Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (1)

50

Рис. 4.11. Преобразование структуры поверхностного слоя под воздействием электрохимической коррозии

Судовые двигатели внутреннего сгорания

ховатости поверхностей под действием абразивного износа из-за попадания в цилиндр твердых частиц алюмосилика­ тов (с топливом), песка с воздухом, от­ калывающихся с поршня частиц кокса.

Впроцессе появления адгезионно­ го износа существенную роль также иг­ рают процессы сернистой электрохими­ ческой коррозии, в ходе которой из структуры серого чугуна освобождают­ ся твердые частицы фосфида железа и цементита, в последующем попадаю­ щие в зону трения и провоцирующие абразивное изнашивание.

Взоне коррозии в результате ин­ тенсивного износа обычно исчезают следы хонинга.

Для всех двигателей с контурны­ ми схемами газообмена типичен высо­ кий износ в верхней зоне (см. рис. 4.12).

Рис. 4.12. Характер износа и температуры втулки цилиндра 2-тактного двигателя с контурной схемой газообмена

Гл. 4. Блоки, рубашки и втулки цилиндров

51

Рис. 4.13. Природа и последствия кавитационно-коррозионных

повреждений

Это объясняется высокими температурами и недостатком смазки (в районе ВМТ имеет место режим полусухой смазки). Повышенные износы в зоне выхлопных окон объясняются деформацией втулок внутрь цилиндра из-за высоких температур и опять-таки недостатком смазки - масло сдувается с рабочей поверхности горячими газами, ус­ тремляющимися в узкую щель между головкой поршня и открываемы­ ми им окнами. Деформация втулки внутрь провоцирует поломку пор­ шневых колец и образование задиров. Были нередки случаи поломки втулок по перемычкам с предшествующими пожарами в подпоршневых полостях.

Абразивный износ и сопутствующие ему задиры иногда приводят к заклиниванию поршня в цилиндре и обрыву втулки.

Коррозионные повреждения втулок цилиндров со стороны охлаж­ дения, как правило, происходят вследствие отсутствия в охлаждающей воде присадок. Коррозии наружных поверхностей втулок цилиндров часто сопутствуют кавитационно-коррозионные повреждения, возни­ кающие в средне- и особенно в высокооборотных двигателях.

Кавитационные разрушения
поверхности втулок происходят
вследствие их вибрации, создаваемой
ударами поршня о втулку при его пе­
рекладке под действием нормальной
силы. На поверхности втулки образу­
ются пузыри (вакуумные или запол­
ненные парами воды и воздуха), ко­
торые лопаются, и заполняющие их
тончайшие струйки воды с большой
скоростью устремляются к металлу	Рис. 4.14. Кавитационные
втулки (рис. 4.13). Давление в точке	повреждения

4*

смазочные отверстия

Рис. 4.15. Износ цилиндра - «клеверный лист»

52	Судовые двигатели внутреннего сгорания

удара достигает 2000 бар. На поверхности образуются каверны, кото­ рые в последующем еще и под действием коррозии оголившегося ме­ талла углубляются и превращаются в сквозную щель, через которую вода проникает внутрь цилиндра.

Сила динамических ударов поршня по втулке увеличивается с износом цилиндра, поэтому кавитация часто отмечается в двигателях с изношенным поршнями и цилиндрами. Пример кавитационного по­ вреждения втулки показан на рис. 4.14.

§ 4*4* Контроль за состоянием цилиндров

Для предотвращения серьезных повреждений ЦПГ крейцкопфных двигателей рекомендуется возможно чаще проверять состояние цилин­ дров и поршневых колец, тем более что это легко делать путем их осмотра через продувочные окна. Состояние втулок тронковых двига­ телей оценивается при каждом вскрытии цилиндров.

Если с течением времени масляная пленка по той или иной при­ чине частично исчезает и на зеркале образуются сухие участки, после­ дние и поверхности поршневых колец под действием трения и нагрева упрочняются и подвергаются микрозадирам. На них появляются тем­ ные пятна, в этих местах зеркальная поверхность исчезает. Поверх­ ности с микрозадирами, признаком которых является наличие верти­ кальных полос, становятся относительно твердыми, и это провоцирует усиленные износы. Поврежденные участки могут исчезнуть, если уве­ личить подачу масла. Если же они не исчезают, то их образование было следствием прорыва газов через поршневые кольца (заедание колец в кепах, их поломка или коллапс). О наличии прорыва свидетельствует наличие темных сухих участков на кольцах и на верхней части цилин­ дровых втулок. В ряде случаев износ цилиндров в сечении напоминает

«клеверный лист» - на втулке появляются вертикальные полосы повышенного износа (рис. 4.15), располагающиеся меж­ ду смазочными отверстиями.

Объясняется это недостатком масла в зонах полос или малым запасом щелоч­ ности масла (по мере растекания масла в горизонтальной плоскости щелочность его убывает в связи с нейтрализацией кислоты).

Гл. 4. Блоки, рубашки и втулки цилиндров

53

Может также сказываться сгорание масла с поверхности по мере его продвижения, что является следствием высоких температур втулки из-за нарушений в распыливании топлива форсункой или недостатка воздуха (нарушения в работе ГТК).

Практические рекомендации.

Появившиеся участки с микрозадирами и твердые участки зер­ кальной поверхности необходимо удалять, используя для этого круп­ нозернистый шлифовальный камень. Образующиеся на втулке гори­ зонтальные участки износа (в ВМТ первого кольца и НМТ нижнего кольца) также необходимо зачистить, используя ручную шлифоваль­ ную машинку.

Интенсивный аварийный износ втулок цилиндров и поршне­ вых колец чаще всего возникает у двигателей с высоким уровнем фор­ сировки, при этом скорость изнашивания увеличивается в пять и более раз в сопоставлении с нормальным износом (в 2-тактных двигателях - 0,02-0,05 мм /1000 часов, в 4-тактных - 0,01-0,04 мм/1000 часов).

Причины:

►Высокие температуры зеркала цилиндра и головки поршня в зоне уплотнительных колец - перегрузка цилиндра, резкое ухуд­ шение распыливания топлива, уменьшение заряда воздуха в цилиндрах из-за загрязнения воздушного фильтра, воздухоох­ ладителя, ГТК и выхлопного тракта.

►Нарушение режимов приработки после смены колец или втул­ ки. При быстром увеличении нагрузки на неприработанные детали интенсивность тепловыделения в зонах контакта тру­ щихся поверхностей резко возрастает, что вызывает мгновен­ ное повышение температуры микроплощадок до ! 000 -2000°С и их микросхватывание (сварку) с последующим отрывом од­ ной из них и попаданием в зону трения. Высокая температура микросхватывания и последующее быстрое охлаждение вызы­ вают образование в местах схватывания тонкого закаленного слоя металла, твердость которого в 4-5 раз превышает твер­ дость неповрежденной поверхности. Вследствие хрупкости и слабой связи с основным металлом частицы закаленного слоя выкрашиваются, что и приводит к интенсификации износа.

►Радиальная вибрация (коллапс) поршневых колец. ►Потеря подвижности или поломка поршневых колец. ►Неудовлетворительная центровка поршня. ►Неудовлетворительная смазка цилиндра.

►Наличие в топливе абразивных частиц алюмосиликатов.

54 Судовые двигатели внутреннего сгорания

►Низкотемпературная коррозия зеркала вследствие высокого со­ держания серы в топливе и низкого щелочного числа исполь­ зуемого масла и др.

Задиры втулок цилиндров чаще всего проявляются в 2-тактных двигателях. Задир можно обнаружить по повышению температуры охлаждающей воды цилиндра и охлаждающей воды (масла) поршня, глухим стукам в цилиндре, нарушению уплотнения втулки в поясе бло­ ка, снижению частоты вращения или перемещению указателя нагруз­ ки на регуляторе в сторону увеличения.

Причины в своем большинстве совпадают с ранее отмеченными. К ним можно добавить:

►длительная перегрузка цилиндра или двигателя в целом; ►малые зазоры между втулкой и направляющей частью поршня; ►неудовлетворительная работа поршневых колец - поломка, за­

висание, большой износ - прорыв газов; ►быстрая нагрузка непрогретого двигателя или резкое охлажде­

ние перегретого двигателя; ►воспламенение отработавшего масла в подпоршневой полости;

►нарушение газообмена вследствие закоксовывания окон; ►перегрев головного (поршневого) подшипника, осевое смеще­

ние поршневого пальца или ослабление посадки и разворот вытеснителя в пальце.

Тяжелые задиры, если своевременно не будут приняты необхо­ димые меры, приводят к полному заклиниванию поршня и возникно­ вению трещин во втулке цилиндра.

Признаками появления водотечной трещины во втулке яв­ ляются:

►поступление воды в цилиндр и обводнение масла;

►повышение температуры выходящей из цилиндра охлаждаю­ щей воды;

►резкие колебания давления охлаждающей воды; ►появление пузырьков газов в смотровом стекле отводного тру­

бопровода.

Трещины 1 (см. рис. 4.16а) были вызваны воспламенением масла в полости продувочных окон и вызванным этим перегревом и дефор­ мацией втулки. Поперечные трещины 5 (рис. 4.16б) возникают в пере­ мычках окон при заклинивании поршня. Результатом задира поршня вследствие быстрой нагрузки перегретого дизеля и нарушения режима охлаждения (вначале недостаточного, а затем резкого охлаждения пе­ регретого дизеля) являются трещины 6 (рис. 4.16в),

Гл. 4. Блоки, рубашки и втулки цилиндров

55

0700

7 Г

Е00002

ОюрО

Рис. 4.16. Повреждения втулок цилиндров двигателей:

а ) «Зульцер» RD-76; б) и в) MAN KZ 70/120; B&W74WTBF160

Зоны расположения трещин (верхняя 1 и нижняя 11 границы по­ садочного пояса в блоке) являются типичными при быстрой нагрузке и нарушении режима охлаждения. Здесь надо учитывать, что расши­ рение втулки в радиальном направлении ограничено поясом блока. В ре­ зультате подобной деформации на границах посадочного пояса в слоях металла, расположенных ближе к зеркалу втулки, возникают напряже­ ния растяжения, которые и приводят к образованию трещин.

Продольные трещины 2 (см. рис. 4.166) в верхней части втулки типичны для относительно непродолжительной работы с недостаточ­ ным охлаждением, плохой смазкой и плохим распыливанием топлива.

Трещины 3 и 4 являются результатом усталостного разрушения вследствие наличия большого зазора между ребрами втулки и одетого на нее силового кольца (двигатели «Зульцер» RD76). В этом случае

56	Судовые двигатели внутреннего сгорания

силовое кольцо не берет на себя часть нагрузок со стороны газов, воз­ никающие во втулке напряжения растяжения превышают предел уста­ лостной прочности и с течением времени в ней образуются водотеч­ ные трещины.

Трещины 7 под опорным фланцем втулки (рис. 4.16г) с последую­ щим их развитием и обрывом втулок возникают по следующим при­ чинам:

►неудачная конструкция фланцевой части втулки (большой изги­ бающий момент от сил затяга шпилек крышки и их реакции на посадочном поясе блока);

►фреттинг-коррозия опорного бурта блока и втулки, ографичивание чугуна посадочной поверхности блока;

►вибрация втулки из-за большого зазора в нижнем посадочном поясе блока;

►заедание и заклинивание поршня во втулке.

Глава §

КРЫ Ш КИ РАБОЧИХ ЦИЛИНДРОВ

Крышка цилиндра, являющаяся одним из элементов остова дизе­ ля, служит для плотного закрытия цилиндра, образования камеры сго­ рания (вместе с днищем поршня и стенками втулки), размещения кла­ панов и форсунки.

У четырехтактного дизеля крышка состоит из днищ нижнего ог­ невого 1 (рис. 5.1а) и верхнего 3, соединенных вертикальными стенка­ ми и стаканами для форсунки 5, клапанов впускных 4, выпускных 6, пускового и предохранительного. В крышке имеются воздушные и га­ зовые каналы и полость охлаждения.

Крышки четырех- и двухтактных дизелей с прямоточно-клапан- ной продувкой конструктивно подобны. Конструкции крышек двух­ тактных дизелей с контурной продувкой более простые, так как в них отсутствуют впускные и выпускные клапаны.

Условия работы крышки - она подвергается воздействию боль­ ших механических и термических нагрузок.

Механические нагрузки возникают под давлением газов и силы затяга крепежных шпилек. Под действием этих сил крышка изгибает­ ся. Опасным, как правило, является сечение, проходящее через отвер­ стия для клапанов.

Напряжения растяжения в верхнем днище крышки и напряжения

сжатия в огневом днище
(Ур = ~ ^ - ,	<?сЖ= ~ Г 2-,	(5.1)

где /; и /2 - расстояния наиболее удаленных волокон днищ от нейтраль­ ной оси, м; / - осевой момент инерции опасного сечения крышки, м4.

Термические нагрузки обусловлены непосредственным соприкос­ новением огневого днища крышки с горячими газами. Нагрев днища снижает его прочность, а температурный перепад по толщине вызыва­

;

58	Судовые двигатели внутреннего сгорания

ет термические напряжения сг. Суммарные напряжения сжатия в огне­ вом днище крышки

асум = а сж ± а .}

Кконструкции цилиндровой крышки предъявляются следующие

основные требования:

►возможно меньшие напряжения в огневом днище; ►свободное расширение наиболее нагретых частей; ►простая и симметричная форма для обеспечения равномерного

распределения температур и снижения напряжений от неоди­ наковой скорости нагрева и остывания отдельных стенок;

►большие проходные сечения газораспределительных клапанов; ►оптимальная форма камеры сгорания в соответствии с приня­

той системой смесеобразования и схемой газообмена; ►должна способствовать уменьшению тепловых нагрузок верх­

него пояса цилиндровой втулки. - М атериал для изготовления крышек МОД - легированная сталь

(молибденовая или хромоникелевая), крышек СОД - легированный чугун с присадками молибдена, хрома, никеля или серый чугун. Огне­ вую часть составных крышек изготавливают из легированной стали, верхнюю - из чугуна или углеродистой, а шпильки СОД - из легиро­ ванной стали и др.

По конструкции различают цилиндровые крышки цельные и со­ ставные. 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 каче­ ственных процессов смесеобразования и газообмена с учетом возни­ кающих в нем напряжений (напряжения растяжения нежелательны).

Охлаждается крышка водой, подводимой из фланцевой части ци­ линдровой втулки или из зарубашечного пространства у дизелей ран­ ней постройки. Поток воды последовательно охлаждает огневое дни­ ще, стаканы форсунки и клапанов (часто непосредственно седла кла­ панов), каналы для газа и воздуха (см. рис. 5.1а). Для улучшения ох­ лаждения наиболее нагретых поверхностей отливают в крышке направ­ ляющие 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.

Гл. 5. Крышки рабочих цилиндров

59

Конструктивные способы снижения механической и тепловой

напряженности цилиндровой крышки.

В крышке СОД «Зульцер» Z40/48 (см. рис. 5.1а) толстое проме­ жуточное днище 2 является опорой для тонкостенного огневого днища 1 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 (уменьшается расстояние / в формуле 5.1).

Снижение термических напряжений достигается уменьшением толщины тепловоспринимающей стенки огневого днища и его интен­ сивного охлаждения. Вода в крышку поступает по круговому кожу­ ху 7. Часть воды поступает в полость между огневым и промежуточ­

ен

Л - А

б)

Рис. 5.1. Крышки цилиндров двигателей:

а) «Зульцер» ZL40/48, б) ZA40S, в) «Бурм. и Вайн» VT2BF