Исследование деформаций втулок цилиндров малоразмерного дизеля и разработка рекомендации по их уменьшению

МЕХАНИКА И МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.436

Н.Я. Яхьяев, Н.М. Вагабов

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ВТУЛОК ЦИЛИНДРОВ МАЛОРАЗМЕРНОГО ДИЗЕЛЯ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ УМЕНЬШЕНИЮ

Приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния втулок цилиндров судового малоразмерного дизеля 4Ч8,5/11. Разработана методика измерения деформаций деталей цилиндро-поршневой группы, основанная на тензометрировании напряжений. Определены значения деформаций втулок цилиндров в процессе сборки дизеля. Показаны факторы, влияющие на отклонения макрогеометрии цилиндров при сборке. Даны рекомендации по уменьшению неравномерных деформаций втулок цилиндров технологическими способами.

Ключевые слова: дизель, втулка цилиндра, групповое резьбовое соединение, деформация, напряжение, тензорезистор, точность геометрической формы.

Введение

В конструкциях большинства судовых дизелей втулки цилиндров, головки цилиндров, коленчатый вал с блок-картером образуют групповые резьбовые и прессовые соединения.

Каждая деталь, поступившая на сборку, до ее соединения в узел, как правило, имеет относительно высокие допуски на отклонения макрогеометрии, соответствующие требованиям нормативно-технической документации. Силы затяжки, передаваемые на детали через силовые шпильки, должны создавать равномерные контактные давления по всему периметру стыка деталей и обеспечивать надежность соединения деталей в узле. Однако это не всегда достижимо из-за неравномерной конструктивной жесткости по периметру опорных буртов блоков цилиндров, неточности усилий затяжки, погрешностей размеров и формы, допущенных при изготовлении сопрягаемых деталей и усиливающих отклонения точности детали в собранном узле и др.

Неравномерные упругие деформации по периметру гнезд передаются на опорные бурты втулок цилиндров (ВЦ) и являются фактором их неравномерной деформации в узле, приводящей к искажениям геометрической формы рабочих поверхностей цилиндров, необходимой для равномерного прилегания маслосъемных и компрессионных колец и др. Кроме этого, сводятся к минимуму усилия технологов по обеспечению высокой точности формы цилиндров на операциях механической обработки цилиндров, т.к. после сборки двигателя внутреннего сгорания (ДВС) отклонения геометрической точности цилиндров возрастают в несколько, а иногда и в десятки раз [1].

Недостаточная изученность отклонений макрогеометрии цилиндров после сборки ДВС объясняется труднодоступностью их измерений при контроле точности. Поэтому, разработка и исследование новых эффективных методов измерения напряжений и деформаций втулок цилиндров, от точности геометрической формы которых зависят показатели работоспособности ДВС, является актуальной задачей отечественного двигателестроения.

Постановка задачи. Из-за трудностей измерения деформации ВЦ в процессе сборки ДВС (отсутствует доступ к поверхностям для контактных измерительных инструментов, применяемых в производстве), объективную информацию о характере и величинах деформаций можно получить лишь на основе лабораторных экспериментальных исследований. В технической литературе недостаточно сведений о методах измерения

-\-

деформаций ВЦ в собранном ДВС. Поэтому, научный и практический интерес

представляет разработка и апробирование новой методики измерения деформации ВЦ, основанной на хорошо известных в технике методах тензометрирования деталей и контактных отпечатков.

Методы испытаний . Общий вид экспериментальной установки, созданной на базе дизеля 4Ч8,5/11, показан на рис.1.

Схема экспериментальной установки, показана состоит из цифрового тензометрического моста ЦТМ-5, записывающего устройства (ЗУ) к нему, тензорезисторов и позволяла контролировать напряженно-деформированное состояние одновременно в 56 точках на исследуемых поверхностях блок-картера и втулок цилиндров.

В работе использовали тензорезисторы на бумажной основе типа ПКБ.10.100Х с базой 10мм. Статическое тарирование датчиков проводили на балках равного сопротивления, изготовленных из материала блока и втулок цилиндров. Точность измерения напряжений ±0,6МПа. Деформации втулок и блока измеряли индикаторными головками с ценой деления 0,001мм. Напряжения и деформации регистрировали при сборке блока с втулками цилиндров и коленчатым валом. Затяжка шпилек крепления опор коленчатого вала осуществлялась моментом Мзат=100 Нм и шпилек крепления головок цилиндров — Мзат=200Нм. Последовательность и моменты затяжки соответствуют техническим условиям на сборку серийных дизелей 4Ч8,5/11.

Рис. 1 Общий вид экспериментальной установки: 1 — штатив с индикаторной головкой; 2 — блок-картер дизеля;

3 — шпилька крепления головки цилиндров к блок-картеру; 4 — тензорезистор;

5 — провода от тензорезисторов; 6 — головки цилиндров; 7 — место наклейки компенсационных тензорезисторов; 8 — комплект измерительной аппаратуры (ЦТМ-5).

Для повышения точности результатов измерения и уменьшения влияния случайных погрешностей каждое измерение повторяли трижды. Окончатеольный результат определялся, как математическое ожидание этих измерений. Обработка экспериментальных данных заключалась в определении приращения напряжений по

-\-

сравнению с исходными показателями (перед каждой операцией сборки). Анализ погрешностей позволил оценить их суммарную величину при проведении опытов, не превышающую ±6%. На рис. 2 показан общий вид размещения тензорезисторов в исследуемом групповом резьбовом соединении ( ГРС).

Жесткость исследуемого ГРС формируется путем интегрирования характеристик жесткости каждой детали входящей в соединение, а также напряженно-деформированного состояния, возникающего в прессовых и резьбовых соединениях узла.

Поэтому, научно-практический интерес представляет процесс формирования жесткости в результате сборки узлов:

• блок-картер—головки цилиндров—коленчатый вал (без ВЦ);

• блок-картер—головки цилиндров—втулки цилиндров-коленчатый вал. Такая последовательность проведения экспериментов позволяет определить

технологическую наследственность процессов образования и наследования погрешностей формы деталей ГРС.

Места наклеики тензорезисторов

Рис. 2 Общий вид размещения тензорезисторов в ГРС дизеля 4Ч8,5/11

Для определения степени влияния последовательности процесса сборки на деформацию ВЦ в дизеле на первом этапе были выполнены исследования характера напряженно-деформированного состояния блок-картера, изменение формы и размеров его посадочных поясков при сборке без ВЦ, а на втором этапе — НДС исследуемого узла, но уже с установленными ВЦ. На втором этапе измеряли также деформации и напряжения на зеркале ВЦ. Принятая методика проведения экспериментов позволила исследовать основные операции сборки с учетом технологической наследственности.

Результаты эксперимента и их обсуждение. На рис. 3 показано изменение напряжений на посадочных поясках блок-картера в зависимости от момента затяжки гаек крепления головок цилиндров и опор коленчатого вала. Как видно, наибольшая неравномерность напряженного состояния наблюдается в верхних поясках второго и

третьего цилиндров блока (Аст^Х =31,5МПа; Аст^Х =50,6МПа). Причем большее влияние на деформацию посадочных поясков оказывает затяжка шпилек крепления опор коленчатого вала, меньшее—затяжка шпилек при соединении блока с головками цилиндров. Для этих цилиндров также характерна наибольшая неравномерность деформации поясков, так овальность их достигала 0,08 мм (третий цилиндр) с расположением большей оси овала в плоскости качания шатуна. Исследованы напряжения на рабочих поверхностях втулок цилиндров, возникающие на различных операциях

-\-

сборки: после установки ВЦ в блок-картер, после затяжки шпилек крепления головок

цилиндров и крепления опор коленчатого вала. На рабочих поверхностях ВЦ (рис.4) напряжения, а следовательно их упругие деформации неравномерны сразу после

установки в блок-картер (Л^^^аХ =16МПа, для первого цилиндра в верхнем пояске). Однако большее влияние на возникновение неравномерной деформации ВЦ оказывают

усилия затяжки шпилек головок цилиндров (до Лст^^Х =20МПа, для первого цилиндра в

верхнем пояске) и опор коленчатого вала (до тах =49,2МПа, для третьего цилиндра в

верхнем пояске). Все ВЦ после сборки деформируются неравномерно и характер их деформации соответствует данным, полученным при статистическом анализе результатов измерения втулок серийных дизелей и результатов предварительных расчетов. Овальность ВЦ находилась в пределах от 0,005 до 0,035мм при наибольших значениях в третьем и втором цилиндрах. Большие оси овалов располагаются в плоскости качания шатуна, т.е. совпадают с направлением овальности посадочных поясков блока при их измерении без втулок. Сравнение полученных результатов позволило сделать вывод о том, что на деформацию втулок цилиндров большее влияние оказывает искаженная форма отверстий посадочных поясков, с которыми сопрягается цилиндровая втулка, а деформация ВЦ от приложения изгибающего момента Мизг к опорному торцу менее значительна. Анализ результатов исследования процесса сборки дизеля с втулками цилиндров и без них показал значительное влияние жесткости самих ВЦ на качество сопряжения Б-Г-ВЦ. Так, наибольшая овальность отверстий ВЦ составляет 0,035мм, в то время как овальность посадочных поясков блок-картера, с которыми сопрягаются втулки, была 0,08мм. Кроме того, наибольшая интенсивность деформации ВЦ возникает при затяжке силовых шпилек

до величины Мзат=50Н-м

=42МПа, овальность до 0,03мм). Дальнейшее увеличение Мзат с 50Нм до 200Нм оказывает заметное влияние на деформацию втулок лишь в зоне верхних посадочных поясков блока ( Л^тах = 10МПа при Мзат=200Нм), а в зоне нижних посадочных поясков блока деформация втулок несущественна =4МПа; овальность увеличивается только на 0,005мм). Следовательно, можно заключить, что втулки цилиндров деформируются от усилий затяжки силовых шпилек главным образом до тех пор, пока поверхности сопрягаемых деталей будут полностью прилегать друг другу, т.е. до полной выборки всех технологических зазоров между деталями. Следовательно, искажение базовых поверхностей посадочных поясков блок-картера от сил затяжки резьбовых шпилек ГРС является одним из факторов, определяющих характер деформации втулок цилиндров. Аналогичные исследования были выполнены также на дизеле 4Ч9,5/11, имеющем аналогичную силовую схему ГРС. Анализ полученных данных о погрешностях формы ВЦ при сборке показывает влияние сил затяжки ГРС на формирование характера и величин отклонений. Рекомендации, сделанные для дизеля Ч8,5/11 могут быть использованы также в технологическом процессе изготовления и сборки дизеля 4Ч9,5/11. Результаты проведенных испытаний показали, что одним из постоянно действующих факторов, влияющих на неравномерную деформацию ВЦ при сборке является неравномерная деформация посадочного пояска блок-картера из-за переменной жесткости его верхней опорной плиты. Поэтому, для повышения геометрической точности ВЦ был разработан способ, основанный на исправлении погрешностей формы базовых поверхностей поясков блока на операциях механической обработки. Практическая реализация данного способа заключается в следующем:

• блок цилиндров, соединенный с технологическим коленчатым валом, поступает на операцию чистовой расточки отверстий; момент затяжки опор этого вала Мзат=100Нм, соответствующий техническим требованиям (ТТ) на сборку дизеля, приводит к деформациям блока и его посадочных поясков;

• производят чистовую расточку поверхностей посадочных поясков и тем самым исправляют их форму, искаженную деформациями блока;

• блок с отверстиями подается на сборку; после снятия технологического вала отверстия в блоке приобретают форму обратную той, которая возникает у них при сборке дизеля;

• окончательно собирают узел блок-картер — втулки цилиндров— коленчатый вал — головки цилиндров, в котором преднамеренно искаженная форма отверстий блока выполняет роль компенсатора его неравномерной сборочной деформации от усилий затяжки подшипников коленчатого вала и уменьшает деформации.

Использование описанного способа обработки и сборки дизеля 4Ч8,5/11 позволило уменьшить неравномерность деформаций втулок цилиндров с 0,035 мм до 0,015мм, т. е. более чем в 2 раза.

Выполненные исследования влияния сил и последовательности затяжки шпилек ГРС на деформацию втулок цилиндров хорошо согласуются с результатами исследований, выполненных для автомобильных двигателей А.Г. Кесарийским [2]. Использованные им лазерно-интерференционные методы позволили измерить и представить картину перемещений не только в виде пространственных полей, но и в виде временных последовательностей. На рис.5 приведены результаты эксперимента с применением лазерно-интерференционных методов: фотография панорамной голографической интерферограммы зеркала цилиндра, панорамная развертка срединных линий интерференционных полос, выполненная в прямоугольных координатах, и профиль формоизменения сечения цилиндра. Учитывая фактор влияния последовательности и сил затяжки шпилек ГРС на формирование точности формы цилиндров, представляет научный и практический интерес более подробное исследование вопроса о возможности применения заданного уровня неравномерности затяжки в целях управления НДС исследуемого узла, что открывает новые возможности повышения точности сборки ГРС без внесения изменений в его конструкцию, т.е. технологическим способом..

Выводы. Выполненное исследование точности и механической напряженности втулок цилиндров и блок-картера в процессе сборки судовых малоразмерных дизелей позволило сделать следующие выводы:

1. Разработанная методика исследования напряженно-деформированного состояния рассматриваемого ГРС, основанная на тензометрировании деформаций и напряжений показала свою эффективность и информативнось. Погрешность измерений не превысила 8%.

2. Влияние на деформацию ВЦ оказывает как затяжка крепежа головок цилиндров, так и опор коленчатого вала. Все ВЦ после сборки деформируются неравномерно и характер их деформации соответствует данным, полученным при статистическом анализе результатов измерения втулок серийных дизелей и результатов предварительных расчетов.

3. Овальность втулок находилась в пределах от 0,005 до 0,035мм при наибольших значениях в третьем и втором цилиндрах. Большие оси овалов располагаются в плоскости качания шатуна, т.е. совпадают с направлением овальности посадочных поясков блока при их измерении без втулок.

4. На деформацию втулок цилиндров большее влияние оказывает искаженная форма отверстий посадочных поясков, с которыми сопрягается цилиндровая втулка, а деформация втулки от приложения изгибающего момента Мизг к

-\-

опорному торцу менее значительна.

5. Анализ результатов исследования процесса сборки дизеля с втулками цилиндров и без них показал значительное влияние жесткости самих втулок на деформацию деталей сопряжения блок-картер—головки цилиндров—втулки цилиндров.

6. Втулки цилиндров деформируются от усилий затяжки крепежа главным образом до тех пор, пока поверхности сопрягаемых деталей полностью прилегают друг другу, т.е. до полной выборки всех технологических зазоров между деталями.

7. Для повышения геометрической точности ВЦ разработан новый способ, основанный на исправлении погрешностей формы базовых поверхностей поясков блока на операциях механической обработки, что позволило уменьшить неравномерность деформаций втулок цилиндров с 0,035 мм до 0,015мм, т. е. более чем в 2 раза.

ИнтЕРФЕРОграмма деформоции Деформоция цилиндра по сечению,

цилиндра отстоящему на 20 мм от плоскости

стыка влок-головка.

Панорамная розвертко интерферогроммы, полученной при зотяжке крепежа N1 и № с моментом 1 кГжМ,

Рис.5 Результаты исследования деформации зеркала цилиндра при затяжке крепежа

головки блока цилиндров

Библиографический список:

1. Яхьяев Н.Я. Повышение геометрической точности рабочих поверхностей втулок цилиндров при сборке малоразмерного судового дизеля.//Сборка в машиностроении и приборостроении. —2005, №6. — С.32—42.

2. Кесарийский А. Г. Разработка лазерно-интерференционных средств исследования напряженно- деформированного состояния деталей и узлов ДВС. диссертация.. .кандидата технических наук. 05.05.03. Х.; Павлоград, 2005. —241 стр.

N.J. Jahjaev, N.M. Vagabov

Research of deformations of cartridges of cylinders small size a diesel engine and development of the recommendation on their reduction

Results of research tensely - deformed conditions of cartridges of cylinders ship малоразмерного a diesel engine 448,5/11 are resulted. The technique of measurement of deformations of details of the cylinder-piston group, based on the gauge of resistance pressure is developed. Values of deformations of cartridges of cylinders are determined during assembly of a diesel engine. The factors influencing deviations of macrogeometry of cylinders at assembly are shown. Recommendations on reduction of non-uniform deformations of cartridges of cylinders by technological ways are given.

Keywords: Diesel engine, the cartridge of the cylinder, group carving connection, deformation, pressure(voltage), the gauge of resistance, accuracy of the geometrical form.

Яхьяев Насредин Яхьяевич

Область научных интересов: техническая эксплуатация автомобилей, повышение эксплуатационных качеств двигателей внутреннего сгорания.

Вагабов Нурула Магомедзагидович (р. 1965) старший преподаватель кафедры ОКиМ Каспийского филиала Дагестанского государственного технического университета Область научных интересов: техническая эксплуатация автомобилей, повышение эксплуатационных качеств двигателей внутреннего сгорания.