Шатунно-поршневая группа дизеля
Шатунно-поршневая группа вместе с коленчатым валом являются основным рабочим механизмом поршневого двигателя внутреннего сгорания. Поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала при помощи шатуна, сочлененного шарнирно с верхней головкой поршневым пальцем и нижней головкой с шейкой колена вала. Рабочая полость располагается над поршнем в цилиндре, закрытом крышкой. Поршень — наиболее ответственная и напряженная часть двигателя. Он выполняет следующие функции:
обеспечивает требуемую форму камеры сгорания и герметичность внутрицилиндрового пространства;
передает силу давления газов на шатун и систему цилиндра;
управляет открытием и закрытием окон (выполняет функции золотника).
В процессе работы на поршень действуют механические нагрузки давления газов и сил инерции, а также высокие тепловые нагрузки в период непосредственного соприкосновения его с горячими газами при сгорании топлива и расширении продуктов сгорания. Дополнительно поршень нагревается от трения о стенки цилиндра. При нагреве поршня понижаются механические свойства его материала и возрастают термические напряжения в нем. К тому же ухудшается наполнение цилиндра свежим зарядом, из-за чего уменьшается мощность двигателя, появляются условия для заклинивания поршня в цилиндре, ухудшается работа кольцевого уплотнения. Поршни ДВС, наряду с достаточной прочностью и жесткостью, должны иметь возможно меньшую массу для уменьшения сил инерции, обладать высокой теплопроводностью и износостойкостью. Конструкция поршня должна обеспечивать свободное перемещение его в цилиндре и достаточную герметичность для предотвращения прорыва газа из камеры сгорания в картер и попадания масла со стороны картера в рабочую полость цилиндра, что наблюдается при больших зазорах между кольцом и канавкой поршня. При этом появляется так называемое насосное действие поршневых колец, которое происходит при перекладке зазоров между кольцами и стенками канавок поршня в ВМТ и НМТ.
На наружной поверхности в верхней цилиндрической части поршня имеются канавки для поршневых колец, необходимых для предохранения цилиндра от прорыва газов и попадания смазки из картера в камеру сгорания. Нижняя часть поверхности поршня служит направляющей. Верхнюю часть поршня называют головкой, а направляющую (тронковую) часть — юбкой. На внутренней поверхности юбки поршня имеются бобышки с отверстиями для установки поршневого пальца.
Поршни изготавливают из стали, чугуна, алюминиевых и магниевых сплавов. На тепловозах применяют поршни в основном чугунные, а также из алюминиевых сплавов.
Чугунные поршни отличаются малым коэффициентом линейного расширения, высокой прочностью и износостойкостью, но имеют большую массу по сравнению с алюминиевыми. Поршни из алюминиевых сплавов обладают меньшей прочностью и износостойкостью, но значительно легче чугунных. Теплопроводность алюминиевых сплавов в 3.4 раза выше, чем у чугуна, поэтому температура днища поршней из алюминиевых сплавов ниже, чем у чугунных поршней. В этой связи в двигателях с поршнями из алюминиевых сплавов улучшается наполнение цилиндра свежим зарядом и уменьшаются затраты энергии на трение поршня о цилиндр вследствие меньшего коэффициента трения алюминиевых сплавов.
Существенным недостатком поршней из алюминиевых сплавов является высокий коэффициент линейного расширения по сравнению с чугунными (примерно в 2.2,5 раза больше, чем у чугуна). Поэтому поршни из этих сплавов устанавливают в цилиндры с большим зазором, который затрудняет пуск дизеля, вызывает стук при работе непрогретого двигателя и на малых оборотах коленчатого вала.
Поршни из алюминиевых сплавов применяются на дизелях ПДШ, Д50, ЗЮБЯ, М750, 1Д12 и др. На дизелях 11Д45, 14Д40 применяются составные поршни, состоящие из тронка, головки и вставки. На дизелях типа Д100 установлены поршни, у которых чугунная головка и тронк отлиты в единую деталь. Поршни дизелей типа Д49 имеют стальную головку, а тронк и вставка их изготовлены из алюминиевого сплава в виде единой детали (рис. 7.12).
Для лучшего охлаждения головок поршней в их днищах с внутренней стороны сделаны канавки, к которым подается масло из верхней головки шатуна через стакан, прижимаемый пружиной к шатуну. Горячее масло по каналу в поршне стекает в картер. В отверстия бобышек тронка устанавливается палец, соединяющий верхнюю головку шатуна с поршнем, на головке которого проточены канавки для поршневых колец.
Поршневые кольца по своему назначению делятся на компрессионные (уплотнительные) и маслосъемные (маслосрезываю-щие). Компрессионные кольца предназначены для уплотнения зазора между поршнем и цилиндром и отвода тепла от поршня.
Маслосъемные (маслосрезывающие, маслосгонные) кольца (рис. 7.13) препятствуют попаданию масла в камеру сгорания. Разрезные кольца прижимаются к стенке цилиндра за счет собственной упругости и давления газов. В период сгорания топлива силы от давления газов в 40. 70 раз превышают силы упругости колец. Высокие температуры и недостаток смазки приводят к большим износам как колец (особенно первого), так и втулки цилиндра.
Число поршневых колец, обеспечивающих достаточное уплотнение, определяется частотой вращения коленчатого вала и типом двигателя. Чем выше частота вращения, тем меньше число поршневых колец. Изготавливаются поршневые кольца из специального чугуна по особой технологии. В двухтактных дизелях типов Д100, Д40, поршни которых работают в тяжелых термодинами-
Рис. 7.12. Поршень дизеля 1А-5Д49-2: 1 — шпилька; 2 — втулка; 3 — палец; 4 — стопорное кольцо; 5 — уплотнительное кольцо; 6 — головка поршня; 7 — компрессионные кольца с односторонней трапецией; 8 — компрессионное (минутное) кольцо; 9, 15 — маслосъемные кольца; 10 — экспандер; /1 — тронк; 12 — трубка; 13 — стакан; 14 — пружина; 16 — проволока; 17- гайка; а — полость охлаждения днища крышки; б — отверстие для перетока масла; в — канал для слива масла из полости охлаждения
Рис. 7.13. Поршневые кольца: а — уплотнительные: 1-5- сечения колец; а — угол скоса поршневых колец; р — угол скоса, предназначенного для очистки канавки поршневого кольца; б — маслосрезывающие: 1-9 сечения колец; у — угол скоса рабочей плоскости; в — замки колец: 1-3 — формы колец; Д — зазор
ческих условиях, применяются биметаллические кольца — чугунные со вставкой из бронзы и двойным конусом наружной поверхности. Бронзовая вставка при работе двигателя изнашивается, образуя на стенке цилиндра металлическую пленку, которая предохраняет зеркало цилиндра от задиров и увеличивает теплоотдачу. Компрессионные кольца для повышения износостойкости покрывают хромом. На быстроходном дизеле типа М750 применяют хромированное стальное кольцо, которое устанавливают в первую канавку для повышения надежности.
Маслосрезывающие кольца выполняются с одним или двумя окнами для отвода масла. В некоторых кольцах для повышения упругости используются экспандеры. Замки колец бывают косые под углом 15°, прямые или выполненные внахлест.
Различают поршневые пальцы с жестким закреплением в бобышках поршня или вставки и плавающие, которые могут вращаться вокруг собственной оси. Плавающие пальцы имеют меньший износ, и они чаще применяются на тепловозных дизелях. При работе на поршневой палец действуют большие силы, переменные по величине и направлению. Он должен быть прочным и износостойким, поэтому его изготавливают из высококачествен-
Рис. 7.14. Шатунно-поршневая группа дизелей типа Д49: 1 — главный шатун; 2 — поршень; 3 — пружина; 4 — стакан; 5 — маслосъемное кольцо с экспандером; 6 — тронк; 7 — втулка верхней головки шатуна; 8 — палец; 9 — стопорное кольцо; 10 — болт прицепного шатуна; 11 — прицепной шатун; 12 — палец прицепного шатуна; 13 — втулка-подшипник; 14 — шатунные болты; 15 — крышка; 16 — вкладыши; о, в, г, д, е — каналы; б — полость охлаждения; ж — отверстие под штифт; з — зубчатый стык
ной углеродистой или легированной стали. Рабочую поверхность пальца цементируют с последующей термической обработкой для придания ей большей твердости.
Шатун связывает колено вала с поршнем. При работе шатун совершает сложное качательное движение и подвергается переменной по величине и направлению нагрузке от давления газов и сил инерции. Действующие на шатун силы вызывают в нем сложные деформации — сжатие, растяжение, продольный и поперечный изгибы. Поэтому шатун должен быть жестким и прочным при возможно малой массе. Шатуны изготавливают из углеродистой или легированной стали ковкой или штамповкой с последующей механической и термической обработкой.
В зависимости от типа двигателя и расположения цилиндров на тепловозах применяются шатуны однорядных и У-образных двигателей.
Стержни шатунов имеют двутавровое сечение. В У-образных дизелях (типа Д40, Д49, М750 и др.) применяются шатуны с прицепным сочленением главного и прицепного шатунов (рис. 7.14).
В верхней головке шатунов однорядных двигателей запрессовывается бронзовая втулка с канавками для масла. Нижняя головка разъемная. Крышка нижней части крепится болтами. Точная установка крышки обеспечивается штифтами или замковым устройством разъема в виде зубцов либо в виде каблучков.
В нижнюю головку шатуна устанавливаются верхний и нижний стальные тонкостенные вкладыши, залитые по рабочей плоскости свинцовистой бронзой. Тыльная сторона вкладышей покрывается медью. Вкладыши устанавливают с натягом, который, измеренный в специальном приспособлении, выбивается на торце вкладыша. Вкладыши не взаимозаменяемы. В нижнем вкладыше имеются канавки с отверстиями для перетока масла, которое по отверстиям и по каналу в крышке перетекает в канал стержня шатуна и далее к верхней головке и днищу поршня.
Шатунный механизм У-образных дизелей состоит из главного и прицепного шатунов, соединенных между собой пальцем. В дизеле типа Д49 палец закрепляется двумя болтами к прицепному шатуну, который имеет вращательные движения во втулке, запрессованной в проушине главного шатуна. В дизелях типов Д40 и Д45 палец штифтом крепится к проушине главного шатуна, а нижняя головка прицепного имеет запрессованную втулку-подшипник. Через отверстия в нижней головке масло поступает к пальцу, затем по каналу стержня прицепного шатуна к верхней головке и далее к днищу поршня.
В эксплуатации работа деталей шатунно-поршневой группы происходит в условиях больших термических и механических нагрузок. Наиболее распространенными повреждениями являются:
у поршней — термические трещины и прогары головок поршней; износ и отслаивание полуды тронковой части поршня; износ ручьев под кольца; наблюдается насосное действие поршневых колец, сопровождаемое повышенным расходом масла; задиры поршней; трещины у ручьев поршней, а также их вставок; ослабление или обрыв шпилек крепления вставки (Д100), шпилек крепления головки поршня к тронковой части (Д49); ослабление посадки и износ втулок под поршневой палец;
у поршневых колец — износ, излом, пригорание и потеря упругости;
у поршневых пальцев — износ (овальность, конусность), трещины, задиры;
у шатунов — износ и выкрашивание втулки, трещины, изгиб, скручивание, обрыв шатунных болтов, повреждение резьбы, вытягивание шатунных болтов, закупорка масляных каналов;
у вкладышей шатунов — износ, выкрашивание баббитовой заливки, потеря натяга.
При проведении ТО-3 запускают дизель, убеждаются в отсутствии посторонних шумов при работе деталей шатунно-поршне-вой группы и клапанов, течи воды через уплотнения втулок цилиндров. После остановки двигателя проверяют затяжку гаек цилиндровых крышек, производят дозатяжку шпилек крепления втулок цилиндров, проверяют крепление шатунных подшипников, положение стыков вкладышей, состояние шплинтов гаек шатунных болтов, поворачивая коленчатый вал, осматривают втулки цилиндров. Прокачивают масло дизеля и убеждаются в его поступлении к шатунным подшипникам, втулкам верхних головок шатунов, на охлаждение поршней, к рычагам привода клапанов и гидротолкателя. На дизелях типа Д100 осмотр гильз цилиндров, поршней и поршневых колец проводят через открытые люки картера, выпускного коллектора и воздушного ресивера, освещая осматриваемые детали переносной лампой. Для проворачивания коленчатого вала применяют электропривод к валоповоротному механизму.
При проведении ТР-1 кроме выполнения вышеперечисленных работ регулируют зазоры в гидротолкателях и опрессовывают дизель водой. Пропуск воды через уплотнения втулок цилиндров и крышек не допускается.
На цилиндрах типах Д100 открывают крышки воздушных ресиверов и выпускных коллекторов для проверки состояния поршневых колец верхних и нижних поршней. Поршни, у которых выявлены оплавление кромок, наличие разгарной сетки в днище, отсутствие слоя олова на тронковой части поршня, грубые риски, задиры, трещины, отколы, ослабление медной вставки поршневых колец, снимают с дизеля, очищают, проверяют дефектоскопом и ремонтируют.
После одиночной смены поршней из-за прогара проверяют линейную величину камеры сжатия и расстояние от головки нижнего поршня (в ВМТ) до оси форсуночного отверстия цилиндро-вочной втулки, которое должно составлять 1,4 мм. Проверяют выход реек топливных насосов, установку форсунок и качество распыла топлива. При необходимости заменяют топливные насосы высокого давления. Качество распыла форсунок проверяют на стенде, в соответствии с требованиями.
При проведении ТР-2 и ТР-3 производят разборку дизеля, перед которой сливают воду, масло, снимают крышу с тепловоза и демонтируют выпускные коллекторы. Снимают топливные насосы высокого давления, лоток с распределительным механизмом штанги и патрубки штанг, крышки клапанной коробки, крышки люков блока, форсунки и трубки к ним. Ослабляют гайки крепления крышек цилиндров к блоку. Отсоединяют прицепные шатуны от главных и, поочередно устанавливая поршни в ВМТ и удерживая их вместе с шатунами во втулке цилиндров с помощью специального приспособления, демонтируют прицепные и главные шатуны в комплекте с цилиндровыми крышками, втулками и поршнями (дизели типов Д49, Д40, Д45).
Каждый комплект устанавливают в кантователь для последующей разборки.
В процессе разборки все детали маркируют, указывая их положение в сборочной единице. Затем все детали подвергают мойке и очистке. Чистые детали освидетельствуют и дефектоскопируют. Отбракованные и не подлежащие восстановлению заменяют, соблюдая соответствие по массе отбракованной детали. Обточку нового ремонтного поршня производят по градационным размерам втулки цилиндра. Увеличение диаметра втулки допускается не более чем на 1,5 мм.
Поршневые и шатунные пальцы подлежат замене при наличии трещин или размеров, выходящих за допустимые пределы. Пальцы, восстановленные методом раздачи, тщательно проверяют магнитным дефектоскопом.
После проверки магнитным дефектоскопом шатуны подлежат обязательному размагничиванию на специальной установке. В отсутствии остаточного магнетизма убеждаются с помощью компаса — на расстоянии 30 см от детали его стрелка не должна отклоняться. Втулки главного и прицепного шатунов подлежат замене, если контрольные размеры выше установленной нормы. Деформацию шатунов (изгиб, скручивание) определяют на контрольной плите — она не должна превышать допуски, установленные Правилами ремонта.
Вкладыши шатунных подшипников тщательно осматривают и бракуют при наличии трещин или отслаивания заливочного слоя, наклепа на поверхности стыков и тыловой части, задиров шириной более 3 мм на армированной поверхности, зазора «на масло» более 0,4 мм, износа армировки до бронзы и недостаточного натяга.
Новый вкладыш подбирают по толщине, обеспечивая зазор «на масло» 0,2.0,3 мм. Прилегание вкладышей к постели проверяют по краске. Оно должно быть более 80 % площади при затянутых шатунных болтах. Натяг вкладышей восстанавливают меднением, толщина которого не должна быть более 0,15 мм.
После сборки комплекта шатунов с поршнями проверяют их массу. Допускается разница по массе между комплектами одного дизеля не более 0,5 кг. Сборку комплекта (крышки и втулки цилиндра, поршня) с главным и прицепным шатунами производят в кантователе. Затем производят опрессовку крышки и втулки цилиндра водой давлением 1,22 МПа в течение 5 мин. Течи и отпотевание не допускаются.
После сборки и установки комплектов опрессовывают дизель водой давлением 0,3 МПа. Течь воды в соединениях и через уплотнение втулок цилиндров не допускается. Затем производят опрес-совку маслом давлением 0,15 МПа, при которой проверяют поступление масла к шатунным подшипникам; к пальцам прицепных шатунов; к верхним головкам шатунов; на охлаждение поршней; к гидротолкателям и осям рычагов.