Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ МЕТАЛЛИЗИРОВАННОЙ ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРОВ ПРИ ИСПЫТАНИИ НА ПРОЧНОСТЬ

Научная статья
Субаев М.И.
Борисов И.В.
Сухов Е.С.
Хохлов А.Л.
Салахутдинов И.Р.
Глущенко А.А.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.61.087
Выпуск: № 7 (61), 2017
Опубликована:
2017/07/19
PDF

Субаев М.И.1, Борисов И.В.2, Сухов Е.С.3, Хохлов А.Л.4, Салахутдинов И.Р.5, Глущенко А.А.6

1Магистрант, ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА, 2Магистрант, ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА, 3Магистрант, ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА, 4ORCID: 0000-0001-5420-0487, кандидат технических наук, доцент,  ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА, 5ORCID: 0000-0002-4273-5043, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА, 6ORCID: 0000-0001-5749-4337, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА

ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ МЕТАЛЛИЗИРОВАННОЙ ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРОВ ПРИ ИСПЫТАНИИ НА ПРОЧНОСТЬ

Аннотация

Одним из способов повышения физико-механических и эксплуатационныхпоказателей гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания является металлизация, реализуемая нарезанием на внутренней части рабочей поверхности трения встречных винтовых канавок с последующей наплавкой меди.Для определения влияниятехнологического процесса металлизации гильзы на ее прочность, проведены экспериментальные исследования на радиальные и осевые деформации гильзы, а так же гидравлические исследования показавшие, что параметры гильз остаются в допустимых пределах.

Ключевые слова: гильза цилиндров, металлизация, рабочая поверхность, винтовые канавки, деформация, геометрические размеры.

Subaev M.I. 1, Borisov I.V. 2, Sukhov E.S. 3, Khokhlov A.L.4, Salakhutdinov I.R.5, Glushchenko A.A.6

Graduate Student, FSBEI of Higher Education Ulyanovsk State Agricultural Academy, Graduate Student, FSBEI of Higher Education Ulyanovsk State Agricultural Academy, Graduate Student, FSBEI of Higher Education Ulyanovsk State Agricultural Academy, 4ORCID: 0000-0001-5420-0487, PhD in Engineering, Associate Professor, FSBEI of Higher Education Ulyanovsk State Agricultural Academy, 5ORCID: 0000-0002-4273-5043, PhD in Engineering, Associate Professor, FSBEI of Higher Education Ulyanovsk State Agricultural Academy, 6ORCID: 0000-0001-5749-4337, PhD in Engineering, Associate Professor, FSBEI of Higher Education Ulyanovsk State Agricultural Academy

STUDY OF CHANGING GEOMETRIC DIMENSIONS OF METALLIZED CYLINDER MUFFS DURING STRENGTH TESTING

Abstract

One of the ways to improve physical, mechanical and operational characteristics of cylinder muffs of internal combustion engines is metallization implemented with the help of cutting on the inner part of the working surface of counter-helical grooves friction with the subsequent surfacing of copper. We conducted experimental research on axial deformations of the muff, as well as hydraulic tests showing that the parameters of the muffs remain within limits to determine the effect of the technological process of the muff metallization on its strength.

Keywords: cylinder muff, metallization, working surface, helical grooves, deformation, geometric dimensions.

Одним из элементов, оказывающим наиболее лимитирующее влияние на показатели надежности работы двигателей внутреннего сгорания, является гильза цилиндров. В процессе эксплуатации двигателя гильза цилиндра работает в условиях резко переменных давлений в надпоршневой полости. Стенки ее соприкасаются с пламенем и горячими газами, раскаленными до температуры 1500…2500°С, а средняя скорость скольжения поршня по рабочей поверхностименяется в пределах 11…17 м/с. Кроме того, в этой зоне происходит перекладка поршня, сопровождаемая ударными нагрузками на стенки цилиндра. Под действием высокого радиального давления колец происходит разрыв масляной пленки на стенках цилиндра сопровождаемое значительным повышением трения, что приводит к интенсивному изнашиванию цилиндра и поршневых колец[1].

В настоящее время для снижения износа гильз цилиндров используются различные методы. Одним из перспективных и эффективныхметодов снижения износа в сопряжении «гильза-кольцо-поршень» является нанесение на рабочую поверхность гильзы материалаимеющего меньшее сопротивление сдвигу, чем основной материал гильзы, например меди. Такие гильзы принято называть металлизированными [2], [3], [4].

Технологический процесс металлизации гильзы цилиндров заключается в нарезаниена ее внутренней рабочей поверхности встречныхвинтовых канавок (рис. 1) и наплавки в них меди, зачистки внутренней поверхности после наплавки, шлифование внутренней поверхности, её хонингования, контроля, консервации и упаковки [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]. Нанесение медных вставок позволяет, в процессе эксплуатации гильзы в двигателе, формировать на ее внутренней рабочей поверхности трения слой антифрикционного материала, обеспечивающий снижение коэффициента трения в контакте и износ сопряжения «гильза-кольцо-поршень».

03-08-2017 10-48-06

Рис. 1 – Гильза цилиндров совстречными винтовыми канавками

 

При технологическом процессе металлизации гильзы цилиндров изменяются физико-механические свойства рабочей поверхности трения и в частности прочностные свойства. Поэтому, для оценки влияния технологического процесса металлизации на прочностные свойства гильз цилиндров и принятия решения о возможности использования металлизированных гильз в двигателях автомобилей необходимо установить предельные значенияеё геометрических и прочностных параметров.

Поскольку для гильзы цилиндров справедливо соотношение 03-08-2017 10-49-23 то расчёт гильзы цилиндров на прочность проведём по безмоментной теории оболочек, как тонкостенный цилиндр находящийся под внутренним давлением.

03-08-2017 10-50-26

Рис. 2 – Схема гильзы цилиндров а) расчётная схема; б) эпюра напряжений

  Согласно уравнению Лапласа: 03-08-2017 10-51-12   (1)

где 03-08-2017 10-52-01 - меридиональное напряжение, МПа; 03-08-2017 10-52-24 окружное напряжение, МПа; 03-08-2017 11-01-54 - внутренний радиус гильзы цилиндров, мм; 03-08-2017 11-02-04 радиус кривизны для цилиндрической поверхности, мм; 03-08-2017 11-02-14 - толщина стенки гильзы цилиндров, мм; РВ– давление внутри гильзы цилиндров, МПа.

Тогда

03-08-2017 11-03-26   (2)

Согласно  теории наибольших касательных напряжений эквивалентное напряжение: 03-08-2017 11-03-39   (3) В данном случае  03-08-2017 11-05-28  следовательно: 03-08-2017 11-03-49  (4) 03-08-2017 11-06-14 03-08-2017 11-06-53  (5)

Тогда напряжение, выдерживаемое элементарным участком металлизированной гильзы цилиндров, составит:

03-08-2017 11-08-53

Как видно, металлизация гильзы цилиндров не приводит к снижению прочностных свойств гильзы. Для подтверждения полученных теоретических результатов проведены экспериментальные исследования на возможность возникновения её радиальных и осевых деформациях при воздействия нагрузки, соответствующей рабочим значениям в двигателе.

Перед исследованиями проводили микрометраж внутренних размеров металлизированных гильз согласно ГОСТ 14846-81. Влияние металлизации на деформацию определялось исследованиямина разрывной машине марки Р-5 ГОСТ 28840-90 по изменению деформации стенок гильзы при её осевом сжатии (рис. 3) [12]. Исследования на прочность гильзы цилиндров проводились при гидравлических исследованиях на специализированном стенде НП – 150 ТУ 3632-00502566510 – 2006 по изменению геометрических размеров гильзы цилиндров (рис. 4).

03-08-2017 11-10-54

Рис. 3 – а) общий вид разрывной машины Р-5; б) исследуемая металлизированная гильза цилиндров со встречными винтовыми канавками наплавленными медью

03-08-2017 11-12-22

Рис. 4 - Гидравлические исследования: а) стенд НП-150; б)гильза цилиндров под минимальной нагрузкой в) схема приспособления для гидравлических исследований гильзы цилиндров: 1 – манометр; 2 – металлизированная гильза; 3 – шаровой кран; 4 – насос НП-150

 

Исследованиям подвергались три гильзы цилиндров с нанесенными на их внутренних рабочих поверхностях трения двух встречных винтовых канавок глубиной 1,5 мм, с последующей наплавкойв них медимарки М-1 ГОСТ 859-78.

При проведении испытаний на деформационные изменения стенок, гильзу цилиндра сжимали осевой нагрузкой 2000 Н. Измерение деформации стенок гильзы осуществлялось в поясах гильзы по ее высоте в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, через каждые 30 мм, начиная с верхнего торца. Измерения проводили с использованием индикатора часового типа ИЧП 100 ГОСТ 577-68, установленного на индикаторной магнитной стойке нормально к стенке гильзы цилиндров. Величина деформации стенок гильзы цилиндров оценивалась по среднему значению деформаций всех гильз в исследуемой партии.

Испытания металлизированных гильз цилиндров на прочность проводились в двух режимах - гидростатическом и гидродинамическом. В гидростатическом режиме в металлизированную гильзу цилиндров нагнетали воду, создавая давление 5 МПа, с последующей выдержкой при этом давлении в течение 10 мин. Температура  воды 20 ОС.

Для имитации рабочего цикла работы ЦПГ во время гидродинамических исследований давление нагнетания составлялодо 5,5 МПа, с последующим снижениемдавлениядо 0,5 МПа. Выдержка при максимальном и минимальном давлениях 3 с. Число циклов (нагнетаний и снижения давления) – 100 раз.

Результаты исследования деформации стенок металлизированных гильз цилиндров показали (рис. 5), что геометрические размеры внутреннего диаметра гильз у всех исследуемых гильз остались в допустимых пределах изменения геометрических параметров - 0,06 мм и равняются 0,01 мм.

03-08-2017 11-13-49

Рис. 5 – Геометрические размеры металлизированной гильзы цилиндров до (1) и после (2) осевого сжатия

 

Исследованиями на прочность гильз в процессе гидравлических испытаний установлено (рис. 6), что геометрические размеры внутреннего диаметра исследуемых металлизированных гильз также остались в допустимых пределах – 0,06 мм [13].

03-08-2017 11-15-26

Рис.6 – Геометрические размеры металлизированной гильзы цилиндров до и после гидравлических исследований

 

Результаты проведённых исследований свидетельствуют о том, что металлизация гильзы цилиндров методом нарезания встречных винтовыхканавок на внутренней рабочей поверхности гильзы цилиндров с последующейнаплавкойв них меди, не приводят к снижению прочностных свойств гильзы цилиндров и не вызывают изменения ее геометрических параметров, что позволяет использовать их в двигателях внутреннего сгорания на равнее со штатными гильзами цилиндров.

Список литературы / References

  1. Официальный сайт производителя поршневых групп «МОТОРДЕТАЛЬ-КОСТРОМА» [Электронный ресурс]. –URL:http://www.motordetal.ru/ (дата обращения 23.05.2017)
  2. Баринов С.В. Повышение износостойкости цилиндро-поршневой группы автотракторных дизелей путем биметаллизации внутренней поверхности гильзы цилиндров: дисс. канд. техн. наук: 05.20.03 /Баринова Сергей Вячеславович. – Саратов, 2003. - 148 с.
  3. Салахутдинов И.Р. Повышение износостойкости гильз цилиндров бензиновых двигателей биметаллизацией рабочей поверхности трения: дисс. канд. техн. наук: 05.20.03 / СалахутдиновИльмасРифкатович. – Пенза, 2011. - 208 с.
  4. Салахутдинов И.Р. Повышение износостойкости гильз цилиндров бензиновых двигателей металлизацией рабочей поверхности трения / И.Р. Салахутдинов, А.Л. Хохлов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. – 2012. - №2 (18). – С. 101-106.
  5. Патент на изобретение 2508463 Россия, МПК F02F 1/20, F16J 10/04. Цилиндропоршневая группа / Д.А. Уханов, А.Ш. Нурутдинов, А.Л. Хохлов, И.Р. Салахутдинов, А.А. Хохлов. - №2012115019/06; Заяв. 16.04.2012; Опубл. 27.02.2014, Бюл. №6.
  6. Патент на изобретение 2534327 Россия, МПК F002F1/20, F16J10/04, F02F3/10. Цилиндропоршневая группа / А.Л. Хохлов, И.Р. Салахутдинов, А.А. Глущенко, А.А. Хохлов, А.Ш. Нурутдинов, Д.М. Марьин. - №2013110185/06; Заяв. 06.03.2013; Опубл. 27.11.2014, Бюл. №33.
  7. Патент на полезную модель № 93465 РФ Цилиндропоршневая группа / И.Р. Салахутдинов; А.Л. Хохлов; Е.С. Зыкин; К.У. Сафаров. -№2010100259; Заяв. 11.01.2013; Опубл. 27.04.2010;Бюл. № 12.
  8. Патент на изобретение № 2440503 РФ Цилиндро-поршневая группа / И.Р. Салахутдинов; А.Л. Хохлов; Е.С. Зыкин; К.У. Сафаров. - № 2010100006/06; Заяв. 11.01.2010;Опубл. 20.01.12; Бюл. № 2
  9. Патент на изобретение № 2451810 РФ Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания / И.Р. Салахутдинов; Д.А. Уханов, А.Л. Хохлов, А.А. Хохлов.- № 2011100391/06; Заяв. 11.01.2011; Опубл. 27.05.12; Бюл. № 15.
  10. Субаев М.И. Гильза цилиндров повышенной износостойкости / М.И. Субаев, И.Р. Салахутдинов // IV Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ учащихся, студентов, аспирантов (соискателей) и научных сотрудников «Развитие агропромышленного комплекса юга России». – Краснодар: Издательство «Новация»,2015. - С.363-367.
  11. Субаев М.И. Ускоренные лабораторные исследования противоизносных свойств металлизированных гильз цилиндров / М.И. Субаев, И.Р. Салахутдинов, А.Л. Хохлов и др.//VII Международная научно - практическая конференция «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения». -Ульяновск: УГСХА ,2016. - С. 231-237
  12. ГОСТ 25.503-80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. – Введен. 1981-07-01 .- М.: Госстандарт СССР, 1980 . -  57 с.
  13. Нурутдинов А.Ш. Исследования металлизированной гильзы цилиндров на прочность / А.Ш. Нурутдинов, А.Л. Хохлов, И.Р. Салахутдинов и др. // Научно-производственный журнал «Сельский механизатор». - 2013. - №6. - С. 33-35
  14. ГОСТ 53809-2010. Двигатели автомобильные. Гильзы цилиндров. Технические требования и методы испытаний. – Введ. 2010-09-15. - М.: Национальный стандарт РФ: Изд-во стандартов, 2010 – 137 с.
  15. ГОСТ 3845-75. Трубы металлические. Метод испытания гидравлическим давлением. – Введ. 1977-01-01.- М.: Стандартинформ, 2010. – 4 с.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Oficial'nyj sajt proizvoditel'lya porshnevyh grupp «MOTORDETAL'-KOSTROMA» [Official site of the producer of the piston groups «MOTORDETAL-KOSTROMA»] [Electronic resource]. - URL:http://www.motordetal.ru/ (accesed: 23.05.2017) [in Russian]
  2. Barinov S.V. Povyshenie iznosostojkosti cilindro-porshnevoj gruppy avtotraktornyh dizelej putem bimetallizacii vnutrennej poverhnosti gil'zy cilindrov [Increase of wear resistance of the cylinder-piston group of autotractor diesel engines by bimetallization of the inner surface of the cylinder liner]: diss. Of Cand. Tech. Sciences: 05.20.03 / BarinovaSergejVyacheslavovich. - Saratov, 2003. 148 p. [in Russian]
  3. Salakhutdinov I.R. Povyshenie iznosostojkosti gil'z cilindrov benzinovyh dvigatelej bimetallizaciej rabochej poverhnosti treniya [Increase of wear resistance of liners of cylinders of petrol engines by bimetallization of a working surface of a friction]: diss. Of Cand. Tech. Sciences: 05.20.03/SalahutdinovIl'masRifkatovich. - Penza, 2011. - 208 p.[in Russian]
  4. Salakhutdinov I.R. Povyshenie iznosostojkosti gil'z cilindrov benzinovyh dvigatelej metallizaciej rabochej poverhnosti trenija [Increase of wear resistance of cylinder liners of petrol engines by metallization of working surface of friction] / I.R. Salakhutdinov, A.L. Khokhlov // Vestnik Ul'janovskoj gosudarstvennoj sel'skohozjajstvennoj akademii [Bulletin of the Ulyanovsk State Agricultural Academy]. - 2012. - №2 (18). - P. 101-106 [in Russian]
  5. Patent for invention 2508463 the Russian Federation, MPK F02F 1/20, F16J 10/04. Cilindroporshnevaja gruppa [Cylinder piston group] / D.A. Ukhanov, A.Sh.Nurutdinov, A.L. Khokhlov, I.R. Salakhutdinov, A.A. Khokhlov. - №2012115019 /06; Appl. 16.04.2012; Publ. 27, 2014, Bull.№ 6 [in Russian]
  6. Patent for invention 2534327 the Russian Federation, MPK F002F1/20, F16J10/04, F02F3 /10. Cilindroporshnevayagruppa[Cylinder piston group]/A.L. Khokhlov, I.R. Salakhutdinov, A.A. Glushchenko, A.A. Khokhlov, A.Sh.Nurutdinov, D.M. Mariin. - №2013110185/06; Appl. 03.06.2013; Publ. 11.27.2014, Bull.№ 33.[in Russian]
  7. Patent for utility model No. 93465 the Russian Federation,Cilindroporshnevayagruppa[Cylinder piston group] / I.R. Sala-khutdinov; A.L. Khokhlov; E.S. Zykin; K.U. Safarov. №2010100259; Appl. 11.01.2013; Publ. 04.27.2010 Bull. № 12.[in Russian]
  8. Patent for invention № 2440503 the Russian Federation, Cilindro-porshnevayagruppa[Cylinder-piston group] / I.R. Salakhutdinov; A.L. Khokhlov; E.S. Zykin; K.U. Safarov. - № 2010100006/06; Appl. 11.01.2010; Publ. 20.01.12; Bull. № 2[in Russian]
  9. Patent for invention № 2451810 the Russian Federation, Cilindroporshnevayagruppa[Cylinder piston group of internal combustion engine] / I.R. Salakhutdinov; D.A. Ukhanov, A.L. Khokhlov, A.A. Khokhlov. -№ 2011100391/06; Appl. 11.01.2011;; Publ. 05.27.12; Buil. №. 15.[in Russian]
  10. Subaev M.I. Gil'za cilindrov povyshennoj iznosostojkosti [Cylinder liner for increased wear resistance] / M.I. Subaev, I.R. Salakhutdinov // IV Vserossijskij konkurs nauchno-issledovatel'skih rabot uchashhihsja, studentov, aspirantov (soiskatelej) i nauchnyh sotrudnikov «Razvitie agropromyshlennogo kompleksa juga Rossii» [Collection of theses of research projects of the IV-th All-Russian competition of research works of students, students, graduate students (competitors) and research workers "Development of the agro-industrial complex of the south of Russia"]. – Krasnodar: Izdatel'stvo «Novaciya»,2015. - P. 363-367. [in Russian]
  11. Subaev M.I. Uskorennye laboratornye issledovanija protivoiznosnyh svojstv metallizirovannyh gil'z cilindrov [Accelerated laboratory studies of anti-wear properties of metallized cylinder liners] / M.I. Subaev, I.R. Salakhutdinov, A.L. Khokhlov and others // VII Mezhdunarodnaja nauchno - prakticheskaja konferencija «Agrarnaja nauka i obrazovanie na sovremennom jetape razvitija: opyt, problemy i puti ih reshenija» [Proceedings of the VII International Scientific and Practical Conference "Agrarian Science and Education at the Present Stage of Development: Experience, Problems and Ways of Solving them"]. - Ul'yanovsk: UGSKHA, 2016. - P. 231-237[in Russian]
  12. GOST 25.503-80. Raschety i ispytanija na prochnost'. Metody mehanicheskih ispytanij metallov. Metod ispytanija na szhatie [Calculations and tests on durability. Methods of mechanical testing of metals. Compression test method]. -Vved.1981-07-01. -M.: Gosstandart SSSR, 1980 . - 57 p. [in Russian]
  13. Nurutdinov A.Sh. Issledovanija metallizirovannoj gil'zy cilindrov na prochnost' [Studies of metallized cylinder liners for strength] / A.Sh.Nurutdinov, A.L. Khokhlov, I.R. Salakhutdinov and others // Nauchno-proizvodstvennyj zhurnal «Sel'skij mehanizator» [Scientific-production magazine "The Rural Mechanizer"]. - 2013. - №. 6. - P. 33-35[in Russian]
  14. GOST 53809-2010. Dvigateli avtomobil'nye. Gil'zy cilindrov. Tehnicheskie trebovanija i metody ispytanij [Engines are automobile. Sleeves of cylinders. Technical requirements and test methods.]. - Vved. 2010-09-15. - M.: Nacional'nyjstandart RF: Izd-vostandartov, 2010. -137 p. [in Russian]
  15. GOST 3845-75. Truby metallicheskie. Metod ispytanija gidravlicheskim davleniem [Pipes made of metal. Hydraulic Pressure Test Method].-Vved.1977-01-01. - M.: Standartinform, 2010.- 4 p. [in Russian]