Специальный анализ: конструкции блока цилиндров и цилиндровой втулки
Выполняемые функции
Блок цилиндров — основная неподвижная деталь двух - и более цилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания [3]. Он является цельнолитой деталью, объединяющей собой цилиндры двигателя. Втулка цилиндра – это важный компонент двигателя внутреннего сгорания, который предназначен для направления движения поршня, вместе с которым и крышкой образует камеру сгорания.
Условия работы
Блок цилиндров, как и втулка, функционирует при высоком давлении газов, высоких температурах, сильных вибрациях [3]. Гладкая стенка втулки имеет свойство изнашиваться, ухудшая герметичность. Верхняя часть втулки также постоянно омывается охлаждающей жидкостью.
Требования к конструкции:
Блок цилиндров должен иметь минимальную массу при максимальной жёсткости, а также такие свойства, как маслонепронициаемость, герметичность [3]. В противном случае возможно вытекание масла, что ухудшит работу двигателя и санитарно-гигиенические требования к машинному отделению.
Втулка должна иметь высокие прочность, жёсткость, теплопроводность, износо- коррозионную стойкость и возможность теплового расширения, из-за чего её нижняя часть не закрепляется [2]. Втулка должна также сопротивляться разрушающему действию сернистого ангидрида, образующегося при смешивании серы из низкосортного топлива и воды из воздуха. На втулку также наносят хон для сохранения масла на стенках цилиндра для уменьшения трения между тронком поршня и втулкой.
При работе поршня дизеля в цилиндровой втулке, нагар образующейся на головке поршня попадает в зазор между тронком поршня и цилиндровой втулкой и вызывает их абразивное изнашивание [3]. С целью повышения ресурса работы дизеля, который определяется изнашиванием внутреннего диаметра цилиндровой втулки, устанавливают противоизносное кольцо, высота которого меньше высоты головки поршня. Противоизносное кольцо устанавливают во втулку после монтажа поршня, так как диаметр тронка поршня больше внутреннего диаметра кольца. При движении поршня нагар на головке поршня не соприкасается с цилиндровой втулкой, а соскребается установленным кольцом и удаляться с выпускными газами. В результате нагар не попадает в зазор между тронком поршня и цилиндровой втулкой, в картер, и далее в смазочную систему дизеля, поэтому абразивное изнашивание цилиндровой втулки значительно уменьшается.
В качестве улучшения работы двигателя чугунную втулку цилиндра можно покрыть пористым слоем титана, что заметно улучшит износостойкость.
3.2 Применяемы материалы и способы изготовления:
Блок цилиндров может быть изготовлен из чугуна из-за его дешевизны, твёрдости, а, следовательно, износостойкости и прекрасному свойству сдерживать нагрузки сжатия [3]. Из недостатков выделяют высокие вес, хрупкость и плохую способность переносить нагрузки на растяжение, в отличие от стали.
Возможно использование алюминия. Он лёгок, имеет высокую теплопроводность, его проще обрабатывать. Из недостатков можно отметить дороговизну материала, малую прочность и жаростойкость по сравнению с чугуном. Чугунный и алюминиевый блоки изготавливается литьём. Алюминиевый блок не может быть изготовлен ковкой, так как в таком случае его прочностные свойства ухудшаются, что для блока цилиндров просто недопустимо.
Несмотря на недостатки чугуна, предпочтительнее использовать именно его в качестве материала для блока цилиндров. Как известно, в судовой промышленности далеко не последнюю роль играют дешевизна и надёжность, что и обеспечивает использование чугуна. Алюминий в свою очередь не обеспечит необходимый уровень износостойкости, к тому же, является в несколько раз более дорогим материалом. Для компенсации худшей по сравнению с алюминием охлаждаемости чугунного блока можно увеличить количество циркулирующей охлаждающей жидкости или же улучшить конструкцию втулки цилиндра.
Основными материалами для изготовления втулок являются чугун и сталь из-за их высокой износостойкости [3]. Для повышения износостойкости применяют азотирование, фосфатирование или пористо- хромовое покрытие. Втулки изготавливают из заготовки обработкой на токарно-винторезном станке.
В заводском исполнении дизельного двигателя устанавливают втулки, выполненные из спецчугуна. Можно нанести слой пористого чугуна на поверхность
3.3 Конструкция:
Существует два вида втулок: мокрые и сухие. Мокрой втулкой называют втулку цилиндра, соприкасающуюся внешней поверхностью с охлаждающей жидкостью, в отличие от сухой втулки, которая запрессовывается в корпус цилиндра и охлаждается водой через двойную стенку. Втулка цилиндра обладает минимальными деформациями как благодаря собственной жесткости, так и за счет прочности и жесткости посадочных поясов блока цилиндров. Температурный уровень внутренних поверхностей втулки сохраняется в оптимальных пределах от 87 до 103 градусов по Цельсию за счет интенсификации вращательного движения охлаждающей воды в зоне, располагающейся ниже посадочного фланца. Для очистки боковой поверхности головки поршня от откладывающегося на ней нагара, который впоследствии полирует зеркало цилиндра и приводит к его повышенному износу, в верхнюю часть втулки устанавливается счищающее, огневое или антиполировочное кольцо. Рабочую поверхность втулок цилиндров рекомендуется перехонинговывать через 12000 часов [2].
3.4 Возможность применения конструкции
Блок отлит из сфероидального чугуна и представляет собой монолитную, жесткую и компактную конструкцию[3]. Особое внимание уделено мерам по обеспечению жесткости и отсутствию деформаций в зонах расположения втулок цилиндров и рамовых подшипников. Моноблочная структура блока, характерная для большинства ВОД и СОД, обеспечивает размещение в нем: кормового рамового подшипника, одновременно выполняющего функции ограничения осевого смещения коленчатого вала, крепления двигателя к судовому фундаменту, осуществляющегося четырьмя опорами через эластичные амортизаторы.
Втулку можно улучшить при помощи азотирования и выполнения азотирования против изнашивания и для уменьшения трения.
Что же касается блока цилиндров, можно оставить его без изменения. Сфероидальный чугун обладает превосходными прочностными и износостными качествами, а высокая масса блока из чугуна компенсируется прочностью материала.
Рисунок 5 Блок цилиндров
3.5 Выводы к разделу
Как было рассмотрено, двигатель имеет возможность модернизации втулки цилиндров с использование азотирования для снижения трения между втулкой и поршнем и увеличения тем самым срока службы деталей, что положительно скажется на финансовой составляющей эксплуатации двигателя. Проанализирована возможность использования того или иного материала для изготовления втулки и блока цилиндра, вследствие чего было принято решение оставить блок и втулку из первоначального материала в силу их надёжности.