Цилиндровые втулки двигателей внутреннего сгорания

Цилиндровые втулки двигателей внутреннего сгорания ; (д. в. с.) выполняют ряд важных функций в процессе преоб­разования энергии топлива в механическую работу. Стенки втулки вместе с крышкой (головкой) цилиндра и поршнем об­разуют камеру сгорания двигателя, служат направляющими для движения поршня, передают тепло от газов и поршня в си­стему охлаждения, воспринимают и передают на остов (блок) двигателя давление газов и боковые силы от поршня.

Втулка цилиндра дизеля работает в весьма сложных усло­виях: давление газов на стенку втулки достигает 140 кгс/см² и наблюдается тенденция к увеличению его; под действием цик­лически изменяющегося давления газов и смены направления действия боковой силы от поршня в стенке втулки возникают высокие напряжения, снижающие усталостную прочность втул­ки, а интенсивные колебания приводят к механическим разру­шениям мест сопряжения втулок с блоком и повреждениям стенок, рубашек и блока дизеля со стороны охлаждающей жид­кости.

Высокие тепловые нагрузки также приводят к напряжениям и вызывают деформации стенок цилиндровых втулок, ухудша­ют условия для взаимодействия с поршнем.

Различные отверстия в стенках цилиндровых втулок — для выпуска, газов и продувки цилиндров, установки форсунок и других переходных деталей (индикаторные краны, пусковые и предохранительные клапаны и т. п.) — создают местную кон­центрацию напряжений и снижают прочность.

Приведенный неполный перечень явлений, являющихся при­чиной снижения надежности цилиндровых втулок дизелей, привлекает внимание исследователей, конструкторов и специа­листов, эксплуатирующих дизели. В технической литературе имеется много материалов, направленных на повышение срока службы цилиндровых втулок, однако эти материалы отрывоч­ны, не систематизированы и иногда даже противоречивы. Поэтому авторы задались целью частично восполнить этот не­достаток, изложив в одной книге результаты многолетних ис­следований по повышению надежности и срока службы ци-линдровых втулок транспортных дизелей, охватывающих все основные аспекты данной проблемы. Можно встретить различ­ное наименование того или иного узла, например цилиндровая гильза и цилиндровая втулка. Согласно ГОСТ 7274—70 в книге принято название узла «втулка цилиндра», включаю­щего следующие детали: втулку цилиндра, непосредственно воспринимающую действие газов и поршня; рубашку, обра­зующую камеру охлаждения и воспринимающую часть нагруз­ки от газов и поршня; уплотнительные устройства рубашки на втулке и втулки в блоке цилиндров; переходные детали, слу- -жащие для установки в стенках цилиндра вспомогательных уст­ройств (форсунок, кранов и т. п.).                                         ₍

Описаны втулки только дизелей, применяемых на теплово­зах, некоторых судах и в стационарных энергетических уста­новках.                                                                  .

1. Конструктивные особенности втулок цилиндров транспортных дизелей

В современных транспортных дизелях применяют вставные втулки цилиндров мокрого типа (охлаждаемые водой), кото­рые монтируют непосредственно в блок цилиндров (дизели Д50, ПД1, ПД2, ДЗО, Д40, 11Д45), моноблок (дизель М756), или имеющие рубашки, которые образуют индивидуальные ка­меры охлаждения (дизели Д100, Д70, Д49, дизели ряда зару­бежных фирм — Зульцер, Майбах, Фербенкс—Морзе, Бурмей-стер и Вайн, Мицубиси и др.).

Формы наружной поверхности втулок, цилиндров определя­ются их конструктивными особенностями. Так, у дизелей с мок­рым блоком наружная поверхность втулки выполнена в виде ступенчатого цилиндра с большим диаметром в верхней части (зона камеры сгорания) и двумя-тремя посадочными поясами для установки их в блок цилиндров.

У дизелей с сухим блоком конфигурация втулок более слож­ная и разнообразная и зависит от конструкции и назначения рубашки, так как рубашка, кроме основного назначения (ох­лаждения), может выполнять роль силового элемента, воспри­нимающего часть нагрузки от давления газов, образующихся в цилиндре.

Исходя из условий работы и предъявляемых требований (прочность, -износостойкость, стойкость к задирам и кавитаци-. онным повреждениям), материалом для втулок цилиндров слу­жат чугун (серый марок СЧ 21-40, СЧ 24-44 и др., модифици­рованный и легированный серый чугун, высокопрочный ВПЧ) и стали.

Однако в большинстве случаев применяемые чугуны и стали не обеспечивают безаварийную и долговечную работу втулок, поэтому используют различные способы для упрочне­ния их рабочей и наружной поверхностей. В частности, наруж­ную, омываемую водой поверхность хромируют, азотируют, освинцовывают или покрывают полимерными материалами на основе каучука (эластомеры ГЭН-150(В), 6Ф и др.).

Втулки цилиндров двухтактных двигателей по конструкции отличаются от втулок четырехтактных дизелей наличием про-дувочных и выпускных окон при прямоточно-щелевой (дизель ДЮО), или контурной продувках или только продувочных окон (при прямоточно-клапанной продувке — дизели ДЗО, Д40, 11Д45).

' Дизели с противоположно движущимися поршнями (п. д. п.) харьковского завода транспортного машиностроения им. Ма­лышева типа Д100 (ЗД100 тепловоза ТЭЗ, ЗД100 и 14ДГ судовые, 6Д100 тепловоза ТЭЗО, 9Д100 нескольких тепловозов первых выпусков -ТЭ10, 1 ОД 100 тепловозов ТЭ10, 2ТЭ10 и 2Т&10Л), а также дизели фирм Фербенкс—Морзе, Делтик, фир­мы- «Непир» и" др. имеют цилиндровые втулки открытого типа, у которых газовый стык отсутствует, так как давление газов в камере сгорания действует на днища поршней. В таких дизе­лях уплотнение от прорыва газов из камеры сгорания осуще­ствляется лишь по переходным деталям вспомогательных узлов (адаптеров форсунок и индикаторного крана, пускового и пре­дохранительного клапанов и др.).

Втулка цилиндра наиболее распространенного на тепловозах нашей страны дизеля типа ДЮО (рис. 1) включает в себя втулку 1, рубашку 2, адаптеры 3 для установки двух форсунок и индикаторного крана, упорное кольцо 4, выпускную короб­ку 5. 

Втулку (рис. 2) отливают из хромоникелемолибденомедисто-го чугуна с пластинчатым графитом. Она имеет фланец (лапы) / для крепления к блоку дизеля, ручьи (канавки) 2 для уста­новки уплотнительных колец, ребра 3 для опоры на рубашку и выемки для прохода охлаждающей воды,   продувочные 7 и выпускные 5 окна, бонки (приливы) 6 для адаптерных отвер­стий и выточки 4 для образования камеры охлаждающей во­ды. Ниже нижнего посадочного пояса    имеется    канавка для постановки упорного кольца.  Внутренняя     (рабочая)   поверх­ность втулки хонингуется и подвергается горячему фосфотиро-ванию для улучшения прирабатывающей способности. Поверх­ности сопряжения А — с блоком дизеля, Б — с   рубашкой    и В — с выпускной коробкой шлифуют.                                    •

Заготовкой для рубашки цилиндра является цельноката­ная труба из стали 38ХА или 40Х. После отрезки заготовки и предварительной обработки рубашки производят алмазную расточку ее внутренних поверхностей, сопрягаемых со втулкой. Кромки адаптерных отверстий скруглены радиусом 3 мм, на­клепаны дробью и покрыты бакелитовым лаком, как и внут­ренняя поверхность отверстий.