Исследование влияния качества монтажа головок цилиндров на надежность двигателей внутреннего сгорания

ТЕХНИЧЕСКИЕ НА УКИ

УДК 621.43

В.Л. Соловьев, С.А. Корнилович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА МОНТАЖА ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ НА НАДЕЖНОСТЬ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Рассматривается проблема повышения точности сборки резьбовых соединений при ремонте узлов машин на примере крепления головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Анализируется влияние неточной сборки резьбовых соединений головок цилиндров на надежность двигателей. Объясняются последствия неточной и неравномерной затяжки групповых резьбовых соединений головок цилиндров при сборке ремонтируемых двигателей. Представлены результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований точности и равномерности затяжки группового резьбового соединения головки цилиндров ремонтируемого двигателя. Предложен способ повышения точности и равномерности затяжки групповых резьбовых соединений головок цилиндров в процессе ремонта двигателей внутреннего сгорания.

Ключевые слова: головка цилиндров, сборка, момент затяжки, сила затяжки, резьбовое соединение.

Введение

Ежегодно в печатных изданиях, на научно-практических конференциях, посвященных вопросам развития АПК страны, поднимается проблема повышения качества ремонта сельскохозяйственной техники, ее надежности. Надежная техника является залогом соблюдения сроков выполнения запланированных объемов работ, в конечном счете - продовольственной безопасности страны. Ученые постоянно ведут дискуссии о необходимости внедрения новых технологий ремонта, позволяющих повысить его качество. Наряду с многообразием предложений недостаточно внимания уделяется вопросам качества сборки резьбовых соединений ремонтируемых узлов, точность затяжки которых напрямую влияет на надежность техники. Самым ответственным агрегатом в автотракторной технике является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Надежность ДВС зависит не только от его конструкции, технологии изготовления, но и от качества сборки его деталей.

В настоящее время в ремонтном производстве наблюдается формальный подход к операциям сборки резьбовых соединений (РС), в том числе и ответственных, например таких, как крепление головки цилиндров (ГБЦ) и блока двигателя. Регламентированные заводом-изготовителем моменты затяжки при сборке РС, возможно, и соблюдаются, но мало кто имеет представление о понятии «сила затяжки» и задумывается о важности ее точного контроля, т.к. именно ее величина играет решающую роль в надежности РС и ДВС в целом.

Сила затяжки (СЗ) создается при сборке РС в стержне болта (шпильки) и действует в его осевом направлении, а величину этой силы контролируют косвенно по моменту на ключе. При монтаже ГБЦ момент затяжки, установленный регламентом, не гарантирует обеспечение требуемой (расчетной) величины силы затяжки с достаточной точностью. Это связано с изменением (нестабильностью) состояний резьбовых соединений в процессе эксплуатации. Изменение шероховатости, изнашивание заводских покрытий, воздействие агрессивной сре-

© Соловьев В.Л., Корнилович С.А., 2015

ды, применение различных смазочных материалов влияют на коэффициенты трения рабочих резьбовых поверхностей РС, что сказывается на точности сборки. Отклонение созданной величины силы затяжки от требуемой по разным оценкам может достигать до ±25-38%, что недопустимо при сборке ответственных РС, для которых допускаемое максимальное отклонение обычно не более ±5% [1].

В связи с этим существует проблема повышения точности сборки РС при монтаже ГБЦ в процессе ремонта автотракторных ДВС. Одним из первых, кто обозначил проблему точности сборки РС узлов машин в рамках научной специальности 05.20.03, стал профессор Омского ГАУ С.А. Корнилович [2], затем под его научным руководством В.Л. Соловьев более подробно продолжил его исследования.

Объект исследований Разъемное резьбовое соединение «головка блока цилиндров - блок двигателя» является важнейшим соединением в любом ДВС. В практике двигателестроения к данному соединению всегда предъявлялись повышенные требования по обеспечению плотности стыка. От качества монтажа ГБЦ двигателя, которое, главным образом, определяется точностью и равномерностью затяжки силовых шпилек (болтов), образующих групповое резьбовое соединение (ГРС), зависит его надежность при эксплуатации. Неточная (неравномерная) затяжка болтов ГБЦ приводит к многочисленным неисправностям при эксплуатации, в некоторых случаях вплоть до полной потери работоспособности машины. Наиболее наблюдаемым результатом неточной затяжки болтов ГБЦ является локальная потеря плотности стыка и, как следствие, прогорание прокладки ГБЦ. Очевидно, что решение данной проблемы заключается в обеспечении точной и равномерной затяжки ГРС для создания достаточных и равномерных контактных давлений на прокладку со стороны ГБЦ. Наряду с этим нужно понимать, что обеспечение равномерной затяжки ГРС при монтаже ГБЦ необходимо не только для создания гарантированной плотности стыка, предотвращающей прогорание прокладки, но еще и для исключения так называемых вторичных дефектов. К вторичным дефектам, которые являются результатом некачественного монтажа ГБЦ, т.е. неравномерной затяжки ГРС, относятся искажение макрогеометрии рабочих поверхностей (зеркал) гильз двигателя непосредственно в процессе сборки ГРС, а также искажение макрогеометрии привалочных поверхностей ГБЦ и блока двигателя в процессе эксплуатации [1].

Анализ проблемы и результаты исследований Гильзы двигателя до их установки и монтажа ГБЦ имеют высокие параметры точности (цилиндричность, овальность) зеркал, соответствующие требованиям нормативно-технической документации. Такие ответственные детали имеют «жесткие» допуски на геометрические отклонения. К примеру, допускаемые отклонения от цилиндричности зеркала гильзы двигателей: ЯМЗ-238 - 0,025 мм, OM904LA (Mercedes-Benz) - 0,012 мм, D0824LFL (MAN) - 0,008 мм, ЗИЛ-131 - 0,03 мм, D4DC (Hyundai) - 0,03 мм. Однако, как показывает изучение деформаций гильз ДВС различных модификаций [3], после монтажа ГБЦ гильзы часто неравномерно деформируются и номинальная геометрическая точность зеркал уменьшается в несколько, а иногда в десятки раз.

Гильзы двигателя устанавливаются в блок с натягом по нижнему посадочному поясу, а верхние опорные бурты защемляются корпусом ГБЦ в результате ее монтажа. Экспериментальные исследования Н.М. Вагабова [4] по оценке влияния неравномерной затяжки болтов ГБЦ дизелей типа 4Ч8.5/11 на макрогеометрию зеркал гильз показали, что неравномерные контактные давления, действующие по периметру опорных буртов гильз со стороны ГБЦ и являющиеся следствием неравномерных осевых сил затяжки в ГРС, искажают геометрическую точность зеркал гильз. По данным автора [4], максимальная величина овальности цилиндров после затяжки болтов ГБЦ с помощью моментного ключа достигала 0,035 мм при допускаемой величине 0,01 мм.

В своей работе В.Д. Утенков [5] отмечает, что неравномерная затяжка болтов ГБЦ искажает геометрическую точность зеркал гильз, овальность которых увеличивается на 2575%, конусность на 35-40%. Из анализа работ А.Г. Кесарийского, В.М. Липки, Ю.Л. Рапац-кого [6, 7] следует, что неравномерная затяжка болтов ГБЦ вносит существенные искажения

в первоначально заданную форму прецизионных поверхностей зеркал гильз, что приводит к росту кинематических потерь в цилиндропоршневой группе (ЦПГ). В своих исследованиях А.А. Петров [8] установил, что после монтажа ГБЦ двигателей Камаз-740 овальность гильз увеличивается в 2-3 раза. Максимальная деформация возникала, как правило, в верхней зоне гильз, а большая ось овала находилась в плоскости качания шатуна.

В результате искажения геометрии зеркала гильзы стабильность зазора в сопряжении «поршень - гильза», а следовательно, равномерное прилегание маслосъемных и компрессионных колец не обеспечивается, что приводит к интенсивному и неравномерному износу последних, повышенному расходу масла «на угар», потере мощности и ресурса двигателя. Основной причиной [3] повышенного расхода масла «на угар», картерных газов, местных изно-сов, шума при работе ДВС является овальность зеркал гильз свыше допустимых значений.

Стендовые испытания [9] дизеля 12Ч Н18/20 показали, что уменьшение овальности гильз с 0,3 до 0,1 мм приводит к повышению их ресурса и снижению расхода масла «на угар» примерно в 2 раза. Уменьшение овальности гильзы двигателей ЯМЗ-236, КамАЗ, ЗИЛ с 0,1 до 0,02 мм позволило снизить расход масла «на угар» на 25-30%, а количество картерных газов уменьшилось более чем в 4 раза [10].

Кроме того, искажение макрогеометрии гильз в результате неравномерной затяжки болтов ГБЦ сводит к нулю все результаты работ технологов по созданию оптимальной микрогеометрии зеркал на этапе механической обработки, цель которых - увеличение моторесурса двигателя.

Как известно в машиностроении, неравномерная затяжка ГРС вызывает деформацию стянутых деталей [1]. При неравномерной затяжке болтов в корпусе ГБЦ создаются внутренние монтажные напряжения, которые совместно с вибрационными и тепловыми нагрузками вызывают остаточные деформации (коробление) ГБЦ в процессе эксплуатации. Это, в свою очередь, может привести к потере плотности стыка. Привалочные поверхности деталей соединения «ГБЦ - блок двигателя» также имеют «жесткие» допуски на отклонения, которые не должны превышать, как правило, 0,05 мм на 100 мм длины ГБЦ. При незначительных деформациях привалочную поверхность ГБЦ восстанавливают механической обработкой. Максимальный допуск на механическую обработку ограничен минимальным допуском на глубину камеры сгорания. На сегодняшний день вопрос о деформационных процессах ГБЦ двигателей еще недостаточно изучен. Однако важность данной проблемы требует дальнейшего изучения вопроса.

Из вышеизложенного следует, что для повышения надежности отремонтированных ДВС необходимо повысить качество монтажа ГБЦ путем обеспечения точности и равномерности затяжки ГРС. Решить данный вопрос возможно путем применения контроля СЗ через отношение моментов отвинчивания и завинчивания, позволяющего учесть фактические состояния резьбовых соединений [11]. При монтаже ГБЦ регламентированный техническими условиями на сборку момент затяжки корректируется экспериментально-расчетным методом, в результате чего требуемая величина СЗ может быть обеспечена с точностью ±5%. В основе данного контроля лежит полученная зависимость:

0,25 • (d -1,0825 • P)2 • K •ат • P

ЗАТ ( M ^

1-

V МЗАВ У

где К - коэффициент, зависящий от вида стали болта: легированная сталь (0,5-0,6), углеродистая сталь (0,6-0,7);

d - наружный диаметр резьбы болта, м; от - предел текучести материала болта, Н/м2; Р - шаг резьбы, м.

Для вычисления момента на ключе МЗАТ, необходимого для точной затяжки конкретного резьбового соединения, предварительно с помощью индикаторного динамометрического

ключа по определенной методике [1] измеряются величины моментов отвинчивания МОТВ и завинчивания МЗАВ для данного соединения.

Отношение моментов МОТВ/МЗАВ косвенно характеризует фактическое состояние резьбового соединения (т.е. коэффициенты трения его резьбовых поверхностей) и является корректирующим параметром в данной зависимости.

Стоит отметить, что в некоторых отраслях точного машиностроения [12] ученые давно пришли к выводу о том, что даже на этапе производства изделий, несмотря на достаточно высокое качество изготовления крепежных деталей, регламентированные моменты затяжки должны быть скорректированы с учетом фактических состояний резьбовых соединений.

Были проведены экспериментальные исследования [1] точности и равномерности затяжки ГРС ГБЦ на примере двигателя ЗИЛ-131. Эксперименты проводились в лабораториях кафедры технического сервиса, механики и электротехники ФГБОУ ВО «Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина», а также в автомастерских учебно-производственной базы БОУ г. Омска «Школа среднего общего образования № 9 имени Маршала Советского Союза Д.Т. Язова».

Проведенные экспериментальные исследования показали, что силы затяжки при одинаковом (регламентированном) моменте на ключе 80 Нм могут значительно отличатся от номинального значения в большую или меньшую сторону (таблица). Номинальная величина СЗ для данного ГРС составляет порядка 36 кН, момента затяжки 80 Нм.

Разброс сил затяжки в ГРС ГБЦ при моменте 80 Нм

Болт № 1 2 3 4 5 6 7 8 9

СЗ, кН 34,6 34,9 34,7 31,4 39,6 38,6 28,7 38,6 28,3

Болт № 10 11 12 13 14 15 16 17

СЗ, кН 30,0 26,7 28,7 38,6 36,5 24,3 30,8 31,7

Для узлов, бывавших в эксплуатации, данный разброс связан именно с изменением (неодинаковостью) состояний резьбовых соединений в ГРС. Согласно данным таблицы был построен трехмерный график распределения сил затяжки в ГРС (рис. 1).

В подтверждение достоверности полученных экспериментальных данных была произведена оценка качества прилегания привалочных поверхностей ГБЦ и блока данного двигателя методом контактных отпечатков. Для этого затяжку всех болтов ГБЦ производили с одинаковым моментом 80 Нм (рис. 2).

г,кн

Рис. 1. График распределения сил затяжки в ГРС ГБЦ ЗИЛ-131 при моменте 80 Нм

Рис. 2. Оттиск ГБЦ

В области РС под номерами 7, 11, 12, 15 интенсивность окрашивания оттиска ГБЦ меньше. Неравномерность окрашивания оттиска свидетельствует о неравномерности контактных давлений, действующих со стороны ГБЦ, а следовательно, и о неравномерности сил затяжки в ГРС. Из анализа данных таблицы, графика (рис. 1) и оттиска (рис. 2) становится очевидно, что РС № 7, 9, 10, 11, 12, 15 при затяжке с регламентированным моментом 80 Нм оказались недотянутыми. Значения отношений моментов МОТВ/МздВ для данных РС ближе к единице, что свидетельствует об относительно высоких коэффициентах трения в этих резьбовых парах и объясняет недостаточность в них сил затяжки. В то время как РС № 8, 5, 6, 13 оказались перетянутыми.

Для сравнения была дана экспериментальная оценка качества прилегания привалочных поверхностей ГБЦ и блока данного двигателя методом контактных отпечатков при сборке ГРС с применением контроля СЗ через отношение моментов. Значения полученных необходимых моментов затяжки (см. зависимость 1) находились в интервале от 73 до 119 Нм, график распределения которых представлен на рис. 3. На рис. 4 представлен полученный оттиск ГБЦ, на котором наблюдается более равномерное окрашивание оттиска, что дает право судить о более равномерном распределении сил затяжки в ГРС при сборке с контролем СЗ через отношение моментов.

г,нм

^ .....—

Л М ЗАТ= ™ 78 80 82 84 В6 88 90 92 94 56 98 100102104106108110112114116118 Нм

Рис. 3. График распределения необходимых моментов затяжки в ГРС ГБЦ ЗИЛ-131

Рис. 4. Оттиск ГБЦ

Заключение

Представленный в настоящей работе анализ многочисленных исследований свидетельствует о том, что некачественный монтаж ГБЦ в значительной мере снижает надежность отремонтированного ДВС, а следовательно, машины в целом. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность повышения качества монтажа ГБЦ в процессе ремонта ДВС путем применения контроля СЗ через отношение моментов.

Список литературы

1. Соловьев, В.Л. Обеспечение надежности машин при их ремонте в сельском хозяйстве путем повышения точности и равномерности затяжки групповых резьбовых соединений : дис. ... канд. техн. наук : 05.20.03 / Соловьев Владлен Леонидович. - Омск, 2014. - 132 с.

2. Корниловым, С.А. К расчету момента затяжки / С.А. Корнилович, А.Н. Ставских // Вестник ОмГАУ. -1997. - № 3. - C. 33

3. Яхъяев, Н.Я. Комплексный метод анализа геометрической точности цилиндров в процессе сборки судовых малоразмерных дизелей / Н.Я. Яхъяев, Н.М. Вагабов // Вестник АГТУ. - 2009. - № 1. - С. 256-261.

4. Вагабов, Н.М. Исследование точности сборки судового малоразмерного дизеля и разработка способов уменьшения отклонений макрогеометрии цилиндров : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.08 / Вагабов Нурулла Магомедович. - Махачкала, 2010. - 152 с.

5. Утенков, В.Д. Влияние технологических факторов на точность и равномерность усилия затяжки ответственных резьбовых соединений в условиях автоматизированной сборки : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.08 / Утенков Виктор Дмитриевич. - М., 1984. - 182 с.

6. Кесарийский, А.Г. Исследование деформирования резьбового соединения головки и блока цилиндров поршневого двигателя / А.Г. Кесарийский // Двигатели внутреннего сгорания. - 2010. - № 1. - С. 51-53.

7. Липка, В.М. Влияние конструктивных и технологических факторов на надежность резьбовых соединений в машиностроительных изделиях / В.М. Липка, Ю.Л. Рапацкий // Вест. СевНТУ. - 2010. - № 110. - С. 198201.

8. Петров, А.А. Макрогеометрия гильз цилиндров двигателей КамАЗ при сборке / А.А. Петров // Перспективы развития автосервиса : материалы междунар. науч.-практ. конф. / Владим. гос. ун-т. - Владимир, 2008. - С. 140-143.

9. Головатенко, А.Г. Повышение технико-экономических и ресурсных показателей автотракторных двигателей путем компенсации овальности цилиндров : дис. ... канд. техн. наук : 05.20.03 / Головатенко Анатолий Григорьевич. - Новосибирск, 1994. - 146 с.

10. Бочкарев, Н.М. Технологическая наследственность в управлении качеством судовых машин и механизмов : монография / Н.М Бочкарев, Н.Я. Яхъяев // Дагестанский филиал АН СССР. - Махачкала, 1990. - 200 с.

11. Соловьев, В.Л. Пути повышения точности и равномерности затяжки групповых резьбовых соединений при сборке ремонтируемых узлов машин сельскохозяйственного назначения / В.Л. Соловьев // Вестник Си-бАДИ. - 2014. - № 5 (39). - С. 33-39.

12. Гардымов, Г.П. Технология ракетостроения / Г.П. Гардымов, Б.А. Парфенов, А.В. Пчелинцев. - СПб. : Специальная литература, 1997. - 320 с.

Соловьев Владлен Леонидович, канд. техн. наук, заместитель директора, БОУ г. Омска «Школа среднего общего образования № 9 имени Маршала Советского Союза Д.Т. Язова», e-mail: vladlen_solovev@bk.ru; Корнилович Станислав Антонович, доктор техн. наук, профессор, Омский ГАУ, e-mail: st.omsk@bk.ru.

SUMMARY

V.L. Solovev, S.A. Kornilovich

Research of influence of the quality of cylinder heads installation on safety

of combustion engines

The article touches upon the problem of increase of assembly accuracy of threaded connections of cylinder heads during repair of combustion engines. It analyzes the influence of uneven tightening of group threaded connections on combustion engines safety. It specifies the consequences of uneven tightening of group threaded connections of cylinder heads during assembly of repaired combustion engines. The article offers the results of theoretical and experimental researches of evenness of tightening of group threaded connections of combustion engine's cylinder heads. It describes the method of providing the uniformity of tightness of group threaded connections of cylinder heads for improvement of combustion engines safety.

Keywords: cylinder head, assembly, torque, preload force, threaded connection.

Solovev Vladlen Leonidovich, Cand. Eng. Sci., Vice Principal, Budgetary General Education Institution of Omsk city "Secondary-General Education School № 9 named after Marshall of the Soviet Union D.T. Yazov", e-mail: vladlen_solovev@bk.ru; Kornilovich Stanislav Antonovich, Cand. Eng. Sci., Prof., Omsk SAU, e-mail: st.omsk@bk.ru.

УДК 631.31:631.33 А.А. Кем, Л.В. Юшкевич

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПОСЕВНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ ВОЗДЕЛЫВАНИИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

В статье приведена сравнительная технико-эксплуатационная оценка показателей работы посевных комплексов в агрегате с энергонасыщенными тракторами в сравнении с посевным агрегатом К-701 + 6СКП-2,1 (контроль) при возделывании яровой пшеницы в южных лесостепных агроландшафтах Западной Сибири. Исследованиями установлено: сезонная производительность посевных комплексов с энергонасыщенными тракторами в 2,5-4,5 раза превышает производительность контрольного агрегата, а эксплуатационные затраты работы посевных комплексов с более мощными тракторами уменьшаются на 15-27%. Отличительной особенностью посевных многофункциональных комплексов является способ посева, который зависит от конструкции рабочих органов, заделывающих семена в почву, - сошников. Установлено, что выбор типа сошников для обеспечения качественного способа посева во многом определяется применяемыми в хозяйстве технологиями обработки почвы. Даны рекомендации по выбору типов посевных агрегатов и способов посева зерновых культур в зависимости от приемов основной (зяблевой) и предпосевной обработки почвы.

Ключевые слова: ресурсосберегающая технология, энергонасыщенные трактора, обработка почвы, способ посева, посевной комплекс, сеялка, сошник.

Введение

Зерновое производство региона требует освоения и внедрения в производство ресурсосберегающих технологий, включающих комплекс мероприятий по оптимизации структуры использования пашни, разнопольному применению удобрений, средств защиты растений, более производительных почвообрабатывающих и посевных агрегатов нового поколения, адаптированных к почвенно-климатическим ресурсам территории [1].

Переход на ресурсосберегающие технологии обработки почвы и посева является одним из основных элементов, обеспечивающих высокую производительность, снижение себестоимости и повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Проведение полевых работ в оптимальные сроки на значительных площадях требует внедрения широкозахватных

© Кем А.А., Юшкевич Л.В., 2015