне перемычек между цилиндрами. Неравномерность давления в различных точках по окружности составляет примерно 30МПа. Опыты показали также, что удельное давление почти не зависит от площади контакта прокладки с буртом, а определяется главным образом распределением жесткости опорой поверхности блока.
Рис. 3 Деформация верхней плиты блок-картера дизеля 4Ч8,5/11. 1 — 25 — точки измерения.
Значения давлений получены путем анализа величин остаточных деформаций пластичных индикаторов, установленных по периметру прокладки в стыке опорного бурта ВЦ и ГЦ. Это дает основание рассматривать бурт ВЦ как балку на упругом основании с переменным по длине коэффициентом податливости. Нагрузка в каждой точке бурта равна величине реакции основания. Как известно, в этом случае в местах с наибольшей
податливостью основания величина реакции будет минимальной.
Следовательно, для изменения эпюры удельного давления необходимо изменять, жесткость элементов верхней плиты блока цилиндров. Достигнуть приемлемых результатов этим путем очень сложно. Гораздо проще второй путь — изменение эпюры нагрузки за счет изменения площади контакта прокладки с буртом ВЦ на различных участках. Общие рекомендации здесь вряд ли возможны. Для разных типов двигателей в зависимости от характера и закономерностей монтажной овальности ВЦ размеры и распределение площади контакта подбираются
экспериментальным путем.
Результаты эксперимента и их
обсуждение. Как показали экспериментальные и расчетные исследования макрогеометрии ВЦ исследуемых дизелей после сборки овальность ВЦ увеличивается и носит вполне закономерный характер, с расположением большей оси овала в плоскости качания шатуна. Такой характер монтажной овальности гильз, примерно одинаковый для всех цилиндров двигателя, объясняется деформацией верхней плиты блока цилиндров и нижней плиты головки цилиндров, между которыми установлена податливая прокладка из асбожелезного полотна. Выступающие над верхней плоскостью блока бурты ВЦ и окантовка гильзовых отверстий в прокладке приводят к тому, что прокладка над буртом ВЦ обжимается сильнее, чем на остальной поверхности.
Рис.4 Эпюра контактных давлений на бурт втулки цилиндра
Распределение силы и изгибающие моменты деформируют стыковые поверхности головки и блока. Максимальный прогиб наблюдается на узких поперечных перемычках между цилиндрами, где он достигает 0,03.0,06мм (рис.4). Бурт ВЦ усилием около 300кН прижимается к опорной поверхности блока и деформируется, полностью копируя форму этой поверхности. Деформация бурта гильзы является одной из основных причин ее овальности.
Деформация стыковых поверхностей вызывает перераспределение давления на прокладку головки цилиндров. Если вначале основное усилие приходится на участки прокладки, лежащие над буртами ВЦ, то по мере увеличения затяжки шпилек область обжатия прокладки увеличивается и соответственно уменьшается податливость стыка. При моменте затяжки шпилек 120.150Нм практически прекращается деформация плиты и связанная с ней овальность ВЦ. Дальнейшее увеличение усилия затяжки шпилек идет на равномерное обжатие прокладки головки цилиндров. Этим объясняется то, что даже значительная неравномерность затяжки шпилек головки цилиндров по сравнению с заданным техническими условиями значением (200Нм) почти не влияет на овальность ВЦ.
Поступательное перемещение бурта не влияет на изменение геометрии ВЦ. Поворот бурта вместе с ВЦ сам по себе также не может вызвать искажения формы цилиндра, но при этом появляется опасность одностороннего упора гильзы в нижний посадочный поясок. Это вызывает ее овальность, причем максимальная овальность находится в месте упора. Как показали многочисленные измерения, случаи одностороннего упора гильзы наблюдаются сравнительно редко и хаотичны по направлению. Только деформация бурта вызывает овальность ВЦ, которая объясняет наблюдающиеся закономерности, и поэтому ее нужно выделить из общей величины перемещения бурта.
Для этого воспользуемся свойствами разложения функции в ряд Фурье в виде
z(ф) = а0 + a cos Ф + Ъ sin Ф + ^ (ап cos пФ + Ъ sin пф) ,
n=2
где ф — текущая угловая координата точек бурта ВЦ, z(p) — функция, записанная в цилиндрических координатах.
Геометрически функция z(p) представляет собой перемещение конца радиус-вектора в направлении оси z. Свободный член ряда представляет собой плоскость, параллельную координатной ^1=а0), а члены разложения, содержащие тригонометрические функции углов первой кратности, в цилиндрических координатах
дают плоскость общего положения (z2 = ах cos ф + Ъ sin ф) . Перекос плоскости бурта относительно исходного положения определяется по формуле
z — z
^ _ 2 max_2 min
gr= 2R '
z 2 min
плоскости перекоса; R — радиус расположения точек измерения.
Углы, соответствующие ординатам z2max и z2 min определяются по правилу нахождения экстремума из уравнения
z2(ф) = —a sinp + Ъ cosp = 0.
Сумма остальных членов разложения представляет собой отклонение ординат данной функции от плоскости общего положения. При этом последняя отпадает с плоскостью, относительно которой сумма квадратов отклонений ординат точек минимальна.
где у — угол перекоса; z2max 5z2min — максимальная и минимальная ординаты
Применительно к рассматриваемому случаю это означает, что, разложив кривую перемещений точек бурта гильзы, заданную таблицей результатов измерений, в ряд Фурье по любому известному численному способу, например по схеме Рунге для 24 или 36 точек, получим все три компонента этого перемещения. В рассмотренном решении соблюдается основной вариационный принцип теории упругости — обеспечение минимума потенциальной энергии системы, являющейся квадратичной функцией деформации. Результаты многочисленных измерений показали, что деформация буртов ВЦ во всех цилиндрах имеет одинаковый характер (рис. 5). Искривление бурта ВЦ достигает 0,01.. .0,02мм. Относительно плоскости перекоса бурт приобретает сложную форму, в которой преобладает синусоида второго порядка, причем максимальные отклонения приходятся на участки бурта, лежащие над перемычками блока между цилиндрами. Перекос бурта гильзы составляет 0,0003 рад.
Между деформацией бурта и овальностью ВЦ наблюдается прямая зависимость. Изменение фазы кривой деформации бурта вызывает такое же изменение направления осей овальности ВЦ. Различные случайные отклонения в геометрии опорной поверхности блока и бурта ВЦ вызывают соответствующие искажения в характере деформации бурта.
На величину овальности гильзы влияет число волн синусоиды, которое укладывается на длине окружности деформированного бурта. Расчет и эксперимент показывают, что при одинаковой амплитуде деформации увеличение числа волн способствует уменьшению овальности гильзы.
Так как число волн деформации зависит от количества шпилек, то из приведенных опытов вытекает целесообразность увеличения числа крепежных элементов (шпилек) на каждый цилиндр.
Выводы о причинах монтажной овальности ВЦ подтверждаются теоретическими исследованиям [121]. Решение уравнений ненагруженной цилиндрической оболочки, полученных в виде разложения в ряды по фундаментальным функциям при граничных условиях, описывающих, закрепление ВЦ в блоке и учитывающих осевую деформацию бурта, дает деформацию образующих цилиндра, хорошо совпадающую с результатами измерений.
Расчеты показывают, что для исследуемых ВЦ, у которых И
— = 0.11 (где И — средняя толщина
стенки; Б —диаметр срединной поверхности), отношение изменения диаметра в нижней части гильзы к амплитуде деформации опорного бурта равно 5, причем максимальное изменение диаметра происходит у свободного нижнего конца ВЦ. Деформация ВЦ при прочих равных условиях зависит от И
отношения — и при увеличении этого
отношения резко уменьшается.
Увеличение относительной толщины при той же длине ВЦ смещает максимум овальности в сторону защемленного конца гильзы с буртом. Подобное наблюдается на двигателях
соотносительно более толстыми ВЦ.
Исследованные причины
овальности ВЦ указывают возможные
-\-
пути ее уменьшения. Одним из таких моментов является устранение деформации бурта
ВЦ за счет соответствующего изменения эпюры нагрузки, действующей на него. Последнее может достигаться изменением удельного давления на различных участках бурта гильзы или площади контакта бурта с прокладкой головки цилиндров. Чтобы иметь представление о том, как перераспределять нагрузку, нужно располагать исходной эпюрой удельных давлений на бурт гильзы. Опытное определение эпюры было выполнено с помощью пластичных индикаторов (свинцовых вставок) диаметром 3 мм.
Располагая характеристикой обжатия прокладки (зависимость деформации от удельного давления), с достаточной для практики точностью строится искомая эпюра давлений на бурт гильзы. Результаты опыта показали, что среднее удельное давление равно 26...30МПа .
При этом минимальное давление наблюдается в зоне перемычек между цилиндрами. Неравномерность давления в различных точках по окружности составляет примерно 30МПа.
Выводы: В результате выполненных исследований жесткости верхней опорной плиты блок-картера можно сделать следующие выводы и рекомендации:
1. Неравномерные упругие деформации по периметру поясков Б передаются на опорные бурты ВЦ и являются причиной искажения геометрической формы зеркала цилиндра.
2. Нагрузка от сил затяжки ГРС распределена на площадь плиты, изменяющуюся вдоль периметра опорного фланца втулки, а так как сечение межцилиндровой перегородки имеет наименьшее значение, то и контактные давления здесь минимальные из-за наибольшей податливости этой части блок-картера.
3. Деформация посадочных поясков блок-картера является фактором, искажающим правильную геометрию цилиндра.
4. Разработанная и апробованная методика измерения контактных давлений дает результаты с достаточно высокой степенью точности для инженерной практики и в исследовательских целях.
5. На величину овальности ВЦ влияет число волн синусоиды, которое укладывается на длине окружности деформированного бурта. Расчет и эксперимент показывают, что при одинаковой амплитуде деформации увеличение числа волн способствует уменьшению овальности ВЦ. Так как число волн деформации зависит от количества шпилек, то из приведенных опытов вытекает целесообразность увеличения числа шпилек на каждый цилиндр.
Библиографический список:
1. Билик Ш.ММакрогеометрия деталей машин./Ш.М. Билик. — М.: Машиностроение, 1973. — 344с.
2. Головатенко А.Г. Повышение технико-экономических и ресурсных показателей автотракторных двигателей путём компенсации овальности цилиндров: дис:канд. техн. наук. Новосибирск, 1994. — 146с.
3. Бочкарев В.Н. Технологическая наследственность в управлении качеством судовых машин и механизмов: монография../ [В.Н.Бочкарев, Н.Я. Яхъяев]. — Махачкала, Изд-во Даг. филиала АНСССР, 1990. — 200с.
4. Яхьяев Н.Я. Повышение геометрической точности рабочих поверхностей втулок цилиндров при сборке малоразмерного судового дизеля.//Сборка в машиностроении и приборостроении. —2005, №6. — С.32—42.
5. Длин А.Ю. Факторный анализ./ А.Ю. Длин. — М.: Статистика, 1975.—328с.
6. Блаер И.Л. Сборка групповых резьбовых соединений [Текст]/ И.Л. Блаер // Вестник ВНИИЖТ — 2002.. — №7, стр 21-32).
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 16, 2010.
-\-
N.J. Jahjaev, N.M. Vagabov
Experimental research of rigidity the block and cartridges of cylinders ship small size diesel engines
Results of research of rigidity the block and cartridges of the cylinder ship the small size a diesel engine 448,5/11 are resulted. The permanent factors resulting in deviations of geometrical accuracy of cylinders are determined. The technique of a complex experimental research of contact pressure in remote connections of engines of internal combustion is developed. For the first time the way of reception of the evident characteristic of contact pressure on basic бурты cartridges of the cylinders influencing their elastic deformations is applied. Methods of reduction of distortion of the form of apertures of cylinders, both known in design -technological practice, and new, demanding carrying out of special researches for acknowledgement of their efficiency are shown.
Keywords: Diesel engine, the cartridge of the cylinder, group carving connection, deformation, ovality, basic flange, contact pressure
Яхьяев Насредин Яхьяевич (р. 1951) профессор кафедры ОКиМ Каспийского филиала Дагестанского государственного технического университета, доктор технических наук (2003)
Область научных интересов: техническая эксплуатация автомобилей, повышение эксплуатационных качеств двигателей внутреннего сгорания.
Вагабов Нурула Магомедзагидович (р. 1965) старший преподаватель кафедры ОКиМ Каспийского филиала Дагестанского государственного технического университета Область научных интересов: техническая эксплуатация автомобилей, повышение эксплуатационных качеств двигателей внутреннего сгорания.
