Обзор технологических мероприятий, направленных на повышение надежности цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания

ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ

НА ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Носов Артем Святославович, магистрант Мелешин Вячеслав Викторович, старший преподаватель Товмасян Анастасия Борисовна, канд. техн. наук, Бабич Анатолий Григорьевич, канд. техн. наук, доцент

Северо-Кавказский федеральный университет, г.Ставрополь, Россия

В данной статье проводится обзор научно обоснованных технологических мероприятий, направленных на повышение надежности цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания.

Ключевые слова: цилиндро-поршневая группа, ресурс, надежность.

Одним из важных направлений повышения эффективности машин является уменьшение потерь мощности на преодоление сил трения в их функциональных узлах. Установлено, что на трение и утечки приходится 25-50 % всех механических потерь в двигателе автомобиля, а потери в паре трения «поршневое кольцо - стенки цилиндра» составляет 9-15 % мощности двигателя. Снижение потерь в этой паре может дать огромную экономию топлива, а также приводит к существенному увеличению мощности двигателя.

Статья [13] посвящена исследованию работоспособности поршней с корундовым поверхностным слоем на днище. Работоспособность оценивалась по детонационной стойкости кольцевых перемычек. Испытания поршней проводились на серийном двигателе МеМЗ-245. Определение детонационной стойкости осуществлялось по количеству полностью отработанных циклов до повышения давления картерных газов от 5...8 мм вод. ст. до 20.25 мм вод. ст. во время работы двигателя с детонацией на режиме выдержки. Проведенные исследования показали, что поршни с корундовым покрытием имеют детонационную стойкость перемычек в 2 раза больше, чем серийные поршни, также они обладают большей сопротивляемостью прогару днища.

В статье [12] целью исследования является повышение ресурса двигателей магистральных тепловозов и других машин путем научного обоснования, создания и внедрения в производство новых комплексных энергосберегающих технологий изготовления и ремонта тяжелонагруженных деталей на базе дискретного упрочнения. В результате проведенных исследований обоснованы рациональные параметры предложенного технологического процесса дискретно-континуального упрочнения элементов двигателей внутреннего сгорания.

Статья [11] посвящена повышению ресурса судовых ДВС за счет приме-

нения системы энергосбережения. Авторами предлагается использование эффекта избирательного восстановления геометрии узлов трения и номинальных зазоров за счет образования в зонах износа новых металлокера-мических защитных слоев с более высокими противоизносными физико-механическими свойствами. Результаты исследований показали, что СМС является эффективным средством повышения ресурса и долговечности энергетических установок, позволяющим снизить эксплуатационные затраты.

В статье [10] исследуется теплонапряженность поршня ДВС с оксидированным днищем. В основу теоретического обоснования положена теория передачи теплоты от рабочего тела через днище поршня с условным рассмотрением последнего в виде трехслойной стенки. Результаты исследований показали, что оксидирование днища поршня и поршневых канавок позволяет снизить его температуру на 25 %.

В статье [9] исследуется влияние режимов микродугового оксидирования (МДО) на образование оксидированного слоя. Авторами было установлено, что наибольшее влияние на толщину оксидированного слоя, наносимого на днище поршня, оказывает напряжение и плотность тока, который используется при осуществлении метода МДО. В результате проведенных исследований были определены оптимальные параметры режима дугового оксидирования днища поршня.

В статье [8] описано восстановление работоспособности цилиндро-поршневой группы судовых дизелей при ремонте изношенных деталей. Авторами проведен анализ характера износа деталей ЦПГ в зависимости от возраста и уровня форсирования двигателей, который показал, что в малофорсированных двигателях износ сопряжения «гильза-кольцо-канавка» в основном определялся серно-кислотной коррозией, в последствии добавился адгезионный (фрикционный) износ. Получены следующие результаты исследований:

1. Критерием потери работоспособности компрессионных колец головки поршня (ГП) из-за их функционального отказа (поломки), является величина износа периферии торцов нижних перемычек по отношению к плоскости перемычки, появляющегося из-за недостаточной твердости нижних торцов канавок.

2. Шероховатость поверхности торца канавки ГП является параметром, позволяющим получить наилучшие тактико-технические характеристики дизелей, эксплуатирующихся на частичных нагрузках.

3. Для определения ожидаемого ресурса восстановленных ГП необходимо учитывать техническое состояние деталей всего узла ЦПГ, особенно износ гильз цилиндров, уменьшающий долговечность узла ЦПГ за счет увеличения скорости изнашивания канавок ГП.

4. Для повышения долговечности восстановленных ГП, работающих как на частичных, номинальных так и форсированных нагрузках, необхо-

димо повышение твердости, коррозионной и износостойкости, чистоты поверхности торцов канавок.

В работе [7] приведен сравнительный анализ двух гибридных технологий обработок, основанных на интеграции механических операций (абразивного шлифования или точения) и поверхностной закалки токами высокой частоты на одном технологическом оборудовании. В результате исследований установлено, что в условиях предложенного принципа интегрирования, позволяющего осуществить обработку деталей от одной технологической базы, становится возможным повысить качество поверхностного слоя изделий. Экспериментально подтверждено, что малая величина припуска на окончательную механическую обработку (выхаживание), гарантирует отсутствие дефектов в виде локальных зон отпуска и обеспечивает деформационное упрочнение поверхности детали. Это приводит к формированию наклепанного слоя толщиной 0,01...0,03 мм, повышению значения микротвердости на 12.17% и уровня сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое соответственно на 10.21%.

В статье [4] рассмотрено улучшение стабильности комплекса эксплуатационных параметров качества при упрочнении и обработке деталей, а также повышение надежности выпускаемых и ремонтируемых двигателей на основе методов технологического и метрологического обеспечения качества, путем создания систем менеджмента качества на автомобильном и ремонтном предприятии. Проведены исследования технологических процессов и испытаний после восстановления и упрочнения деталей наплавкой при совмещении нанесения покрытий с деформированием, при комбинировании упрочняющей и размерной обработки резанием. Выработаны рекомендации по управлению специальными процессами и организации технического контроля на предприятиях. Разработан комплекс мероприятий технологической и метрологической подготовки производства для использования в стандартах систем менеджмента качества по ИСО 9001:2000. Внедрение комплекса позволило сократить общее число отказов в 1,5 раза как за счет организационно-технологических мероприятий, так и за счет внедрения систем менеджмента качества и повысить на 20.30 % наработку двигателей.

В статье [2] проведен анализ состояния деталей цилиндро-поршневой группы судовых дизелей, выявлены основные причины отказов этих деталей. Определены наиболее изнашиваемые и ответственные детали судового дизеля, которыми являются поршневые компрессионные кольца. По результатам исследований установлено, что лазерная обработка поршневых колец повышает не только износостойкость, но и снижает износ серийных гильз цилиндров.

В статье [1] дан обзор состояния вопроса повышения ресурса двигателей внутреннего сгорания в современном машиностроении. Рассмотрены как наиболее целесообразные направления, так и перспективные конструктор-

ские, технологические и эксплуатационные методы, позволяющие повысить ресурс ДВС. В статье представлены наиболее удовлетворяющие описанным условиям методы ФАБО. На основе рассмотренных данных авторами сделан вывод о перспективности использования ФАБО как наиболее доступного для промышленной реализации технологического метода повышения ресурса двигателей внутреннего сгорания.

В исследовании Карпенкова А.В. [3] рассматривается повышение качества приработки деталей ЦПГ с использованием присадки к маслу на основе никеля, обеспечивающей эксплуатацию двигателей с повышенным ресурсом. Автором исследуется прирабатываемость основных деталей ЦПГ двигателей с использованием современных и вновь разработанных составов приработочных присадок к маслу. Качество приработки оценивалось по величине износа, шероховатости поверхности, времени сопротивления схватыванию и другим параметрам. По результатам проведенных исследований была разработана присадка к маслу на основе мелкодисперсного никеля, позволяющая снизить сопротивление трению и износ деталей ЦПГ за счет образования антифрикционной пленки никеля. Испытания двигателей показали, что износ поршневых колец и зеркал цилиндров снижается в 1,6.1,7 раза по сравнению с обкаткой на масле с присадкой ОГМ-3. Это позволяет повысить ресурс двигателей ММЗКО 03.501, МД-6, МД-8 и ПД-10 до 30 %.

В работе Приходько И.Л. [5] предлагается разработка нового экономичного технологического процесса финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) гильз цилиндров автотрактоных двигателей, повышающего их качество и износостойкость. Автором исследуются режимы ФАБО, износостойкость образцов из материалов гильз цилиндров и поршневых колец двигателя ЗМЗ-53; качество и эффективность процессов ФАБО оценивалось по изменению момента трения, температуре масла, величине износа, шероховатости поверхности, толщине антифрикционного покрытия и другим параметрам. В результатах исследования предлагается состав рабочей среды для нанесения антифрикционных медных покрытий на хонинговальных станках, даются рекомендации по использованию брусков для хонингования, позволяющих получать комбинированное покрытие из меди и дисульфида молибдена. Разработаны технологические процессы восстановления гильз цилиндров двигателей ЗМЗ-53 и СМД-60 с использованием ФАБО и технологическая оснастка для их внедрения -двухпозиционная двенадцатибрусковая хонинговальная головка. Эксплуатационные испытания показали, что предлагаемые мероприятия ФАБО позволяют повысить износостойкость гильз цилиндров в 1,6.2,3 раза, а поршневых колец - в 1,35.1,8 раза, что повышает ресурс двигателя ЗМЗ-53 на 30 %.

В диссертации Синей Н.В. [6] рассматривается повышение ресурса восстанавливаемых гильз цилиндров методом поверхностно-пластического

деформирования с одновременным нанесением антифрикционного покрытия. Автором исследуются поверхности трения гильз цилиндров. Результатом исследования стали научно обоснованные предложения, направленные на объединение современных способов восстановления гильз цилиндров в единую технологическую цепочку. Также автором предлагается ускоренная технология обкатки двигателей и смазочно-охлаждающая технологическая жидкость, используемая для снижения износа гильз цилиндров. Обкатка гильз по ускоренной технологии позволяет повысить ресурс двигателя ЗМЗ-511.10 на 11 %, по сравнению с двигателями, гильзы которых обкатаны по типовой технологии.

Основные трибосопряжения, являющиеся определяющими для ресурсных показателей двигателя, работают в условиях трения скольжения. Ре-сурсоопределяющими для двигателей считаются сопряжения «гильза цилиндра - поршневое кольцо» и «коленчатый вал - вкладыш», что заставляет производителей обеспечивать ресурс указанных деталей на уровне 70% ресурса ДВС.

Список литературы

1. Бугаев, А. М. ФАБО как технологический метод повышения ресурса ДВС / А.М. Бугаев, И.Ю. Игнаткин // Международный научно-исследовательский журнал. -№ 01(55). - Часть 4. - Январь. - С. 36-38.

2. Казаков, С. С. Лазерное упрочнение поршневых колец дизелей как способ повышения износостойкости / С.С. Казаков, В.В. Гоева // Карельский научный журнал. -2015. - № 2(11). - С. 120-123.

3. Карпенков, А. В. Повышение качества обкатки двухтактных двигателей внутреннего сгорания при помощи металлосодержащих присадок к маслу: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / Карпенков Артем Владимирович. - Москва, 2000. - 23 с.

4. Кусакин, Н. А. Повышение ресурса двигателей в системах менеджмента качества автомобильных и ремонтных предприятий / Н.А. Кусакин, А.П. Ракомсин, В.С. Точило, М.Л. Хейфец // Вестник Полоцкого государственного университета. - 2008. - Серия В. - С. 16-20.

5. Приходько, И. Л. Повышение послеремонтного ресурса гильз цилиндров автотракторных двигателей финишной антифрикционной безабразивной обработкой (ФАБО): автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / Приходько Игорь Леонидович. -Москва, 1993. - 17 с.

6. Синяя, Н. В. Повышение ресурса гильз цилиндров двигателей упрочняюще-антифрикционной обработкой (на примере ЗМЗ-511.10): автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / Синяя Наталия Викторовна. - Брянск, 2009. - 19 с.

7. Скиба, В. Ю. Гибридная обработка: интеграция поверхностно-термической и финишной механической операций на одном технологическом оборудовании / В. Ю. Ски-ба, В.В. Иванцивский, П.Ю. Скиба, Ю.М. Анваров // Международный научно-исследовательский журнал. - № 01(55). - Часть 4. - Январь. - С. 111-115.

8. Слободянюк, И. М. Восстановление работоспособности цилиндро-поршневой группы судовых дизелей при ремонте изношенных деталей / И.М. Слободянюк, Н.С. Молодцов // Велес. - 2016. - № 12-1(42). - С. 91-97.

9. Хохлов, А. Л. Влияние режимов микродугового оксидирования на образование оксидированного слоя / А. Л. Хохлов, Д. А. Уханов, А. А. Глущенко, Д.М. Марьин, В. А. Степанов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. -2013. № 3 (23). С. 128-131.

10. Хохлов, А. Л. Результаты теоретических и экспериментальных исследований те-плонапряженности поршня ДВС с оксидированным днищем / А.Л. Хохлов, Д.М. Марьин, А. А. Глущенко, Д. А. Уханов // Нива Поволжья. - 2013. - № 2(27). - С. 100-106.

11. Шаров, Г. И. Повышение ресурса судовых ДВС за счет применения системы энергосбережения / Г.И. Шаров, В.К. Румб, А.В. Самсонов // Морской вестник. - 2007. - № 3(23). - С. 66-67.

12. Шеремет, В. Н. Повышение ресурса тяжелонагруженных элементов ДВС путем дискретного упрочнения деталей. Моделирование напряженно- деформированного состояния / В.Н. Шеремет, Н.А. Ткачук, В.Г. Гончаров // Двигатели внутреннего сгорания. - 2010. - № 2. - С. 118-123.

13. Шпаковский, В. В. Применение поршней с корундовым слоем - способ повышения надёжности двигателей внутреннего сгорания / В.В. Шпаковский, В. А. Пылев, В.В. Осейчук // Автомобильный транспорт (Харьков). - 2007. - № 21. - С. 128-131.

THE REVIEW OF THE TECHNOLOGICAL ACTIONS DIRECTED TO INCREASE

IN RELIABILITY OF CYLINDER-PISTON GROUP OF THE INTERNAL

COMBUSTION ENGINE

Nosov Artem Svyatoslavovich, undergraduate

North Caucasian federal university, Stavropol, Russia

Meleshin Vyacheslav Viktorovich, senior teacher

North Caucasian federal university, Stavropol, Russia

Tovmasyan Anastasia Borisovna, Cand.Tech.Sci.,

North Caucasian federal university, Stavropol, Russia

Babich Anatoly Grigoryevich, Cand.Tech.Sci., associate professor

North Caucasian federal university, Stavropol, Russia

Abstract. In this article the review of the evidence-based technological actions directed to increase in reliability of cylinder-piston group of internal combustion engines is carried out. Keywords: cylinder-piston group, resource, reliability.