Основните причини за износване на буталата на двигател с вътрешно горене
Известно е, че най-бързо износващата се част от двигателите с вътрешно горене (особено форсираните) е буталото, което излиза от строя главно поради износване на първия канал на буталото [110, 111]. Интерфейсът пръстен-бразда (SCM) работи при условия на високи циклични налягания - 7,5-15,0 MPa и високи температури от 470-570 K. Степента на износване на интерфейса се влияе от относителната скорост на движение на частите, силите на триене и инерцията на пръстена, условията и качеството на смазване, количеството на наличните абразивни частици и продукти от горенето, конструктивните характеристики, точността на производство и материала части, режим и условия на работа на двигателите.
Недостатъчната производителност на SKK се проявява особено силно при замяната на чугунени бутала с алуминиеви, което води до увеличаване на стойността и скоростта на износване на чифтосване с коефициент 2–3 в сравнение с чугунените бутала (фиг. 10.1 [28,110, 111]).
По време на работа на двигателя различни сили (триене, налягане на газа, инерция и т.н.) действат в SCM, което кара пръстена да се движи циклично спрямо канала и цилиндровата втулка.
Подробни изследвания, извършени в [29, 30, 112–119], позволиха да се установят естеството и параметрите на относителното изместване на пръстена в жлеба на буталото: радиално изместване от 0,05–0,25 mm със скорост на изместване 0,3–2,0 m/s, въздействието на пръстена върху жлеба поради силите на триене и инерцията на пръстена достига стойности
около 0,2-0,5 MPa, въртеливото движение на пръстена е няколко оборота в минута.
От анализа на взаимодействието на пръстена с жлеба на буталото следва, че увеличаването на размера на жлеба и неговото разрушаване възниква както от ударното действие на пръстена върху стените на жлеба с относително ниска енергия на удара, така и в резултат на износване по време на триене при условиявъзвратно-постъпателно движение на пръстена и действието на циклични налягания (6-14 MPa) на процеса на горене (фиг. 10.2)
В SCC се наблюдават всички видове абразивно износване (микрорязане, вграждане на абразивни частици в по-мека матрица, повърхностна деформация на метални микрообеми и др.), Които са придружени от окислителни и други електрохимични процеси и протичат при температури 470–570 К с ударно натоварване. Твърдостта на алуминиевите сплави, от които са направени буталата, при тези температури е 3-6 пъти по-малка от чугуна, стоманата и абразивните частици. Следователно може да се предположи, че при SCC първоначално абразивът се въвежда в по-меката алуминиева матрица на жлеба на буталото и пръстенът се износва от фиксирани частици на абразива.
С натрупването на абразивни частици, продукти на износване, изгаряне на гориво и масло се създават условия на триене срещу абразивния слой, което води до увеличаване на износването на по-малко твърд материал, т.е. канали на буталото [28,30].
Тестовете на машина за триене за двойка чугун-алуминиева сплав [28, 29, 30] потвърдиха
горния механизъм за износване. При ниско съдържание на кварцов прах в смазката (до 0,25%) се наблюдава по-голямо износване на пробата от чугун, с увеличаването му се увеличава износването на алуминиевата проба. Трябва да се отбележи, че движението на пръстена в жлеба е няколко десети от милиметъра. Това е много по-малко от дължината на контактните повърхности и води до условия, при които абразивни частици и продукти
износването не се отстранява от зоната на триене. Този механизъм на взаимодействие между триещите се повърхности се нарича фретинг корозия [28, 120]. Очевидно процесите на фретинг се срещат до известна степен и в SCC.
О 2 4 6 т, хил.ч
Ориз.10.1. Сравнение на износването на горните бутални канали на различни бутала: 1-алуминий; 2-чугун; 3 части (стомана+алуминий)
Ориз. 10.2. Схема на взаимодействие на части от буталната група и естеството на износването на жлеба на буталото (пунктирана линия): S - начална празнина в интерфейса пръстен-бразда; AS - амортизация
Основната причина за засилване на износването на каналите е рязкото намаляване на механичните свойства на буталните сплави от продължително излагане на високи температури [17,120–126]. Например, твърдостта на сплавта AK 4 при температура 573 K е 18-20 HB, а сплавта Al 25, съответно, 17-23 HB, въпреки че в първоначалното им състояние твърдостта им е не по-малка от 90-110 HB. Освен това при високи температури масленият филм между пръстена и жлеба изгаря. "Омекотяването" на алуминиевите сплави увеличава дела на пластичното счупване на канала, което е особено характерно за високоскоростните дизелови двигатели. Увеличаването на инерционната сила на удара на пръстена по време на форсиране на завои води до увеличаване на пластичната деформация на повърхностните слоеве на метала на стените на жлеба.
Посочената деформация възниква и в момента на изместване на буталото, когато пръстенът се притиска към долната стена на жлеба в горната мъртва точка от силата на налягането на газа и се деформира до известна степен. В този момент възникват високи специфични налягания, водещи до екструзия на материала от зоната на триене към външната част на жлеба [121]. Може да се приеме, че в този случай водеща роля в износването и разрушаването на канала на буталото има пластичната деформация, а съпътстващите са абразивното и корозионното износване.
Преобладаването на стойностите на износване на пръстените над износването на каналите е отбелязано главно при дизелови двигатели с ниска мощност на трактори [111,124,125]. Подадена [126] по време на прегледа на двигателите на трактора SMD-14, преминали в експлоатациятестове в машинни тестови станции, за 2000 часа работа на дизел, износването на 1-ви бутален пръстен е 0,157 mm, износване
бразди - 0,053 mm, т.е. съответно 70-75% и 20-30%.
Когато се обясняват причините за този характер на износване, няма консенсус. Смята се, че основната причина за по-голямото износване на пръстена е въвеждането на малки абразивни частици в омекотената алуминиева матрица, които износват по-твърдия чугунен пръстен, предпазвайки канала от износване. Въпреки това, при изпитване със специално разпрашаване на входящия въздух, не се наблюдава гореописаното съотношение на износване в чифтосването, каналът е износен повече от пръстена в съотношение 7: 3 [29, 119].
Очевидно е, че абразивното и корозионното износване са практически неразделни, тъй като продуктите от корозия могат да бъдат абразивни частици. В резултат на това при условия на интензивно корозивно износване (с чести стартирания и спирания на дизеловия двигател, работа при ниски температури на охлаждащата вода, с високо съдържание на сяра в горивото) каналът на буталото и особено пръстенът се износват.
Изследването на повърхността на триене и данните от измерването на микротвърдостта на долния край на пръстена показаха, че микротвърдостта в различни точки на пръстена се оказа неравномерна (Hi = 30-70 N/mm2), поради което се предполага, че областите с висока твърдост са закалени. В същото време при голямо увеличение беше установено, че повърхността представлява лъскави метални острови (участъци от фосфидна евтектика, графит и перлит), заобиколени от разрушен метал и тази структура се счита за следствие от електрохимична корозия [30, 126].
Авторите на [126] проведоха тестове на машина за триене с въвеждане на различни количества абразив в зоната на триене на двойка алуминий-чугун.
Беше показано, че с малко количество абразивпробата от чугун се износва повече. Увеличаването на количеството абразив води до увеличаване на износването на алуминиевата проба.
Работата [29] показва кривата на износване на интерфейса пръстен-жлеб. Износването в SCC може да бъде разделено на три отделни области (Фиг. 10.3): разработване (1), стационарно (2) и принудително (аварийно) износване (3). Времето за разработка е около 40-100 часа, което е много малко в сравнение с другите два участъка. Ресурсът на SKK практически се определя от секция 2. Секция 3, където се изисква смяна на буталната група, е много по-малка и възлиза на 100-1000 часа.
Интензивността на износване в SCC в раздел 2 е силно повлияна от свойствата на материалите на контактните повърхности, наличието на абразив, агресивността на средата и температурата в зоната на взаимодействие.
Горният анализ показва, че основните преобладаващи видове износване и разрушаване на SCM са: за нефорсирани и нискофорсирани двигатели, абразивно износване, придружено от окислителни и корозионни процеси; за форсирани двигатели, пластична деформация на повърхностните слоеве на метала на стените на жлебовете, причинена от намаляване на механичните свойства на алуминиевите сплави от
Ориз. 10.3. SKK износване в зависимост от времето:
1 - работа (40-100 часа); 2-установен режим (5-10 хиляди часа);
3-принудително износване (100-1000 часа)
действието на високи температури, повишаване на максималното налягане на горене и инерционни удари на пръстена, придружени от абразивни и корозивни процеси.
Тъй като е практически невъзможно да се елиминират тези видове износване и разрушаване в SCC, основната посока за увеличаване на издръжливостта на буталото трябва да се разглежда от гледна точка на намаляване на интензивносттапротичащи процеси на износване.
Такова решение е създаването на контактни повърхности на пръстена и жлеба от материали с повишена устойчивост на абразивно износване и пластична деформация при повишени температури.
За да отговаря на изискванията, материалът на буталото в горната зона на канала (в сравнение с основната сплав на буталото) трябва да има по-висока твърдост (за намаляване на абразивното износване) и устойчивост на топлина (за намаляване на пластичната деформация) при повишени температури.
Осигуряването на необходимата издръжливост на SKK се извършва с помощта на разработените методи, насочени главно към укрепване и повишаване на износоустойчивостта на пръстеновидния жлеб.