АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ИЗНАШИВАНИЯ ПАРЫ ТРЕНИЯ «ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО – ВТУЛКА ЦИЛИНДРА»
Феськов В.Г., Макаренко К.В. (БГТУ, г. Брянск, РФ)
At studying operational given and bench tests, the parameters influencing process of friction and greasing in pair «a piston ring - the cartridge of the cylinder» are determined.
Процессы трения и смазки в паре “поршневое кольцо – втулка цилиндра” довольно сложны. Форма поверхностей скольжения, их взаимное положение и значение скорости скольжения не всегда допускают образование гидродинамической плёнки масла и только на ограниченной части хода поршня. Смазка верхних колец двигателей внутреннего сгорания, недостаточна и затруднена, по причине температурного воздействия при работе. При этом необходимо учитывать влияние на физико-химические свойства масла, продуктов сгорания и частиц износа.
Вследствие действия высоких радиальных давлений между рабочими поверхностями поршневых колец и втулки цилиндра и больших скоростей поршня, на рабочей поверхности возникают силы, которые определяют механический коэффициент полезного действия двигателей. Потери мощности, вызванные трением рабочих поверхностей поршневых колец и втулки цилиндра, и связанный с трением износ в любом поршневом двигателе имеют значительные величины и могут достигать 30…45 %. Таким образом, проблема трения в поршневой группе является одной из важнейших проблем двигателей внутреннего сгорания.
В реальных двигателях внутреннего сгорания условия трения и смазки значительно отличаются от расчётных. В большинстве случаев в процессе работы двигателя в цилиндре превалирует не жидкостное трение, а полусухое (граничная смазка) и вследствие недостаточной смазки существует возможность сухого трения.
При изучении эксплуатационных данных и данных стендовых испытаний можно выявить параметры, влияющие на процесс трения и смазки в цилиндре. Во-первых, влияние скорости поршня и температуры рабочих поверхностей пары “поршневое кольцо – втулка цилиндра”.
Опыты показывают, что возрастание коэффициента трения одновременно с повышением средней скорости скольжения и снижением радиального давления происходит при низкой температуре масла. В то время как при высокой температуре отношения между этими величинами обратные.
При наименьшей температуре 65 оС при радиальных давлениях до 0,75 МПа ещё имеет место жидкостное трение, во всех других случаях при повышенной температуре и высоком радиальном давлении возникает преимущественно полусухое трение, так как всегда с уменьшением скорости наблюдается возрастание коэффициента трения.
Осуществление жидкостного трения на всём протяжении хода поршня практически невозможно. Вблизи мёртвых точек (крайних положений верхнего и нижнего поршневых колец) всегда наступает полусухое трение. Часть хода, на котором осуществляется жидкостное трение, при употреблении одинаковых сортов масла становится тем меньше, чем выше радиальное давление и температура рабочей поверхности и тем больше, чем больше средняя скорость поршня.
Во-вторых, влияние радиального давления поршневых колец (собственная упругость поршневых колец).
Исследования влияния скорости скольжения на коэффициент трения при высоких температурах цилиндра показало, что трение сильно возрастает с увеличением радиального давления. При скоростях скольжения выше 1 м/с сила трения с увеличением скорости растёт умеренно, а при скоростях скольжения ниже 1 м/с сила трения быстро возрастает с уменьшением скорости тем быстрее, чем выше радиальное давление.
Полное разрушение масляной плёнки наблюдается только у колец с высокой упругостью (сухое трение), у колец с низкой или средней упругостью разрушение неполное (полусухое трение). Время, в течение которого существует ослабление масляной плёнки при высокой и низкой упругости практически одинаково. Из этого следует, что величина радиального давления в достаточно широком диапазоне не оказывает значительного влияния на состояние смазки и износ, так как действие давления газов резко преобладает над давлением от сил собственной упругости.
В-третьих, влияние форм кромок поршневого кольца.
Испытания показывают, что кольца с острыми кромками вначале создают несколько более высокое трение, чем кольца с закруглёнными кромками, но величина радиуса закругления оказывает лишь очень небольшое влияние.
Продолжительность влияния закругления кромок колец связана с процессом изнашивания кольца. По экспериментальным данным жидкостное трение и при острых и при закруглённых кромках кольца может образоваться лишь при низких температурах рабочих поверхностей, то есть высокой вязкости масла, а так же при средней скорости скольжения более 1 м/с.
И последний параметр, влияющий на процесс трения и смазки в цилиндре - количества поршневых колец.
Если кольцевое уплотнение работает без давления газов над поршнем, то сила трения (при кольцах одинаковой формы с одинаковым радиальным давлением) пропорционально числу колец. Если же кольца нагружены давлением газов, то дополнительное трение, вызванное этой нагрузкой, возрастает несколько больше, чем в пропорциональной зависимости от числа колец. В данном случае трение раскладывается на две составляющие: “упругую” – от сил собственной упругости колец; “дополнительную” – от давления газов. “Упругое” трение практически остаётся постоянным и изменяется только с изменением температуры, то есть с изменением вязкости масла. “Дополнительное” трение растёт приблизительно пропорционально давлению газов.
Из вышесказанного следует, что непосредственный контакт между рабочими поверхностями поршневого кольца и втулки цилиндра (без промежуточного масляного слоя) имеет место на всём протяжении жизненного цикла поршневой группы. Поэтому правильный выбор материалов для пары “поршневое кольцо – втулка цилиндра” является решением проблемы полусухого и сухого трения в цилиндре.