Федеральноеагентство железнодорожного транспорта РФ
Московский государственный УНИВЕРИСИТЕТ путей сообщения
Институттранспортной техники и организации производства
Кафедра:«Локомотивы и локомотивное хозяйство»
работа
по теме:
«Поршеньдизеля Д49: Конструкция и ремонт»
Выполнил:студент гр. ТЛТ-451
Консультантст. преподаватель
Москва 2009
Содержание
Введение
1. Поршень дизеля типа Д49. Конструкция. Основные неисправности
1.1 Конструктивные особенности поршня дизеля типа Д49
1.2 Основные неисправности поршня
2. Модернизация и ремонт поршня дизеля типа Д49
2.1 Варианты модернизации поршня дизеля типа Д49
2.2 Методы устранения нагара в поршне дизеля типа Д49
2.3 Правила ремонта поршня дизеля типа Д49ЗаключениеСписоклитературы
Введение
Дизели 1А-5Д49 мощностью 3000 л.с. (2200 кВт) начали серийно выпускать наКоломенском тепловозостроительном заводе с 1975 г. Их устанавливал на грузовыедвухсекционные тепловозы 2ТЭ116 Луганский тепловозостроительный завод. ПозднееКоломенский завод приступил к серийному производству пассажирскогоодносекционного тепловоза ТЭП70 с дизелями 2А-5Д49 мощностью 4000 л.с. (2940кВт).
Рабочий процесс дизелей Д49 отличается высокой экономичностью на режимахноминальной мощности.
На российские железныедороги в общей сложности поступило около 2 тыс. секций тепловозов с дизелямитипа Д49.
Шатунно-поршневая группапредставляет группу деталей кинематической пары – поршень-шатун, играющейважную роль в рабочем процессе дизеля.
Поршни могут изготовляться из чугуна, стали и сплавов алюминия,что влияет на их конструктивные формы (алюминий имеет в 2,5 раза меньшуюплотность и в 5 раз большую теплопроводность, чем чугун).
В данной работерассматривается поршень дизеля типа Д49, особенности его конструкции, вариантымодернизации, а также основные неисправности и методы их устранения.
1. Поршень дизеля типа Д49.Конструкция. Основные
неисправности
1.1 Конструктивныеособенности поршня
Поршень —один из основных и высоконагруженных узлов дизеля. Работоспособность поршнясовместно с крышкой цилиндра и шатунными вкладышами определяет ресурс дизеля доремонта, связанного с разборкой дизеля. На всех дизелях типа Д49 примененпоршень составной конструкции и относительно малой массы, что создает умеренныеинерционные нагрузки на детали шатунно-кривошипного механизма. Головка поршняотштампованная из жаропрочной стали, для снижения температуры охлаждаетсямаслом в соответствии срисунком 1.1.
/>
Рисунок 1.1 — Устройствопоршня
1-шпилька; 2,12-втулки; 3-палец; 4-стопорное кольцо; 5-уплотнительное кольцо;6-головка; 7-кольца компрессионные; 8,9-кольца маслосъёмные; 10-расширитель;11-тронк поршня; 13-стакан; 14-пружина; 15-проволока; 16-гайка; а — полость; б,в — каналы.
Поршень дизеля воспринимает силы давления газов в цилиндре ипередает их на шатун, герметизирует изменяющийся при его движении объемцилиндра. Надежная работа поршневой группы зависит от обеспечения эффективныхспособов отвода тепла от днища поршня и создания благоприятных условий дляработы поршневых колец. Через поршень может отводиться 4—7 % тепла, вводимого стопливом в цилиндр двигателях [1].
1.2Основные неисправности поршней и крышек цилиндров
Анализ показывает, чтодизели 1А-5Д49 тепловозов 2ТЭ116 имеют высокую повреждаемость и сменяемостьдеталей. Основные виды повреждений, например, за пять лет эксплуатации этихмашин в депо Елец Юго-Восточной дороги распределяются в процентах следующимобразом: трещины в крышках цилиндров – 6,1; прогары, изломы и изгибы клапанов –33; пробой газов по газовому стыку между крышкой цилиндра и гильзой – 26,6;течи воды по резиновым уплотнениям рубашек и гильз втулок цилиндров – 29,6;задиры и разрушения поршней – 4,7.
Следует отметить, что дляработников депо и ремонтных заводов важны данные о сменяемости деталей нанеплановых и плановых ремонтах, а также о пробегах тепловозов до плановыхразборок дизелей.
В соответствии суказанием МПС № М-2574 пробеги тепловозов 2ТЭ116 и 2ТЭ10У до текущих ремонтовТР-2 установлены равными 135 тыс. км, до ремонтов ТР-3 — 270 тыс. км и до КР-1– 800 тыс. км; для тепловозов 2ТЭ10Л и 2ТЭ10В соответственно 105, 210 и 630тыс. км.
Надо отметить, что лучшиеобразцы зарубежных тепловозов имеют значительно более высокие пробегилокомотивов до разборки дизелей. Так, тепловозные двухтактные дизели фирмы “ General Motors ” (США) моделей 645 и 710 имеют пробеги до разборки 1 млн.200 тыс. км.
Несмотря на высокуюстоимость основных деталей дизелей типа Д49 (крышек цилиндров, втулокцилиндров, поршней) их требуемая надёжность не обеспечивается, т.е. невыполняется установленные сроки службы в соответствии с техническими условиямина поставку этих дизелей.
Сроки службы крышек цилиндров должны быть равны сроку службы самихдизелей, т.е. 20-ти годам, или 3,6 млн. км. пробега тепловоза. Фактические жесроки службы крышек составляют 800 тыс. км.
Средняя сменяемость крышек на капитальном ремонте на Воронежском ТРЗсоставляет 10 шт. на дизель, или 62,5 %. По требованиям ТУ на дизель типа Д49допускается сменяемость только 15% крышек, или 2,4 крышки за весь срок службыдизеля.
По ТУ сроки службыпоршней и втулок цилиндров должны быть равны сроку службы дизеля докапитального ремонта (1млн. 200 тыс. км.). Фактически же средние сроки ихслужбы находятся в пределах 600 – 800 тыс км.
Особенно высокаяповреждаемость крышек и втулок цилиндров была на дизелях 2ТЭ121 в депо ПопаснаяДонецкой дороги. Так, по данным этого депо, на 30-ти дизелях примерно за 2 годаэксплуатации было сменено 78 крышек цилиндров, т.е. в среднем 2,6 крышки наодин дизель. На некоторых дизелях в течении этого периода одновременносменялось до восьми крышек. По три крышки цилиндра были сменены на трёхтепловозах при их пробегах менее 100 тыс. км. Всего за этот период было сменено20 крышек при пробеге от изготовления дизелей менее 200 тыс. км.
Из-за трещин былиустановлены случаи сменяемости одновременно до двух втулок цилиндров на дизеле.Из-за задира были случаи замены одновременно до четырёх гильз (втулок)цилиндров.
В 1993 г. в депо Елец полностьюсменили: все втулки цилиндров на пяти дизелях; гильзы на двух дизелях; резиновыекольца рубашек и водяных втулок на семидесяти дизелях, а резиновые кольцапереливных трубок втулок цилиндров на пятидесяти дизелях.
Эксплуатационныенаблюдения показывают, что поршни дизелей типа Д49,имеющие составную конструкцию, обладают целым рядом серьезных недостатков посравнению с цельнолитыми поршнями, применяемыми на отечественных и зарубежныхдизелях.
Из депоДно Октябрьской дороги в 1995 г. во ВНИИЖТ поступило сообщение о том, что впоршнях дизелей типа Д49 наблюдаются значительные отложения нагара в ихголовках.Из депо было доставлено во ВНИИЖТ 13 головок поршней.
/>
Рисунок 1.2 — Отложение нагара в головках поршнейдизелей типа Д49 после пробега 510 тысяч километров
Изрисунка видно, что нагар в значительных количествахоткладывается в центре головки и по ее краю, перекрывая почти полностьюотверстия для перетока масла из центральной части в край головки (для перетокамасла в головке имеется 12 отверстий диаметром 5 мм).
Осмотр поршней показал, что отложения нагара в центре днища и покраю головки было наименьшее, если отверстия для перетока масла были забитынагаром только частично. Отсюда следует вывод, что отверстие для перетока масладиаметром 5 мм является недостаточным. Оно должно быть увеличено до 8,5 мм,имеющимся в головке составного поршня дизелей 11Д45 и 14Д40, в которых ненаблюдается таких отложений нагара, как в поршнях дизелей типа Д49.
В некоторых головках поршней, доставленных из депо Дно, в серединеперемычек головки для тарелок впускных клапанов (в самом тонком месте, гдетолщина перемычки составляет 2,8 мм) возникают термические трещины из-заперегрева головки при отложении нагара. Во время ремонта в целях повторногоиспользования головок рекомендуется эти трещины удалять путем разделки на всювысоту перемычки (примерно 100 мм), на ширину в верхней части до 6,0 мм и уоснования трещин до 3,0 мм с радиусом 1,5 мм.
Большие отложения нагара были обнаружены в головках поршнейдизелей тепловозов 2ТЭ116 номеров 1315, 1316 и 1352 приписки депо Жмеринка наремонте ТР-2 после пробегов в интервале 214 — 294 тыс. км. Толщина нагаранаходилась в пределах 15 — 20 мм, уменьшение проходного сечения в отверстияхдля перелива масла достигало 50 — 80 %. При этом использовалось масло маркиМ14Г2.
На испытаниях тепловозов 2ТЭ116 в депо Основа и Полтава былообнаружено значительное количество поршней (37 шт.) на 14-ти секцияхтепловозов, не имевших слива масла из поршней. Такие случаи отмечались в депоКочетовка, Елец и Жмеринка. Отсутствие слива масла возникает при полностьюзабитых нагаром отверстиях для перетока масла из центра в край головки поршня всоответствии с рисунком 1.2.
2. Модернизация иремонт поршня дизеля типа Д49
2.1 Варианты модернизации поршня дизеля Д49
У поршня дизеля Д49 головка поршня изготовлена из жаростойкойстали ЭИ415, а тронк из алюминиевого сплава АК6. Охлаждение этого поршняобеспечивается взбалтыванием масла, которое подается через отверстие в шатуне иалюминиевый стаканчик сначала в центральную полость охлаждения поршня, а затемв кольцевую периферийную[1].
Применявшаяся ранее конструкция поршня дизеля Д49 характернарасположением всех колец выше оси пальца в соответствии с рисунком 2.1.
/> />
Рисунок2.1 — Составные охлаждаемые поршни дизеля 5Д49
а — домодернизации; б — модернизированный повышенной газоплотности; 1-тронк; 2-кольцамаслосъёмные; 3-кольцо торсионное; 4-кольца компрессионные; 5-головка;6-стакан; 7-пружина.
Для уменьшения расхода масла на угар и прорыва газов в картер, вконструкцию поршня внесены следующие изменения: увеличено расстояние от крышкицилиндра до поршня за счет уменьшения высоты головки поршня; фрезеровки вголовке под клапаны выполнены несквозными; установлены три верхнихкомпрессионных кольца с односторонней трапецией и четвертое торсионное кольцо;второе маслосъемное кольцо расположено ниже оси пальца и выполняет рольдозатора расхода, масла; уменьшен зазор между тронком и втулкой цилиндра.
Испытания показали, что модернизированный поршень снижает в 2 разарасход масла на угар, в 1,5 раза повышает срок службы по загрязненности и на 30%снижает прорыв газов в картер. Практически ликвидируются отложения нагара на поршеньи крышку цилиндра со стороны камеры сгорания.
/>
Рисунок 2.2 — Температуры в различных точках головки поршня дизеля1А-5Д49
Над первым компрессионным кольцом температура не превышает 170°C (в соответствии срисунком 2.2).Умеренные температуры обеспечивают хорошую износостойкость ручьевкомпрессионных колец. Исследования относительного изменения тепловых имеханических напряжений в головке поршня Д49, выполненного на одноцилиндровомотсеке, показали: уровень тепловых напряжений превосходит механические примернов 2 раза. Схема охлаждения с подводом охлаждающего агента в зону колецэффективно снижает теплонапряженность головки поршня; снижение давления подачимасла ниже номинального (Рм=0,4 МПа) приводит к увеличению уровнятемпературных напряжений во всех исследованных точках головки поршня. В зонепервого компрессионного кольца при уменьшении давления с 0,4 до 0,2 МПатемпературные напряжения возрастают в 1,65 раза, на поверхностях, охлаждаемыхмаслом, в 1,5 раза и т.д.
Износостойкость алюминиевых поршней можно повысить глубокиманодированием электролизным способом. При этом получается пористая пленка окисиалюминия толщиной 0,08—0,1 мм, которая обладает резко пониженнойтеплопроводностью, повышенной маслоемкостью, износостойкостью и коррозионнойстойкостью.
На дизелях типа Д49наблюдается высокая сменяемость компрессионных колец: на ремонтах ТР-2 и ТР- 3заменяется до 50% поршневых колец от числа установленных на поршнях.Компрессионные кольца сменяются, главным образом, из-за износа хромого покрытияу замка на длине 40-50 мм, а также из-за достижения предельного значения зазорау замка.
С первых номеров дизелейтипа Д49 до 1981г. Использовались компрессионные кольца с двухстороннейтрапецией. Необходимость в таких кольцах вызывалась применением головок поршнейбез масляного охлаждения. При переходе на масляное охлаждение поршней следовалоперейти на кольца прямоугольного сечения. Однако завод перешел на кольца содносторонней трапецией, что сохранило их недостатки и вызвало увеличениезазора в замке из-за износа боковой поверхности.
По чертежам ВНИИЖТаразработаны поршни для дизелей 1А-5Д49 с прямоугольными канавками длякомпрессионных колец. Эти кольца покрыты слоем пористого хрома. Сначала нарабочую поверхность кольца наносится слой хрома общей толщиной 0,16-0,25 мм, азатем при изменении полярности на электродах в ванне в слое хрома толщиной0,05- 0,08 создаются поры.
/>
Рисунок 2.3 — Поршеньдизеля 1А-5Д49 с прямоугольными канавками для компрессионных колец.
Этот слой повышаетспособность колец к маслоудерживанию для снижения износа и вероятности задира.Однако слой пористого хрома быстро изнашивается, при повторной установке вдизель существенно возрастает износ колец, и особенно гильз до 260,4 м в зонеостановки первого кольца. По этой причине часто меняются гильзы на ремонтахТР-3 и даже ТР-2. Более перспективны кольца с маслоудерживающими канавками,применяемые на дизелях фирмы «Дженерал Моторс».
ВНИИЖТ разработал чертежиперспективных колец для дизелей 10Д100 с десятью канавками, для дизелей типаД40– с девятью канавками и шагом между ними 0,6+0,05 мм, а для дизелей типа Д49с шестью канавками высотой 6 мм и шагом 0,6 мм, с глубиной 0,15+ 0,05 мм.
По чертежам ВНИИЖТа наОренбургском ТР3 были изготовлены два комплекта таких колец по 48 шт. свысотами 4 и 6 мм. На АО «Пенздизельмаш» изготовлено по 16 шт. поршней сканавками под цилиндрические кольца высотой 4 и 6 мм. Один комплект поршней наВоронежском ТР3 был установлен на тепловоз 2ТЭ116 приписки депо Серов, а второйкомплект– на тепловоз депо Родаково. Из этих депо во ВНИИЖТ не поступализамечания по работе колец и поршней [4].
2.2 Методы устранения нагара в поршне дизеля типа Д49
Причины чрезмерного отложения нагара в головках поршней дизелейтипа Д49 — малое количество масла, прокачиваемого через поршни, малые скоростидвижения масла в поршне, а также высокая температура внутри головки достигает140 °С, что резко повышает интенсивность отложения нагара на внутреннихповерхностях головки.
Для снижения отложений нагара в головках поршней дизелей типа Д49рекомендуется диаметры отверстий в головках поршней увеличить до 8,5 мм ихрассверловкой при разборках.
Для того, чтобы предотвращать отложение нагара в поршне необходимопроверять слив масла из поршней на ремонтах ТО-3 и ТР-1 на неработающем дизелес включением маслопрокачивающего насоса.
При отсутствиислива такие поршни надо вынимать из втулок цилиндров дизеля и очищать отнагара, прежде всего отверстия для перетока масла.
На отдельныхпоршнях очистку от нагара в переливных отверстиях в депо Ленинград-Витебскийпроизводят высверливанием нагара сверлом с наконечником из твердого сплава, а вдепо Ленинград-Варшавский нагар из отверстий удаляют продалбливанием.
Наиболее эффективным способом очистки от нагара головок поршнейдизелей типа Д49 от нагара одновременно всех поршней является метод,используемый в депо Дно. Очищают поршни путем погружения головок в расплавсолей следующего состава: едкий натрий — 65 % (по весу); азотно-кислый натрий —30 %; поваренная соль — 5%. Смесь солей нагревается в ванне до 350 — 400 °С;температура расплава солей должна быть 250 °С; удельный вес расплава 1,7 г/см3.Установка для очистки головок от нагара состоит из трех ванн: для расплавасолей; для воды; кислотной, содержащей 50%-ный раствор соляной кислоты сдобавкой столярного клея. Мощность электронагревателя должна быть 35 — 40 кВт.Время нагрева расплава с комплектом деталей составляет 20 — 35 мин.
Исключение интенсивного отложения нагара в поршнях дизелей фирмы «General Motors» (США) достигается засчет подачи масла в поршни через форсунку, а не через шатун, как на дизеляхтипа Д49.
В таблице.1. представлены результаты испытаний и расчетныхисследований распределения масла в дизеле типа Д49 при двух методах подачимасла в поршни.
Из таблицы видно, что при переходе на подачу масла в поршни черезфорсунки поступление масла в поршни на номинальном режиме увеличивается в 5 раз.При таком увеличении количества масла в поршне дизеля типа Д49 температура еговнутри головки поршня будет не выше 900С и при этом отложениенагара станет в несколько раз меньшим, исчезнет процесс зарастания нагаромотверстий для перетока масла.
Таблица1.
Прокачкамасла через дизель типа Д49 при подаче его в поршни через шатуны и форсункиПараметры Частота вращения коленчатого вала, об/мин 400 500 600 700 800 900 1000 1 2 3 4 5 6 7 8 Прокачка масла через дизель, кг/ч* 35000 47000 65000 80000 95000 100300 115000 Средняя прокачка масла через один поршень, кг/ч* 535/475 545/638 546/883 520/1087 480/1291 415/1399 305/1562 Прокачка масла через все поршни, кг/ч*
560/
7609
720/
10218
720/
14131
320/
17391
680/
20652
640/
22391
480/
25000 Прокачка масла через поршни в % от прокачки через дизель* 4,5/27,8 8,5/27,8 13,4/27,8 10,4/27,8 8,1/27,8 6,4/27,8 4,2/27,8
* В числителе при подачемасла в поршни через шатуны, а в знаменателе – при подаче масла через форсунки
2.3 Правила ремонтапоршня дизеля Д49
Через люки блока цилиндров, при положении поршня в НМТ, осмотретьстопорение шпилек и гаек, а при положении поршня в ВМТ осмотреть состояниерабочей поверхности втулки цилиндра [6].
В случае обнаружения натирови рисок, способных привести к задиру поршня и втулки, разобрать цилиндровыйкомплект для устранения неисправности.
При каждом осмотрепоршней прокачать дизель маслом и проверить поступление масла к втулке верхнейголовки шатуна и пальцу поршня, а также на охлаждение поршня по сливу масла изчетырёх каналов.
Слив должен бытьнепрерывным и равномерным.
Разборку производить вследующей последовательности:
1) замаркироватьположение компрессионных и маслосъёмных колец в ручьях поршня и снять их споршня;
2) расшплинтовать иотвернуть гайки крепления головки к тронку, снять втулки. Замаркироватьвзаимное положение головки и тронка;
3) отъединить головку оттронка и снять уплотнительное кольцо;
4)вынуть из тронка стакани пружину;
5) при необходимости заменышпилек вывернуть их;
6) удалить нагар с головки поршня и поршневых колец;
7) промыть все деталипоршня дизельным топливом и протереть их.
Детали, имеющие трещины,сколы, задиры рабочей поверхности, а также браковочные размеры заменить.
В случае наличия указанныхдефектов на головке или тронке поршня заменить поршень новым. Замену шпилек произвести,как указано в сборке поршня. При ослаблении крепления или разрушении сливныхтрубок установить новые на эпоксидном клее на основе смол ЭД16, ЭД20.
Острые кромки и небольшиенатиры на рабочей поверхности головки и тронка зачистить в направлении,перпендикулярном оси тронка. На опорной поверхности тронка, сопрягаемой сголовкой поршня, при наличии наплывов алюминия удалить их шабером.
При наличии скола хромана компрессионных кольцах или его полного износа в районе замков, а такжезадира поверхности колец –их следует заменить новыми.
Проверить величинузазоров поршневых колец в свободном и рабочем состоянии.
Категорически запрещенопромывать тронки горячей водой в моечной машине.
Проверить зазоры междупоршневыми кольцами и канавками. При замере зазоров у компрессионных колец содносторонней трапецией они должны быть плотно прижаты к поверхности поршневойГ-образной канавки.
Сборку производить помаркировке в следующей последовательности:
1) если производиласьзамена шпилек или их вывёртывали, то перед завёртыванием необходимо обезжиритьих посадочные концы и резьбовые отверстия в головках, смазать их эпоксиднымклеем на основе смол ЭД16, ЭД20. Ввернуть шпильки в поршень и затянуть ихмоментом 79-100 Н.м;
2) установить новоеуплотнительное кольцо на тронк поршня и смазать его маслом, применяемым длядизеля;
3) соединить тронк сголовкой, совмещая буквы “ВП” на верхнем торце головки с буквами “ВП” на нижнемторце тронка. Установить на шпильки втулки, смазать резьбу гаек и шпилек масломприменяемом для дизеля и навернуть гайки;
4) наворачивание гаекпроизводить равномерно, в перекрёстном порядке за три-четыре приёмадинамометрическим ключом на момент 130 Н.м. и далее до совпадения отверстий вшпильках с прорезями гаек, моментом не более 160 Н.м;
5) застопорить гайки ишпильки проволокой. Завязанная проволока должна быть натянутой, и не должнаиметь свободного перемещения и поверхностных дефектов (забоин, надрывов);
6) для определения зазорамежду поршнем и втулкой цилиндра замерить диаметр направляющей части поршня напояске шириной 30 мм и дуге 180+10 мм;
7) установитьмаслосъёмные и компрессионные кольца, после чего проверить:
— чтобы риска на кромкезамка компрессионного (минутного) кольца была вверху;
— чтобы перемещениепоршневых колец в канавках поршня было свободным без защемления;
— утопание поршневыхколец в канавках поршня. Выступание колец из канавок не допускается;
— зазоры между поршневымикольцами и канавками. При замере зазоров у компрессионных колец с одностороннейтрапецией они должны быть плотно прижаты к поверхности поршневой канавки.
8) установить в тронкпружину и стакан.
Заключение
Проведённый анализпоказывает, что в настоящее время качество и надёжность основных деталейдизелей (как впрочем и почти всех комплектующих локомотивов в целом ),оставляет желать лучшего.
Не во всех депо и ремонтныхзаводах обслуживание производиться должным образом. Следовательно, снижаетсянадёжность и ресурс детали.
Необходимо обеспечитьнадлежащий контроль качества сборки, производства и обслуживания всех узлов иагрегатов, применяемых в конструкции локомотива.
В результате исследованийи на основе опыта эксплуатации конструкция поршня дизелей Д49 постоянносовершенствуется.
К данному моменту поршнидизелей Д49 зарекомендовали себя как современные и надёжные детали.
Список литературы
1. А.И. Володин, В.З. Зюбанов, В.Д. Кузьмич Локомотивныеэнергетические установки. М.: ИПК «Желдориздат», 2002. – 718с.
2. А.Э. Симсон, А.З. Хомич. Тепловозные двигателивнутреннего сгорания. Учебник для Вузов.М.: Транспорт, 1987. — 467 с.
3. Никитин Е.А. Тепловозные дизели типа Д49. М.: Транспорт,1982. — 343 с.
4. Васильев Э.Ф. Какой поршень нам нужен? / / Локомотив. –2001, — № 9. — стр.38-39.
5. Никитин Е.А. Дизели типа Д49: пути снижения повреждаемостидеталей. / / Локомотив. – 2000, — № 10. — стр. 28-31.
6. Никитин Е.А, Коробенков А.И. Руководство по эксплуатациидизель-генератора 2А-9ДГ. М.: Транспорт, 2001. — 640 с.