Разработка технологии восстановления гильз цилиндров ДВС

Разработка  технологии восстановления гильз цилиндров  ДВС

 

Введение

О надежности и долговечности машины судят  обычно по стабильности рабочих характеристик, заложенных в ней при изготовлении. В условиях эксплуатации стабильность рабочих характеристик двигателя может нарушаться вследствие многих причин, вызывающих неисправности его механизмов и систем. Неисправности могут возникнуть в результате нарушения регулировок, устранимых в процессе эксплуатации, или вследствие естественного износа деталей сопряжений, не устранимого простой регулировкой.

 

Долговечность, как правило, определяется естественным износом сопрягаемых деталей, в  основном износостойкостью таких сопряжений, как гильза цилиндра – поршень, поршневое  кольцо – канавка поршня, поршневой  палец – бабышка поршня, поршневой палец – втулка шатуна, шейки коленчатого вала – подшипники, клапан – гнездо клапана в головке цилиндров.

 

Поддержание коэффициента технической готовности на высоком уровне в значительной мере определяется степенью удовлетворения их потребностей в запасных частях.

 

Обеспечение потребностей предприятий по эксплуатации и ремонту техники в запасных частях осуществляется за счет изготовления и восстановления деталей. В этих условиях большое внимание должно уделяться  экономному использованию материальных средств, развитию работ по восстановлению деталей. При этом в 5 – 8 раз сокращается объем технологических операций по сравнению с изготовлением новых одноименных изделий. Стоимость восстановления, как правило, на 30 – 50% ниже затрат на производство новых аналогичных изделий.

 

На различных  типах предприятий разработаны  и усовершенствованы технологические  процессы и оборудование, которые  позволяют восстанавливать многие детали автомобилей прогрессивными методами, обеспечивающими их послеремонтные ресурсы на уровне, близком к доремонтным.

 

Научно-исследовательские  и учебные институты проводят различные исследования в области  совершенствования организации  ремонта и восстановления деталей.

 

Соединение  гильза цилиндра – поршень является одним из соединений, подвергающихся наибольшему износу в двигателях внутреннего сгорания. Поэтому разработка технологии ремонта гильз является важной задачей для улучшения качества ремонта двигателей.

 

 

1.  Особенности  конструкции гильз цилиндров

 

 

 

Блок цилиндров  или блок-картер является остовом двигателя. На нем и внутри него расположены основные механизмы и детали систем двигателя. Блок цилиндров – это сложная отливка коробчатой формы. Он может быть отлит из легированного серого чугуна (двигатели автомобилей ЗИЛ-130, МАЗ-5335, КамАЗ-5320) или из алюминиевого сплава (двигатели автомобилей ГАЗ-53А, ГАЗ-24 «Волга», ГАЗ-3102 «Волга», ГАЗ-53–12 и др.). После литья блок цилиндров подвергают искусственному старению, что уменьшает его коробление в процессе эксплуатации и обеспечивает сохранность правильной геометрической формы.

 

Поверхность блока цилиндров используется в  качестве рабочей только в некоторых  автомобильных и тракторных двигателях с небольшим диаметром цилиндра. У большинства современных двигателей жидкостного охлаждения цилиндр, где перемещается поршень, выполняется в виде мокрой гильзы, омываемой снаружи охлаждающей жидкостью, либо в виде сухой гильзы, устанавливаемой по всей длине цилиндра или в верхней его части, где наблюдается максимальный износ (рис. 1.1).

 

 

 

а)                             б)                              в) г)

 

Рис. 1.1. Гильзы блока цилиндров

 

а, б-мокрые; в, г – сухие

 

 

Гильза  занимает среди теплонапряженных деталей  двигателя особое место как по выполняемым функциям, так и по предъявляемым к ней требованиям. Обеспечение только одной прочности гильзы, несмотря

 на всю  важность этого требования, недостаточно  для длительной и надежной  работы двигателя. [3]

 

Сухие гильзы толщиной 2–4 мм (рис. 1.1, в, г) запрессовывают или устанавливают с зазором 0,01–0,04 мм. Небольшая толщина сухих гильз обусловливает при их применении экономию качественных материалов, однако повышенное термическое сопротивление контактной поверхности между гильзой и блоком ухудшает теплоотвод от цилиндра в охлаждающую жидкость. Вследствие этого в форсированных двигателях, как правило, применяют мокрые гильзы-втулки, обеспечивающие лучшую теплопередачу и легко заменяемые в случае повреждения. Кроме того, при их использовании упрощается литье блока цилиндров. Однако жесткость блока уменьшается, появляется дополнительная возможность для развития кавитационных явлений в полости охлаждения в результате повышенных вибраций мокрых гильз.

 

В зависимости  от способа установки в блоке  цилиндров можно выделить гильзы, опирающиеся буртом на верхнюю плиту блока, и так называемые подвесные, когда гильза, соединенная с крышкой цилиндра относительно тонкими шпильками, образует с последней узел, закрепляемый в корпусе основными силовыми шпильками.

 

Первый  вид гильз наиболее распространен  и применяется в двигателях всех типов. Конструкция гильзы должна обеспечить, с одной стороны, невысокий уровень напряжений от монтажных усилий и газовой нагрузки, а с другой – умеренный уровень температур и температурных напряжений.

 

В автомобильных  и тракторных дизелях применяют мокрые гильзы, отливаемые из чугуна, с верхним опорным фланцем (см. рис. 1.1, а, б и рис. 1.2). Опорная площадь фланца, ограниченная диаметрами D1 и D2, составляет 8–15% площади поршня. При этом давление от сил затяжки шпилек, крепящих головку цилиндра к блоку, на кольцевой поверхности (Dt – D2) не должно превышать 380–420 МПа для чугунных и 140–180 МПа для алюминиевых блоков. С увеличением разности D2 – D1 повышается напряжение изгиба в верхнем поясе. Высота h фланца составляет 7–10% диаметра цилиндра D.

 

 

 

 

а)                               б)                   в)

 

Рис. 1.2. Способы  опирания гильзы цилиндра в блоке:

 

а – верхним  опорным поясом; б, в-нижним опорным  поясом

 

Для повышения  герметичности газового стыка на фланце втулки выполняют кольцевой буртик шириной 2–5 мм, выступающий над плоскостью блока на величину S, достигающую 0,15 мм и зависящую от типа уплотняющей прокладки и диаметра цилиндра. Основное усилие приходится на зону выступающего буртика, где контактное давление достигает 145–200 МПа и часто неравномерно распределено по окружности. В результате этого искажается форма рабочей поверхности цилиндра и снижается работоспособность цилиндро-поршневой группы, увеличивается расход масла. [1]

 

В некоторых карбюраторных двигателях, где меньше усилия, действующие на втулку, ее опорный фланец иногда значительно  смещают от верхней плоскости  блока (рис. 1.2, б, в). При этом уменьшается  температура верхней части втулки и соответственно поршневых колец.

 

Внутреннюю  поверхность цилиндра, внутри которой  перемещается поршень, называют зеркалом цилиндра. Эту поверхность подвергают закалке с нагревом токами высокой  частоты для повышения износостойкости  и долговечности и тщательно  обрабатывают для уменьшения трения при движении в цилиндре поршня с кольцами. Гильзы в блок цилиндров устанавливают так, чтобы охлаждающая жидкость не проникала в них и в поддон, а газы не прорывались из цилиндра. Предусмотрена возможность изменения длины гильз в зависимости от температуры двигателя. Для фиксации вертикального положения гильзы имеют специальный бурт для упора в блок цилиндров и установочные пояса. Мокрые гильзы в нижней части уплотняют резиновыми кольцами, размещаемыми в канавках блока цилиндров (двигатели автомобиля КамАЗ-5320), в канавках гильз (двигатели автомобилей МАЗ-5335, ЗИЛ-130 и др.), или медными кольцевыми прокладками, устанавливаемыми между блоком и опорной поверхностью нижнего пояса гильзы (рис. 1.1, г). Для правильной установки в блоке и сохранения формы при работе гильзу центрируют по двум направляющим поясам, при этом диаметр верхнего пояса несколько больше, чем нижнего, в котором для обеспечения удлинения гильзы при работе предусматривается зазор 0,05–0,13 мм по свободной посадке. Верхний торец гильзы выступает над плоскостью блока цилиндров на 0,02 – 0,15 мм, что способствует лучшему обжатию прокладки головки блока и надежному уплотнению гильзы, блока и головки блока. [3]

 

Интенсивность кавитации, приводящей к разрушению цилиндров, снижают при помощи ряда мероприятий: уменьшают зазоры между поршнем и втулкой; специально профилируют юбку поршня; используют замкнутую систему охлаждения; повышают стойкость поверхностей путем их химико-термической обработки; увеличивают проходные сечения охлаждающей полости, а также используют эмульсионные присадки, и, наконец, повышают жесткость гильзы и закрепляют ее более прочно. Повышение жесткости достигается применением упрочняющих ребер на наружной поверхности гильзы, так как при увеличении толщины ее стенки повышается тепловая напряженность.

 

Распространенная  продольно-диагональная схема (рис. 1.3, а) обтекания имеет ряд недостатков, выражающихся в снижении интенсивности  теплоотдачи в верхней наиболее нагретой части гильзы, большой неравномерности  температурного поля гильзы и опасности возникновения объемного кипения в застойных зонах.

 

 

а) б)

 

Рис. 1.3. Схемы охлаждения гильз  блока цилиндров:

 

а – продольно-диагональная; б –  с поперечным обтеканием

 

На рис. 1.3, б представлена исследованная  в НАТИ схема с верхним подводом охлаждающей жидкости и поперечным обтеканием.

 

Основное отличие этой схемы заключается в наличии кольцевой щели с радиальной шириной (0,03–0,04) D, которая является верхней частью полости охлаждения. Данная схема обеспечивает допустимый уровень температур во втулке (150–160 °С) при форсировании дизелей до 22,5 кВт/л, а также более равномерное распределение температур по длине и периметру гильзы.

 

Для гильз используют серые чугуны, например СЧ 30, СЧ 35, легированные хромом, никелем, молибденом, которые имеют  перлитную структуру с достаточным  количеством графита в виде пересекающихся пластин. Легирование чугуна повышает его прочностные свойства, износостойкость и жаростойкость. Применение пористого хромирования позволяет получить значительную поверхностную твердость и уменьшить износ чугунных гильз (в 2,5–4,5 раза в зависимости от вида топлива). [2]

 

Двигатели, имеющие цилиндры, изготовленные  в виде сменных мокрых гильз (двигатели  автомобилей ГАЗ-53А, ГАЗ-55–12, ЗИЛ-130, МАЗ-5335, КамАЗ-5320 и др.), проще ремонтировать  и эксплуатировать. Блок цилиндров, отлитый вместе с цилиндрами, сложнее ремонтировать, так как если вышел из строя хотя бы один цилиндр (например, в результате задира зеркала цилиндра), то нужно растачивать и шлифовать все цилиндры.

 

Материал гильз должен обеспечивать наряду с износостойкостью высокую плотность, определяемую гидравлическим испытанием гильз при давлении воды, превосходящим рабочее давление газов. В форсированных двигателях применяют гильзы из легированных высокопрочных чугунов с азотированной поверхностью, имеющие повышенные прочностные характеристики. В этом случае особое внимание обращают на улучшение антифрикционных свойств рабочих поверхностей поршней и колец.

 

В форсированных высокооборотных  двигателях для изготовления гильз  применяют сталь типа 45Х, а также  азотируемые стали типа 38ХМЮА, обусловливающие получение легкой тонкостенной конструкции [3].

 

Изображения гильз различных марок, а также в каких двигателях применяются те или иные гильзы можно  посмотреть в приложении 1.

 

 

 

 

2. Основные  дефекты и причины возникновения

 

2.1 Износ внутренней поверхности цилиндров

 

Во время работы двигателя в  верхней части цилиндров сгорает  рабочая смесь. Горение сопровождается выделением продуктов окисления  – окиси углерода и азота, углекислого  газа, сернистого газа, паров воды и  других веществ.

 

При работе двигателя с пониженными  температурами (50 – 60 °С) охлаждающей  жидкости и масла часть продуктов  окисления и особенно пары воды конденсируются на стенках цилиндров. Они растворяют продукты окисления (двуокиси) и образуют кислоты, вызывающие коррозию цилиндров. Кроме того, разрушается масляная пленка и увеличивается износ цилиндров и поршневых колец. Для повышения износостойкости цилиндров в некоторых двигателях применяют вставки 3 (рис. 2.1), изготовленные из коррозионно-стойкого чугуна. Их запрессовывают в блок цилиндров (двигатели автомобилей ГАЗ-52–04, ЗИЛ-157КД) или в гильзу цилиндра (двигатели автомобилей ГАЗ-24 «Волга» и ЗИЛ-130). Использование таких вставок (например, в двигателе автомобиля ГАЗ-53А) повышает стоимость и усложняет технологию изготовления двигателя.

 

 

Рис. 2.1. Вставка в блоке цилиндров:

 

1 – блок цилиндров; 2 – водяная  рубашка; 3 – вставка

 

 

На двигателях автомобилей ГАЗ-3102 «Волга» и ГАЗ-53–12 гильзы цилиндров отливают монолитными из высокопрочного чугуна без вставки и крепят по верхнему бурту.

 

Во время работы двигателя зеркало  цилиндров, кроме указанной выше коррозии, подвергается также абразивному  и механическому изнашиванию вследствие проникновения в двигатель пыли. Много пыли попадает в цилиндры с воздухом через впускной трубопровод, если имеются неплотности в месте его крепления, или с топливом и маслом при их небрежном хранении.

 

Пыль, попавшая в масло, образует своеобразную притирочную пасту, вызывающую изнашивание поршневых колец, цилиндра, поршня и других деталей. Для уменьшения абразивного износа необходимы хорошая герметизация воздухоочистителя (воздушного фильтра) и впускного коллектора: заправка двигателя чистым маслом и работа его на чистом топливе; заливка в баки дизелей топлива, которое отстаивалось не менее 48 ч, и своевременная замена (или очистка) фильтров систем питания и смазочной.

 

Механическое изнашивание зеркала  цилиндра больше в верхней части, чем в нижней, так как в первой значительно выше давление. Когда в конце такта сжатия в цилиндре сгорает рабочая смесь, то резко повышается давление образовавшихся горячих газов, и первое компрессионное кольцо сильно прижимается к зеркалу цилиндра. В ВМТ скорость поршня снижается до нуля, масляная пленка выгорает, и первое поршневое кольцо вступает непосредственно в контакт с зеркалом цилиндра. При движении поршня вниз (в первый момент) происходит интенсивное изнашивание зеркала цилиндра и поршневого кольца. Для снижения износа цилиндров не следует допускать перегрева двигателя, нарушения момента начала подачи топлива (дизели) и применять для смазывания двигателя масла, не рекомендуемые заводской инструкцией. Абразивное и механическое изнашивание деталей происходит не только в механизмах двигателя, но и в различных механизмах автомобиля.