Блоки и рубашки цилиндров
Цилиндры являются одним из силовых элементов остова и служат для образования полостей (вместе с поршнями и крышками), в которых осуществляется рабочий цикл дизеля.
Цилиндр состоит из рубашки (отдельной или в виде блока) 1 и вставной втулки 2 (см. рис. 4.1). Полость 4 между рубашкой и втулкой, в которой циркулирует охлаждающая вода, называется зарубашечным пространством. Вода поступает в нижнюю часть этой полости, омывает цилиндровую втулку, поднимается вверх и по перепускным патрубкам 3 перетекает в полость охлаждения цилиндровой крышки. Для посадки цилиндровых втулок у рубашек цилиндров имеются опорные 5 и направляющие 6 бурты.
Условия работы рубашек цилиндров определяются конструктивной схемой остова дизеля. При отсутствии анкерных связей рубашки работают на разрыв от силы действия газов на поршень и крышку цилиндра, а при наличии связей - нагружены сжимающими усилиями от их затяга.
Материалом для изготовления рубашек цилиндров служат серый чугун, модифицированный чугун, иногда сталь 25.
По конструкции различают индивидуальные для каждого цилиндра рубашки и блоки цилиндров. Отдельные рубашки более просты в изготовлении, их применение значительно уменьшает влияние деформации остова дизеля (вследствие деформации корпуса судна) на положение осей цилиндровых втулок, а при необходимости можно заменить цилиндр в сборе во время эксплуатации.
Необходимая жесткость рубашек обеспечивается: значительной толщиной их стенок, массивными литыми ребрами и анкерными связями. Индивидуальные рубашки, установленные на станине независимо друг от друга, соединяются между собой болтами в единый блок цилиндров. Отдельный цельнолитой блок цилиндров или выполненный заодно со станиной имеет высокую жесткость, позволяет уменьшить длину и массу дизеля, но технология его изготовления сложная. Для упрощения изготовления блоков их часто делают составными.
Втулки цилиндров
В судовых дизелях находят применение исключительно сменяемые вставные и охлаждаемые «мокрые» втулки (см. рис. 4.1). Условия работы втулок определяются:
- воздействием на них горячих газов, вызывающих большие механические и тепловые нагрузки;
- работой поршневых колец, приводящей к износу рабочей поверхности «зеркала»;
- дополнительным нагревом; коррозией и кавитационной эрозией со стороны охлаждающей воды.
Материал втулок - чугун, легированный титаном, хромом, никелем, ванадием, или серый чугун (для втулок МОД (малооборотные) и СОД (среднеоборотные)), или легированная сталь (для втулок ВОД (высокооборотные)). Для повышения износостойкости чугунные втулки ВОД (иногда СОД) покрывают пористым хромом, а стальные азотируют. Для защиты от коррозии и эрозии охлаждаемую поверхность втулок покрывают краской или бакелитовым лаком, хромируют или кадмируют.
Рабочую поверхность втулок, как правило, хонингуют, иногда наносят сетку микроштрихов «зебру» или производят винтовую нарезку с шагом 12-15 мм и глубиной 0,03-0,06 мм, которые улучшают приработку рабочих поверхностей новой втулки и поршневых колец и позволяют визуально (через продувочные окна) контролировать износ в эксплуатации.
Конструкция втулки цилиндра. К ней предъявляются следующие требования:
- высокая прочность;
- хорошее охлаждение (особенно верхнего пояса) при возможно меньших перепадах температур в стенке;
- наименьшая неравномерность радиальных и осевых деформаций;
- герметичность поверхностей, сопряженных с рубашкой и крышкой цилиндра;
- обеспечение свободного радиального и осевого расширения втулки;
- материал втулки должен быть жаростойким и жаропрочным, износостойким, иметь хорошие антифрикционные качества.
Конструкторам приходится учитывать, что испытываемые стенкой втулки напряжения складываются из напряжений механических и тепловых. Стремление снизить механические напряжения путем увеличения толщины стенок 5 приводит к росту тепловых напряжений. Поэтому в современных форсированных двигателях конструкторы пошли по пути сохранения или даже увеличения толщины втулок в их верхнем поясе, но приближения охлаждаемой поверхности к тепловоспринимающей путем сверления охлаждающих каналов непосредственно во фланцевой части (см. рис. 4.7 и 4.8).
Конструкции втулок показаны на рис. 4.4, 4.5 и 4.6.
В верхней части втулки имеют утолщенный круговой пояс 1 (рис. 4.4а; 4.5б) с фланцем, опирающимся на опорный бурт рубашки или блока с применением специальных мастик. Иногда под фланец устанавливают красномедную прокладку.
Сверху фланец втулки прижимается буртом 9 крышки цилиндра (см. узел I, рис. 4.4а). Свободные радиальные и осевые 4-тактных дизелей расширения втулки обеспечиваются жестким закреплением только фланца и радиальными зазорами (см. рис. 4.4, 4.5). Это предохраняет блок цилиндров от разрыва, а зеркало втулки от деформаций (при нагреве втулка расширяется больше, чем блок), уплотнение зарубашечного пространства достигается притиркой сопряжения поверхностей фланца втулки и опорного бурта блока.
В форсированных СОД для уплотнения и предотвращения коррозии посадочного пояса втулки в него часто устанавливают резиновое кольцо 3 (см. поз. I, рис. 4.4). Уплотнение газового стыка обеспечивают притиркой поверхностей фланца втулки и бурта крышки или установкой в посадочную канавку (см. поз. I, рис. 4.4а) прокладки из отожженной красной меди или мягкой стали. Уплотнение нижнего пояса втулки со стороны охлаждающей воды и со стороны картера или подпоршневого пространства осуществляют резиновыми кольцами (на рис. 4.4а поз. II, 4.4 и рис. 4.5, 4.6). Резиновые кольца круглого сечения заводят в канавки, проточенные в утолщенном круговом поясе втулки. У двухтактных дизелей (рис. 4.5) с контурной продувкой пояс выпускных окон со стороны охлаждающей воды уплотняют резиновыми кольцами 3,5, а со стороны газа - красномедными кольцами 6, устанавливаемыми с натягом относительно центрирующего пояса блока.
Контроль уплотнений осуществляют с помощью специального сигнального отверстия в рубашке, соединенного с кольцевой канавкой сборником на втулке или в блоке. Вытекание воды, выход масляных паров, продувочного воздуха или газа из сигнального отверстия свидетельствует о нарушении герметичности соответствующего уплотнительного кольца.
Практические рекомендации
Резиновые уплотнительные кольца следует применять лишь рекомендованного размера. В случае превышения размера кольца по сечению оно полностью заполнит кольцевые канавки и втулку трудно будет запрессовать. Если продолжить запрессовку, то возникнет опасность появления трещин в рубашке цилиндра или выпучивания втулки цилиндра вовнутрь с последующим задиром рабочей поверхности цилиндра и резким повышением температур поршня. Это в свою очередь приводит к испарению масла в картере, образованию в нем взрывоопасной смеси паров масла и воздуха и их взрыву.
При смене резиновых колец следует обратить внимание на состояние уплотняющего пояса рубашки (блока). Обычно на нем скапливаются отложения присадок охлаждающей воды, и поэтому они должны быть тщательно и осторожно (без применения твердых и острых инструментов) очищены. Перед установкой колец на втулку их нужно смазать мыльным раствором, в противном случае при запрессовке кольца будут деформированы и уплотняющий эффект будет ими утерян.
Утечки воды в картерное пространство через уплотнения втулки приводят к попаданию воды в масло, в результате чего его смазывающие свойства резко ухудшаются. После остановки двигателя обводненное масло остается в карманах и канавках подшипников и вызывает питтинг и коррозию полированных поверхностей шеек вала, что способствует их ускоренному износу.
Для предотвращения образования наработка (выработки уступом), затрудняющего демонтаж поршня и вызывающего поломку поршневых колец, в верхней части втулки предусматривают конусную или цилиндрическую (см. рис. 4.4а, справа) расточку. Однако расточка втулки облегчает доступ газа к верхнему поршневому кольцу и увеличивает его нагрев. Поэтому в современных дизелях часто вместо расточки втулки на уровне положения первого кольца в ВМТ выполняют узкую кольцевую выточку-канавку, которая позволяет избежать наработков.
Смазка цилиндров. Смазка рабочей поверхности втулок в тронковых дизелях обычно осуществляется за счет разбрызгивания масла, вытекающего из зазоров подшипников; масло забрасывается на нижнюю часть втулки и при движении поршня вверх разносится поршневыми кольцами по всему зеркалу цилиндра. У мощных СОД для верхней части втулки часто предусматривают принудительную лубрикаторную смазку.
В крейцкопфных двухтактных дизелях применяют только принудительную смазку цилиндров, осуществляемую насосами плунжерного типа - лубрикаторами через масляные штуцеры 7 (см. рис. 4.6а, узлы II и III), вворачиваемые в стенку втулки. В дизеле MAH KZ70/120 масло подается по радиальным и осевым сверлениям в верхней части втулки. В штуцере (перед цилиндром) имеется невозвратный клапан, предотвращающий попадание газов из цилиндра в маслопровод. В целях улучшения смазки нижерасположенной поверхности цилиндра фирма «Зульцер» в последних моделях двигателей применила 2-уровневое расположение штуцеров.
Для равномерного распределения масла по окружности на зеркале втулки в районе смазочных отверстий вырезают маслораспределительные канавки а и b (4.5а); или соединяют отверстия сплошной криволинейной канавкой. Расположение смазочных отверстий зависит от тактности дизеля и уровня его форсировки.
Современные конструктивные решения. В последние 10-20 лет отмечается интенсификация работ по форсировке двигателей. Увеличиваются максимальные давления сгорания до 140-180 бар, что, естественно, приводит к увеличению механических напряжений, особенно в верхнем поясе цилиндра. Рост среднего эффективного давления достигается путем увеличения давления наддува и, соответственно, величины подачи топлива , а это влечет за собой рост величины теплового потока в стенки цилиндра, перепада температур в стенках и возникающих в них температурных напряжений. Температурные и механические напряжения действуют совместно, и их рост, естественно, потребовал искать пути их снижения. Перепад температур в стенке, а вместе с ним и величина возникающих термических напряжений могут быть понижены путем уменьшения толщины стенки. Но это приведет к росту в ней механических напряжений.
Поэтому, уменьшая толщину, стали прибегать к оребрению стенки цилиндра в верхнем поясе - втулка двигателей RS (рис. 4.7). В более поздней конструкции двигателей RD в целях снижения механических напряжений в верхнем поясе на него напрессовали силовое кольцо. Однако это решение в процессе эксплуатации себя не оправдало. Постепенно возникающая подвижка кольца вследствие возникающей подвижки и фреттинг-коррозии приводила к ослаблению его посадки. Нагрузка на втулку соответственно увеличивалась, и в ней появлялись микротрещины. В новых конструкциях (двигатели RND и RTA) пошли на увеличение толщины и высоты фланцевой части втулки, сократив при этом толщину теплопроводящей части втулки путем ее сверления и подачи охлаждающей воды по сверлениям ближе к тепловоспринимающей поверхности (рис. 4.7).
Аналогичные решения приняты и фирмой «МАН-Бурмейстер и Вайн» (см. рис. 4.8), они же стали применяться и в современных форсированных среднеоборотных двигателях - см. рис. 4.9.
В классическом варианте (рис. 4.2) охлаждение втулок осуществлялось по всей длине, что приводило к переохлаждению нижней и средней частей поверхности цилиндра и провоцированию интенсификации сернистой коррозии и износа. Чтобы этого избежать, в новых решениях нижняя часть втулок не охлаждается и режим охлаждения верхней части организуется таким образом, чтобы температура зеркала не была ниже точки росы паров воды (150°С) и не превышала Т = 200°С, при которой происходит полимеризация масла с образованием лаковых пленок на зеркале и нагара в кепах поршневых колец.
Как видно из рис. 4.7 и 4.8, температуры рабочих поверхностей втулок в зоне первого поршневого кольца в ВМТ находятся в пределах рекомендованных уровней.
Износ и повреждения цилиндров
Разрушение является следствием микросваривания отдельных участков контактирующих поверхностей втулок цилиндров по мере форсировки двигателей.
Причина - чрезмерный рост температур вследствие локальных контактов металла цилиндра и колец из-за ухудшения условий смазки (недостаток масла на зеркале - выгорание, недостаточное поступление в верхнюю часть цилиндра, падение вязкости масла, попадание в масло воды и создание эмульсии). К этому же приводит увеличение шероховатости поверхностей под действием абразивного износа из-за попадания в цилиндр твердых частиц алюмосиликатов (с топливом), песка с воздухом, откалывающихся с поршня частиц кокса.
В процессе появления адгезионного износа существенную роль также играют процессы сернистой электрохимической коррозии, в ходе которой из структуры серого чугуна освобождаются твердые частицы фосфида железа и цементита, в последующем попадающие в зону трения и провоцирующие абразивное изнашивание.
В зоне коррозии в результате интенсивного износа обычно исчезают следы хонинга.
Для всех двигателей с контурными схемами газообмена типичен высокий износ в верхней зоне (см. рис. 4.12).
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, устремляющимися в узкую щель между головкой поршня и открываемыми им окнами. Деформация втулки внутрь провоцирует поломку поршневых 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 охлаждения, как правило, происходят вследствие отсутствия в охлаждающей воде присадок. Коррозии наружных поверхностей втулок цилиндров часто сопутствуют кавитационно-коррозионные повреждения, возникающие в средне- и особенно в высокооборотных двигателях.
Кавитационные разрушения поверхности втулок происходят вследствие их вибрации, создаваемой ударами поршня о втулку при его перекладке под действием нормальной силы. На поверхности втулки образуются пузыри (вакуумные или заполненные парами воды и воздуха), которые лопаются, и заполняющие их тончайшие струйки воды с большой скоростью устремляются к металлу втулки (рис. 4.13). Давление в точке удара достигает 2000 бар. На поверхности образуются каверны, которые в последующем еще и под действием коррозии оголившегося металла 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.
Контроль за состоянием цилиндров
Для предотвращения серьезных повреждений ЦПГ крейцкопфных двигателей рекомендуется возможно чаще проверять состояние цилиндров и поршневых колец, тем более что это легко делать путем их осмотра через продувочные окна. Состояние втулок тронковых двигателей оценивается при каждом вскрытии цилиндров.
Если с течением времени масляная пленка по той или иной причине частично исчезает и на зеркале образуются сухие участки, последние и поверхности поршневых колец под действием трения и нагрева упрочняются и подвергаются микрозадирам. На них появляются темные пятна, в этих местах зеркальная поверхность исчезает. Поверхности с микрозадирами, признаком которых является наличие вертикальных полос, становятся относительно твердыми, и это провоцирует усиленные износы. Поврежденные участки могут исчезнуть, если увеличить 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 цилиндровых втулок. В ряде случаев износ цилиндров в сечении напоминает «клеверный лист» - на втулке появляются вертикальные полосы повышенного износа (рис. 4.15), располагающиеся между смазочными отверстиями.
Объясняется это недостатком масла в зонах полос или малым запасом щелочности масла (по мере растекания масла в горизонтальной плоскости щелочность его убывает в связи с нейтрализацией кислоты).
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 зеркальной поверхности необходимо удалять, используя для этого крупнозернистый шлифовальный камень. Образующиеся на втулке горизонтальные участки износа (в ВМТ первого кольца и НМТ нижнего кольца) также необходимо зачистить, используя ручную шлифовальную машинку.
Интенсивный аварийный износ втулок цилиндров и поршневых колец чаще всего возникает у двигателей с высоким уровнем форсировки, 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 ухудшение распыливания топлива, уменьшение заряда воздуха в цилиндрах из-за загрязнения воздушного фильтра, воздухоохладителя, ГТК и выхлопного тракта.
- Нарушение режимов приработки после смены колец или втулки. При быстром увеличении нагрузки на неприработанные детали интенсивность тепловыделения в зонах контакта трущихся поверхностей резко возрастает, что вызывает мгновенное повышение температуры микроплощадок до 1000-2000°С и их микросхватывание (сварку) с последующим отрывом одной из них и попаданием в зону трения. Высокая температура микросхватывания и последующее быстрое охлаждение вызывают образование в местах схватывания тонкого закаленного слоя металла, твердость которого в 4-5 раз превышает твердость 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.
- Низкотемпературная коррозия зеркала вследствие высокого содержания серы в топливе и низкого щелочного числа используемого 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 блока, снижению частоты вращения или перемещению указателя нагрузки 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, зависание, большой износ - прорыв газов;
- быстрая нагрузка непрогретого двигателя или резкое охлаждение перегретого двигателя;
- воспламенение отработавшего масла в подпоршневой полости;
- нарушение газообмена вследствие закоксовывания окон;
- перегрев головного (поршневого) подшипника, осевое смещение поршневого пальца или ослабление посадки и разворот вытеснителя в пальце.
Тяжелые задиры, если своевременно не будут приняты необходимые меры, приводят к полному заклиниванию поршня и возникновению трещин во втулке цилиндра.
Признаками появления водотечной трещины во втулке являются:
- поступление воды в цилиндр и обводнение масла;
- повышение температуры выходящей из цилиндра охлаждающей воды;
- резкие колебания давления охлаждающей воды;
- появление пузырьков газов в смотровом стекле отводного трубопровода.
Трещины 1 (см. рис. 4.16а) были вызваны воспламенением масла в полости продувочных окон и вызванным этим перегревом и деформацией втулки. Поперечные трещины 5 (рис. 4.16б) возникают в перемычках окон при заклинивании поршня. Результатом задира поршня вследствие быстрой нагрузки перегретого дизеля и нарушения режима охлаждения (вначале недостаточного, а затем резкого охлаждения перегретого дизеля) являются трещины 6 (рис. 4.16в).
Зоны расположения трещин (верхняя 1 и нижняя 11 границы посадочного пояса в блоке) являются типичными при быстрой нагрузке и нарушении режима охлаждения. Здесь надо учитывать, что расширение втулки в радиальном направлении ограничено поясом блока. В результате подобной деформации на границах посадочного пояса в слоях металла, расположенных ближе к зеркалу втулки, возникают напряжения растяжения, которые и приводят к образованию трещин.
Продольные трещины 2 (см. рис. 4.166) в верхней части втулки типичны для относительно непродолжительной работы с недостаточным 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 силовое кольцо не берет на себя часть нагрузок со стороны газов, возникающие во втулке напряжения растяжения превышают предел усталостной прочности и с течением времени в ней образуются водотечные трещины.
Трещины 7 под опорным фланцем втулки (рис. 4.16г) с последующим их развитием и обрывом втулок возникают по следующим причинам:
- неудачная конструкция фланцевой части втулки (большой изгибающий 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.
Литература
Судовые двигатели внутреннего сгорания - Возницкий И.В. Пунда А.С. [2010]
