Головка блока дизеля ЯМЗ

Во время работы двигателя в головках блока действуют различные напряжения: остаточные от литья и механической обработки, монтажные от затяжки, от силы газов, температурные, вызываемые неравномерностью нагрева отдельных участков и колебаниями температур из-за изменений режима работы двигателя, структурные, обусловленные структурными изменениями металла под влиянием повышенных температур.

Остаточные литейные и монтажные напряжения достигают иногда больших значений.

В процессе эксплуатации автомобилей детали испытывают циклические тепловые нагрузки, сопровождающиеся изменением температур и температурных напряжений в широком диапазоне.

При продолжительной работе двигателя с нагрузками, близкими к номинальным, головки блока имеют неравномерную температуру и в них возникают температурные напряжения, обусловленные градиентами температур по поверхности и толщине нижней плиты. Цикличность теплового нагружения вызывается частыми изменениями скоростного и нагрузочного режимов работы дизеля. В настоящее время для оценки работоспособности головок блока проводится комплекс исследований, который включает измерение деформаций головок блока от монтажных сил и сил газов и изучение теплового состояния головок блока ЯМЗ.

Тепловая стойкость головки блока ЯМЗ

Тепловая стойкость головки блока определяется как уровнем максимальных температур, так и величиной температурного градиента. Отмечено, что температурный градиент возрастает с 16 до 30° С/см при увеличении нагрузки и частоты вращения и достигает максимального значения на поминальном режиме.

Ввиду сложности конструкции головок блока, а также процессов теплообмена трудно определить напряжения в них, тем не менее приближенный расчет этих напряжений возможен.

На основании проведенных исследований был разработан метод форсированных испытаний головок блока для оценки склонности их перемычек к трещинообразованию. Температурные напряжения в головках блока повышали путем увеличения угла опережения впрыска, периодическим резким изменением температуры охлаждающей жидкости и изменением скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя.

По описанной методике были испытаны различные варианты головок блока в течение 300-500 ч работы двигателя на стенде. Трещины в перемычках образовались уже после 100-150 ч работы, после 300 ч у половины испытываемых головок блока (испытывалось 16 головок блока) возникли трещины (т. е. вероятность исправной работы = 0,5). При эксплуатационных испытаниях того же варианта головок блока вероятность исправной работы — о,8 была отмечена только после 8000 ч работы (испытывалось 122 головки блока). После улучшении конструкции головок блока склонность их к образованию трещин при форсированных испытаниях существенно уменьшилась. Такой же результат был получен значительно позже при эксплуатации двигателей.

Кавитационные разрушения блоков и гильз цилиндров ЯМЗ

Кавитационные разрушения блоков и гильз цилиндров наступают после значительного срока службы дизелей. В эксплуатации разрушения отмечаются после пробега 150-200 и даже 300 тыс. км. При моторных испытаниях кавитационные явления протекают несколько интенсивнее и разрушения возникают в некоторых случаях уже после 5000 ч работы из-за применения проточной воды для охлаждения двигателей.

Заводом систематически ведутся работы по повышению кавитационной стойкости блоков и гильз.

С этой целью проводятся испытания для оценки эффективности различных конструктивных и технологических изменений. Поскольку явления кавитации развиваются очень медленно, то для оценки каждого варианта в случае проведения обычных стендовых или эксплуатационных испытаний необходимо 2-3 года. Чтобы сократить сроки, необходимые для оценки, был проведен комплекс работ для разработки метода форсированных испытаний. Поскольку многими исследователями было установлено, что главным источником кавитации в двигателях является вибрация стенок гильз, возникающая при «перекладке» поршня около в. м. т. в основу метода было положено увеличение вибрации гильз, интенсивность которой определяется ускорением и амплитудой колебаний их стенок.

Частота свободных колебаний гильз зависит от их размеров и физических свойств материала.

На амплитуду колебаний влияют: величина максимальной боковой силы и период ее изменения, жесткость гильзы и всего блока двигателя, а также жесткость сопряжения гильзы с блоком.

Величина боковой силы определяется максимальным давлением цикла и протеканием процесса расширения, площадью поршня и отношением радиуса кривошипа коленчатого вала к длине шатуна.

В связи с перекладкой поршня в процессе работы двигателя определенное значение при возбуждении колебаний гильзы имеет характер ее контакта с поршнем, обусловленный величиной зазора в сопряжении поршень-гильза.

Рассмотрим факторы, влияющие на ускорение. Изменение конструктивных размеров гильзы и физических свойств ее материала для искусственного увеличения ускорения колебаний является неприемлемым, так как при этом коренным образом должна быть изменена конструкция исследуемого дизеля. Результаты таких испытаний нельзя перенести на базовый дизель. Следовательно, нельзя изменять жесткость гильзы и блока и их посадки с целью увеличения амплитуды колебаний. По тем же причинам невозможно изменять площадь поршня, а также отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Максимальные значения боковой силы или ее импульса можно изменять только уменьшая или увеличивая среднее эффективное давление или зазор в сопряжении поршень-гильза. Возможности повышения среднего эффективного давления ограничены и для значительного увеличения боковой силы, а следовательно, и для форсирования развития кавитации не могут быть реализованы.

Влияние зазора в сопряжении поршень-гильза на ускорение определяли при работе дизеля на стенде. Измерение вибраций проводилось пьезоэлектрическим датчиком ускорения в комплекте с предварительным усилителем или катодным повторителем и анализатором. Датчики посредством переходников были связаны с гильзой. Влияние переходников и уплотнителей на работу датчиков незначительно. Датчики были закреплены в двух точках гильзы на нагруженной стороне. Последовательно в гильзу устанавливались поршни с зазором 0,12; 0,19; 0,285 и 0,7 мм и записывались графики вибраций во всем диапазоне рабочих частот вращения при прокручивании вала двигателя балансирной машиной, на холостом ходу и при работе по скоростной характеристике.

При анализе результатов исследований было отмечено, что наибольшие вибрации возникают в нижней части гильзы при работе двигателя на холостом ходу.

С увеличением зазора в паре поршень-гильза интенсивность вибраций растет на всех режимах.

Режим форсированных испытаний

Чтобы выбрать режим форсированных испытаний и зазоров паре поршень-гильза, был проведен расчет ожидаемой интенсивности кавитационного разрушения в зависимости от вибрационного ускорения. Расчет производился с использованием эмпирической зависимости, полученной в результате исследований серийных дизелей и образцов, подвергавшихся кавитационному разрушению на магнитострикционном вибраторе.

На интенсивность кавитационных разрушений может влиять также температура охлаждающей воды и ее коррозионные свойства.

Максимальная интенсивность кавитационных разрушений отмечается при температуре воды 55° С. Ввиду этого все форсированные испытания данной группы проводились при температуре воды 50-55° С. Для оценки влияния коррозионных свойств воды при испытании в качестве охлаждающей жидкости использовали 3%-ный раствор NaCl в воде. В данном случае интенсивность кавитационных явлений не увеличилась по сравнению с результатами испытаний при применении обычной воды. Не было замечено усиления интенсивности кавитации и во время испытаний на магнитострикторе при использовании различных водных растворов.

В конечном итоге был разработан следующий метод форсированных испытаний:

• сборка двигателя с зазором в сопряжении поршень-гильза 0,7 мм;
• испытания на режиме холостого хода при 2100 об/мин при температуре охлаждающей жидкости 50-55° С в течение 150 ч.

При испытаниях данной продолжительности возникают кавитационные разрушения гильз и блоков цилиндров, аналогичные таковым на дизелях в эксплуатации через 150-200 тыс. км пробега (или через 6-8 тыс. ч работы).

Как показало обобщение обширной и объективной информации, систематически поступающей на завод из эксплуатирующих организаций, поставленная на производство головка блока обеспечивала ресурс, заданный техническим заданием. В связи с задачами, поставленными перед заводом по повышению ресурса двигателей, был проведен комплекс опытно-конструкторских работ по дальнейшему повышению надежности головки блока.

Совершенствование силовой схемы.

Как показал опыт эксплуатации дизелей ЯМЗ первых партий выпуска, при наработке свыше 4000 мото-часов иногда образовывались трещины на верхней полке головки блока. Вероятной причиной возникновения этих трещин могли быть изгибные деформации верхней полки, являющиеся результатом действия сил от затяжки шпилек крепления и от сил газов.

Сложность тензометрических исследований данного элемента головки обусловлена тем, что применение тензодатчиков с относительно большой базой не позволяет выявить закономерность концентрации напряжений вследствие сложной конфигурации поверхностей. Поэтому производилось непосредственное измерение деформации полки головки в местах возникновения трещин с помощью индикаторов. За измерительную базу принималась практически неподвижная упорная плита. На верхнее кольцевое ребро головки блока устанавливалась на трех точках жесткая стальная шлифованная плита, имеющая точно обработанные отверстия в местах предполагаемых деформации верхней полки. Эти отверстия являлись направляющими для удлинителя ножки микронного индикатора, расположенного на верхней плоскости плиты. Головку блока размещали на специальном приспособлении, позволявшем имитировать действие сил затяжки шпилек крепления головки и сил газов. Действие сил газов воспроизводилось при помощи тарированного нагрузочного устройства.

В результате проведенных исследований было выявлено, что трещины на верхней полке являются следствием повышенной и несимметричной деформации бобышек отверстий под шпильки крепления головки блока и участка перехода от бобышки к верхней полке. Проведенные измерения деформации показали целесообразность изменения конфигурации бобышек и участков перехода их в верхнюю полку. Смещение осей бобышек относительно оси отверстия при увеличении радиусов перехода от бобышки к верхней полке позволило уменьшить деформацию указанных участков.

Чтобы проверить эффективность данного мероприятия при длительном воздействии динамических нагрузок, были проведены форсированные испытания на усталость, которые позволили установить целесообразность изменения конструкции головки блока — трещины около бобышек не возникали. Однако участок максимальной деформации сместился в район отверстия для литейного знака, поэтому оно было ликвидировано, что не отразилось па качестве литья, поскольку для отвода газов оказалось достаточным отверстия под форсунку. Данные испытания показали, что изменение силовой схемы головки блока требует всесторонней опытной проверки из-за статической неопределимости и связанных с этим трудностей расчетного прогнозирования результатов ее изменения.

Обобщение опыта эксплуатации дизелей показало, что при наработке свыше 8000 мото-часов в местах пересечения поверхностей обработанных гнезд для пружин клапанов с поверхностями отверстий под стаканы форсунок в отдельных случаях возникают трещины. Отработанная методика форсированных усталостных испытаний головок блока способствовала выявлению отрицательного влияния на прочность верхней полки глубоких цековок под клапанные пружины. Сравнение усталостной прочности головок блока проводилось при их испытании с гнездами для пружин без них. Конструктивно уменьшение глубины цековок на верхней полке возможно за счет увеличения длины стержня клапана, что неприемлемо, так как при этом клапаны переставали быть взаимозаменяемыми. Поэтому была создана конструкция узла крепления клапанных пружин, позволяющая без потери взаимозаменяемости клапанов и клапанных пружин уменьшить глубину цековки от 7 до 2,5 мм.

В дальнейшем целесообразно гнезда под пружины заменить выступающими бобышками.

Повышение долговечности пары седло — клапан дизеля ЯМЗ

Опыт эксплуатации дизелей ЯМЗ показывает, что увеличение ресурса головки блока сверх 6000 мото-часов лимитируется недостаточной долговечностью седел впускных клапанов, которые в исходной конструкции головки блока выполняются непосредственно в теле головки. В то же время для выпускных клапанов устанавливают седла из твердого жаропрочного сплава, который надежно обеспечивает ресурс пары седло — клапан до 8000 моточасов и более. Таким образом, увеличение ресурса двигателя свыше 6000 мото-часов потребовало введения вставных седел впускных клапанов.

Для обеспечения ресурса пары седло-клапан свыше 8000 моточасов при высокой форсировке дизеля потребовалось проведение дальнейших изысканий по повышению надежности вставного седла.

Применяемый в настоящее время для изготовления вставных седел специальный чугун обладает хорошей износостойкостью, но его жаропрочность лимитирует превышение уровней форсировки дизеля путем наддува, характеризуемых ре > 10 кгс/см2. Поэтому была отработана методика форсированных испытаний вставных седел клапанов на термическую стойкость. Испытания проводились на дизелях с турбонаддувом, имеющих увеличенные на 4 градусовугол опережения впрыска, до 750 С температуру отработавших газов и до 1,5 мм зазор в сопряжении клапан-коромысло для повышения скорости посадки клапана на седло. По данной методике были испытаны седла из различных материалов и сплавов. Наиболее долговечными оказались седла из сплава ВЗК (стеллит), которые после наработки 800 ч на стенде, что эквивалентно работе дизеля в пределах амортизационного срока, не имели разрушений. На основании результатов испытаний заводом ведется технологическая подготовка производства к внедрению конструкции головки цилиндров с вставными седлами под впускной и выпускной клапаны из сплава типа ВЗК.