Основні причини зносу поршнів двигуна внутрішнього згоряння
Відомо, що найбільш швидко зношується деталлю двигунів внутрішнього згоряння (особливо форсованих) є поршень, що виходить з ладу, в основному, через знос першої поршневої канавки [110, 111]. Поєднання кільце канавка (СКК) працює в умовах великих циклічних тисків - 7,5-15,0 МПа і високих температур 470-570 К. На інтенсивність зносу сполучення впливають швидкість відносного переміщення деталей, сили тертя та інерції кільця, умови та якість мастила кількість присутніх абразивних частинок та продуктів згоряння, конструктивні особливості, точність виготовлення та матеріал деталей, режим та умови експлуатації двигунів.
Недостатня працездатність СКК виявилася особливо сильно при заміні чавунних поршнів на алюмінієві, що призводить до зростання величини та швидкості зносу сполучення в 2-3 рази порівняно з чавунними поршнями (рис. 10.1 [28,110, 111]).
У процесі роботи двигуна в СКК діють різні сили (тертя, тиск газів, інерції та ін), що викликають циклічне переміщення кільця щодо канавки та гільзи циліндра.
Детальні дослідження, виконані в роботах [29 30, 112-119], дозволили встановити характер і параметри відносного переміщення кільця в канавці поршня: радіальне переміщення 0,05-0,25 мм зі швидкістю переміщення 0,3-2,0 м/ с, ударний вплив кільця на канавку від сил тертя та інерції кільця досягає величин
порядку 0,2-0,5 МПа, обертальний рух кільця кілька обертів за хвилину.
З аналізу взаємодії кільця з канавкою поршня випливає, що збільшення розміру канавки та її руйнування походять як від ударної дії кільця на стінки канавки з порівняно невеликою енергією удару, так і в результаті зносу при терті в умовахзворотно-поступального руху кільця та дії циклічних тисків (6-14 МПа) процесу згоряння (рис. 10.2)
У СКК спостерігаються всі види абразивного зношування (мікрорізання, впровадження абразивних частинок у м'якшу матрицю, поверхневе деформування мікрооб'ємів металу і т.д.), які супроводжуються окислювальними та іншими електрохімічними процесами і протікають при температурах 470-570 К з ударним додатком. Твердість алюмінієвих сплавів, з яких виготовляються поршні, при цих температурах у 3-6 разів менша, ніж чавуну, сталі та абразивних частинок. Тому можна вважати, що СКК спочатку абразив впроваджується в більш м'яку алюмінієву матрицю канавки поршня і відбувається зношування кільця фіксованими частинками абразиву.
У міру накопичення абразивних частинок, продуктів зношування, згоряння палива та олії, створюються умови тертя про абразивний прошарок, що призводить до збільшення зношування менш твердого матеріалу, тобто канавки поршня [28,30].
Випробування на машині тертя пари чавун-алюмінієвий сплав [28, 29, 30] підтвердили
вищенаведений механізм зношування. При малому вмісті в мастильному матеріалі кварцового пилу (до 0,25%) спостерігається більший зношування зразка з чавуну, при його збільшенні зношування алюмінієвого зразка зростає. Слід зазначити, що переміщення кільця в канавці становить кілька десятих міліметрів. Це набагато менше протяжності контактуючих поверхонь і призводить до умов, коли абразивні частинки та продукти
зношування не виводяться із зони тертя. Такий механізм взаємодії поверхонь, що труться, отримав назву фреттинг-корроеія [28, 120]. Очевидно, фреттингові процеси певною мірою протікають і СКК.
Про 2 4 6 т, тис. год
Мал.10.1. Порівняння зносу верхніх поршневих канавок різних поршнів: 1-алюмінієвих; 2-чавунних; 3-складових (сталь+алюміній)
Мал. 10.2. Схема взаємодії деталей поршневої групи та характер зносу канавки поршня (пунктирна лінія): S - початковий зазор у поєднанні кільце - канавка; AS - нзнос
Основною причиною інтенсифікації зношування канавки є різке зниження механічних властивостей поршневих сплавів тривалого впливу високих температур [17,120-126]. Наприклад, твердість сплаву АК 4 при температурі 573 До становить 18-20 НВ, а сплаву Ал 25 відповідно 17-23 НВ, хоча у вихідному стані їх твердість не менше 90-110 НВ. Крім того, при високій температурі вигоряє масляна плівка між кільцем та канавкою. «Розм'якшення» алюмінієвих сплавів збільшує частку пластичного розбивання канавки, що особливо притаманно високооборотних дизелів. Зростання інерційної сили удару кільця при форсуванні з обертів викликає збільшення пластичної деформації поверхневих шарів металу стінок канавки.
Зазначена деформація виникає також у момент перекладки поршня, коли кільце притиснуто до нижньої стінки канавки у верхній мертвій точці силою тиску газів і деформоване формою. У цей момент виникають великі питомі тиски, що призводять до видавлювання матеріалу із зони тертя до зовнішньої частини канавки [121]. Можна припустити, що в цьому випадку провідну роль у зношуванні та руйнуванні канавки поршня грає пластична деформація, а абразивне та корозійне зношування – супутні.
Превалювання величин зношування кільця над зносом канавки було зазначено в основному на малофорсованих тракторних дизелях [111,124,125]. Поданим [126] під час обстеження тракторних двигунів СМД-14, які проходили експлуатаційнівипробування в машиновипробувальних станціях, за 2000 годин роботи дизеля знос 1-го поршневого кільця становив 0,157 мм, знос
канавки-0,053 мм, тобто відповідно 70-75% та 20-30%.
При поясненні причин такого характеру зношування немає єдиної думки. Вважалося, що основною причиною більшого зношування кільця є впровадження в розм'якшену алюмінієву матрицю дрібних абразивних частинок, які зношують твердіше чавунне кільце, оберігаючи від зношування канавку. Однак при випробуваннях зі спеціальним запилюванням всмоктуючого повітря не спостерігалося вищеописаного співвідношення зносу в поєднанні, канавка зносилася більше за кільця у співвідношенні 7: 3 [29, 119].
Очевидно, що абразивний та корозійний знос практично нероздільний, оскільки продукти корозії можуть бути абразивними частинками. В результаті, за умови інтенсивного корозійного зносу (при частих пусках - зупинках дизеля, робота при низькій температурі води, що охолоджує, при високому вмісті сірки в паливі), зношується поршнева канавка і особливо кільце.
Дослідження поверхні тертя та дані виміру мікротвердості нижнього торця кільця показали, що мікротвердість у різних точках кільця виявилася нерівномірною (Hi=30-70 Н/мм2), у зв'язку з чим висловлено припущення, що ділянки великої твердості є наклепаними. У той же час при великому збільшенні виявили, що поверхня є блискучими металевими острівцями (ділянками фосфідної евтектики, графіту і перліту), оточені зруйнованим металом, і вважають таку структуру наслідком електрохімічної корозії [30, 126].
Автори роботи [126] провели випробування на машині тертя із введенням різної кількості абразиву в зону тертя пари алюміній-чавун.
Було показано, що за малої кількості абразивубільше зношується чавунний зразок. Збільшення кількості абразиву призводить до збільшення зносу алюмінієвого зразка.
У роботі [29] наведена крива зносу сполучення кільце-канавка. Зношування в СКК можна розділити на три яскраво виражені ділянки (рис.10.3) приробіток (1), що встановилося (2) і форсоване (аварійне) зношування (3). Час приробітку складає близько 40-100 годин, що в порівнянні з іншими двома ділянками дуже незначно. Ресурс СКК практично визначається ділянкою 2. Ділянка 3, на якій потрібна заміна поршневої групи, значно менша і становить 100-1000 годин.
На інтенсивність зношування в СКК на ділянці 2 великий вплив мають властивості матеріалів поверхонь, що контактують, присутність абразиву, агресивність середовища, температура в зоні взаємодії.
Наведений аналіз показує, що основними переважаючими видами зношування та руйнування СКК є: для нефорсованих та малофорсованих двигунів абразивне зношування, що супроводжується окислювальними та корозійними процесами; для форсованих двигунів пластична деформація поверхневих шарів металу стінок канавки, спричинена зниженням механічних властивостей алюмінієвих сплавів від
Мал. 10.3. Зношування СКК в залежності від часу:
1 - приробіток (40-100 год.); 2-уст ановившийся режим (5-10 тис. ч.);
3-форсований знос (100-1000 год.)
дії високих температур, підвищенням максимального тиску згоряння та інерційних ударів кільця, що супроводжуються абразивними та корозійними процесами.
Оскільки практично неможливо усунути зазначені види зношування та руйнування в СКК, основний напрямок у збільшенні довговічності поршня слід розглядати з точки зору зниження інтенсивності.протікають процеси зношування.
Таким рішенням є створення контактуючих поверхонь кільця та канавки з матеріалів з підвищеною опірністю абразивного зношування та пластичної деформації при підвищених температурах.
Для задоволення вимог матеріал поршня в зоні верхньої канавки (порівняно з основним сплавом поршПя) повинен мати при підвищених температурах більш високу твердість (для зниження абразивного зношування) і жароміцність (для зменшення пластичної деформації).
Забезпечення необхідної довговічності роботи СКК здійснюється застосуванням розроблених методів, спрямованих в основному на зміцнення та підвищення зносостійкості кільцевої канавки.