УДК
in process
DOI
in process
To cite the content of the article, please use the following description
To cite the content of the article, please use the following description
Чепурин, А. В. Основные износы и дефекты деталей клапанной группы / А. В. Чепурин, А. Д. Севостьянов // Управление рисками в АПК. – 2016. – № 7. – С. 5-12.
Chepurin VA, Sevostyanov AD (2016) Basic wear and defective parts of the valve group. Agricultural Risk Management 7:5-12.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ | TECHNICAL SCIENCES
Чепурин А.В., Севостьянов А.Д.
Основные износы и дефекты деталей клапанной группы
Чепурин Александр Васильевич – кандидат технических наук, доцент, кафедра технического сервиса машин и оборудования, факультет технического сервиса в АПК, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, г. Москва, Россия.
E-mail: av.tchepurin@yandex.ru
SPIN-код РИНЦ: 9893-4966
Севостьянов Алексей Дмитриевич – магистрант, кафедра технического сервиса машин и оборудования, факультет технического сервиса в АПК, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, г. Москва, Россия.
E-mail: av.tchepurin@yandex.ru
annotation
В статье приведён краткий анализ дефектов деталей клапанной группы, возникающих при работе двигателей внутреннего сгорания.
Keywords
Направляющая втулка; клапан; пружина; седло клапана; тепловой зазор.
Chepurin V.A., Sevostyanov A.D.
Basic wear and defective parts of the valve group
Aleksandr V. Chepurin – Ph.D., Associate Professor, Department of technical service of machines and equipment, Faculty of technical service in agriculture, RSAU – MAA named after K.A. Timiryazev, Moscow, Russia.
E-mail: av.tchepurin@yandex.ru
SPIN-RISC code: 9893-4966
Alexey D. Sevostyanov – graduate student, Department of technical service of machines and equipment, faculty of technical service in agriculture, RSAU – MAA named after K.A. Timiryazev, Moscow, Russia.
E-mail: av.tchepurin@yandex.ru
Phone: 8 (916) 137-50-15
Annotation
The article presents a brief analysis of the defects of parts of the valve group arising from the operation of internal combustion engines.
Keywords
Guide bushing; a valve; a spring; a valve seat; a thermal gap.
Article text
Износ и дефекты направляющих втулок/ Направляющие втулки имеют следующие дефекты: износ внутренней поверхности (58-96 %), ослабление посадки (7-13%), трещины и изломы (3-10%). Износ втулок носит выраженный местный характер. В верхней части втулок износ невелик и имеет форму овала, большая ось которого перпендикулярна продольной оси двигателя. В нижней части втулки изнашиваются больше, чем в верхней с сохранением направления износа – наибольший износ наблюдается в месте удара стержня клапана о втулку с последующим скольжением при граничном трении. Больший износ выпускных втулок по сравнению с впускными объясняется дополнительным тепловым нагружением в соединении с клапаном.
На момент капитального ремонта износы втулок клапанов в верхней части обычно составляют 0,06-0,08 мм, а в средней 0,04-0,07 мм. В нижней части износ втулок выше, чем в верхней, достигает 0,24 мм и более, и в среднем составляет 0,10-0,12 мм. Расчетный коэффициент неравномерности износа по длине образующей равен: для втулок впускных клапанов 3-4, для втулок выпускных клапанов 8-13 [6].
Согласно исследованиям [5], скорость износа впускных втулок ЯМЗ-236 М2-1 до ремонта составляет 0,006 мм/1000 м.ч., после ремонта - 0,020 мм/1000 м.ч., расчетный ресурс до ремонта – 10000 м.ч., после ремонта – 3000 м.ч. Скорость износа выпускных втулок до ремонта составляет 0,007 мм/1000 м.ч., после ремонта - 0,035 мм/1000 м.ч., расчетный ресурс до ремонта – 8500 м.ч., после ремонта – 1600 м.ч.
На рисунке 1 показаны втулки и седла имеющие износ, близкий к аварийному и иллюстрирующие его местный несимметричный характер. При меньших износах втулок (до 0,20 мм) визуально данный характер не проявляется, невозможно его определить также и при дефектовке измерением наиболее часто применяющимся инструментом – нутромером (метод двух точек). Однако, практически с начала износа втулки происходит смещение фактической оси работы клапана, что приводит к соответствующему нарушению соосности клапана и седла. При малых износах и, следовательно, перекосах, герметичность клапана и седла обеспечивается пластическим деформированием поверхностей рабочих фасок клапана и седла.
Рассмотренные в примере клапанные пары не обладали герметичностью вследствие значительного перекоса осей клапана и седла. Очевидно, существенный местный износ указывает на направление результирующей силы взаимодействия сопряженных деталей.
Рис. 1. Аварийный износ направляющих втулок и седел бензиновых (а) и дизельных двигателей (б)
По данным источников [2; 3], у двигателей, поступающих в капитальный ремонт, зазоры в сопряжении клапан-втулка обычно выше номинальных в 1,5-3,5 раза. Это может приводить к повышению расхода масла на угар через сопряжение клапан-втулка на 18-20%, увеличению дымности отработанных газов – на 10-15%.
Износ и дефекты клапанов. Клапаны имеют следующие дефекты: износ стебля (до 75%), износ рабочей фаски (26-48%), биение рабочей фаски (2-3%), прогары тарелки, обрыв клапана (2-8%).
До 90% стержней выпускных и 60% впускных клапанов ЯМЗ-236 М2-1, [3, 4] имеют предельные износы, достигающие 0,12-0,13 мм и требуют замены или ремонта. Наибольшая овальность стержней – 0,03 мм.
Биение фасок при эксплуатации возрастает по сравнению с биением новых клапанов почти в 3 раза и достигает, например, у двигателей ЗИЛ 0,14-0,16 мм, а в среднем 0,053 мм [5]. Биение рабочей фаски относительно оси стержня приводит к неплотной посадке клапана и нарушению герметичности сопряжения, уменьшению наполнения цилиндра свежим воздухом. Биения фасок седел относительно оси втулок также резко возрастают по мере увеличения наработки двигателей и в среднем составляют: впускного – 0,12, выпускного – 0,23 мм, а максимальные – соответственно до 0,40 и 0,55 мм.
Изменение теплового зазора в клапанном механизме. Уменьшение или увеличение теплового зазора от оптимальной заданной величины отрицательно сказывается на работе двигателя. При слишком большом зазоре растут ударные нагрузки и увеличивается износ сопряжений клапанного механизма. При очень малых – не обеспечивается герметичность камеры сгорания, и двигатель не развивает полной мощности, клапаны перегреваются, что может повлечь прогар фасок. Проверке и регулировке зазоров необходимо уделять первостепенное внимание. Наиболее опасно уменьшение зазора для выпускного клапана. Клапан в этом случае раньше открывается и позже закрывается, время перетекания горячих газов через малую щель увеличивается, а время, когда клапан закрыт и должен охлаждаться, отдавая тепло через седло в охлаждающую жидкость, сокращается. Уменьшенный зазор – наиболее частая причина подгорания рабочих фасок.
Увеличение теплового зазора приводит к появлению стуков в механизме газораспределения. Увеличение регулировочного зазора существенно сказывается на возрастании скорости посадки клапана. В свою очередь износ седла и фаски клапана во многом определяется скоростью посадки клапана.
Кроме того, начальная величина теплового зазора в механизме, величина неустойчивая, зависящая от качества изготовления и температуры его деталей. Согласно исследованиям ГОСНИТИ [1], тепловой зазор в механизме газораспределения дизельных двигателей изменяется по случайному закону – в процессе эксплуатации зафиксировано как увеличение, так и уменьшение теплового зазора.
Интенсивность изменения находилась в пределах (мм/мото-ч.):
-для впускных соединений: - положительная (увеличение зазора) – 0+0,00045; -отрицательная (уменьшение зазора) – 0,00001-0,00062;
-для выпускных соединений: - положительная (увеличение зазора) – 0+0,00094; -отрицательная (уменьшение зазора) – 0,00007-0,00051.
Износ и дефекты клапанных седел. Основным дефектом, ограничивающим срок службы головок цилиндров, является износ клапанных седел. Проявляется этот дефект в повышенных утопаниях клапанов, что в свою очередь служит одной из причин снижения мощностных и экономических показателей двигателей. По данным ГОСНИТИ [1, 4], увеличение утопания клапанов дизельных двигателей от номинального (1,15-1,6 мм) до предельного (3,5 мм) ведет к росту расхода топлива на 10,5% и снижению мощности на 10%. Одновременно с этим отмечается увеличение расхода масла на 10%, повышение температуры выпускных сопряжений – на 7…8%.
Износы седел впускных клапанов двигателей ЯМЗ-236 М2-1 находятся в пределах 0,3-1,3 мм и в среднем составляют 0,66 мм; износы выпускных седел составляют 0,1-0,7 мм, а в среднем 0,20 мм. Износы впускных седел выше износа выпускных в 3 раза. Тарелки клапанов этих двигателей, наплавленные сплавом ВЗК, изнашиваются обычно в 3 раза меньше, чем их гнезда, и в среднем составляют впускного – 0,20 и выпускного – 0,06 мм. Скорость износа впускных седел отремонтированных двигателей ЯМЗ-236 М2-1 составляет около 62 мкм/1000 мото-ч. Ресурс клапанных седел двигателей ЯМЗ-236 М2-1 составляет 10-11 тыс. мото-ч [1].
Выпускные клапанные седла, независимо от конструктивного исполнения головок, изнашиваются меньше, чем впускные. Это происходит, в основном, по следующим причинам:
- тарелки впускных клапанов имеют повышенную массу (по отношению к выпускным);
- наличие нагара и всасывание с воздухом некоторого количества пыли приводит к более интенсивному их изнашиванию.
Седла выпускных клапанов менее подвержены износу ввиду того, что температура в камере сгорания очень высокая и потому происходит частичное сгорание нагара и пыли. Кроме того, часть пыли оседает на стенках гильз. В результате через выпускные клапаны проходит нагар и пыль более размельченными и менее агрессивными в абразивном отношении и в меньшем количестве.
Дефекты клапанных пружин. Клапанными пружинами в немалой степени обеспечивается плотность прилегания клапанов. В результате совместного действия предварительной статической и циклически меняющейся динамической нагрузок начальная высота и жесткость пружин уменьшаются.
Дефектация пружин клапанов двигателей ЯМЗ-236 М2-1, поступивших в капитальный ремонт, показала, что упругость всех пружин (выборка 64 штуки) соответствовала техническим требованиям, а именно: внутренней – не менее 225Н (новой 245+15Н), наружной – не менее 113Н (новой 125 + 7,5Н). И, наоборот, у 87% пружин высота в свободном состоянии зафиксирована меньше, чем у новых изделий, обычно на 1-2 мм.
При эксплуатации двигателей, около 90% пружин укорачиваются на 0,5-3 мм (или на 2-5%); до 45-55% пружин теряют упругость на 4-25%.
Клапанные пружины двигателей имеют разные усилия предварительной затяжки. Известно, что при увеличении усилия предварительной затяжки пружин от 137Н до 358Н (то есть в 2,5 раза) износ сопряжения клапан-гнездо увеличивается примерно на 20%. Усадка клапанных пружин на 1-3 мм при сохранении ими упругости (на рабочей высоте) не сказывается на рабочих параметрах двигателей. С другой стороны, при снижении упругости пружин двигатели теряют мощность при одновременном перерасходе топлива - по данным ГОСНИТИ, в случае снижения упругости пружин на 25% потеря мощности двигателем достигает 17%, и удельный расход топлива повышается на 19%.
Согласно рекомендациям технических требований, при капитальных ремонтах двигателей снижение упругости клапанных пружин, например, семейств ЯМЗ и ММЗ, допускается не более чем на 5-15%.
Приведенные данные свидетельствуют о необходимости поиска оптимальных соотношений жесткости и предварительной затяжки пружин и назначения более жестких требований к дефектации клапанных пружин при капитальном ремонте.
Sources:
1. Кривенко П.М., Баранцев В.М., Хакимов А.М. Исследование износов и отказов дизелей в условиях рядовой эксплуатации. Промежуточный отчет ГОСНИТИ. М.: ГОСНИТИ, 1980. 65 с.
2. Определение допустимых отклонений размеров основных деталей кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов при капитальном ремонте двигателей ЯМЗ-236, ЯМЗ-238. Отчет. Колл. авт., Ярославль: Ярославский моторный завод, 1974. 30 с.
3. Пучин Е.А., Новиков В.С., Очковский Н.А. Практикум по ремонту машин. М.: КолосС, 2009. 327 с.
4. Силуянов В.П. Исследование и разработка технологических процессов восстановления сопряжений седло-клапан тракторных двигателей с использованием роторного газопламенного напыления: автореф. … дис. канд. тех. наук. М., 1981.
5. Усков В.П. Справочник по ремонту базовых деталей двигателей. Брянск, 1998. 589 с.
6. Чепурин А.В. Методы обработки отказов автотракторных двигателей. Учебное пособие для вузов. М.: УМЦ «Триада», 2016. 78 с.
References:
1. Krivenko P.M., Barantsev V.M., Khakimov A.M. Issledovaniye iznosov i otkazov dizeley v usloviyakh ryadovoy ekspluatatsii. Promezhutochnyy otchet GOSNITI. Moscow, 1980. 65 p.
2. Opredeleniye dopustimykh otkloneniy razmerov osnovnykh detaley krivoshipno-shatunnogo i gazoraspredelitel'nogo mekhanizmov pri kapital'nom remonte dvigateley YAMZ-236, YAMZ-238. Otchet. Koll. avt., Yaroslavl': Yaroslavskiy motornyy zavod, 1974. 30 p.
3. Puchin Ye.A., Novikov V.S., Ochkovskiy N.A. Praktikum po remontu mashin. Moscow, 2009. 327 p.
4. Siluyanov V.P. Issledovaniye i razrabotka tekhnologicheskikh protsessov vosstanovleniya sopryazheniy sedlo-klapan traktornykh dvigateley s ispol'zovaniyem rotornogo gazoplamennogo napyleniya: avtoref. … dis. kand. tekh. nauk. Moscow, 1981.
5. Uskov V.P. Spravochnik po remontu bazovykh detaley dvigateley. Bryansk, 1998. 589 p.
6. Chepurin A.V. Metody obrabotki otkazov avtotraktornykh dvigateley. Uchebnoye posobiye dlya vuzov. Moscow, 2016. 78 p.
All illustrations of the article: