СОДЕРЖАНИЕ

Тема: Материалы поршневой группы судовых дизелей

 Введение.......................................................................................................................3

1. Поршневая группа судовых дизелей.....................................................................4

2. Основы устройства поршневых ДВС....................................................................4

3. Результаты  теоретического расчета температурного  состояния поршня с 

теплозащитным покрытием и без него......................................................................7

4. Инновации..............................................................................................................11

5. Выбор  типа конструкционного материала..........................................................13

Заключение.................................................................................................................16

Список использованной литературы.......................................................................18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      В период 1985-1990 гг. в Министерстве речного флота была выработана программа организации специализированных участков по восстановлению деталей машин и механизмов на судоремонтных предприятиях в разных регионах России. Однако большинство этих участков так и остались на уровне проектов. А там, где было организовано восстановление деталей с использованием методов нанесения газотермических покрытий, ожидаемый эффект получен не был. К основным причинам, которые сдерживали внедрение в производство эффективных ресурсосберегающих технологий, следует отнести:

      - отсутствие комплексного подхода к разработке ресурсосберегающих технологий с использованием методов газотермического напыления и лазерной обработки;

      - наличие нестабильных показателей по адгезионной прочности наносимых покрытий, отсутствие методик и приборного обеспечения для качественной оценки адгезионных характеристик газотермических покрытий на рабочих поверхностях деталей без их разрушения;

      - большое количество брака в процессе механической обработки рабочих поверхностей деталей с газотермическими покрытиями;

      - отсутствие глубоких научных исследований в области упрочнения поверхностей деталей машин, многие из которых в этот период находились на уровне проектов.

      Несмотря  на большой объем выполненных исследований и проведённых экспериментальных работ, к настоящему времени проблема повышения ресурса деталей ЦПГ СОД до нормативных значений остается весьма актуальной.  Поэтому разработка эффективных ресурсосберегающих технологий с использованием современных методов упрочнения и восстановления, организация специализированных участков ремонта на предприятиях водного транспорта представляет собой серьезную проблему.

      1. Поршневая группа судовых дизелей

      В последнее десятилетие автоматизация судовых дизельных и газотурбинных установок претерпела большие изменения: значительно возрос объем автоматизированных операций, усложнились средства автоматизации и главное автоматизация обеспечила повышение производительности труда судового экипажа и безопасности мореплавания. Изучение автоматизации судовых энергетических установок должно отводиться все большее место в подготовке судовых специалистов. Эффективность эксплуатации современного автоматизированного судна в равной степени зависит от качества судовых объектов, так средств автоматизации.

      Форсировка  двигателей ведет к росту их теплонапряженности. Особо уязвимыми при этом являются детали поршневых групп (прогары  и трещины поршней, быстрый износ  трущихся деталей, закоксовывание компрессионных колец и т.п.). В результате ресурс двигателя существенно сокращается. Поэтому выбор и исследование действенного метода снижения теплонапряженности поршневых групп главных судовых дизелей, является весьма актуальной задачей.

      2. Основы устройства поршневых ДВС

      Поршневые ДВС состоят из механизмов и систем, выполняющих заданные им функции и взаимодействующих между собой. Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный механизм, а также системы питания, охлаждения, зажигания и смазочная система.

      Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное  возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания.

      Система питания предназначена для приготовления  и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания. Смазочная система служит для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов изнашивания.

      Система охлаждения поддерживает нормальный температурный  режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и  клапанного механизма.

      Система зажигания предназначена для  воспламенения рабочей смеси  в цилиндре двигателя. Четырехтактный поршневой двигатель состоит из цилиндра и картера, который снизу закрыт поддоном. Внутри цилиндра перемещается поршень с компрессионными (уплотнительными) кольцами, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец и шатун связан с коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере.

      Коленчатый  вал состоит из коренных шеек, щек  и шатунной шейки. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм. Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, а следовательно, и с перемещением поршня.

      Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее его положение - нижняя мертвая точка (НМТ). Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным ободом. Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S=2R.

      Пространство  над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания; ее объем обозначается через Vс; пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего объема Vh составляет полный объем цилиндра Vа: Vа=Vс+Vh. Рабочий объем цилиндра (его измеряют в кубических сантиметрах или метрах): Vh=пД^3*S/4, где Д - диаметр цилиндра.

      Сумму всех рабочих объемов цилиндров  многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя, его определяют по формуле: Vр=(пД^2*S)/4*i, где i - число цилиндров. Отношение полного объема цилиндра Va к объему  камеры сгорания Vc называется степенью сжатия: E=(Vc+Vh)Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1.

      Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, т.к. сильно влияет на его экономичность и мощность.

        Рисунок 1  Поршень

  1-тронк; 2-уплотнительное кольцо; 3-головка; 4-штифт; 5-болт; 6-первое компрессионное  кольцо; 7-резьбовая вставка; 8-второе  и третье компрессионные кольца; 9-маслосъёмное кольцо; 10-крышка; 11-поршневой  палец;   12-шпилька. 

        Поршень двигателя 8ЧН20/26 является составным. Тронк изготовлен из высококачественного износостойкого алюминиево-кремниевого сплава, с  головкой из жаропрочной стали.

        Он оборудован тремя  компрессионными кольцами и двумя  маслосъёмными кольцами. На юбку поршня навинчена его головка из стали. Первое компрессионное кольцо является хромированным. Маслосъемное кольцо имеет с две фаски, его рабочая поверхность хромирована.

      Принцип работы Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и давления. Так как давление под поршнем равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы - расширяться, совершая полезную работу.

      Опыт эксплуатации судовых дизелей показывает, что надежность их работы, сроки проведения текущих и средних ремонтов определяются параметрами технического состояния деталей цилиндро-поршневои группы (ЦІИ), среди которых цилиндровая втулка (ЦВ) и поршневые кольца (ПК) наиболее ответственные и быстроизнашиваемые.

      Поршневой палец сделан пустотелым и зафиксирован от осевого смещения крышками. Охлаждающее  масло поступает из втулки верхней  головки шатуна через поршневой  палец в головку поршня. Пройдя через поршень охлаждающее масло стекает в картер. 

      3. Результаты теоретического расчета температурного состояния поршня с теплозащитным покрытием и без него

      Экспериментально  определенные значения коэффициента теплопроводности плазменного покрытия из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, нанесенного на пластину. Согласно проведенным исследованиям его теплопроводность изменялась в диапазоне от 0,1 до 0,6 Вт/(м*К). При этом с повышением температуры и толщины покрытия растет и теплопроводность. Тем не менее, эти значения ниже, чем для компактного диоксида циркония, что может быть объяснено пористостью получаемых покрытий.

      Критерием достоверности являлось соответствие результатов термометрирования  и расчета поршня. Расчет был проведен при толщинах теплоизоляционного покрытия от 0,3 до 1,5 мм. Было обнаружено, что температура поверхности поршня под покрытием слабо зависит от толщины покрытия и остается на уровне ~200°С.

      Это значение ниже температур поверхности  поршня без теплоизоляции (282°С - в  центре донышка поршня и 255°С - на его  периферии). Температура поверхности покрытия со стороны камеры сгорания растет. Максимальное значение находится около 600°С, причем темп роста с увеличением толщины замедляется. Снижение температуры поверхности донышка поршня составило около 80°С для центра и примерно 50^ на периферии: Снижение температуры поршня в районе верхнего поршневого кольца составило 20°С (с 208°С - без покрытия, до 183°С - с покрытием).

      Материалы расчетного исследования: влияния теплозащиты  поршня на основные показатели рабочего процесса дизеля. Теоретический расчет рабочего процесса показал, что увеличение температуры поверхности донышка поршня приводит к сокращению эффективного удельного расхода топлива (примерно на 3 г/(кВтч) при повышении температуры на 100 К). Расчет показал, что при повышении температуры донышка поршня до 700 К максимальное давление сгорания увеличивается, при более высоких температурах его изменение незначительно.

      Результаты  экспериментального исследования основных показателей (в том числе и  экологических) рабочего процесса дизеля при его работе со штатным поршнем и с поршнем с теплозащитным покрытием.

      При использовании керамического покрытия повышаются максимальные давления сгорания и температуры газа на выходе из цилиндра, несколько сокращается период задержки. Воспламенения. При этом давления составило ~ 0,25 МПа. Температура выпускных газов выросла в среднем на 40 - 50°С. Применение водо-топливной эмульсии при работе с теплоизолированным поршнем привело к снижению этих параметров. Это связано с затратами теплоты на испарение воды в эмульсии.

      Причем, рост температуры выпускных газов должен был привести к росту выбросов оксидов азота, однако, этого обнаружено не было Возможно, это связано с каталитическим действием диоксида циркония (снижение N0 составило в среднем 3 г/(кВт*ч), NО2 -практически без изменений).

      Тем не менее, отмечено незначительное увеличение содержания окиси углерода. Применение ВТЭ вместе с теплоизолированным поршнем привело к существенному увеличению содержания данного компонента на долевых нагрузках.

      Внедрение результатов керамического покрытия на поршнях на судах речного флота может повысить ресурс главных двигателей. Особенно заметный эффект может быть получен на теплоходах, эксплуатирующихся на малых реках, где перегрузки главных дизелей происходят особенно часто.

      Кроме того, применение выбранного метода теплозащиты  поршней улучшает экологические  показатели двигателей (снижает выброс оксидов азота). Характерной эксплуатационной особенностью дизелей, установленных на судах речного флота, является необходимость их частой форсировки по отношению к номиналу. Это вызвано условиями судовождения (преодоление судном или караваном судов перекатов, быстрин, крутых поворотов реки и т.д.). Данная особенность наиболее ярко проявляется при работе теплоходов на малых реках.

      Форсировка  двигателей приводит к росту теплонапряженности поршневых групп двигателей, что, в свою очередь, существенно снижает ресурс их работы. Возникает задача: найти и испытать метод защиты поршней от перегрева. Для покрытии поршня можно выбрать материал (диоксид циркония, стабилизированный окисью иттрия) и предложена технология плазменного напыления двухслойного теплозащитного покрытия на донышко поршня: металлического подслоя - с помощью турбулентной струи, и основного керамического слоя - с использованием ламинарной струи. Экспериментально установлено, что механическая активация порошка промежуточного слоя приводит к заметному повышению адгезионной прочности плазменного покрытия.

      Таким образом, температурные поля в теле поршней, как с теплозащитным покрытием, так и без него. Установлено, что теплозащита поршня существенно снижает

теплопередачу в него и, следовательно, увеличивает  ресурс его работы.

      Посредством теплового расчета установлено, что теплозащита поршня оказывает  существенное влияние на параметры рабочего процесса двигателя.  Так, при этом сокращаются период задержки воспламенения и расход топлива; возрастают давление и температура рабочего тела.

      Несмотря  на повышение температуры рабочего тела, при использовании теплозащитного покрытия поршня, увеличения выбросов оксидов азота не происходит. Это можно объяснить каталитическим воздействием диоксида циркония на реакцию восстановления оксидов азота.

      Поршневые ДВС относятся к роду тепловых двигателей, в которых химическая энергия топлива преобразуется в тепловую непосредственно внутри рабочего цилиндра. ДВС, работающие с самовоспламенением топлива в цилиндре, принято называть дизелями по имени изобретателя двигателя такого типа – Рудольфа Дизеля.

      Благодаря значительному перепаду температур при осуществлении цикла (от 300–320 К до 1800–2000 К), дизели являются в данное время наиболее экономичными тепловыми двигателями. Вместе с тем,  несмотря на высокие температуры цикла, двигатели этого типа могут работать надежно, так как действие высоких температур является периодическим и после сгорания топлива, расширения газов и их выпуска в цилиндр поступает свежий воздух, а стенки цилиндра охлаждаются водой или воздухом.

      Дизели, применяемые на судах, работают на дизельном и моторном топливах, а также (после специальной подготовки топлива) на мазутах.

      Принципиальная схема любого классического двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что в цилиндре двигателя находится поршень, который совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра.

           4. Инновации

      В последнее время все большее  применение получают поршневые двигатели  с принудительным наполнением цилиндра воздухом повышенного давления, т.е. двигатели с наддувом. И перспективы двигателестроения связаны, на мой взгляд, с двигателями данного типа, т.к. здесь имеется огромный резерв неиспользованных конструкторских возможностей, и есть над чем подумать, а во-вторых, считаю, что большие перспективы в будущем именно у этих двигателей. Ведь наддув позволяет увеличить заряд цилиндра воздухом и, следовательно, количество сжимаемого топлива, а тем самым повысить мощность двигателя.

      Для привода нагнетателя в современных  двигателях обычно используют энергию отработавших газов. В этом случае отработавшие в цилиндре газы, которые имеют в выпускном коллекторе повышенное давление, направляют в газовую турбину, приводящую во вращение компрессор.

      Согласно  схеме газотурбинного наддува четырехтактного  двигателя, отработавшие газы из цилиндров двигателя поступают в газовую турбину, после которой отводятся в атмосферу. Центробежный компрессор, вращаемый турбиной, засасывает воздух из атмосферы и нагнетает его под давлением 0.130...0.250 МПа в цилиндры. Помимо использования энергии выхлопных газов достоинством такой системы наддува перед приводом компрессора от коленчатого вала является саморегулирование, заключающееся в том, что с увеличением мощности двигателя соответственно возрастают давление и температура отработавших газов, а следовательно мощность турбокомпрессора.

      При этом возрастают давление и количество подаваемого им воздуха.

В двухтактных  двигателях турбокомпрессор должен иметь более высокую мощность, чем в четырехтактных, т.к. при продувке часть воздуха проходит в выпускные окна, транзитный воздух не используется для зарядки цилиндра и понижает температуру выпускных газов. Вследствие этого на частичных нагрузках энергии отработавших газов оказывается недостаточно для газотурбинного привода компрессора.

      Кроме того, при газотурбинном наддуве  невозможен запуск дизеля. Учитывая это, в двухтактных двигателях обычно применяют комбинированную

систему наддува с последовательной или  параллельной установкой компрессора  с газотурбинным и компрессор с механическим приводом.

      При наиболее распространенной последовательной схеме комбинированного наддува компрессор с газотурбинным приводом производит только частичное сжатие воздуха, после чего он дожимается компрессором, приводимым во вращение от вала двигателя.

      Благодаря применению наддува возможно повышение  мощности по сравнению с мощностью двигателя без наддува от 40% до 100% и более.

      Причем, основным направлением развития современных поршневых двигателей с воспламенением от сжатия будет являться значительное форсирование их по мощности за счет применения высокого наддува в сочетании с охлаждением воздуха после компрессора .

      В четырехтактных двигателях в результате применения давления наддува до 3.1...3.2 МПа в сочетании с охлаждением воздуха после компрессора достигается среднее эффективное давление Pe=18.2...20.2 МПа.

      Привод  компрессора в этих двигателях газотурбинный. Мощность турбины достигает 30% от мощности двигателя, поэтому повышаются требования к КПД турбины и компрессора. Неотъемлемым элементом системы наддува этих двигателей должен являться охладитель воздуха, установленный после компрессора. Охлаждение воздуха производится водой, циркулирующей с помощью индивидуального водяного насоса по контуру: воздухоохладитель - радиатор для охлаждения воды атмосферным воздухом.

      Перспективным направлением развития поршневых двигателей внутреннего сгорания является более полное использование энергии выпускных газов в турбине, обеспечивающей мощность компрессора, нужную для достижения заданного давления наддува. Избыточная мощность в этом случае передается на коленчатый вал дизеля. Реализация такой схемы наиболее возможна для четырехтактных двигателей. 

      5. Выбор типа конструкционного материала

      В зависимости от типа судна  при постройке предпочтение отдается той конструкции и конструкционным материалам использование которых будет не только материально оправдано но и соответствовало назначению яхты. Для быстроходных моторных яхт с остроскулыми обводами целесообразно применение алюминиевомагниевых сплавов, при серийной постройке моторных яхт можно перейти к формованию корпуса из стеклопластика.

      Использование в качестве судостроительного материала  титана очень проблематично, хотя и  реализуемо. Стоимость материала  титана в настоящее время в 200 раз больше чем судостроительной стали, а технология обработки в 250 раз дороже чем у стали.

      СТАЛЬ

      Судостроительная  сталь - это относительно недорогая  специальная сталь, удовлетворяющая требованиям свариваемости, деформации и обладающая минимально допустимыми для определенных условий эксплуатации физико-механическами свойствами. Для обеспечения качественной  сварки содержание углерода в стали не должно превышать 0.23%. В судостроительной стали жестко ограничивается содержание таких примесей, как фосфор и сера.

      Обычная судостроительная сталь имеет предел текучести 240 МПа, предел прочности 410-500 МПа и относительное удлинение при разрыве 22%. Эти значения самые минимальны. Если заказчик яхты  желает  иметь гарантию качества стали, то он должен потребовать, чтобы каждый лист или профиль были промаркированы (знак изготовителя, название материала и номер плавки). Самое надежное, конечно, заказывать судостроительную сталь с сертификатом классификационного общества.

      Большинство классификационных обществ  в понятие «судостроительная сталь»  различают еще группы качества А-Е, которые относятся к материалу различной толщины. Кроме нормальной судостроительной стали классификационные общества допускают применение судостроительных сталей повышенной прочности, которые, обладая более высокими пределами текучести, при механической обработке оказываются более трудоемкой.

      Сталь с пределом текучести 32 МПа в обработке ненамного сложнее обычной.  Все детали из этой стали можно соответственно уменьшить в размерах, что конечно способствует снижению массы, но и приводит к появлению дополнительной сварочной деформации. Учитывая, что для постройки судов относительно малой длины   (явно менее 60 м) используется тонколистовая сталь и прокатный профиль с малым номером появление дополнительных сварочных деформаций является одним из самых весомых факторов обуславливающих применение судостроительной стали нормальной прочности.

         Листовой материал для постройки яхт подвергается испытанию на изгиб. Классификационные общества требуют испытывать на изгиб образец, вырезанный из листа. Для обычной судостроительной стали образец должен подвергаться на изгиб в холодном состоянии и выдержать его без трещин.

          Алюминиево-магниевые сплавы

      Легкие  сплавы (алюминиево-магниевые сплавы) находят применение в судостроении для сварных конструкций благодаря своему преимуществу в массе перед сталями. Основную часть этих сплавов составляет Al.

      Алюминиево-магниевые  сплавы делятся на деформируемые  и на литейные. Для изготовления несущих элементов используют главным образом деформируемые сплавы, которые в зависимости от системы легирования и состояния разделяются, в свою очередь, на термически упрочняемые и термически не упрочняемые.

      К термически упрочняемым деформируемым  сваривающимся сплавам относятся сплавы следующих марок: АМц, АМг2, АМг3,   АМг4, АМг5, АМг61, АМг61Н. К термически упрочняемым не сваривающимся сплавам относится, например, сплав марки Д16. К литейным сваривающимся сплавам относятся сплавы АЛ-2 и АЛ-8.

      В соответствии с Российским ГОСТом приняты следующие условные обозначения способов изготовления алюминиево-магниевых сплавов: неплакированные обозначаются маркой сплава без дополнительной маркировки, а плакированные - буквой А, если плакировка нормальная, Б, если технологическая, и У, если- утолщенная. Кроме того, материалы маркирует в зависимости от состояния поставки; отожженные- буквой М, полунагартованные- Н2; нагартованные- Н; закаленные и естественно состаренные-Т; закаленные и искусственно состаренные-Т1. Материалы без термической обработки не имеют дополнительного обозначения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

      Таким образом , двигатели внутреннего сгорания - очень сложный механизм. Функция, выполняемая тепловым расширением в двигателях внутреннего сгорания не так проста, как это кажется на первый взгляд. Да и не существовало бы двигателей внутреннего сгорания без использования теплового расширения газов.

      Современная технология может также обеспечить защиту деталей двигателя, подверженных термическим нагрузкам, особенно поршней, путем использования структурного покрытия или специальных изолирующих материалов. Эти материалы могут быть нанесены на поверхности деталей, что добавляет материалам желаемые характеристики, которыми они изначально не обладают. Эти покрытия можно разделить на два основных класса: молекулярные твердые покрытия и керамика.      Твердое покрытие используется или связывается на молекулярном уровне с помощью процесса, подобного металлизации.