Loading conditions of pistons of internal combustion engines and causes of crack formation on combustion chamber edge

Full Text

Введение Разработка методов оценки долговечности поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) предполагает исследование условий загруженности деталей двигателей и выяснение причин отказов в эксплуатации. Тракторные дизели большую часть времени эксплуатируются на неустановившихся режимах из-за изменений положения органа управления и момента сопротивления при выполнении машинно-тракторным агрегатом сельскохозяйственных, трелевочных и других работ. Колебания нагрузки на валу тракторного двигателя вызваны различными факторами: зоной эксплуатации агрегатов и почвенно-климатическими условиями, периодом года, видом работ, принятой технологией производства, свойствами агрегата и его энергетической установки, требованиями охраны труда и окружающей среды, субъективными факторами, связанными с оператором, и др. Поскольку ДВС эксплуатируются на неустановившихся режимах в широком диапазоне частоты вращения коленчатого вала, угловая скорость и момент на валу двигателя непрерывно изменяются во времени [1-3]. Переходные процессы, возникающие на эксплуатационных режимах в цилиндре ДВС, в частности тракторных дизелей (движение трактора с заглублением плуга, с прицепом, перегрузки при переключении передач), наиболее неблагоприятны для деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ). На неустановившихся режимах напряженно-деформированное состояние (НДС) поршня меняется во времени, что приводит к появлению усталостных трещин на кромке его камеры сгорания (КС). В связи с этим актуален обзор исследований скорости развития трещин с целью прогнозирования долговечности при их наличии. Цель исследования Цель статьи - обзор исследований закономерностей изменения скорости развития усталостных трещин в зависимости от эксплуатационных и конструкционных факторов. Материалы и методы Непрерывное чередование циклов, в течение каждого из которых изменяются в широких пределах давление и температура газов в цилиндре, скорость перемещения поршня и активная поверхность теплообмена, создает чрезвычайно сложные условия нагружения поршня. Экспериментальные исследования, выполненные кафедрой ДВС Ленинградского политехнического института (ЛПИ) в 1980-е гг. на двигателе ЯМЗ-238, показали, что пиковые значения тепловых потоков через тепловоспринимающую поверхность днища на неустановившихся режимах в 2,5 раза превосходят те же значения на установившихся режимах. Аналогично изменению тепловых потоков изменялись температурные градиенты и напряжения [1]. Высокий уровень форсирования современных дизелей определяет тепловые и механические нагрузки, действующие на поршень, что приводит к его преждевременному разрушению. По данным исследования [3], форсирование двигателя ЯМЗ-240 по мощности свыше 30% с помощью газотурбинного наддува первоначально привело к массовому выходу поршней из строя по причине образования трещин на кромке КС. Длина трещин составляла от 5 до 18 мм, глубина - от 3 до 10 мм. Наблюдалось несколько трещин порядка 25 мм. Для тракторных дизелей с КС в поршне характерны наибольшие скорости изменения температуры при набросе и сбросе нагрузки (в пределах 5 °С/с), а также наибольшие значения температурных градиентов (3-7 °С/мм). На рис. 1 приведено распределение температур и напряжений в поршне дизеля 4ЧН 11/12,5 (Д-240) на режиме номинальной мощности, полученное при оценке НДС [4]. Отмечен высокий уровень температур на кромке КС. Термические (термоусталостные) разрушения обусловлены воздействием тепловых нагрузок. Такие разрушения могут проявляться в виде трещин на кромке КС (область Б на рис. 1, б). Наличие даже небольшой трещины на кромке КС может стать причиной разрушения поршня вследствие ее дальнейшего роста. Например, во время испытаний на Владимирском тракторном заводе двигателя МД-5 на фактический ресурс возник ряд отказов, один из которых - разрушение поршня по трещине после наработки 840 ч. Как показывает опыт эксплуатации дизелей, часть отказов поршней с полуоткрытой КС связана именно с возникновением трещин на кромке, развитие которых показано на рис. 2 [4, 5]. Разрушения в поршнях могут быть обусловлены действием механического и термического нагружений. Механическое нагружение представляет собой действие инерционных и газовых сил. Давление газов может привести к возникновению трещин в области А, показанной на рис. 1, б. К основным причинам образования трещин на кромке КС относятся: - переменные напряжения, вызываемые воздействием переменного давления газов в цилиндре в течение рабочего цикла; - низкочастотные колебания температуры поршня, связанные со сменой режимов работы двигателя; - высокочастотные циклические термические колебания, обусловленные изменением температуры материала в поверхностном слое КС в течение каждого рабочего цикла. Напряжения в кромке КС, вызванные температурными градиентами, выше напряжений, вызванных силами давления газов в цилиндре [5, 6]. Максимальные значения напряжений от воздействия температуры и силы давления газов отстоят друг от друга на несколько градусов поворота коленчатого вала (ПКВ, а в английском переводе degrees crank): 5-20 °DC. Это объясняется протеканием зависимости характеристики тепловыделения , которая показана на диаграмме, характерной для четырехтактного ДВС (рис. 3). Экстремумы зависимостей давления газов и температуры также не совпадают. Температура рабочего тела возрастает в процессе сгорания и достигает максимального значения после момента достижения максимального давления. Для подтверждения того, что напряжения от действия температуры выше, чем напряжения от давления газов, проведен расчет НДС. Распределение интенсивности напряжений в поршне с полуоткрытой КС на номинальном режиме приведено на рис. 4. Результаты расчета показали, что именно температурное состояние поршня определяет его долговечность. По данным кафедры ДВС ЛПИ, проводившей исследования влияния конструкционных факторов на НДС поршня высокофорсированного дизеля типа ЧН 21/21, значения тепловых напряжений в 2-3 раза выше, чем механических [1]. Согласно большому числу исследований, проведенных Н.Д. Чайновым, Н.А. Иващенко, А.В. Тимохиным, А.Б. Иванченко, Е.А. Лазаревым [7-9], с увеличением форсирования двигателя кромка КС становится локальным концентратором температурных напряжений, что приводит к появлению упругопластических деформаций циклического характера и микродефектов [10-12]. Оценивая долговечность при высоких температурах нагружения, также необходимо учитывать изменение прочностных свойств алюминиевых сплавов. Согласно работе [15], изменение температуры алюминиевого сплава с 20 до 350 °С приводит к снижению предела текучести материала со 150 до 22 МПа, а модуль упругости снижается практически вдвое. Низкочастотные колебания температуры поршня, связанные со сменой режимов работы двигателя, вызывают перепады температур порядка 50-150 °С [5, 8, 10, 13-15]. Кроме того, колебания температуры рабочего тела в течение цикла приводят к локальному нагреву поверхностного слоя кромки КС. Результаты и их обсуждение Согласно исследованиям [12, 14], высокочастотные колебания температуры в поверхностных слоях материала кромки КС (0-1 мм от поверхности) имеют, как правило, амплитуду 5-20 °С. Практически оценить величину таких колебаний не всегда удается, поскольку для этого требуются малоинерционные датчики температуры, а с технологической точки зрения выполнить монтаж средств измерения сложно. По мнению некоторых исследователей, игнорирование составляющей тепловой нагрузки при моделировании теплового состояния поршня может вносить 10-20%-ную ошибку в конечные результаты [15]. Длительность переходных процессов, по результатам исследований, составляет 5-15 с [5]. Температура поршня стабилизируется в течение 3-4 мин после выхода на определенный режим. Кромка КС поршня с переменным сечением становится концентратором напряжений, что приводит к возникновению термоусталостных трещин. В работе [12] отмечается случай, когда после незначительного проникновения термоусталостных трещин вглубь поверхности поршня их развитие приостанавливается. Однако более достоверный факт по количеству экспериментальных данных - то, что при наличии наряду с циклическими теплосменами хотя бы небольшой механической нагрузки поверхностные трещины с накоплением циклов теплосмен углубляются в толщину материала вплоть до сквозного разрушения. При появлении трещины механическая нагрузка начинает играть большую роль. Развитие термоусталостных разрушений не всегда идет от поверхности. Иногда оно начинается внутри детали из-за каких-либо структурных несовершенств или технологических дефектов. Образование трещин связано с нестационарными режимами работы двигателя. При переходе с режима холостого хода на режим номинальной мощности резко изменяются температура газов, коэффициент теплоотдачи и, как следствие, теплофизические процессы, проходящие на кромке КС. Поршень нагревается неравномерно, что приводит к возникновению температурных градиентов. Поскольку материал в поверхностных слоях расширяется интенсивнее, чем в толщине поршня, кромка КС испытывает сжимающие напряжения. При дальнейшей работе двигателя эти напряжения уменьшаются, так как температурное поле поршня выравнивается. При переходе с номинального режима работы на режим холостого хода в кромке КС происходят обратные процессы. Напряжения, возникающие в кромке КС при резкой смене режима нагрузки, как правило, превышают значения предела текучести материала поршня. Это приводит к тому, что в кромке КС возникают пластические деформации. Их величина накапливается с каждой сменой режима работы двигателя. Причинами образования трещин могут быть параметры и показатели, которые, по сути, характеризуют рабочий цикл двигателя и его тепловое состояние. Так, увеличение зазоров в ЦПГ как следствие износа вызывает нарушение теплоотдачи от поршня к цилиндру, что влечет за собой повышение температуры поршня и рост температурных градиентов в кромке КС. По данным Коломенского тепловозостроительного завода, увеличение зазоров между поршнем и зеркалом цилиндра привело к заметному росту температуры алюминиевого неохлаждаемого поршня двигателя ЧН 26/26 [14]. При номинальном режиме работы дизеля максимальная температура поршня (рис. 5) возросла примерно на 8% (с 232 до 250 °С), а над компрессионным кольцом - на 16% (со 185 до 225 °С). В роли такого параметра также может выступать, например, угол опережения подачи топлива, который определяет характер тепловыделения в процессе сгорания топлива и распределение тепловых потоков по поверхностям ЦПГ [14]. Отказы поршней, возникающие при работе двигателей, можно разделить на следующие группы [13]: - конструкторские отказы, возникающие из-за неучета в процессе конструирования местных концентраторов напряжений; - производственно-технологические отказы, возникающие из-за низкого качества изготовления деталей (усадочные раковины, пористость, межкристаллические трещины, волосовины и др. [14]); - эксплуатационные отказы как следствие неправильной регулировки топливной аппаратуры, установки нерациональных фаз газораспределения, работы двигателя с трещиной термической усталости. Эксплуатационные отказы могут быть вызваны довольно большим перечнем факторов [15]. Например, их причиной может стать неэффективная ориентация канала галерейного охлаждения в поршне, что приводит к повышению температурного режима работы поршня и увеличивает напряженность в кромке КС [14]. Все это отражается на долговечности поршня. Так, отказ системы терморегулирования тракторного дизеля воздушного охлаждения 8ДВТ-330 привел к оплавлению днища поршня и задиру его боковой поверхности через 550 ч наработки [7-9]. Отметим, что если срок службы поршневых колец и поршневого пальца определяется износом этих элементов, то срок службы поршня зависит от количества трещин и их длины. Для сравнения в таблице приведены средние сроки службы деталей ЦПГ [15]. Срок службы основных элементов ЦПГ тракторных дизелей Деталь ЦПГ Тср·10-3, ч Поршень 0,8-4 Поршневые кольца 0,5-2 Поршневой палец 1-5 Выводы Анализ причин образования трещин в кромке КС поршня тракторного дизеля показывает, что при оценке долговечности поршня необходимо учитывать целый комплекс показателей и параметров двигателя: - уровень форсирования по литровой или поршневой мощности; - конструкцию поршня и КС, условия работы энергетической установки, на которую установлен дизель; - наличие охлаждения (струйного или галерейного); - изменение свойств алюминиевого сплава, из которого изготовлен поршень, и т.д.

About the authors

A. N Gots

Aleksandr and Nikolay Stoletov Vladimir State University

Email: hotz@mail.ru
DSc in Engineering Vladimir, Russia

S. A Glinkin

Aleksandr and Nikolay Stoletov Vladimir State University

PhD in Engineering Vladimir, Russia

References

Supplementary files