Материалы поршневой группы судовых дизилей

СОДЕРЖАНИЕ

Тема: Материалы поршневой группы судовых дизелей

 Введение.......................................................................................................................3

1. Поршневая группа судовых дизелей.....................................................................4

2. Основы устройства поршневых ДВС....................................................................4

3. Результаты  теоретического расчета температурного  состояния поршня с 

теплозащитным покрытием и без него......................................................................7

4. Инновации..............................................................................................................11

5. Выбор  типа конструкционного материала..........................................................13

Заключение.................................................................................................................16

Список использованной литературы.......................................................................18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      В период 1985-1990 гг. в Министерстве речного флота была выработана программа организации специализированных участков по восстановлению деталей машин и механизмов на судоремонтных предприятиях в разных регионах России. Однако большинство этих участков так и остались на уровне проектов. А там, где было организовано восстановление деталей с использованием методов нанесения газотермических покрытий, ожидаемый эффект получен не был. К основным причинам, которые сдерживали внедрение в производство эффективных ресурсосберегающих технологий, следует отнести:

      - отсутствие комплексного подхода к разработке ресурсосберегающих технологий с использованием методов газотермического напыления и лазерной обработки;

      - наличие нестабильных показателей по адгезионной прочности наносимых покрытий, отсутствие методик и приборного обеспечения для качественной оценки адгезионных характеристик газотермических покрытий на рабочих поверхностях деталей без их разрушения;

      - большое количество брака в процессе механической обработки рабочих поверхностей деталей с газотермическими покрытиями;

      - отсутствие глубоких научных исследований в области упрочнения поверхностей деталей машин, многие из которых в этот период находились на уровне проектов.

      Несмотря  на большой объем выполненных исследований и проведённых экспериментальных работ, к настоящему времени проблема повышения ресурса деталей ЦПГ СОД до нормативных значений остается весьма актуальной.  Поэтому разработка эффективных ресурсосберегающих технологий с использованием современных методов упрочнения и восстановления, организация специализированных участков ремонта на предприятиях водного транспорта представляет собой серьезную проблему.

      1. Поршневая группа судовых дизелей

      В последнее десятилетие автоматизация судовых дизельных и газотурбинных установок претерпела большие изменения: значительно возрос объем автоматизированных операций, усложнились средства автоматизации и главное автоматизация обеспечила повышение производительности труда судового экипажа и безопасности мореплавания. Изучение автоматизации судовых энергетических установок должно отводиться все большее место в подготовке судовых специалистов. Эффективность эксплуатации современного автоматизированного судна в равной степени зависит от качества судовых объектов, так средств автоматизации.

      Форсировка  двигателей ведет к росту их теплонапряженности. Особо уязвимыми при этом являются детали поршневых групп (прогары  и трещины поршней, быстрый износ  трущихся деталей, закоксовывание компрессионных колец и т.п.). В результате ресурс двигателя существенно сокращается. Поэтому выбор и исследование действенного метода снижения теплонапряженности поршневых групп главных судовых дизелей, является весьма актуальной задачей.

      2. Основы устройства поршневых ДВС

      Поршневые ДВС состоят из механизмов и систем, выполняющих заданные им функции и взаимодействующих между собой. Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный механизм, а также системы питания, охлаждения, зажигания и смазочная система.

      Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное  возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания.

      Система питания предназначена для приготовления  и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания. Смазочная система служит для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов изнашивания.

      Система охлаждения поддерживает нормальный температурный  режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и  клапанного механизма.

      Система зажигания предназначена для  воспламенения рабочей смеси  в цилиндре двигателя. Четырехтактный поршневой двигатель состоит из цилиндра и картера, который снизу закрыт поддоном. Внутри цилиндра перемещается поршень с компрессионными (уплотнительными) кольцами, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец и шатун связан с коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере.

      Коленчатый  вал состоит из коренных шеек, щек  и шатунной шейки. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм. Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, а следовательно, и с перемещением поршня.

      Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее его положение - нижняя мертвая точка (НМТ). Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным ободом. Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S=2R.

      Пространство  над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания; ее объем обозначается через Vс; пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего объема Vh составляет полный объем цилиндра Vа: Vа=Vс+Vh. Рабочий объем цилиндра (его измеряют в кубических сантиметрах или метрах): Vh=пД^3*S/4, где Д - диаметр цилиндра.

      Сумму всех рабочих объемов цилиндров  многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя, его определяют по формуле: Vр=(пД^2*S)/4*i, где i - число цилиндров. Отношение полного объема цилиндра Va к объему  камеры сгорания Vc называется степенью сжатия: E=(Vc+Vh)Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1.

      Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, т.к. сильно влияет на его экономичность и мощность.

        Рисунок 1  Поршень

  1-тронк; 2-уплотнительное кольцо; 3-головка; 4-штифт; 5-болт; 6-первое компрессионное  кольцо; 7-резьбовая вставка; 8-второе  и третье компрессионные кольца; 9-маслосъёмное кольцо; 10-крышка; 11-поршневой  палец;   12-шпилька. 

        Поршень двигателя 8ЧН20/26 является составным. Тронк изготовлен из высококачественного износостойкого алюминиево-кремниевого сплава, с  головкой из жаропрочной стали.

        Он оборудован тремя  компрессионными кольцами и двумя  маслосъёмными кольцами. На юбку поршня навинчена его головка из стали. Первое компрессионное кольцо является хромированным. Маслосъемное кольцо имеет с две фаски, его рабочая поверхность хромирована.

      Принцип работы Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и давления. Так как давление под поршнем равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы - расширяться, совершая полезную работу.

      Опыт эксплуатации судовых дизелей показывает, что надежность их работы, сроки проведения текущих и средних ремонтов определяются параметрами технического состояния деталей цилиндро-поршневои группы (ЦІИ), среди которых цилиндровая втулка (ЦВ) и поршневые кольца (ПК) наиболее ответственные и быстроизнашиваемые.

      Поршневой палец сделан пустотелым и зафиксирован от осевого смещения крышками. Охлаждающее  масло поступает из втулки верхней  головки шатуна через поршневой  палец в головку поршня. Пройдя через поршень охлаждающее масло стекает в картер. 

      3. Результаты теоретического расчета температурного состояния поршня с теплозащитным покрытием и без него

      Экспериментально  определенные значения коэффициента теплопроводности плазменного покрытия из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, нанесенного на пластину. Согласно проведенным исследованиям его теплопроводность изменялась в диапазоне от 0,1 до 0,6 Вт/(м*К). При этом с повышением температуры и толщины покрытия растет и теплопроводность. Тем не менее, эти значения ниже, чем для компактного диоксида циркония, что может быть объяснено пористостью получаемых покрытий.

      Критерием достоверности являлось соответствие результатов термометрирования  и расчета поршня. Расчет был проведен при толщинах теплоизоляционного покрытия от 0,3 до 1,5 мм. Было обнаружено, что температура поверхности поршня под покрытием слабо зависит от толщины покрытия и остается на уровне ~200°С.

      Это значение ниже температур поверхности  поршня без теплоизоляции (282°С - в  центре донышка поршня и 255°С - на его  периферии). Температура поверхности покрытия со стороны камеры сгорания растет. Максимальное значение находится около 600°С, причем темп роста с увеличением толщины замедляется. Снижение температуры поверхности донышка поршня составило около 80°С для центра и примерно 50^ на периферии: Снижение температуры поршня в районе верхнего поршневого кольца составило 20°С (с 208°С - без покрытия, до 183°С - с покрытием).

      Материалы расчетного исследования: влияния теплозащиты  поршня на основные показатели рабочего процесса дизеля. Теоретический расчет рабочего процесса показал, что увеличение температуры поверхности донышка поршня приводит к сокращению эффективного удельного расхода топлива (примерно на 3 г/(кВтч) при повышении температуры на 100 К). Расчет показал, что при повышении температуры донышка поршня до 700 К максимальное давление сгорания увеличивается, при более высоких температурах его изменение незначительно.

      Результаты  экспериментального исследования основных показателей (в том числе и  экологических) рабочего процесса дизеля при его работе со штатным поршнем и с поршнем с теплозащитным покрытием.

      При использовании керамического покрытия повышаются максимальные давления сгорания и температуры газа на выходе из цилиндра, несколько сокращается период задержки. Воспламенения. При этом давления составило ~ 0,25 МПа. Температура выпускных газов выросла в среднем на 40 - 50°С. Применение водо-топливной эмульсии при работе с теплоизолированным поршнем привело к снижению этих параметров. Это связано с затратами теплоты на испарение воды в эмульсии.

      Причем, рост температуры выпускных газов должен был привести к росту выбросов оксидов азота, однако, этого обнаружено не было Возможно, это связано с каталитическим действием диоксида циркония (снижение N0 составило в среднем 3 г/(кВт*ч), NО2 -практически без изменений).

      Тем не менее, отмечено незначительное увеличение содержания окиси углерода. Применение ВТЭ вместе с теплоизолированным поршнем привело к существенному увеличению содержания данного компонента на долевых нагрузках.