L.R - Laboratornaya_rabota_docx
Лаборатория #1. Определяне на конструктивните съотношения на основните елементи на CPG и KShM. бутало.
Цел. Запознаване на практика с конструкцията на основните елементи на цилиндро-буталната група на двигателя и коляно-мотовилния механизъм. Установяване на характерни конструктивни зависимости и тяхното сравнение с тези, развити от практиката на проектиране на двигатели с вътрешно горене.
Описание на конструкцията, условията на работа, конструктивните характеристикибутало.
• предаване на силата на налягането на газа към съединителния прът (в дизеловите двигатели на багажника) или към буталния прът (в дизеловите двигатели с напречна глава),
• предаване на нормална сила към стената на цилиндъра (при дизелови двигатели с багажник),
• оформяне на горивната камера и осигуряване на нейната херметичност,
• управление на отваряне и затваряне на прозорци (при двутактови дизелови двигатели).
Според конструкцията се разграничават бутала на стволови дизелови двигатели - твърди или композитни, неохлаждани или охлаждани, и дизелови двигатели с напречна глава - композитни, охлаждани.
Дизайн и материал на буталата.
За най-често срещаните двигатели на багажника горната част на буталото (фиг. 1, a, b) се нарича глава 8, а долната част се нарича багажник (пола) 1. Главата възприема налягането на газа, частта на багажника на буталото служи като водач. Обикновено багажникът има по-голям диаметър от главата, така че върху него са предвидени уплътнителни пръстени 7. В неговите приливи 3, наречени издатини, е поставен бутален щифт 4. Над багажника и в долната му част са монтирани маслени скреперни пръстени 6 и 2.
Буталата за корабни дизелови двигатели са изработени от чугун марки SCH32, SCH24, SCH28 и от алуминиеви сплави от марки AL-1, AK-2, AK-4, лята топлоустойчива сплав AL-19. Алуминиевите бутала са по-леки от чугунните. Това е много важнопредимството на буталата, тъй като стойността на инерционната сила, действаща в коляновия механизъм, зависи от тяхната маса. Алуминиевите сплави имат висока топлопроводимост и следователно. преносът на топлина от алуминиеви бутални глави към уплътнителни пръстени и цилиндрови втулки се увеличава. Температурата на такива бутала е по-ниска от чугуна.
Недостатъкът на буталата от алуминиеви сплави е тяхната малко по-висока цена. Освен това те се износват по-бързо и в резултат на значителния коефициент на линейно разширение на алуминия е необходимо да се увеличи пролуката между буталото и цилиндровата обшивка, което не е желателно, тъй като буталата ще чукат, когато двигателят е студен.
P
a - тип NFD48 (алуминиева сплав), b - типChSP18/22 (чугун),c - тип ZD6
Работни условия на буталото.
Главата на буталото възприема налягането на газа и извършва разпределение на газ (в двутактови дизелови двигатели), багажникът действа като плъзгач, плъзгащ се по стената на цилиндъра, прехвърля нормална сила към него и затваря изпускателните и продухващите прозорци, когато буталото е в TDC, за да предотврати пробива на газове и продухване на въздух в картера (в двутактови дизелови двигатели). Полата на буталото при дизелови двигатели с напречна глава осигурява центрирането му в цилиндъра и покрива прозорците, когато буталото е в ГМТ (при двутактови дизелови двигатели с неконтролирано изпускане).
По време на работа с дизел буталото се нагрява и разширява повече от втулката на цилиндъра. За да се предотврати задръстване на буталото, между него и втулката на цилиндъра е предвидена термична междина. Най-интензивно се нагрява главата на буталото. Следователно радиалната хлабина 5 между главата и ръкава е зададена по-голяма, отколкото между тялото (или полата) и ръкава. За тази бутална главаизработват се с по-малък диаметър от ствола или се обработват на конус. Пролуката зависи от диаметъра на цилиндъра, дизайна, материала и условията на охлаждане на буталото, установява се емпирично, тъй като с увеличаване на пролуката температурата на газа и буталото над горния бутален пръстен се повишава, влошавайки условията му на работа. Пролуката между багажника и втулката трябва да позволява само свободно движение на буталото. Голяма празнина причинява удари, когато буталото преминава през мъртви точки, тъй като нормалната сила променя посоката си и измества буталото в цилиндъра от едната страна на другата. Между другото, появата на тъпи удари показва износване на групата цилиндър-бутало.
За дизелови двигатели на багажника с чугунени бутала, диаметралната топлинна междина (2δ) между главата и втулката обикновено е 0,006D, а между багажника и втулката -0,001D; за бутала, изработени от алуминиеви сплави, празнините са зададени приблизително 2 пъти по-големи.
Буталото е подложено на високи механични и термични натоварвания.
Механичните натоварваниясе появяват под действието на силата на налягането на газа и инерционната сила. Силата на налягането на газа Рg причинява циклично повтаряща се деформация на дъното и стената на буталото, а силата на инерцията PJ се стреми да счупи шпилките на главата или дъното (при композитните бутала).
Топлинните натоварваниясе дължат на директния контакт на главата на буталото с горещи газове (8-10% от топлината, отделена при изгарянето на горивото в цилиндъра, се отвежда през буталото), топлинното натоварване на буталото се увеличава рязко с увеличаване на диаметъра на цилиндъра D (квадратична зависимост) и при прехода от четиритактов (m = 2) към двутактов
При стволови дизелови двигатели, при равни други условия, термичното натоварване на буталото е по-високо, отколкото при кръстосаните, порадидопълнително нагряване на челото на буталото от триене по стената на цилиндъра. При двутактови дизелови двигатели с газообменна верига неравномерното нагряване на буталото води до значителна асиметрия на температурното поле спрямо неговата ос и появата на допълнителни топлинни напрежения.
При двутактови дизелови двигатели със схема за обмен на газ с директен поток, голямото топлинно натоварване на изпускателното бутало се дължи на горещи газове, които измиват не само дъното на буталото, но и цялата странична повърхност на главата му. При най-добри условия работят буталата на дизеловите двигатели с продухване на клапана с директен поток, при което продухващият въздушен поток охлажда добре и равномерно главата на буталото.
Силното нагряване на главата намалява нейната якост, а значителните температурни разлики (аксиални и радиални) причиняват високи топлинни напрежения в дъното на буталото и главата се деформира.
Термичните напрежения и естеството на деформацията значително зависят от формата на короната на буталото. Ако дъното е условно отделено от стените на главата на буталото, тогава при линейна промяна на температурата по дебелината няма да възникнат термични напрежения в дъното и свободната му термична деформация ще се изрази в увеличаване на външния диаметър и огъване към газове. При реални условия свободната термична деформация на дъното се предотвратява от по-студените стени на главата на буталото и в ставите възникват моменти на огъване M и сили на натиск Q. В резултат на това плоското дъно и вдлъбнатото ще се огънат към студени повърхности, а върху горещите повърхности на дъната (от страната на газа) ще се появят термични напрежения на натиск, които се увеличават поради циклично действащи механични натоварвания; студените повърхности на дъната под действието на термични и механични натоварвания ще изпитват напрежения на опън. Ако по време на работа на дизел температурата на дъндостигне стойност, при която възниква явлението "crippa" (пълзене на материала), тогава напреженията на натиск върху горещата повърхност се премахват.
След намаляване на натоварването или спиране на дизеловия двигател, буталото се охлажда и в него възникват остатъчни напрежения на опън, които могат да причинят пукнатини, които прогресират по време на по-нататъшна работа на дизеловия двигател с алтернативно нагряване и охлаждане на буталото. В изпъкналото дъно на буталото силата Q върху рамото / създава огъващ момент, противоположен по знак на момента M и обикновено по-значителен по стойност. В резултат на това върху горещата повърхност на изпъкналото бутало ще се появят напрежения на опън. Като се има предвид обратната посока на действие на механичните натоварвания от газовите сили, изпъкналата форма на дъното е най-подходяща.
При дизеловите двигатели на багажника, в резултат на действието на силата на налягане на газовете върху короната на буталото, нормалната сила N върху страничната повърхност, нагряването от главата на буталото и топлината на триене, багажникът на буталото също се деформира. Поради неравномерното разпределение на метала по напречното сечение на фунията, той придобива овална форма с по-голяма ос по оста на буталния щифт, който е като че ли водач по време на деформация. В резултат на това може да възникне смущение между цилиндровата втулка в багажника, което ще доведе до блокиране на буталото. Следователно, в повечето конструкции в областта на главите, металът се отстранява от повърхността на буталото.
За дизелови двигатели с напречна глава, полата на буталото се разтоварва от нормалната сила N, но може да докосне стената на цилиндъра с голяма празнина в паралелната двойка плъзгач, както и поради вибрации и разлики в налягането върху страничната повърхност на буталото от изпускателната и продухващата страна по време на отваряне на изпускателните прозорци (в двутактови дизелови двигатели с контурно продухване).
Най-големите топлинни напрежения от радиалната температурна разлика възникват вдъна на неохладени, а от аксиалните - в дъна на охладени бутала, въпреки че общото ниво на термично натоварване в последните е по-ниско.
При неохладените бутала топлината от главата се отвежда от охлаждащата вода на цилиндъра през буталните пръстени (60-80%) и багажника (20-40%). Определено количество топлина се отвежда през буталния щифт към мотовилката и също се прехвърля към картерните газове и маслената мъгла.