Ремонт головки поршней

1. Описание объекта

ДКРН головки поршней изготавливают из малоуглеродистых сталей (С = 0,14 — 0,21%).Содержание легирующих элементов различно.

Конструкции головок поршней малооборотных двигателей ДКРН различны и представлены на рис. Прежде всего это относится к конструкции днища головок со стороны камеры сгорания. ДКРН имеют сферически вогнутое днище с большой рабочей поверхностью, более удачным распределением результирующей от давления газов и охлаждением. Следует обратить внимание на число канавок под поршневые кольца у рассматриваемой головки. Шесть канавок — это усложняет конструкцию.

1. поршень

2. кольца (компрессионные и маслосъемные)

3. шток

4. днище головки

2. Характер дефекта

В процессе эксплуатации поршни могут получить повреждения: трещины наружные и сквозные на головках и троках, задиры рабочих поверхностей тронков, деформации тронков, износ превосходящие допустимые пределы.

Дефекты перечислены по степени вероятности их возникновения. Так в практике крайне редки случаи такого износа поршня, который превзошел бы допустимые пределы. Чаще поршень выходит из строя по какой-либо из первых причин, а иногда и по нескольким сразу. Тем не менее, поршень хотя и медленно, но изнашивается. У большинства поршней изнашивается только тронк, так как стольная головка изготовленная отдельно, имеет диаметр меньший, чем у тронка, стенки втулки не касается и не изнашивается. Поршни подлежат обмеру одновременно с обмером втулок.

На рисунке представлено частоты отказа головни поршня и других элементов и узлов Д.В.С.

Износ поршневых канавок Отражены четыре вида отказов: от износа поршневых канавок, износа цилиндрической части поршня, от образования трещин и прочие отказы, в которые включены повреждения днища поршня со стороны камеры сгорания. Как видно из рис 2.1 доля отказов из-за износа поршней составляет 76−90% от 100% рассмотренных видов отказов.

Важно подчеркнуть, что наибольший процент отказов происходит из-за износа канавок под поршневые кольца-70%.%. Они являются и более весомыми по влиянию на нормальную работу двигателей, так как в большей степени, чем износ цилиндрической части поршней, приводят к нарушению сопряжений пары канавка-кольцо, влекущей прорыв газов, расход топлива, потери мощности двигателей и проч.

Исходя из приведенных выше результатов, можно сделать вывод, что основное внимание при изучении закономерностей износа поршней, следует сосредоточить на износе канавок головок поршней. При проведении исследований учитывались требования руководящих документов (РД) морского флота, предписывающие определенные ограничения на установочные зазоры, которые должны иметь место по высоте между поршневым кольцом и поршневой канавкой, а также зазоры в замке поршневых колец. Увеличение этих зазоров влечет при достижении определенной их величины к нарушению нормальной работы пары трения и, в целом, всей цилиндро-поршневой группы. Учитывая важность требований РД, а также необходимость базовой основы при проведении измерений, приведены табл. 2.1 ряд размеров, которые являются установочными и использовались нами при осуществлении обмеров как непосредственно на судах при вынужденной остановке в рейсе, так и при ремонтно-восстановительных работах в цехах СРЗ. Видно, что величины зазоров по высоте канавки и в стыке замков поршневых колец зависят от номинального диаметра поршня и высоты поршневого кольца. С увеличением их величины вырастают и величины установочных зазоров. Так, установочный зазор по высоте между плоскостью кольца и кепа может достигать 0,12 — 0,17 мм для двух верхних колец с высотой 14 и более миллиметров, а зазор в стыке замка колец — 5,4 мм В процессе работы эти зазоры увеличиваются, что является следствием осевого и радиального износа контактирующих контртел. А таких контртел два: условно первое — кольцо-поршень, второе — кольцо-зеркало цилиндра.

Больше всех изнашивается сочленение по первой канавке; а для третьей и последующих канавок износ практически не зависит от расположения канавок, причем имеет одинаковую величину для всех двигателей рассматриваемых типов. Однако износ по первой и второй канавкам для рассмотренных типов двигателей сильно отличается, что зависит от условий смазки, конструктивных особенностей поршней и от прочих причин.

Таблица 2.1

Кривые, выражающие частоту отказов головок поршней по первой канавке для разных типов двигателей в зависимости от их наработки. Как видно из рис. 3, частота отказов из-за осевого износа поверхностей по первой канавке.

Износ поршневых колец От нормальной работы этих элементов зависит функционирование всей цилиндро-поршневой группы по ряду таких показателей как долговечность, расход топлива и масла, потери мощности двигателя его температура, потери от трения, КПД и прочие. известно, они служат для уплотнения поршня в цилиндровой втулке и предупреждения прохода газов из камеры сгорания в картер двигателя. Поршневые кольца также отводят часть тепла от головки поршня к стенке цилиндровой втулки. Помимо этого поршневые кольца (маслосьемные) регулируют распределение масла по стенкам цилиндра. К поршневым кольцам предъявляют высокие требования: повышенной прочности, упругости, износостойкости материала соответствие конструктивным формам с учетом выбора замков заданные антикоррозионные и тепловые свойства и проч. Для всех типов рассматриваемых двигателей поршневые кольца имеют практически одинаковую форму, однако отличаются геометрическими параметрами.

Геометрические параметры поршневых колец различных типов двигателей представлены на рис. 3.10, где индекс «у «соответствует установочным параметрам, a «g» допустимым. Во время эксплуатации кольцо изнашивается в радиальном направлении, соприкасаясь с цилиндровой втулкой, а также по высоте, прижимаясь к торцевым поверхностям канавок под поршневые кольца.

Срок службы поршневых колец зависит от материала, нагрузки, давления, температуры, скорости, точности обработки, качества применяемого топлива и масел, величины зазора между цилиндровой втулкой и поршнем, геометрических размеров, конструкции кольца и др. Как правило, материалом поршневых колец является чугун с добавлением легирующих элементов. При этом износостойкость чугуна повышается по мере измельчения структуры, увеличения количества связанного углерода и уменьшения включений графита. Одним из средств повышения износостойкости поршневых колец является создание однородной и мелкозернистой структуры материала. Измельчение структуры металла и повышение долговечности его работы достигается путем применения легирующих элементов и термической обработки. Для уменьшения неоднородности структуры чугуна применяется модифицирование. В таком чугуне графит имеет шарообразную форму, вследствие чего уменьшается количество дефектов структуры. Для чугуна с шаровидной формой структуры изотермическая закалка является наиболее приемлемой, так как при этом снижается до минимума возможность образования трещин.

Поршневые кольца работают в газовой среде при высоких температурах. Такая среда создает условия для коррозионного износа. При высокой температуре чугун в поверхностном слое обезуглероживается, образуются окисные пленки, что в значительной степени приводит к более интенсивному износу сопрягаемых пар. Это объясняется тем, что продукты изнашивания окисных пленок являются абразивным материалом. Для работы поршневых колец важным также является шероховатость их поверхности. Шероховатость радиальной и торцевой поверхностей поршневых колец Rz 0,8 — Rz1.6. С увеличением точности обработки и уменьшением шероховатости поршневых колец время их приработки сокращается. Во всех случаях стремятся к уменьшению времени приработки, так как значительный начальный износ приводит к сокращению долговечности сопрягаемых деталей. На износостойкость поршневых колец существенное влияние оказывает род смазки, так как она защищает поршневое кольцо от непосредственного контакта с цилиндровой втулкой.

Работа поршня в цилиндре сопровождается трением и износом нескольких пар. Прежде всего, это пара трения скольжения, состоящая из контактирующих цилиндрических поверхностей поршневых колец и зеркала цилиндра. Изнашивание этой пары происходит при возвратно-поступательном движении в тяжелых условиях действия импульсных температур, давлений и при обедненной смазке. Одновременно те же самые кольца, находясь в поршневых канавках головок поршней, также работают на трение. Но это трение имеет другую кинематику движения — оно не возвратно-поступательное, а ударное с небольшим проскальзыванием. При движении поршня во втулке возникает еще одна пара трения, состоящая из двух контртел — поверхности тронка и зеркала цилиндра: Однако, как показывает опыт эксплуатации дизелей, наибольшее число отказов в работе узла поршень-втулка происходит из-за первых двух пар трения.

3. Методы обнаружения дефектов

Обмер поршней Поршни дизеля обмеряют микрометром больших размеров, который называется микрометрической скобой.

Обмер крупных поршней гл. дизелей сопряжен с некоторыми трудностями, и для того, чтобы свести погрешности до минимума, обмер следует производить более одного человека. Замеры должны быть сделаны через каждые 100−200 мм по высоте тронка. Для больших поршней (высота 2 м.) нет необходимости в таком количестве замеров на практике чаще производят замеры в трех поясах: в верхнее части (не посредственно под головкой), в средней и нижней. Головки поршней не обмеряют.

Если поршень не имеет съемной головки, верхний замер делают на 15−20 мм ниже кромки нижней канавки для поршневого пальца. Чаще всего большие поршни обмеряют в то время, когда они находятся в вертикальном положении. Перед тем как начать обмер, поршень очищают от нагара, обмывают керосином или дизельным топливом и насухо вытирают. Затем при помощи большой линейки и мела размечают точки обмера. Поршни так же как и втулки, в горизонтально плоскости обмеряют в 2-х положениях как показан.

Пи обмере большого поршня один из обмеряющих держит конец микрометра с неподвижной губкой так, чтобы он был постоянно прижат к намеченной точке. Т.к. измерительные поверхности микрометра представляют собой плоскости, второй его конец нельзя двигать в любом направлении, как конец штихмаса, а можно только слегка покачивать в направлении, перпендикулярном измерительным плоскостям.

Подвижную губку микрометра один из работающих ставит на заведомо большой размер, чем измеряемый, и, убедившись в том, что его помощник держит конец микрометра с неподвижной губкой в намеченной точке, слегка покачивает свой конец в горизонтальной плоскости и поворачивает микрометрический винт в строну уменьшения размера до тех пор, пока измерительная плоскость не коснется поверхности тронка. При этом подвижная измерительная пл-ть должна проходить по поверхности тронка без всякого усилия, только касается её. Всякое усилие искажает результат измерения в сторону уменьшения, т. к. большие скобы обладают значительной упругостью и пружинят на несколько сотых мм.

В таблице ставят номер поршня, дату измерения, порт, в котором производилось измерение, температуру МКО при обмере, фамилии и должности производивших обмеры.

При анализе результатов обмера следует принимать во внимание температуру, при которых производились данный и предыдущий обмеры, и вносить в результаты измерения температурную поправку.

Правилами установлены нормы и предельный износ тронков поршней. Лимитируется эллиптичность и конусность тронков, т. е. разность диаметров поршня 700−750 мм допускается предельная эллиптичность и конусность тронка по 1.6 мм. На практике почти не возможно чтобы поршень износился такого диаметра до предельной величины. Обычно следы мех. Обработки на тронке сохраняются несколько лет и при правильно отцентрованном механизме износа тронка вообще не должно быть при условии если двигатель крейцкопфный.

Сам про себе износ тронка даже сверх предела практического значение не имеет. Прочности его никакой износ не угрожает, и за исключением тронка поршня Зульцер SD 72, не имеющий штока, тронк не воспринимает на себя нагрузок вдоль своей сои. Но дело в том, что одним из очень важных контролируемых параметров является круговой зазор между троком и втулкой, который устанавливает заводизготовитель, и допуски на его увеличение весьма не велики. Этот параметр и заставляет контролировать износ тронка поршня.

Головка поршня и его канавки Головка поршня, на ней изнашивается только горизонтальные стенки канавок для поршневых колец, которые со временем или принимают форму показанную на рис. 3.2 или нижняя плоскость их вырабатывается ступенькой.

По некоторым сведениям, ср. высота канавок поршня увеличивается на 0.01 мм. За 1000 часов работы. Верхние канавки обычно не изнашиваются больше нижних. И в данном случае предел устанавливается не на абсолютное увеличение высоты канавки, а на величину зазора между горизонтальными плоскостями кольца и канавки.

Кольцо во время работы находится под воздействием опрокидывающего момента, направленного против часовой стрелки и стремящегося как бы вывернуть кольцо из канавки. Чем больше будет зазор между плоскостями кольца и канавки, тем больше величина поворота кольца в сторону опрокидывания. Обычно завод-изготовитель указывает инструкции по обслуживанию установочные зазоры между кольцом и канавкой и предельно допустимые их величины. Установочные и предельно допустимые зазоры не одинаковы для всех колец, для двух верхних колец они больше.

Контролировать форму канавок и величины их износа можно при помощи шаблона на рис 3.3. Такие шаблоны фирмы предоставляют не всегда, но его можно легко изготовить по канавке запасного поршня. Величины износов удобно замерять в зазоре между шаблоном и стенкой канавки.

Восстановить герметические размеры поршневых канавок можно только путем проточки. Но проточка канавок увеличивает высоту канавок, поэтому к ней прибегают только в том случае, если после проточки и установки в канавку нового кольца зазор между кольцом и канавкой не достигает предельно допустимого размера. В тех случаях, когда проточка невозможна, канавки у стальных канавок головок поршней налавливают и протачивают снова по номинальный размер. Чугунные поршни, не имеющие съемной головки, никакими наплавкам не подвергают, а просто заменяют.

К наплавке канавок стальных головок прибегают крайне редко, т. к. это изменяет структуру в самом напряженном месте головки, и только общий обжиг головки, который не всегда возможен, может восстановит нужную структуру.

Во избежание восстановление изношенных канавок поршней некоторые фирмы, строящие мощные МОДы, применяют специальные противоизносные сдвоенные кольца из легированных сортов чугуна с высокой мех. Прочностью при повышенных температурах. В частности, такие поршневые кольца применяют в крейцкопфных двигателях фирмы «Бурмейстер и Вайн».

На рис 3.4 показаны конструкции таких колец 1. В одном варианте верхнюю часть кольца расчеканивают и закатывают в поршневой канаке. Во втором варианте нижнюю часть противоизносных колец 1 слегка приваривают к головке поршня.

При нормальной центровке поршней регулярных профилактических осмотрах такие кольца работаю свыше 20 000 ч. В случае необходимости кольца можно сменить, восстановив этим номинальные размеры канавки.

Поршневые кольца.

Осматривают и обмеряют кольца во время профилактических переборок цилиндров, и, если поршень и втулка чаще всего не требует никакого ремонта, то комплект колец после переборки редко возвращается в цилиндр в полном составе. Иногда из-за состояния колец приходится скрывать цилиндр и вынимать поршень раньше профилактического осмотра.

После того как кольца сняты с поршня и отчищены от нагара и масла, осматривают их рабочую поверхность. Очень важно установить, всей ли рабочей поверхностью прилегает кольцо к стенкам втулки. Поверхность, не прилегающая к втулке, имеет темный цвет, и кольцо с таким дефектом ни в коем случае нельзя оставлять на месте первого и второго. Если износ такого кольца не достигает по всем параметрам предельно допустимого, его можно поставить вниз, на место последнего или предпоследнего.

Заводы — строители, определяют пригодность кольца по трем параметрам: Зазору в замке, зазору между кольцом и канавкой и толщине кольца. Правила толщину кольцо не лимитируют.

Первым из параметров определяют зазор в замке кольца. Для этого кольцо вставляют в цилиндр и продвигают до того места где цилиндр имеет наибольший диаметр. В этом месте выравнивают кольцо так, чтобы оно лежало в плоскости перпендикулярно оси цилиндра, и замеряют зазор.

Зазоры замках колец сравнивают с зазором предыдущих замеров, и, если величины зазоров превосходят допускаемые, кольца подлежат безусловной замене. Обычно верхние кольца, работающие в наиболее тяжелых условиях, изнашиваются быстрее. По этому можно судить по Рис. 3.3, где показано потеря массы кольцами в зависимости от их расположения.

Про замер зазоров в замке кольца по мимо изложенного выше необходимом добавить, что заводы — строители снабжают свои дизели кольцом — калибром Рис. 3.4, внутренний диаметр которого равен минимальному диаметру втулки, и судовые механики определяют зазор в замке кольца 2, устанавливая его в этот калибр Такой прием нельзя считать правильным, если втулка потеряла номинальные размеры. При замере зазора в кольце получают заведомо меньший зазор против того, что будет получен при замере зазоре во втулке. Кольцо работает во втулке при её действительном диаметре, следовательно, и зазор замка нужно замерять во втулке, так как это будет действительным зазором, с которым работает кольцо. В правилах (71) судовых дизелей рекомендуется замерять зазор в замке при установке кольца в наименее изношенной части втулки. Согласно Правилам, для втулок диаметром кольцо закрепляют в кулачках болтами 1. При вращении маховика 5 кулачки раздвигаются и разжимают кольцо до требуемого диаметра. Масса приспособления 1.5 кг.

Приспособление Разжимные приспособления для для проверки поршневых колец упругости поршневых колец Однако значительно удобнее приспособление (рис. 3.5), которым снабжает свои дизели фирма «Зульцер». Здесь кулачки не крепятся к кольцу, а упираются в торцы замка. Губка приспособление не подвижное, а другая двигается по винту с обычной резьбой, который вращается при помощи рукоятки. Масса приспособления менее одного килограмм. Оно применяется для колец диаметром 700 мм и более. Основным преимуществом такого приспособления является то, что не нужно прижимать чугунное кольцо стальными болтами. Вместе с компрессионными кольцами: зазор в замках и высоту рабочей поверхности. Если высота рабочей поверхности кольца увеличивалась более чем 2-а раза против установленной, кольцо запиливают вручную, или обрабатывают наждачным кругом до восстановления первоначальной высоты.

На рис 8 показано сечение маслосъемного кольца, его рабочая поверхность 1 и поверхность 2, подлежащие спиливанию для дизелей фирма устанавливает высоту нормальную рабочей части маслосъемного кольца 2 мм для SD 72 и предельно допустимую высоту 4 мм.

Если для гл. дизелей нельзя изготовить при помощи судового оборудования поршневые кольца, то для вспомогательных эта задача не представляет никаких трудностей, только нужно иметь соответствующую заготовку и сделать несколько приспособлений.

Не все способы изготовления поршневых колец можно применить в судовой обстановке. На СРЗ существуют следующие способы.

Из заготовок цилиндрической формы — одной проточкой с последующей термофиксацией; Из заготовок цилиндрической формы с 2-мя проточками с последующей термофиксацией; то же, без термофиксации; из индивидуальных заготовок эллиптической формы.

В судовых условиях из перечисленных можно применить только изготовление из заготовок цилиндрической формы без термофиксации, т. к. при этом не требуется оборудования для термообработки. Последовательность изготовления колец таким образом следующая.

· Устанавливают на станок заготовку обрабатывают по наружному и внутреннему диаметру D1 и d1, которые определяют из соотношений:

При вырезке замка размером D1=D+0.5A: d1=0.01D-2t;

При вырезке замка размером, А? 0,1D диаметры D1=D+0.5A; d1=d+0.15A.

Здесь D и d — соответственно натужней диаметр кольца, равный диаметру цилиндра, и внутренний диаметр кольца d=D-2t (t — радиальная толщина кольца).

· Из обработанной заготовки нарезают кольца с припуском 0,1 мм по высоте на шабровку.

· Вырезают замок в кольце размером =3,7 t. После этого кольцо по одиночке или вместе обрабатывают в чистый размер. При второй проточке применяют различные приспособления: хомуты, цилиндры и т. д. Для судовых условий наиболее удобное приспособление на рис. 3.7 оно состоит из диска с хвостиком, конус которого входит в шпиндель станка, несколько специальных скоб для крепления колец на диске и хомуте.

На судне даже не обязательно иметь спец. Диск, так как изготовление поршневых колец, в судовой обстановке — сравнительно редкое явление. Можно использовать для этой цели план — шайбу токарного станка, даже если придется высверлить в ней несколько лишних отверстий.

· Снимают фаску, проворачивают кольцо, применяют хомут, крепят кольцо и снимают фаску с другой стороны.

· Проверяют кольцо по цилиндру или по кольцу, имеющему внутренний диаметр, равный диаметру цилиндра, и подгоняют окончательно зазор в замке.

· Пришабривают кольцо по плите, одновременно подгоняя их в чистовой размер по высоте.

Применяемые допуски в зависимости от размеров кольца даны в правилах (71).

Проверка центровки поршня относительно оси цилиндра Если позволяет время стоянки, то при профилактической переборке деталей ЦПГ желательно проверить взаимное положение осей поршня и цилиндра.

До того момента как на поршень одеты кольца, опускают его в цилиндр и крепят шток к поперечине. В неподвижном положении поршень обычно приваливается к какой-либо из стенок втулки в сторону крена и деферента. Поршень может приять такое положение вследствие наличия зазоров в головном и Мотылевым подшипниках и параллели.

Для того чтобы поршню положение, которое занимает во время работы, ползун нужно прижать к параллели переднего хода следующим образом. Ставят поршень на одну из мертвых точек, подбирают прочные деревянные брусья и домкрат. Один или несколько брусьев прижимают к колонне или к двум колонам, стоящим рядом, а другой — к поперечине, и между ними ставят домкрат, как показано на рис. 3.8 показано другой способ установки домкрат для ползуна такой же конструкции, а на рис 3.8 для одностороннего ползуна.

Вывертывая винт домкрат, плотно прижимают ползун к параллели и замеряют зазор. То же самое проделывают с ползуном по середине хода поршня и в другой мертвой точке. При помощи лампы, помещенной в картере или со стороны фонаря (в зависимости от конструкции дизеля), просматривают зазоры на свет; поршень нигде не должен прилегать к стенке втулки вплотную.

Зазоры проверяют при помощи длинного щупа в трех положениях поршня. В каждом положении делают четыре замера сверху (по оси и походу) и четыре замера снизу (со стороны фонаря). Щуп должен быть таким, чтобы длина его пластин была больше высоты головки поршня, по крайней мере, на 50 мм.

Таким образом, в каждом положении поршня получают восемь замеров: нос, корма, правый и левый борта — сверху и то же самое снизу.

Целью таких замеров является не столько получение абсолютных величин зазоров, сколько определение разности этих величин, указывающей на характер отклонения оси поршня от оси цилиндра.

Следует пометить, что у хорошо изготовленного и собранного дизеля перекосы поршня во втулке наблюдаются крайне редко. Если все же такой дефект обнаружиться, то исправить его судовыми средствами весьма сложно.

Прежде всего это лимитирует время стоянки, так как работа по исправлению перекосов движения большого дизеля сложна. Обычно такую работу проделывают на заводе во время ремонты.

Следует учитывают, что по характеру полученных зазоров между тронком поршня и втулкой можно судить о том, перекошен механизм или нет, но в каком именно соедини допущен перекос, сказать нельзя.

1. М. А. Малиновский, А. В Фока «Краткий справочник судового механика». Одесса: Маяк, 1987-168 ст.

2. И. С. Блинов, «справочник технолога механосборочного цеха судоремонтного завода». Москва: Транспорт, 1969 — 376 ст.

3. В. П. Сторожев, «Причины и закономерности постепенных отказов основных триботехнических объектов энергетической системы судна и повышение их ресурса». -Одесса: 2001, 341 ст.

двигатель поршень дефект дизель