Даследаванне распрацоўкі і прымянення статычных ушчыльняльнікаў з металічным C-вобразным кольцам для дызельных рухавікоў у экстрэмальных умовах 700°C / 100 МПа

Пры даследаваннях, распрацоўках і праектаванні сучасных высокапрадукцыйных дызельных рухавікоў пракладка галоўкі блока цыліндраў (ўшчыльняльная канструкцыя) падвяргаецца найбольшым спалучаным цеплавым і механічным нагрузкам ва ўсім рухавіку. З-за адрозненняў у фізічных уласцівасцях чыгуннага блока цыліндраў і галоўкі цыліндраў з алюмініевага сплаву ўзнікаюць вельмі складаныя зрушэнні і дэфармацыі пры высокіх тэмпературах, высокім ціску і дынамічных цыклічных уздзеяннях.

Для вырашэння экстрэмальных умоў эксплуатацыіПікавая тэмпература 700–800°C, цыклічны імпульсны ціск 100 МПаікамбінацыя разнастайных металаў чыгуну / алюмініевага сплаву, гэтыСтатычнае ўшчыльненне з металічнага C-вобразнага кольцаДзякуючы сваёй унікальнай структурнай эластычнасці і спружыністай здольнасці, з'яўляецца ідэальным рашэннем для прадухілення ўцечкі ціску згарання ў цыліндры.

1. Аперацыйныя праблемы і аналіз механізмаў

Перад аналізам прымянення металічных C-вобразных кольцаў неабходна вызначыць тры асноўныя праблемы, звязаныя з гэтымі ўмовамі эксплуатацыі:

1. Неадпаведнасць цеплавога напружання і цеплавога пашырэння (цеплавое расцяжэнне / дэфармацыя зруху):

   Каэфіцыент лінейнага цеплавога пашырэннячыгунны блок цыліндраўскладае прыблізна $10 \sim 12 \times 10^{-6} /\text{K}$, тады якгалоўка блока цыліндраў з алюмініевага сплавудасягае $22 \sim 24 \times 10^{-6} /\text{K}$. Пры пікавых тэмпературах 700–800°C пашырэнне алюмініевай галоўкі блока цыліндраў значна вышэйшае, чым пашырэнне чыгуннага блока, што прыводзіць да сур'ёзныхадноснае цеплавое зрушэнне і сілы зрухуна ўшчыльняльнай паверхні. Акрамя таго, паколькі мяжа расцяжэння і мяжа цякучасці алюмініевых сплаваў рэзка падаюць пры тэмпературы вышэй за 200–250°C, нельга прыкладаць празмерную лакалізаваную сілу заціску, бо гэта лёгка прывядзе да пластычнага ўвагнутасці на паверхні канаўкі алюмініевай галоўкі.

2. 100 МПа пераменны ўдарны ціск (дынамічнае падзеленне шчыліны ўшчыльнення):

   Ціск згарання дызельнага паліва мае высокачастотныя імпульсныя характарыстыкі з высокімі ваганнямі. Пікавы цыклічны ціск 100 МПа выклікае нязначнае пругкае падаўжэнне нітаў галоўкі блока цыліндраў, што прыводзіць дамікраметровае падзеленне з пераменным зазорампаміж галоўкай блока цыліндраў і блокам рухавіка. Традыцыйныя цвёрдыя ўшчыльняльнікі або звычайныя металічныя пракладкі не маюць здольнасці да самазарадкі і хуткасці аднаўлення, што робіць іх надзвычай уразлівымі да мікраўцечак або эрозіі пры такіх дынамічных ваганнях зазораў.

3. Эрозія газаў ад згарання дызельнага паліва пры высокай тэмпературы:

   Адпрацаваныя газы ўтрымліваюць складаныя аксіды, нязгарэлыя часціцы вугляроду і сульфіды. Пры экстрэмальных тэмпературах да 800°C яны праяўляюць моцнае тэрмічнае акісленне і каразійную актыўнасць; такім чынам, матэрыял герметызацыйнай падкладкі павінен валодаць выключнай устойлівасцю да акіслення пры высокіх тэмпературах і ўстойлівасцю да паўзучасці.

2. Прынцып працы і механізм самазарадкі металічных С-вобразных кольцаў

Металічнае С-вобразнае кольца — гэта выгнутая металічная трубка або фармаванае кольца з адкрытым папярочным сячэннем, адтуліна якога накіравана ў бок высокага ціску (г.зн. унутр камеры згарання).

Бок высокага ціску (камера згарання 100 МПа) ────► │ ╭────┐ │ │ │ ◄── Цыліндр з металічнай С-вобразнай сценкай │ │ ◄─── Уваход высокага ціску (адкрыццё ўнутр) Галоўка │ │ │ (Алюміній) │ ╰────┘ ────► Бок нізкага ціску (атмасфера / вадзяная кашуля)

1. Пачатковае папярэдняе зацягванне ўшчыльнення:Падчас усталёўкі папярэдняе зацягванне, якое прыкладваецца праз балты галоўкі блока цыліндраў, прыводзіць да пругкай дэфармацыі С-вобразнага кольца, якая сплюшчваецца. Знешнія дугападобныя паверхні С-вобразнага кольца шчыльна прылягаюць да верхняй і ніжняй ушчыльняльных паверхняў канаўкі, ствараючы пачатковы ўшчыльняльны кантактны ціск.

2. Эфект герметызацыі пад ціскам:Па меры таго, як ціск згарання дызельнага паліва 100 МПа ўздымаецца ўнутр С-вобразнага кольца, асяроддзе высокага ціску ўздзейнічае на ўнутраную сценку С-вобразнага кольца, ствараючы сілу вонкавага пашырэння.Чым вышэй ціск у сістэме, тым большая сіла вонкавага пашырэння C-вобразнага кольца, тым самым аўтаматычна кампенсуючы нязначны зазор паміж нітамі і расцяжэннем, выкліканы сілай удару гарэння 100 МПа.

3. Высокая здольнасць кампенсацыі спружыністасці:У параўнанні з цвёрдымі металічнымі пракладкамі, C-вобразныя кольцы валодаюць значнай хуткасцю аднаўлення пасля спружыністасці. Нават калі паміж блокам рухавіка і галоўкай цыліндраў узнікаюць дынамічныя ваганні зазору мікраметровага маштабу з-за цеплавога пашырэння/сціскання і хваль ціску, C-вобразнае кольца падтрымлівае пастаянны кантактны ціск, каб прадухіліць уцечку адпрацаваных газаў.

3. Выбар асноўных матэрыялаў і спецыфікацыі канструкцыйнага праектавання

Каб забяспечыць доўгатэрміновую стабільную працу ў экстрэмальных умовах, матэрыялы і працэсы павінны быць адаптаваныя да канкрэтных патрэб:

3.1 Выбар матэрыялу падкладкі (супраціў паўзучасці пры высокіх тэмпературах і захаванне эластычнасці)

Пры высокіх тэмпературах 700–800°C звычайныя нержавеючыя сталі (напрыклад, 304 або 316) хутка падвяргаюцца рэлаксацыі напружанняў і губляюць эластычнасць.

• Рэкамендаваныя матэрыялы: Інканель 718 (сплаў на аснове нікеля, які ўмацоўваецца дысперсійным умацаваннем) or Інканель X-750.

• Перавагі:Інканель 718 захоўвае выключна высокую мяжу цякучасці, супраціўленне паўзучасці і выдатны модуль пругкасці нават пры высокіх тэмпературах да 700–800°C, што робіць яго пераважным выбарам для вытрымання цыклічных нагрузак пры высокіх тэмпературах.

3.2 Праектаванне пакрыццяў / аздаблення паверхні (запаўненне мікрашурпатасцяў і абарона алюмініевай падкладкі)

• Праблема неадпаведнасці цвёрдасці:Інканельныя сплавы значна цвярдзейшыя за алюмініевыя. Пры непасрэдным кантакце цвёрдае C-вобразнае кольца ўпіваецца ў размякчанае алюмініевае дно пазы, пашкоджваючы паверхню.

• Раствор для пакрыцця:Гальванізацыя — гэта пласт мяккага, устойлівага да высокіх тэмператур металу, напрыклад,Сярэбранае пакрыццё(або золата/плаціна ў звышцяжкіх умовах), альбо нанесці спецыяльныя высокатэмпературныя пакрыцці на вонкавую паверхню C-Ring.

  • Функцыя 1:Пад уздзеяннем папярэдняга зацягвання мяккі сярэбраны пласт падвяргаецца пластычнаму цячэнню, запаўняючы мікраскапічныя сляды апрацоўкі на чыгунных і алюмініевых канаўках, забяспечваючы нулявую ўцечку.

  • Функцыя 2:Служыць буферным пластом для абароны ад паглыблення адносна мяккай алюмініевай канаўкі галоўкі блока цыліндраў.

  • Функцыя 3:Прадухіляе знос ад фрэтынгу, выкліканы кантактам паміж рознакаляровымі металамі пры высокіх тэмпературах.

4. Інжынерная практыка ўстаноўкі і герметызацыі паз

5. Рэзюмэ і перспектывы

У камбінаванай канструкцыі з чыгуннага блока цыліндраў і галоўкі цыліндраў з алюмініевага сплаву, звернутай да700–800°C экстрэмальна высокая тэмператураіВысокачастотны імпульсны ціск 100 МПаасяроддзя згарання дызельнага паліва,пасярэбранае металічнае кольца Inconel 718прадстаўляе надзейнае і тэхнічна дасканалае рашэнне для статычнай герметызацыі.

Яго асноўныя перавагі заключаюцца ў:

• Ідэальнае кампенсаванне чаргуючыхся зазораў, выкліканых хвалямі ціску 100 МПа, празмеханізм самазарадкі з дапамогай ціску;

• Кампенсацыя неаднолькавага цеплавога пашырэння паміж чыгунам і алюмініевым сплавам з дапамогайвысокая эластычнасць тэрматрычных сплаваў на аснове нікеля;

• Рашэнне праблем мікраскапічнай шурпатасці і абароны паверхні алюмінію празмяккае вонкавае пакрыццё.

У працэсе праектавання неабходна строга выконваць тэрмамеханічны звязаны аналіз (МКЭ) метадам канчатковых элементаў, каб дакладна разлічыць сілу папярэдняга зацягвання нітаў, дапушчальныя памеры пазы і крывыя спружыністасці C-вобразнага кольца пры высокай тэмпературы, што забяспечвае эфектыўную, безуцечную і надзейную працу рухавіка на працягу ўсяго тэрміну яго службы.