Совершенствование технологии восстановления блоков цилиндров из алюминиевых сплавов постановкой ремонтных чугунных гильз

На правах рукописи

Завороткин Евгений Алексеевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ БЛОКОВ ЦИЛИНДРОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПОСТАНОВКОЙ РЕМОНТНЫХ ЧУГУННЫХ ГИЛЬЗ Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО СПбГАУ).

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Антипов Александр Иванович

Официальные оппоненты: Зуев Анатолий Алексеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО СПбГАУ, заведующий кафедрой технологии конструкционных материалов.

Иванов Андрей Владимирович, кандидат технических наук, доцент, ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики» – «Институт сервиса автотранспорта, коммунальной и бытовой техники», доцент кафедры автосервиса.

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский

Ведущая организация:

государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова».

Защита диссертации состоится 24 апреля 2012 года в 13 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при ФГБОУ ВПО СПбГАУ по адресу: 196601, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе д. 2, ауд. 2.719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО СПбГАУ.

Автореферат разослан и размещён на сайте ВАК Министерства образования и науки РФ « 05 » марта 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Смирнов Василий Тимофеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Автомобильная техника находит широкое применение в различных отраслях производства. В сельском хозяйстве автомобили используются на транспортных работах. Для надежного выполнения своих функций автомобильная техника должна поддерживаться в работоспособном состоянии за счет своевременного проведения ее технического обслуживания и ремонта.

В последнее время на автомобили малой грузоподъемности отечественного и зарубежного производства все чаше устанавливаются двигатели внутреннего сгорания (ДВС), блоки цилиндров которых изготовлены из алюминиевых сплавов. Для одних моделей двигателей производителями предусмотрена возможность восстановления изношенных поверхностей цилиндров, для других нет. Ремонт блоков цилиндров позволяет не только восстанавливать работоспособность ДВС, но и использовать их остаточный ресурс. В результате обеспечивается экономия материальных, энергетических и трудовых затрат.

Технология восстановления блоков цилиндров из алюминиевых сплавов постановкой ремонтных чугунных гильз все чаще применяется в ремонтной практике, но ее широкое распространение сдерживается отсутствием обоснованных рекомендаций по выбору значений технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров».

Цель исследования. Совершенствование технологии восстановления блоков цилиндров из алюминиевых сплавов постановкой ремонтных чугунных гильз.

Объект исследования. Блоки цилиндров автомобильных двигателей рабочим объемом 1,5-2,9 л, изготовленные из алюминиевых сплавов.

Предмет исследования. Техническое состояние цилиндров, условия теплопередачи соединения «гильза-блок цилиндров», монтажные деформации цилиндров.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились с использованием известных и отработанных методов, современных контрольно измерительных приборов, теории планирования эксперимента, теории вероятности и математической статистики, с учетом действующих стандартов.

Научная новизна:

- определена связь между конструктивными особенностями блоков цилиндров и характером повреждений цилиндров;

- определены характер и степень влияния технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» на условия теплопередачи соединения и монтажные деформации цилиндров;

- разработана математическая модель, описывающая влияние величины натяга в соединении, шероховатости и толщины стенки гильзы на условия теплопередачи соединения.

Практическая значимость работы заключается в рекомендациях ремонтному производству по выбору значений технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» при восстановлении блоков цилиндров из алюминиевых сплавов постановкой ремонтных чугунных гильз.

Реализация результатов исследования. Результаты работы внедрены в Научно-исследовательской лаборатории надежности восстановленных деталей ФГБОУ ВПО СПбГАУ.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО СПбГАУ, в 2009-2011 гг., на международной научно-технической конференции «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» ГНУ ГОСНИТИ 2010 года.

Публикации. Основные положения работы изложены в 4 научных статьях, в изданиях рекомендованных ВАК РФ.

На защиту выносятся:

- результаты исследования дефектов цилиндров блоков современных ДВС;

- результаты исследования влияния технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» на условия теплопередачи;

- математическая модель, описывающая влияние технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» на условия теплопередачи;

- результаты исследования влияния технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» на монтажные деформации цилиндров.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 141 странице машинописного текста и содержит 51 рисунок, 6 таблиц, список литературы из 102 источников и 29 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научной проблемы, определены цель и объект исследования, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» произведен анализ современного состояние вопроса, определены цель и задачи исследования.

Анализ конструкций блоков цилиндров современных ДВС показывает, что в настоящее время все большее распространение получают автомобильные двигатели, блоки цилиндров которых изготовлены из алюминиевых сплавов.

Конструктивное исполнение отдельных элементов блоков, в особенности цилиндров и поверхности прилегания к головке блока цилиндров (ГБЦ) в значительной мере определяет причины выхода из строя ДВС и характер повреждений деталей.

Исследованиями причин отказов ДВС и повреждений деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) занимались: И.М. Алексаньян, Н.М. Вагабов, И.Б. Гурвич, А.С. Денисов, Д.В. Кузнецов, А.Д. Назаров, В.В. Чепелевский и многие другие ученые. Анализ работ этих авторов показывает, что от 30 до 50 % всех отказов ДВС приходится на отказы ЦПГ, которые связаны с износами и повреждениями цилиндров, поршней и поршневых колец. Несмотря на большое число работ по исследованию технического состояния цилиндров ДВС, в литературе до настоящего времени практически отсутствует информация о характере повреждений цилиндров блоков из алюминиевых сплавов современных ДВС.

Разработке и совершенствованию способов восстановления цилиндров ДВС посвящены работы Е.Л. Воловика, А.А. Зуева, И.М. Зейналова, А.Ю. Костюкова, А.Э. Хрулева, В.И. Черноиванова, Р.У. Шахмаметова, О.Г. Ширая, М.И. Юдина и многих других авторов. Анализ известных способов восстановления цилиндров ДВС показывает, что большинство из них применимы для восстановления гильз цилиндров «мокрого» типа и только способы обработки в ремонтные размеры и постановки «сухих» ремонтных гильз могут быть использованы для восстановления цилиндров блоков из алюминиевых сплавов. При этом в целом ряде случаев способ восстановления цилиндров постановкой «сухих» ремонтных гильз является единственной альтернативой замене дефектных блоков цилиндров новыми. Опубликованные в литературе рекомендации по выбору значений технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» имеют общий характер и не всегда должным образом обоснованы.

При восстановлении блоков цилиндров из алюминиевых сплавов постановкой ремонтных чугунных гильз вносится существенное изменение в конструкцию цилиндров, изменяется их тепловая проводимость и жесткость.

До сих пор неисследованным остается вопрос о том, в какой мере данная технология влияет на эксплуатационно-технологические характеристики восстановленных блоков цилиндров.

Исходя из вышеизложенного, были поставлены следующие задачи исследования:

- произвести оценку технического состояния цилиндров, поступающих в ремонт блоков;

- теоретически обосновать выбор значений технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» из условий теплопередачи и монтажных деформаций цилиндров;

- исследовать влияние технологических параметров соединения «гильза блок цилиндров» на условия теплопередачи;

- исследовать влияние технологических параметров соединения «гильза блок цилиндров» на монтажные деформации цилиндров;

- разработать рекомендации ремонтному производству по выбору значений технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» при восстановлении блоков цилиндров из алюминиевых сплавов постановкой ремонтных чугунных гильз.

Во второй главе «Расчетно-теоретическое обоснование технологических параметров соединения гильза-блок цилиндров» приведены теоретические исследования влияния технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» на условия теплопередачи и монтажные деформации цилиндров.

Работоспособность ЦПГ ДВС в значительной мере определяется условиями отвода тепла из цилиндра в систему охлаждения двигателя.

Установка «сухих» гильз в блоки приводит к изменению теплопроводных свойств цилиндров и повышению теплонапряженности деталей ЦПГ.

В зоне контакта гильзы с блоком появляется так называемое контактное термическое сопротивление. При прохождении теплового потока через контакт между сопрягаемыми поверхностями гильзы и блока возникает температурный перепад, величина которого определяется теплопроводными свойствами контакта. Анализ работ Е.А. Ганина, Н.Б. Демкина, А.А. Згуры, И.В.

Крагельского, В.М. Попова, Н.Ю. Тайц, Б.В. Флоринского, С.Н. Царевского, Ю.П. Шлыкова показывает, что основной причиной появления термического сопротивления контакта является дискретный характер соприкосновения твердых шероховатых тел. Фактическая площадь контакта, по разным данным, составляет 12 % от его номинальной площади. Так как теплопроводность контактирующих материалов во много раз выше теплопроводности межконтактной среды, происходит так называемое стягивание линий теплового потока к пятнам фактического контакта, при этом часть тепла передается теплопроводностью через межконтактную среду. Условия теплопередачи в контакте оцениваются его тепловой проводимостью. Анализ известных методик расчета тепловой проводимости контакта показывает, что наиболее адекватные результаты дает зависимость, предложенная Е.А. Ганиным и Ю.П. Шлыковым:

2с p к 2,1 м 10 4, (1) С в hср.1 hср. где к – тепловая проводимость контакта двух твердых шероховатых тел, Вт/(м2·град);

с – коэффициент теплопроводности межконтактной среды, Вт/(м·град);

hср. – средняя высота выступов микронеровностей, м;

p – контактное давление на поверхностях сопрягаемых деталей, Н/м2;

м 2 м1 м 2 /( м1 м 2 ) – приведенная теплопроводность контактирующих материалов, Вт/(м·град);

C – коэффициент, учитывающий несущую способность контакта;

в – предел прочности материала, Н/м2.

Первое слагаемое выражения (1) представляет собой тепловую проводимость через межконтактную среду, второе слагаемое – тепловую проводимость через места фактического контакта.

Анализ выражения (1) показывает, что на условия теплопередачи в контакте влияют: теплопроводность межконтактной среды, чистота обработки контактирующих поверхностей, теплопроводность контактирующих материалов, механические свойства контактирующих материалов и контактное давление на поверхностях сопрягаемых деталей.

Контактное давление на поверхностях сопрягаемых деталей в соединении «гильза-блок цилиндров» определяется следующим образом:

p Nном./ d н.с. (C1 / Eгил. C2 / Eбл. ), (2) d 2 d 2 d н.с. 2 d н.с. C1 1 / 1 1 C 2 1 / 1 2, (3) d н.с. d н.с. D D где N ном. – номинальный натяг в соединении, мм;

d н.с. – номинальный диаметр соединения, мм;

Eгил. и Eбл. – модули упругости материалов соответственно гильзы и блока, Па;

C1 и C2 – коэффициенты Ляме;

1 и 2 – коэффициенты Пуассона материалов соответственно гильзы и блока;

d – внутренний диаметр гильзы, мм;

D – наружный диаметр цилиндра, мм.

Расчеты показывают, что с увеличением натяга в соединении пропорционально возрастает контактное давление на поверхностях сопрягаемых деталей. Максимальное контактное давление обеспечивается при толщине стенки гильзы 2,5 Bгил. 3,5 мм.

Для соединения «гильза-блок цилиндров» физико-механические свойства контактирующих материалов, а также теплопроводность межконтактной среды являются вполне определенными величинами. Таким образом, на тепловую проводимость контакта влияют такие переменные факторы, как чистота обработки (шероховатость) контактирующих поверхностей гильзы и блока и контактное давление на поверхностях сопрягаемых деталей, величина которого определяется натягом в соединении и толщиной стенок гильзы и блока.

Расчет изменения тепловой проводимости контакта в зависимости от контактного давления в соединении и шероховатости посадочной поверхности гильзы показывает, что с ростом контактного давления в соединении пропорционально возрастает тепловая проводимость контакта. При отсутствии контактного давления в соединении (р=0) обращается в ноль второе слагаемое выражения (1), и тепло в контакте передается только через межконтактную среду. При увеличении шероховатости гильзы Ra с 0,20 до 3,20 мкм тепловая проводимость контакта снижается более чем вдвое (на 20390 Вт/(м·С)).

Лучшие условия теплопередачи в контакте наблюдаются при максимальных контактных давлениях в соединении и минимально возможной шероховатости контактирующих поверхностей гильзы и блока.

На работоспособность ЦПГ ДВС в большей степени оказывает влияние тепловая проводимость всего соединения «гильза-блок цилиндров» в целом, а не только тепловая проводимость контакта. Тепловая проводимость соединения оценивается коэффициентом теплопередачи [Росляков А.Д.]:

B B k 1 / гил. бл., (4) гил. бл. к где k – коэффициент теплопередачи составной стенки цилиндра, Вт/(м2·С);

Вгил. и Вбл. – толщина стенки соответственно гильзы и блока, м;

гил. и бл. – коэффициенты теплопроводности материалов соответственно гильзы и блока, Вт/(м·С).

Расчеты показывают, что изменение толщины стенки гильзы от 1,5 до 2, мм приводит к снижению коэффициента теплопередачи составной стенки цилиндра на 1014 %. С увеличением тепловой проводимости контакта от 15000 до 45000 Вт/(м2·С) коэффициент теплопередачи составной стенки цилиндра возрастает на 3743 %.

Установка «сухих» гильз в блоки приводит к изменению жесткости цилиндров, что влияет на величину и характер их деформаций. Монтажные деформации цилиндров возникают вследствие действия монтажных напряжений от затяжки резьбовых соединений блока и приводят к изменению исходных размеров и формы цилиндров. При этом изменяются монтажные зазоры в соединении «поршень-цилиндр» и ухудшается прилегание поршневых колец к цилиндру, в результате чего снижаются эксплуатационные и экологические показатели двигателя.

Исследования напряженно-деформированного состояния блоков цилиндров и монтажных деформаций гильз цилиндров «мокрого» типа отражены в работах: Ш.М. Билика, Н.М. Вагабова, Б.Я. Гинцбурга, И.Б. Гурвича, А.С. Денисова, А.А. Симдянкина, Г.П. Чугунова, Р.У. Шахмаметова, Н.А. Шиловского. Анализ результатов исследований влияния затяжки различных резьбовых соединений блоков цилиндров на монтажные деформации показывает, что наибольшие деформации цилиндров возникают при затяжке резьбовых соединений крепления ГБЦ к блоку.

Уплотнение стыка «головка блока - блок цилиндров» осуществляется за счет применения специальных прокладок ГБЦ.

Конструкция прокладки ГБЦ обеспечивает увеличение уплотняющего усилия по периметру цилиндров за счет несколько большей толщины и жесткости прокладки в этой зоне. Неравномерность распределения удельного давления по поверхности стыка приводит к деформациям поверхностей прилегания блока и ГБЦ. Таким образом, к поверхности прилегания блока к ГБЦ прикладывается изгибающий момент Мизг., величина которого определяется осевым усилием затяжки резьбовых соединений (Fзат.), Рис. 1. Схема действия сил в удельным давлением в стыке (qупл.) и соединении «головка блока величиной плеча l (рис.1).

блок цилиндров» Mизг. f (Fзат., q упл., l ). (5) Изгибающий момент, приложенный к поверхности прилегания блока к ГБЦ, передается на стенку цилиндра, в результате чего происходит ее изгиб.

Величина деформации (прогиба) цилиндра определяется величиной изгибающего момента и жесткостью цилиндра на изгиб:

M изг. x y(x), (6) 2C где С – жесткость цилиндра на изгиб, Н·м2.

Жесткость составного цилиндра на изгиб определяется следующим образом:

D4 d 2B 4 E (d 2Bгил.) d d 2B.

C E бл. 1 гил.

(7) гил.

гил.

D Расчеты показывают, что изменение толщины стенки гильзы от 1,5 до 2,5 мм приводит к увеличению жесткости составного цилиндра на изгиб с 2,07·105 до 2,16·105 Н·м2. Столь малое приращение жесткости цилиндра при изменении толщины стенки ремонтной гильзы в данном диапазоне, наиболее вероятно, не должно оказывать существенного влияния на величину монтажных деформаций цилиндров.

При установке ремонтных гильз в блоки с натягом в блоке создаются растягивающие, а в гильзе сжимающие радиальные и окружные напряжения.

Эти напряжения лежат, преимущественно, в плоскости перпендикулярной к оси цилиндра и не оказывают значимого влияния на его изгиб. Однако изменение общего напряженно-деформированного состояния блока может повлиять на величину и характер монтажных деформаций цилиндров.

Расчетно-аналитическим путем установлено, что на условия теплопередачи в соединении «гильза-блок цилиндров» существенное влияние оказывают: величина натяга в соединении, шероховатость посадочных поверхностей гильзы и блока и толщина стенки гильзы. От толщины стенки гильзы и величины натяга в соединении зависят также жесткость цилиндра на изгиб и напряженно-деформированное состояние блока цилиндров, что может влиять на величину и характер монтажных деформаций цилиндров.

В третьей главе «Методика исследования» приведены общая и частные методики исследования.

Исследования дефектов цилиндров проводились по ГОСТ 14846-81, на блоках из алюминиевых сплавов, рабочая поверхность цилиндров которых образована «сухими» чугунными вставками. Исследовались цилиндры диаметром 7590 мм, не имеющие аварийных повреждений. Измерения размеров цилиндров производились индикаторным нутромером НИ-100 ГОСТ 868-82 в четырех направлениях: в плоскости качания шатуна (А-А), по оси коленчатого вала (Б-Б), под углами 45 (В-В) и 135 (Г-Г) к оси коленчатого вала. На расстояниях от верхней плоскости блока: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 65, 80, 95, 110, 125 мм. При этом определялись отклонения размеров цилиндров от номинальных значений и овальность цилиндров. Исследования проводились отдельно для блоков с верхней связующей плитой и блоков без верхней связующей плиты. По каждой конфигурации блока было исследовано по цилиндров.

Сравнительные лабораторные исследования влияния величины натяга в соединении, шероховатости посадочной поверхности и толщины стенки гильзы на условия теплопередачи соединения производились по методу нестационарного теплового режима. Из работ В.М. Попова и Ю.П. Шлыкова известно, что тепловая проводимость контакта при нестационарном тепловом режиме определяется по следующей зависимости:

Vнагр. b к, (8) 1 b( ) 1 где Vнагр. – скорость подъема температуры на внешних границах образцов (скорость нагрева), град/с;

b – изменение скорости повышения температуры в контактной зоне, град/с;

1 и 2 – тепловая проводимость материала соответственно гильзы и блока, Вт/(м2 ·град).

Так как для работоспособности ЦПГ ДВС большее значение имеет тепловая проводимость всего соединения «гильза-блок цилиндров» в целом, а не только тепловая проводимость контакта, то при проведении эксперимента в качестве меры тепловой проводимости соединения была принята скорость нагрева ( Vнагр. ) одной из контактирующих деталей – блока, при нагреве другой контактирующей детали – гильзы.

В качестве модели соединения «гильза-блок цилиндров» использовались специальные составные биметаллические втулки. Внутренняя гильза изготовлена из специального легированного чугуна, наружная втулка – из алюминиево-кремниевого сплава AlSi9Cu3. Суммарная толщина стенки всех образцов оставалась постоянной (B=8 мм). Изменение толщины стенки гильзы компенсировалось соответствующим изменением толщины стенки наружной втулки. Отклонения размеров и формы посадочных поверхностей гильзы и втулки обеспечивались 0,02 мм. Шероховатость посадочных поверхностей образцов измерялась профилометром Mitutoyo SJ-301 по ГОСТ 2789-73 на базовой длине l = 0,80 мм. Сборка образцов осуществлялась поперечным методом.

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2а.

Температура образцов измерялась хромель-копелевыми термопарами с открытым спаем, закрепленными согласно схеме (рис. 2б).

а б Рис.2. Схемы экспериментальной установки (а) и закрепления термопар (б):

1 – образец с закрепленными термопарами;

2 – измерительный прибор «Овен» МВА-8;

3 – адаптер для подключения прибора к компьютеру;

4 – персональный компьютер;

5 – спай термопары;

6 – внешняя стенка образца;

7 – теплоизоляционная прокладка;

8 – прижимной винт;

9 – кронштейн;

10 – основание Нагрев образцов осуществлялся заполнением их внутреннего объема теплоносителем. Опыты проводились при постоянных условиях: температура воздуха 20±1,5С, температура теплоносителя 99100С, объем теплоносителя 200 мл.

Оценка характера и степени влияния технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» на условия теплопередачи производилась с использованием теории планирования эксперимента. Выбор уровней факторов был сделан на основании известных рекомендаций и результатов поисковых экспериментов. Значения уровней факторов приведены в табл. 1. В качестве функции отклика (Y) была принята скорость нагрева внешней стенки образца Vнагр.. По каждому образцу было проведено по 11-12 повторностей с использованием рандомизации порядка проведения опытов.

Таблица Значения уровней факторов Единицы Нижний уровень Верхний уровень Фактор Обозначение Код измерения фактора (–1) фактора (+1) 0,040±0,005 0,120±0, Натяг мм Х N (0,00045·dн.с.) (0,0014·dн.с.) Шероховатость мкм Х2 0,200, Ra 2,53, гильзы Толщина Вгил. мм Х3 1,50±0,05 2,50±0, стенки гильзы Монтажные деформации цилиндров исследовались на блоках из алюминиевых сплавов с верхней связующей плитой. Исследовались деформации цилиндров блоков серийного исполнения и блоков с установленными ремонтными чугунными гильзами. Монтаж ГБЦ и затяжка резьбовых соединений крепления ГБЦ к блоку во всех опытах осуществлялись в соответствии с ТУ на ремонт. Деформации определялись как разность размеров цилиндров в свободном и напряженно-деформированном состояниях.

Измерения размеров цилиндров производились индикаторным нутромером повышенной точности НИ-100 0,002 ГОСТ 9244-75 в четырех направлениях и в восьми поясах, на расстояниях от верхней плоскости блока: 10, 20, 30, 40, 50, 65, 95 и 125 мм. Ремонтные гильзы устанавливались в блок поперечным методом с монтажным зазором 0,220,30 мм при различных значениях технологических параметров соединения. Натяг в соединении обеспечивался равным: 0,04;

0,08;

0,12 мм;

толщина стенки гильзы составляла: 1,5;

2,0;

2,5 мм;

выступание гильзы над плоскостью блока составляло 00,04 мм. Для каждого сочетания уровней факторов проводилось по две серии параллельных опытов.

Статистическая обработка опытных данных производилась по стандартным методикам с помощью компьютерных программ: Microsoft Office Excel, STATGRAPHICS Plus 3.0 и Owen Process Manager.

В четвертой главе «Результаты исследований» представлены результаты исследования дефектов цилиндров и исследований влияния технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» на условия теплопередачи и монтажные деформации цилиндров.

Исследованиями технического состояния поступающих в ремонт блоков цилиндров установлено, что характер изменения размеров и формы цилиндров у блоков различных конфигураций существенно отличается. У блоков цилиндров с верхней связующей плитой происходит увеличение размеров цилиндров и по длине цилиндра, и в диаметральных сечениях (рис. 3).

Наибольший износ цилиндры имеют в плоскости качания шатуна, наименьший – в направлении оси коленчатого вала. Такие изменения размеров и формы цилиндров характерны для нормальных условий изнашивания деталей ЦПГ. У блоков цилиндров без верхней связующей плиты в плоскости качания шатуна происходит увеличение размеров цилиндров, а в направлении оси коленчатого вала, в верхней части цилиндра – уменьшение размеров (рис. 4), что говорит о деформации цилиндров.

Рис 3. Отклонения размеров цилиндров блоков с верхней связующей плитой Рис 4. Отклонения размеров цилиндров блоков без верхней связующей плиты Как видно из рисунков, среднестатистическая величина износа цилиндров блоков обеих конфигураций составляет 0,0450,055 мм. Овальность цилиндров у блоков с верхней связующей плитой не превышает 0,02 мм, у блоков без верхней связующей плиты достигает 0,070,08 мм, что вдвое превышает допустимое значение. Максимальный износ цилиндров у блоков обеих конфигураций располагается в плоскости качания шатуна на расстоянии мм от верхней плоскости блока, что соответствует месту остановки поршневых колец при положении поршня в верхней мертвой точке.

Исследованиями установлено также, что у отдельной группы блоков без верхней связующей плиты, имеющей определенное конструктивное исполнение, характер повреждений цилиндров существенно отличается от повреждений цилиндров блоков основного массива. Износ цилиндров этой группы блоков сопоставим с максимальным ремонтным увеличением, и достигает 0,380,40 мм, овальность в верхней части цилиндров составляет 0,07 мм.

В результате проведения трехфакторного эксперимента 23 получена математическая модель, описывающая характер и степень влияния технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» на скорость нагрева образцов:

Y = 5,116 + 0,162 Х1 – 0,0505 Х2 – 0,214 Х3 + 0,083 Х1Х3.

Оценка дисперсий опытов по G-критерию Кохрена показала, что дисперсии однородны. В результате оценки значимости коэффициентов модели по t-критерию Стьюдента установлено, что значимы все факторы и одно взаимодействие Х1Х3. Физический смысл взаимодействия натяга в соединении и толщины стенки гильзы заключается в их совместном влиянии на контактное давление в соединении и, соответственно, на тепловую проводимость контакта и скорость нагрева.

Оценка адекватности модели по коэффициенту множественной корреляции R 2 и F-критерию Фишера показывает, что модель соответствует опытным данным с вероятностью 98,5 %. Полученная модель применима при изменении значений технологических параметров соединения в исследованной области факторного пространства.

Характер и степень влияния технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» на скорость нагрева представлены на рис. 5.

Анализ зависимости показывает, что большее влияние на скорость нагрева образцов и, соответственно, условия теплопередачи в соединении «гильза-блок цилиндров» оказывают толщина стенки гильзы и величина натяга.

Шероховатость посадочной поверхности гильзы влияет на условия теплопередачи в соединении в меньшей степени.

Условия теплопередачи в соединении «гильза-блок цилиндров» улучшаются при уменьшении толщины стенки гильзы, увеличении натяга в соединении и уменьшении шероховатости посадочной поверхности гильзы.

Рис. 5. Влияние натяга в соединении, шероховатости и толщины стенки гильзы на скорость нагрева Лучшие условия теплопередачи в соединении «гильза-блок цилиндров» в исследованной области факторного пространства наблюдаются при толщине стенки гильзы 1,5 мм, величине натяга в соединении 0,0014 dн.с. и шероховатости посадочной поверхности гильзы Ra 0,20 мкм.

Исследованиями монтажных деформаций цилиндров блоков серийного исполнения установлено, что деформации цилиндров имеют неравномерный характер (рис. 6). Как видно из рисунка, наибольшие монтажные деформации цилиндров блоков серийного исполнения наблюдаются в плоскости качания шатуна (А-А) на расстоянии 10 мм от верхней плоскости блока и составляют 21 мкм. Минимальные монтажные деформации цилиндров располагаются в направлении оси коленчатого вала (Б-Б), что объясняется наибольшей жесткостью цилиндров в этой зоне.

Исследованиями влияния технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» на монтажные деформации цилиндров установлено, что выступание гильзы над плоскостью блока приводит к существенному увеличению деформаций цилиндров (рис. 7).

а б Рис. 6. Распределение отклонений размеров цилиндров блоков серийного исполнения:

а – по длине цилиндра;

б – в диаметральном сечении на расстоянии 10 мм от верхней плоскости блока а б Рис. 7. Отклонения размеров цилиндров с установленными ремонтными гильзами на расстоянии 10 мм от верхней плоскости блока:

а – при отсутствии выступания гильзы над плоскостью блока =0 мм;

б – при выступании гильзы над плоскостью блока =0,04 мм Увеличение толщины стенки гильзы от 1,5 до 2,5 мм приводит к снижению монтажных деформаций цилиндров с 20 до 17 мкм (рис. 8), что в несколько раз меньше допуска некруглости цилиндров и не может оказать значимого влияния на плотность прилегания поршневых колец к цилиндру и эффективность уплотнения камеры сгорания.

а б Рис. 8. Отклонения размеров цилиндров с установленными ремонтными гильзами на расстоянии 10 мм от верхней плоскости блока:

а – при толщине стенки гильзы 1,5 мм;

б – при толщине стенки гильзы 2,5 мм Изменение натяга в соединении от 0,04 до 0,12 мм (что соответствует диапазону 0,000450,0014 dн.с.), вне зависимости от толщины стенки гильзы, практически не сказывается на величине и характере монтажных деформаций цилиндров.

Анализ результатов исследования показывает, что характер монтажных деформаций цилиндров блоков серийного исполнения и блоков, восстановленных постановкой ремонтных чугунных гильз, в целом идентичен, а величина деформаций цилиндров с установленными ремонтными гильзами на 14 мкм меньше деформаций цилиндров блоков серийного исполнения. Это свидетельствует об отсутствии негативного влияния технологии восстановления блоков цилиндров из алюминиевых сплавов постановкой ремонтных чугунных гильз на изменение геометрической формы цилиндров.

В пятой главе «Рекомендации и экономическая эффективность» приведены рекомендации ремонтному производству и определена экономическая эффективность усовершенствованной технологии.

Для достижения качественных результатов при восстановлении блоков цилиндров из алюминиевых сплавов постановкой ремонтных чугунных гильз рекомендуется:

- при дефектации поступающих в ремонт блоков цилиндров контроль отклонений размеров и формы цилиндров с особой тщательностью производить в верхней зоне цилиндров, на расстоянии 520 мм от верхней плоскости блока;

- толщину стенки ремонтной гильзы предпочтительнее обеспечивать равной 1,5 мм;

если для замены удаляемой «сухой» вставки цилиндра необходима ремонтная гильза с большей толщиной стенки, то толщину стенки ремонтной гильзы следует обеспечивать минимально возможной;

- шероховатость посадочной поверхности гильзы обеспечивать равной Ra0,32 мкм;

- натяг в соединении выдерживать равным 0,00120,0014 dн.с.;

- торец ремонтной гильзы после ее установки обрабатывать «заподлицо» с поверхностью прилегания блока цилиндров к головке цилиндров.

Расчетный экономический эффект от применения усовершенствованной технологии при восстановлении четырехцилиндрового блока цилиндров из алюминиевого сплава постановкой ремонтных чугунных гильз составляет 5400 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Исследованиями технического состояния поступающих в ремонт блоков цилиндров установлено, что происходящие в процессе эксплуатации ДВС изменения размеров и формы цилиндров у блоков различного конструктивного исполнения существенно отличаются. Для блоков цилиндров с верхней связующей плитой характерным является незначительный износ цилиндров, составляющий 0,045 мм при овальности 0,02 мм. Для блоков без верхней связующей плиты преобладающим дефектом цилиндров является их деформация, достигающая в верхней зоне цилиндров 0,070,08 мм. При этом величина износа цилиндров в зависимости от особенностей конструкций блоков может быть незначительной (0,055 мм) или достигать 0,380,40 мм.

2. Определена математическая модель, описывающая с вероятностью 98,5% влияние технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» на условия теплопередачи в нем. Установлено, что условия теплопередачи в соединении улучшаются, в большей степени, при уменьшении толщины стенки гильзы и увеличении натяга и, в меньшей степени, при уменьшении шероховатости посадочной поверхности гильзы. Лучшие условия теплопередачи в соединении «гильза-блок цилиндров» обеспечиваются при толщине стенки гильзы 1,5 мм, величине натяга 0,0014 dн.с и шероховатости гильзы Ra 0,20 мкм.

3. В результате экспериментальных исследований определена степень влияния технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» на величину монтажных деформаций цилиндров. Установлено, что выступание гильзы над плоскостью блока приводит к существенному увеличению монтажных деформаций цилиндров. Увеличение толщины стенки гильзы от 1, до 2,5 мм и натяга в соединении от 0,00045 до 0,0014 dн.с. не оказывает значимого влияния на величину монтажных деформаций цилиндров.

4. Исследованиями установлено отсутствие значимой разницы характера и величины монтажных деформаций цилиндров блоков, восстановленных постановкой ремонтных чугунных гильз, и блоков серийного исполнения.

5. Разработаны рекомендации ремонтному производству по выбору значений технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» при восстановлении блоков цилиндров из алюминиевых сплавов постановкой ремонтных чугунных гильз. Расчетный экономический эффект при восстановлении четырехцилиндрового блока цилиндров постановкой ремонтных чугунных гильз, в соответствии с разработанными рекомендациями, составляет 5400 руб.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Завороткин Е.А. Особенности конструкций алюминиевых блоков цилиндров современных ДВС // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета №19. – СПб.: СПбГАУ, 2010.

– С. 317-322.

2. Антипов А.И., Завороткин Е.А. Исследование дефектов цилиндров алюминиевых блоков цилиндров современных ДВС // Труды всероссийского научно-исследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГНУ ГОСНИТИ) №107.

– М.: ГНУ ГОСНИТИ, 2011. – С. 65-68.

3. Антипов А.И., Завороткин Е.А. Исследование монтажных деформаций цилиндров двигателей внутреннего сгорания // Известия Санкт Петербургского государственного аграрного университета №24. – СПб.:

СПбГАУ, 2011. – С. 291-297.

4. Касавченко Е.В., Завороткин Е.А. Исследование влияния технологических параметров соединения «гильза-блок цилиндров» на условия теплопередачи // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета №24. – СПб.: СПбГАУ, 2011. – С. 315-321.