Трение и износ при эксплуатации двигателя

Трение — удивительный феномен природы! Оно подарило человечеству тепло и огонь, возможность в короткое время остановить скоростной поезд и автомобиль, ускорить химическую реакцию в сто тысяч раз, записать человеческий голос на пластинку, услышать звуки скрипки и многое другое.

Трение изучали Леонардо да Винчи и М. В. Ломоносов, Г. Амонтон и Ш. Кулон, Н. П. Петров и Л. Эйлер, Д. И. Менделеев и О. Рейнольде и другие ученые.

В наше время трение изучали академики Н. Е. Жуковский, Е. А. Чудаков, В. Д. Кузнецов, П. А. Ребиндер, проф. А. А. Ах-матов. Сегодня в нашей стране изучением трения, изнашивания и смазки машин занимаются многие ученые: чл. -корр. АН СССР Б. В. Дерягин, акад. АН БССР В. А. Белый, проф. И. В. Крагель-ский, проф. Б. И. Костецкий и др. За рубежом известными учеными в этой области являются Ф. Боуден, Д. Тейбор, С. Баходур, К. Лудема, Н. П. Су, Д. Бакли, Р. Куртель, Н. Краузе, Г. Утц, Н. Чихос, Г. Фляйшер, Г. Польцер, М. Хебда, Г. Данов и др.

До настоящего времени трение во многих его аспектах остается загадкой. При трении (и только при трении) одновременно происходят механические, электрические, тепловые, вибрационные и химические процессы.

Проблема

Сегодня с трением связана одна из самых острых проблем современности — износ машин и механизмов. Расходы на восстановление машин огромны, причем ежегодно они увеличиваются. Развитие техники и, в частности, машиностроения, придало проблеме повышения долговечности машин огромную значимость.

Цель работы

Анализ влияния нагрузок трения и сопутствующих им факторов на износ поверхностей деталей машин, в зависимости от условий работы.

Гипотеза

В ходе проведения исследования я предположила, что нагрузки трения , влияющие на поверхность деталей машин могут быть неравномерны, так как зависят от многих эксплуатационных факторов, таких как температура в рабочей зоне, наличие смазочных материалов и химического состава материала поверхностей и смазочного материала.

Объекты и предметы исследования

Объектом моего исследования явилась гильза цилиндров автомобиля ЗИЛ-130, которая выработала свой срок службы и была списана, так как износ внутренней поверхности в процессе эксплуатации достиг предельного значения.

Методы, использованные для проведения исследования

1. Поиск, изучение, отбор информации.

2. Проведение экспериментов.

• Измерения

• Сравнения

3. Изучение данных и анализ полученных измерений.

Мне в работе предстояло решить следующие задачи

1. Провести визуальный осмотр с целью получения информации о возможных дефектах на рабочей поверхности гильзы.

2. Проанализировать результаты визуального осмотра.

3. Определить размеры гильзы цилиндров до эксплуатации.

4. Провести измерения внутренней поверхности по схеме, которая дает возможность получить информацию о цилиндричности поверхности.

5. Проанализировать результаты измерения.

6. Сделать вывод о причинах, приведших к неравномерному износу.

II Основная часть.

1. Теоретическое обоснование.

Анализ условий работы цилиндра поршневой группы, рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

При рассмотрении цикла условно принимаем, что каждый такт начинается и заканчивается в одной из мертвых точек.

Первый такт — впуск . При вращении коленчатого вала 1 поршень 3 перемещается из ВМТ в НМТ, и в верхней части цилиндра создается разрежение. Распределительный вал через детали механизма газораспределения открывает впускной клапан 7, который через впускной трубопровод 5 соединяет цилиндр с карбюратором 6. Горючая смесь, поступающая под действием разрежения из карбюратора по впускному трубопроводу, заполняет цилиндр, где образуется рабочая смесь. Рабочая смесь состоит из горючей смеси и отработавших газов, которые всегда в небольшом количестве остаются в цилиндре от предыдущего цикла. В конце такта впуска, при работе двигателя на режиме полной нагрузки, давление в цилиндре составляет 8 — 9 кПа, а температура рабочей смеси равна 80— 120°С (для прогретого двигателя).

Второй такт — сжатие. Такт впуска заканчивается, когда поршень приходит в НМТ. При дальнейшем повороте коленчатого вала поршень перемещается из НМТ в ВМТ и сжимает рабочую смесь. В течение такта сжатия оба клапана остаются закрытыми. Объем смеси при сжатии уменьшается, а давление внутри цилиндра увеличивается и достигает 100 — 120 кПа. Повышение давления сопровождается увеличением температуры смеси до 300 — 400 °С.

Третий такт — расширение газов или рабочий ход (рис. 1, в). Оба клапана закрыты. При подходе поршня в конце такта сжатия к ВМТ между электродами свечи зажигания 8 проскакивает электрическая искра. Сжатая рабочая смесь воспламеняется и быстро сгорает, образуя большое количество горячих газов. Газы давят на поршень, который под их давлением перемещается из ВМТ в НМТ и через шатун 11 вращает коленчатый вал. Это основной такт, так как расширяющиеся газы совершают полезную работу. С момента воспламенения смеси давление газов быстро возрастает, а затем по мере движения поршня вниз и увеличения объема снижается. В конце сгорания и начале расширения давление достигает 300-400 кПа при температуре 2000 — 2200 °С, а в конце расширения снижается до 35 — 45 кПа при температуре 1200-1500 °С.

Четвертый такт - выпуск. Поршень движется от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан 9 вытесняет отработавшие газы в выпускной трубопровод 10, глушитель и далее в атмосферу. При такте выпуска не удается достигнуть полной очистки цилиндра от отработавших газов и часть их остается в цилиндре. В конце выпуска давление равно 10,5 - 12 кПа при температуре 700-900 °С. После окончания такта выпуска рабочий цикл двигателя повторяется в рассмотренной выше последовательности.

На заднем конце коленчатого вала устанавливают тяжелый диск - маховик, который во время рабочего хода накапливает энергию, а затем продолжает вращаться по инерции. При этом вместе с маховиком вращается и коленчатый вал, который перемещает поршень в течение остальных вспомогательных тактов.

Исходя из условий работы цилиндро-поршневой группы мы можем сделать вывод, что на рабочие поверхности поршневого кольца и гильзы цилиндров действуют следующие разрушающие факторы:

• Нагрузки трения-скольжения.

• Высокие температуры, которые способны значительно увеличит нагрузки трения, а также являются катализатором химических реакций, причиной образования нагара в результате сгорания топлива.

• Высокое давление, которое, воздействуя на поршень, может вызвать вибрационное колебание смазочного слоя в зазоре между поршнем и гильзой.

В результате высоких температур происходит расширение поршневых колец, что вызывает усиленный износ в рабочей зоне(верхней части гильзы цилиндров) при этом давление рабочей смеси в момент воспламенения во время основного такта усиливают нагрузки трения, которые вызывают износ рабочей поверхности, причем в рабочей зоне (верхняя часть цилиндра), т. к поршень не доходит до конца цилиндра, то нижняя часть цилиндра остается практически неизношенна.

В этом случае мы имеем дело с классическим примером неравномерного износа рабочей поверхности, что можно подтвердить, проведя ряд измерений в соответствии с Техническими условиями на ремонт автомобиля ЗИЛ-130.

Трение-скольжение можно подразделить на 2 группы:

• Трение без смазочного материала – в этом случае нагрузки трения велики, температура в зоне трения высокая. Так как трение имеет молекулярно-механическую природу. На площадках фактического контакта поверхностей действуют силы молекулярного притяжения, которые проявляются на расстояниях, в десятки раз превышающих межатомное расстояние в кристаллических решетках, и увеличиваются с повышением температуры.

• Трение в условиях жидкостной смазки – с применением смазочного материала. Жидкостная смазка характеризуется тем, что поверхности трения разделены слоем жидкого смазочного материала(масла), находящегося под давлением. Давление смазочного материала уравновешивает внешнюю нагрузку. Масляный слой при увеличении его толщины уменьшает степень влияния твердой поверхности на далеко отстоящие от неё молекулы масла. Слои приобретают возможность свободно перемещаться один относительно другого. При жидкостной смазке сопротивление движению определяется внутренним трением (вязкостью – способностью жидкости сопротивляться внешней силе, стремящейся переместить её слои) масла и складывается из сопротивления скольжению его слоёв по толщине смазочной прослойки. Этот режим трения со свойственными ему весьма малыми коэффициентами трения является оптимальным для узла трения с точки зрения потерь энергии, долговечности и износостойкости. Сила трения при жидкостной смазке не зависит от природы сопрягаемых поверхностей.

Для снижения нагрузок трения, а также герметизации зазора между поршнем и гильзой цилиндров применяется моторное масло, дополнительная функция моторного масла, обусловленная высокими температурами в рабочей зоне – сгорать вместе с топливом. В своей основе масло имеет углеводородный состав, т. к в большинстве случаев изготавливается из нефтепродуктов, кроме углеводородов в масле содержится некоторое количество серы и азота.

Углеводороды в составе масла с течением времени при хранении, а также при эксплуатации моторного масла, т. к взаимодействуют с воздухом подвергаются окислению ( при эксплуатации моторное масло работает в диапазоне высоких температур, которые являются катализатором химических реакций) в результате окисления, в маслах накапливаются следующие вещества, вызывающие износ рассматриваемой поверхности:

• Органическая кислота – вызывает коррозионные разрушения поверхности.

• Сера – при сгорании образует вещество серный ангидрид, который хорошо растворяется в воде с образованием серной кислоты, вызывающей активное коррозионное разрушение рабочей поверхности гильзы.

• Смолисто асфальтовые соединения ( природа этих соединений до конца не изучена, получаются в результате присоединения к углеводородам кислорода, азота, серы) - образуют липкие отложения на поршневых кольцах, вызывают залипание и пригорание поршневых колец.

Несмотря на перечисленные отрицательные воздействия смазочного материала, масло выполняет работу по значительному снижению нагрузок трения и увеличивает срок службы детали, т. к износ поверхности из-за нагрузок трения на несколько порядков выше, чем агрессивное воздействие минеральных масел.

Все перечисленные виды разрушений, вызывающих необратимые дефекты рабочих поверхностей мы можем определить визуально, применив осмотр детали при помощи лупы 4-х кратного увеличения.

В результате коррозионных разрушений на рабочих поверхностях появляются небольшие частицы метала ( абразивный материал), который в режиме трения-скольжения , даже в условиях жидкостной смазки(которую обеспечивает слой масла между поршнем и гильзой )наносит сетку царапин на рабочую поверхность гильзы. Этот вид разрушения можно определить визуально.

В зазоре между поршнем и гильзой цилиндров за счет высоких температур, давления и действия жидкости (масла) возможно образование кавитационных разрушений.

Кавитация дословно означает полость, пустота. Под кавитацией понимают явление образования полостей в виде пузырей в движущемся потоке жидкости по поверхности твёрдого тела. Это явление обусловлено следующим, если на пути движущегося с большой скоростью потока появляется препятствие, которое вызывает сужение потока, а затем резкое его расширение, то давление в потоке может упасть до значения, которое соответствует давлению парообразования. При этом, в зависимости от сопротивления жидкости растягивающим усилиям, может произойти разрыв, нарушение сплошности потока. Образующаяся пустота заполняется паром и газами , выделившимися из жидкости. Воздух, вовлекаемый в поток, облегчает возникновение кавитации. Образовавшиеся парогазовые пузыри размерами около десятых долей миллиметра, перемещаются вместе с потоком и попадают в зоны высоких давлений. Затем пузыри пара конденсируются и растворяются в образовавшиеся пустоты устремляются частицы жидкости; происходит сопровождаемо ударом восстановление сплошностей потока. Существует 2 вида кавитации: гидродинамическая (возникающее в трубопроводах, на лопастях пропеллерных насосов, гидравлических турбин и т. д. ),вибрационная. Вибрационная кавитация возникает при колебании твёрдого тела относительно жидкости или жидкости относительно твердого тела. Давление в жидкости на границе с твёрдым телом может уменьшиться (т. к из-за этого твердого тела участок детали, по которому идет жидкость, сужается. А так как жидкость в узкой части трубы движется с большей скоростью, чем в широкой, то при переходе из широкой части трубы в узкую она движется ускорено. Ускоренное движение жидкости при переходе из широкого участка трубы в узкий показывает, что давление жидкости в широком участке трубы больше давления жидкости в узком участке трубы. Следовательно, давление жидкости больше там, где скорость течения меньше, и меньше там, где скорость течения больше. Этот закон был открыт Даниилом Бернулли в 18 веке, поэтому его назвали закон Бернулли) и вызвать образование кавитационных пузырей. Условия кавитации зависят от внешнего давления на систему и насыщенности жидкости воздуха. Вибрационная кавитация проявляется в двигателях внутреннего сгорания, за счет колебания моторного масла между поршнем и гильзой, на поверхности поршневого кольца из-за удара жидкости при восстановления сплошности потока возможно образования микротрещин.

Рис2. Поверхность под действием кавитационного разрушения.

Этот вид разрушения (вследствие вибрационной кавитации) появляется только на рабочих поверхностях, которые испытывают нагрузки трения-скольжения в условиях жидкостной смазки при взаимодействии твердых тел.

2. Практическое обоснование.

Визуальный осмотр.

При помощи лупы 4-х кратного измерения осмотреть внутреннюю поверхность гильзы цилиндров , с целью выявления возможных дефектов:

* Раковин (коррозионных разрушений);

* Рисок (царапин, расположенных по диаметру - работа абразивного материала);

* Трещины (появившихся в результате кавитационного разрушений).

Выполнение измерений.

Воздействие нагрузок трения, даже в условиях жидкостной смазки, приведут к изменению размера поверхности. Внутренняя поверхность гильзы цилиндров имеет форму цилиндра, цилиндр характеризует следующие условия: поперечное сечение должно иметь форму - круг, а продольное -прямоугольник, поэтому измерения необходимо выполнять по следующей схеме:

1. Для контроля поверхности в поперечном сечении ( с целью выявления величины износа) необходимо выполнить измерения в 2-х взаимно перпендикулярных плоскостях: А-А, Б-Б; 2. Для контроля поверхности в продольном сечении необходимо выполнить измерения в трех поясах: I, II, Ш. Измерения выполняют инструментом : микрометрическим нутромером, который позволяет определить величину размера с учетом тысячных долей мм. 3. Результаты измерений занести в таблицу.

Таблица

Объект Пояс измерений Плоскость измерений Результат измерения измерении

Диаметр А-А 100,36

отверстия I-I Б-Б 100,34

под поршень П-П А-А 100,34

Б-Б 100,32

Ш-Ш А-А 100,32

Б-Б 100,30

Обработка результатов измерений:

1. Проанализировав результаты измерений по плоскостям, мы можем сделать вывод , что в поперечном сечении геометрическая фигура круг не сохранена, т. к размеры измерений в плоскости А-А превышают величину измерений в плоскости Б-Б, произошёл неравномерный износ поверхности, что привело к овальности поперечного сечения. Величину овальности можно определить по формуле: О = (А-А) - (Б-Б)

О (I-1) = 100,36 -100,34 = 0,02мм.

О (II- II) = 100,34 -100,32 = 0,02мм.

О (III- III) = 100,32 -100,30 = 0,02мм.

2. Измерения в продольном сечении характеризуют неравномерность износа по длине гильзы, если мы сравним величины измерений по поясам, то можно сделать вывод, что в поясе I-1 (верхняя часть цилиндра) наибольшая величина размеров, которая уменьшается к поясу III- III (нижняя часть цилиндра), что связано с неравномерным распределением нагрузок трения в рабочей зоне. В поперечном сечении наблюдается конусность, которую можно рассчитать по формуле:

О = (А-А) - (Б-Б)

О (I-1) = 100,36 -100,34 = 0,02мм.

О (II- II) = 100,34 -100,32 = 0,02мм.

О (III- III) = 100,32 -100,30 = 0,02мм.

2. Измерения в продольном сечении характеризуют неравномерность износа по длине гильзы, если мы сравним величины измерений по поясам, то можно сделать вывод, что в поясе I-1 (верхняя часть цилиндра) наибольшая величина размеров, которая уменьшается к поясу III- III (нижняя часть цилиндра), что связано с неравномерным распределением нагрузок трения в рабочей зоне. В поперечном сечении наблюдается конусность, которую можно рассчитать по формуле:

К = (I- I; А-А) - (III- Ш ;А-А) или К = (I- I;Б-Б) - (III- Ш ;Б-Б)

К=100,36-100,32=0,04мм

К=100,34-100,30=0,04мм

3. Диаметр гильзы цилиндров до эксплуатации был 100 мм, в результате нагрузок трения за время работы диаметр изменился (увеличился) на различную величину, т. к происходила потеря поверхностных слоёв материала.

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нагрузки трения неотъемлемая часть природы, особенно сильно проявляются, при работе механизмов машин, являются очень важным фактором. Избавиться от этих нагрузок нет возможности, мы можем только снизить их влияние, применяя материалы, снижающие трение. Выполнив работу, я могу сделать вывод, что нагрузки трения, как разрушающий фактор в чистом виде рассматривать нельзя, есть много других явлений, которые усиливают разрушающее действие сил трения (например температура), а попытки снизить нагрузку трения , применяя смазочные материалы достигают своего действия , снижая силы трения на поверхности детали в несколько раз, но при этом влекут за собой другие физические и химические явления, которые оказывают разрушающее воздействие на поверхность детали.