Исследование износа и метода ускоренных испытаний предварительно упрочненных поршневых канавок ДВС

"" МЕХАНИКА И МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.436.001.45 Н.К.Санаев, В.П. Тынянский

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСА И МЕТОДА УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО УПРОЧНЕННЫХ ПОРШНЕВЫХ КАНАВОК ДВС

N.K. Sanaev, V.P. Tynyanskij

RESEARCH OF WEAR AND METHOD OF ACCELERATED TESTING ADVANCE STRENGTHENED CYLINDER GROOVES ICE

В работе, на основании статистических исследований, установлены величина и законы распределения износа пары: поршневая канавка - кольцо, для дизеля типа 4ч8,5/11. С целью увеличения износостойкости исследуемой пары рекомендовано поверхностное пластическое деформирование перемычек канавок П-образным роликом. Результаты упрочнения исследованы на специальном стенде для ускоренных испытаний.

Ключевые слова: законы распределения статистической величины; П-образный ролик; стенд для ускоренных сравнительных испытаний.

Basing on the statistical research, this work states the quantity and the distribution laws of pair wear: grooved piston ring for 4ch.8,5/11 diesel engine. Surface plastic strain of lands between grooves by U-roller is recommended for improving wear resistance of the pair examined in the work. The results of such wear resistance improvement are examined on a special bench for accelerated tests.

Keywords : statistical quantity distribution laws, U-roller, bench for accelerated comparative tests.

Введение. Одним из основных показателей качества двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является его долговечность. Самым важным и, в тоже время, нагруженным узлом ДВС является «механизм движения» и, в частности, поршневая группа.

Стабильность качественных показателей конструктивных элементов пары -поршневое кольцо - поршневая канавка зависит от рационального построения технологических процессов. Оптимальная выбранная технология дает возможность улучшить физико-механические свойства материала и обеспечить высокие эксплуатационные показатели изделия.

Постановка задачи. Причиной, лимитирующей ресурс данной пары, является недостаточная износостойкость межканавочных поршневых перемычек.

В работе исследуется поршни дизеля типа 4ч8,5/11 изготовленные из алюминиевого сплава АК4-1 ГОСТ 4784-97. Предельно-допустимый эксплуатационный зазор по высоте между поршневыми кольцами и торцом канавочной перемычки составляет 0,4 мм. На высоту канавок назначают допуск (0,02...0,035 мм) т.е. приблизительно 9 квалитет точности.

Основная часть. Для практических выводов по исследованию разбивки поршневых канавок был применен раздел математики - метод математической статистики. В качестве статистических данных были приняты величины износов канавок полученные при стендовых испытаний дизеля типа 4ч8,5/11 после 3,5 и 4,5 тыс. часов работы. Объем выборки из генеральной совокупности представлен в таблице 1 .

Таблица 1

Объем информации об износе поршневой канавки и поршневого кольца после различной

длительности испытаний

Объем выборки Длительность испытания, час

1000 2000 3500 4500 8000 12000 15800

Ы, мкм 16 8 52 100 8 8 4

В статистическом анализе рассматривались испытания 196 соединений канавка-кольцо. Оценка величин износов рассматриваемого соединения осуществлялось путем измерения детали до и после испытания нутромером с ценой делением индикаторной головки 0,001 мм.

Наибольшие объемы выборок, позволяющие судить о принадлежности распределения величин износов к тому или иному закону распределения, соответствует длительности испытаний 3500 и 4500 часам.

52 104 156 206 износ, мкм износ, мкм

Рис.1. Распределение величин износов компрессионного кольца

Математическая обработка экспериментальных данных показала, что распределение износов как кольца, так и канавки может, подчинятся одному из следующих законов распределения: эксцентриситета, нормальному и модуля-разности. Проверка опытных и теоретических распределений по критерию акад. А.Н. Колмогорова показала, что наибольшее согласие опытные распределения имеют с законом Релея - с законом эксцентриситета. Характер полученных экспериментальных кривых распределения величин износов показан на рис.1

Для построения картины динамики изнашивания исследуемого соединения было сделано допущения, что распределение величин износов не меняет своего закона во всем диапазоне длительности испытаний от 1000 до 15800 часов, т.е. надо полагать указанные пары подчиняются закону эксцентриситета.

Принятое допущение позволило определить границы доверительных интервалов для рассеяния износов во всем диапазоне длительности испытания. Ломаные линии границ

доверительных интервалов к и, их средние значения, а также расчетная непрерывная случайная величина Я, были аппроксимированы прямыми линиями с помощью метода наименьших квадратов [1]. Далее с помощью рассчитанных значений и Я строим ломаные линии границ интервалов и аппроксимируем их прямыми линиями с помощью метода наименьших квадратов [2].

Предельно-допустимый при эксплуатации зазор составляет 400 мкм. Прикладывая данную величину зазора в масштабе графика к аппроксимированным прямым находим длительность испытаний, при котором наступает предельно-допустимый износ пары, рис. 2, который составляет в нашем случае 6000 часов, тогда как требуемая время для дизеля данного типа составляет 8000 часов.

480 400 360 300 240 180 120 80 0

100

200

300

400

500

Длительность испытаний тысячи часов

КОЛЬЦО /

Предельно допустимый износ пары

3 4,5 8 16

1 3,5 6 10

КАНАВКА

Рис.2 Динамика изнашивания пары поршневое кольцо-канавка

А-

Таким образом, при существующей заводской технологии изготовления

исследуемой пары и планируемого ресурса дизеля до первой переборки 8000 часов, указанное соединения не обеспечивает требуемый ресурс по причине указанного сопряжения - на 25%.

В работе для увеличения износостойкости данной пары предлагается включить в технологический процесс механической обработки поршня операцию поверхностного пластического деформировании поршневой канавки П-образным раскатником.

Рис. 3 П-образный раскатником Рис. 4 Распределение микротвердости

При работе раскатником 1 рис. 3 устанавливается в резцедержателе станка модели 1К62, а поршень с предварительно нарезанными канавками, закрепляется в шпинделе станка. Упрочняющий элемент (П-образный ролик) 2 свободно устанавливается на ось и за счет сил трения возникающей в результате силового замыкания вращается вместе с обрабатываемой заготовкой.

Ролик раскатником имеет на щеках поднутрение в 1 мм, что снижает силы трения между перемычкой поршня и роликом. В результате совместного вращения детали и ролика раскатником происходит многократное обкатывание, смятие и выглаживания торцовых поверхностей по дуге окружности с радиусом равным радиусу раскатником. Предложенный способ упрочнения перемычек поршневых канавок позволил обеспечить

Рис. 5 Кинематическая схема Рис.6 Внешний вид установки

А-

Измерение микротвердости выполнялось на микротвердомере модели ПМТ - 3 при

нагрузке 20г., при этом использовались косые шлифы, протравленные 3% раствора Fe^s в 10% HCl [3].

Поршни с упрочненными поршневыми канавками испытывались на износ (разбивку) на специальном стенде кинематическая схема и внешний вид стенда для ускоренных испытаний показаны на рис. 5 и 6.

Питание от электрической сети напряжения 220В через диодный выпрямитель поступает к электродвигателю 1 постоянного тока мощностью #=2,7кВт. На выходном валу э/двигателя 1 установлена кулачковая двухсторонняя муфта сцепления 2. Выходной вал 3 муфты сцепления посажен на подшипники 4.

В центре вала 3 расположен кулачок 5, преобразующий через мотыль 6 вращательное движение вала 3 в возвратно-поступательное движение поршня 7. Вся конструкция монтируется на массивное чугунное основание 8. Величина подъема эксцентриситета кулака 5 равна -€= 1,25 мм, что обеспечивает длину хода поршня €= 2,5 мм.

Заключение. Упрочненные и не упрочненные перемычки были исследованы по 200 часовому циклу непрерывной работы. Полученные результаты показали, что поршни с упрочненными перемычками, имеющие поверхностную твердость остались практически без изменения, тогда как канавки с не упрочненными перемычками за это же время разбились на (0,1.. .0,15) мкм.

В тоже время по данным заводских лабораторных исследований для получения указанной разбивки необходимо дизелю проработать не менее 2000 часов. Другими словами разработанный нами стенд для ускоренных сравнительных испытаний позволил сократить время испытания в 10 раз.

Кроме того испытания на разработанном стенде показали, что упрочненный канавки позволяют выдержать регламент работы дизеля до 8000 часов по 200 часовому непрерывному циклу. При этом разбивка упрочненных канавок испытанных по заводским стандартам составляет (0,20... 0,25) мм, а не упрочненных (0,35. 0,45) мм.

Библиографический список:

1. Солонин И.С. Математическая статистика в технологии машиностроения. Мажгиз., Свердловск 1960г.

2. Кутай А.К., Кордонский Х.Б. Анализ точности и контроля качества в машиностроении. Мажгиз., М., 1958г.

3. Глазов В.М., Выгдорович В.Н. Микротвердость металлов и полупроводников. Изд., Металлургия, М., 1969г.