Chương 7. Nhóm pít tông

CHƯƠNG 7. NHÓM PÍT TÔNG 7.1. NHIỆM VỤ, ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, YÊU CẦU VÀ VẬT LIỆU CHẾ TẠO PÍT TÔNG 7.2. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CỦA PÍT TÔNG 7.3. TÍNH TOÁN BỀN PÍT TÔNG 7.4. KẾT CẤU, PHƯƠNG ÁN LẮP GHÉP VÀ TÍNH BỀN CHỐT PÍT TÔNG 7.5. XÉC MĂNG 7.1. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc, yêu cầu và vật liệu chế tạo pít tông 7.1.1. Nhiệm vụ của nhóm pít tông - Cùng với lót XL, nắp máy tạo thành buồng cháy cho ĐC - Tiếp nhận lực khí thể, truyền cho TT làm quay TK và ngược lại tiếp nhận lực từ TK (của bánh đà hoặc XL khác) trong các kỳ tiêu thụ công (nạp, nén, thải). - Nhận nhiệt từ môi chất công tác truyền qua xéc măng tới lót XL cho môi chất làm mát. - Bao kín buồng cháy (ngăn khí lọt xuống các-te và dầu nhờn sục lên BC) - Đối với ĐC 2 kỳ, PT có tác dụng như một van trượt làm nhiệm vụ đóng mở cửa nạp (thải). 7.1.2. Điều kiện làm việc của pít tông - Tải trọng cơ học + Lực khí thể lớn (đạt áp suất 130 bar), tốc độ biến thiên cao (cuối kỳ nén đầu kỳ cháy giãn nở), có tính chu kỳ (360 hoặc 720 oGQTK). + Lực quán tính lớn (nhất là ĐC cao tốc) + Lực ngang + Lực ma sát  gây nên ứng suất lớn, làm biến dạng PT và có thể làm hư hỏng PT. - Tải trọng nhiệt PT trực tiếp tiếp xúc với sản vật cháy có nhiệt độ rất cao (2300-2800 K)  nhiệt độ phần đỉnh PT cao (500-800 K); dễ gây ra các tác hại: + US nhiệt lớn, rạn nứt PT. + Giảm cơ tính vật liệu chế tạo pít tông. + Biến dạng lớn làm bó kẹt pít tông trong XL, tăng ma sát PT-XL + Giảm hệ số nạp  giảm công suất ĐC + Phân hủy dầu nhờn nhanh + Dễ gây kích nổ với ĐC xăng. - Mài mòn cơ học và ăn mòn hóc học + Do lực ngang N ép PT và thành XL, do biến dạng của PT dưới tác dụng của tải cơ học và tải trọng nhiệt, do thiếu dầu bôi trơn  tăng ma sát và mài mòn của PT. + Do PT tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy và dầu bôi trơn có chứa các a xít  PT bị ăn mòn hoá học 7.1.3. Yêu cầu của PT - Đỉnh PT phải tạo ra hình dạng buồng cháy tốt nhất - Đảm bảo điều kiện bền, cứng vững - Tản nhiệt tốt để tránh kích nổ, tăng hệ số nạp, giảm trường nhiệt độ, ứng suất nhiệt - Khối lượng nhỏ - Đảm bảo bao kín buồng cháy - Chịu mài mòn, va đập - Giãn nở ít 7.1.4. Vật liệu chế tạo Yêu cầu về vật liệu: - Có SB ở nhiệt độ cao; trọng lượng riêng nhỏ - Hệ số giãn nở nhỏ, hệ số dẫn nhiệt lớn. - Cơ tính vật liệu giảm ít khi nhiệt độ tăng - Chịu mòn tốt trong điều kiện bôi trơn kém và nhiệt độ cao - Chịu được ăn mòn hoá học - Tính công nghệ tốt Vật liệu thường dùng: - Gang (gang hợp kim-gang xám, gang dẻo-gang rèn, gang graphit-gang cầu): chế tạo PT ĐC thấp tốc. - Thép hợp kim: ít dùng (dẫn nhiệt kém, tính đúc kém) - Hợp kim nhẹ (HK nhôm và HK manhê): chế tạo PT ĐC cao tốc. Gang Ưu điểm - Độ bền cao, chịu mài mòn tốt - Độ bền giảm ít khi nhiệt độ tăng - Hệ số giãn nở nhỏ - Tính công nghệ tốt (đúc, gia công) (trừ gang graphit) - Giá thành rẻ Nhược điểm - Khối lượng riêng lớn - Dẫn nhiệt kém - Ở nhiệt độ quá cao, cơ tính kém - Tính công nghệ của gang graphit kém Hợp kim nhẹ Ưu điểm - Khối lượng riêng bé - Tính dẫn nhiệt tốt - Tính công nghệ tốt - Hệ số ma sát với gang nhỏ Nhược điểm - Độ bền kém, chịu mài mòn kém - Độ bền giảm mạnh khi nhiệt độ tăng - Hệ số giãn nở lớn - Giá thành đắt - Tính công nghệ của HK manhê kém Biện pháp nâng cao cơ tính của PT sử dụng vật liệu HK nhôm: - Nhiệt luyện tốt, xử lý ô xít hóa (ngâm PT trong dung dich 3% Cr2O3) - Dùng HK nhôm rèn - Tăng chiều dày - Thêm nguyên tố Si để giảm hệ số giãn nở - Dùng các biện pháp công nghệ (xẻ rãnh, thân hình ô van, vành cản nhiệt, gân tăng cứng, khoét bớt vật liệu ở 2 đầu bệ chốt…) Hình 6.1. Kết cấu pít tông. 1 - Đỉnh pít tông 2 - Đầu pít tông 3 - Thân pít tông 4 - Rãnh lắp xéc măng khí 5 - Rãnh lắp xéc măng dầu 6 - Bệ chốt pít tông 7 - Đuôi (chân) pít tông 8 - Vùng đai xéc măng 7.2. Kết cấu pít tông Hình 6.2. Các dạng kết cấu đỉnh pít tông. 7.2.1. Đỉnh pít tông Các yêu cầu khi thiết kế đỉnh PT: - Có hình dạng thích hợp để tạo hỗn hợp cháy tốt nhất (xoáy lốc, phối hợp với chùm tia phun, cháy thể tích/màng) để đạt các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng cao - Tỷ số diện tích buồng cháy/thể tích buồng cháy nhỏ để giảm tổn thất nhiệt, phụ tải nhiệt, tăng hệ số nạp - Tổ chức truyền nhiệt tốt (góc lượn, gân tản nhiệt, làm mát…) - Phối hợp với các chi tiết, bộ phận khác: xu páp, vòi phun, bugi… tránh va chạm Hình 6.3. Piston động cơ B2/B6 (đỉnh khoét lỗ tránh va chạm với xu páp) Hình 6.4. Đỉnh piston dạng chỏm cầu Hình 6.5. Các dạng kết cấu đỉnh pít tông. 7.2.2. Đầu pít tông - Bao kín buồng cháy - Bố trí rãnh xéc măng khí, xéc măng dầu phía trên - Nhận nhiệt từ môi chất công tác và truyền qua đai xéc măng – xéc măng – lót XL – môi chất làm mát - Các yêu cầu khi thiết kế phần đầu PT: + Tản nhiệt tốt + Bao kín tốt + Đảm bảo độ bền, độ cứng vững Hình 6.6. Dòng nhiệt truyền trong pít tông Hình 6.7. Các phương án toả nhiệt cho pít tông. a -Tăng bán kính chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu. b - Dùng gân tản nhiệt. c - Dùng rãnh ngăn nhiệt để giảm nhiệt truyền cho xéc măng thứ nhất. d - Làm mát bằng dầu bôi trơn. 7.2.2.1 Tản nhiệt Hình 6.8. Phương án thiết kế mới để giảm nhiệt độ cho pít tông. Hình 6.9. Pít tông động cơ 40D Làm mát bằng dầu bôi trơn Hình 6.10. Pít tông động cơ 61B4 Làm mát bằng dầu bôi trơn Hình 6.11. Các dạng bố trí gân tản nhiệt Hình 6.12. Vị trí xéc măng khí thứ nhất Hình 6.13. Phun dầu trực tiếp vào lỗ làm mát đỉnh PT (ĐC Sulzer) Hình 6.14. Sử dụng vật liệu cách nhiệt trên đỉnh PT (ĐC MAN B&W) 7.2.2.2. Bao kín * Số lượng xéc măng: - Động cơ xăng: 3 – 4 xéc măng khí 1 – 2 xéc măng dầu - Động cơ diesel cao tốc: 3 – 6 xéc măng khí 1 – 3 xéc măng dầu - Động cơ diesel thấp tốc: 5 – 7 xéc măng khí 1 – 4 xéc măng dầu Các xéc măng có thể quay tự do trong rãnh xéc măng * Khe hở giữa đầu PT và XL: Đường kính phần đầu PT nhỏ hơn đường kính phần thân Hình 6.15. Đường kính phần đầu và thân PT * Khe hở giữa xéc măng và rãnh xéc măng: Khe hở thường được chọn theo công thức kinh nghiệm Xéc măng khí thứ nhất: Δ = (1/40 ÷ 1/20)h Xéc măng khí khác: Δ = (1/90 ÷ 1/50)h Xéc măng dầu: Δ = (1/120 ÷ 1/50)h Hình 6.16. Khe hở rãnh xéc măng Hình 6.17. Đai rãnh XM khí bằng thép 7.2.2.3. Độ bền Hình 6.18. Các dạng gân tăng cứng cho pít tông. 7.2.3. Thân pít tông Nhiệm vụ: + dẫn hướng cho PT + Chịu lực ngang N + Đóng mở cửa nạp (thải) 7.2.3.1. Chiều dài thân PT Hình 6.19. Vị trí pít tông động cơ 2 kỳ 7.2.3.2. Vị trí lỗ bệ chốt PT Hình 6.20. Vị trí lỗ bệ chốt pít tông hch = (0,6 ÷ 0,74)Ht 7.2.3.3. Hình dạng thân PT Khi ĐC làm việc thân PT bị biến dạng do các tải trọng cơ – nhiệt, do vậy phải có các biện pháp chống bó kẹt: Hình 6.21. Nguyên nhân gây bó kẹt pít tông trong xi lanh Hình 6.22. Biến dạng của PT Hình 6.23. Các phương án chống bó kẹt pít tông. a) Kết cấu hình ô van b) Vát 2 mặt ở bệ chót c) Xẻ rãnh chữ T d) Xẻ rãnh chữ  e) Đúc miếng kim loại có độ giãn nở dài vì nhiệt nhỏ. b) Hình 6.24. Pít tông động cơ Wartsila 20 7.2.3.4. Chân PT - Có vành đai tăng cứng - Mặt chuẩn công nghệ - Điều chỉnh khối lượng Hình 6.25. Chân PT Hình 6.26. Các dạng chân PT Hình 6.27. Các dạng chân PT Hình 6.28. PT có guốc trượt Hình 6.29. PT ĐC tàu thủy thấp tốc 2 kỳ 7.3. Tính bền PT - Tải trọng cơ - Tải trọng nhiệt 7.3.1. Phương pháp cổ điển - Chia PT thành nhiều phần: + Đỉnh PT + Đầu PT + Thân PT + Bệ chốt + Khe hở giữa PT và XL - Đơn giản hóa kết cấu và tải trọng Hình 6.30. Sơ đồ tính toán đỉnh PT 7.3.2. Phương pháp PTHH 7.3.2.1. Tính toán trạng thái ứng suất – biến dạng do tải trọng cơ tác dụng Hình 6.31. Mô hình hình học PT ĐC B2/B6 Hình 6.32. Mô hình PTHH PT ĐC B2/B6 Hình 6.33. Trạng thái ứng suất cơ của PT ĐC B2/B6 Hình 6.34. Trạng thái biến dạng do tải trọng cơ của PT ĐC B2/B6 7.3.2.2. Tính toán trạng thái nhiệt, ứng suất nhiệt Hình 6.35. Trạng thái nhiệt của PT ĐC M504 Hình 6.36. Ứng suất nhiệt của PT ĐC M504 Hình 6.37. Ứng suất nhiệt của PT ĐC M504 7.4. Kết cấu, phương án lắp ghép và tính bền chốt pít tông Nhiệm vụ: liên kết PT với TT, truyền lực khí thể từ PT cho TT, nhận lực từ TT truyền cho PT trong các kỳ tiêu thụ công. Chốt PT là chi tiết có kết cấu đơn giản nhưng rất quan trọng (nếu nó bị gãy vỡ thì ĐC sẽ bị hư hỏng rất nặng: vỡ thân máy, cong – gãy TK, cong TT…). Chốt PT chịu lực khí thể và lực quán tính lớn, thay đổi theo chu kỳ và có tính va đập, nhiệt độ làm việc cao và khó bôi trơn. Yêu cầu: - Đủ độ bền và độ cứng vững. - Bề mặt có độ cứng cao, chống mòn tốt, mài bóng để tránh ứng suất tập trung và các vết nứt tế vi. - Phần bên trong phải dẻo để tăng độ bền mỏi - Khe hở lắp ghép nhỏ Vật liệu chế tạo: Phải sử dụng loại vật liệu có độ bền cao, chịu mỏi, mòn tốt. - Vật liệu thường dùng là thép cácbon và thép hợp kim có thành phần cacbon thấp: C20, 20X, 15XA, 15XMA, 12XH3A, 18XHMA … sau đó được nhiệt luyện, thấm C, thấm N, thấm CN, tôi cứng bề mặt. - Thép C35, C40, C45 cũng được dùng để chế tạo chốt PT của ĐC thấp tốc và trung tốc. - Chốt PT của ĐC cao tốc thường dùng thép HK có thành phần cacbon thấp - Chốt PT làm bằng thép cácbon và thép hợp kim có thành phần cacbon trung bình sau khi tôi cao tần độ cứng bề mặt ngoài đạt HRC = 58 – 65, độ cứng phần ruột HRC = 26 – 30. - Chốt PT làm bằng thép cácbon và thép hợp kim có thành phần cacbon thấp sau khi thấm C và tôi, độ cứng bề mặt ngoài đạt HRC = 56 – 62, độ cứng phần ruột HRC = 26 – 30. 7.4.1. Kết cấu chốt pít tông Hình 6.38. Các dạng chốt pít tông Hình 6.39. Cố định chốt pít tông trên bệ chốt. 7.4.2. Các phương án lắp ghép chốt pít tông 7.4.2.1. Cố định chốt với bệ chốt Ưu điểm Nhược điểm Hình 6.40. Cố định chốt pít tông trên đầu nhỏ TT 7.4.2.2. Cố định chốt với đầu nhỏ TT Ưu điểm Nhược điểm Hình 6.41. Chốt pít tông lắp tự do 7.4.2.3. Chốt lắp tự do Ưu điểm Nhược điểm Các vấn đề cần giải quyết - Khe hở giữa chốt với bệ chốt và đầu nhỏ phải phù hợp - Khống chế chuyển động dọc trục: vòng hãm, nút hãm - Tổ chức bôi trơn tốt - Giảm ứng suất tập trung Hình 6.43. Vòng hãm Hình 6.42. Nút hãm Hình 6.44. Tổ chức bôi trơn cho chốt pít tông 7.4.3. Tính bền chốt PT 7.4.3.1. PP cổ điển Coi PT là một dầm đơn giản, đặt trên 2 gối tựa Hình 6.45. Sơ đồ tính bền chốt pít tông 7.4.3.2. PP PTHH Hình 6.46. Mô hình tính bền chốt PT Hình 6.47. Trạng thái ứng suất của chốt PT Hình 6.48. Trạng thái biến dạng của chốt PT 7.5. XÉC MĂNG 7.5.1. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo Nhiệm vụ: - Xéc măng khí: ngăn khí cháy lọt xuống cacte - Xéc măng dầu: ngăn dầu bôi trơn sục lên buồng cháy Điều kiện làm việc: - Chịu nhiệt độ cao: do tiếp xúc khí cháy, ma sát, truyền nhiệt - Chịu va đập lớn - Chịu mài mòn (công ma sát chiếm 50-60% toàn bộ tổn thất cơ giới của ĐC). - Ăn mòn hóa học: khí cháy, dầu bôi trơn - Ứng suất dư Vật liệu chế tạo: Yêu cầu: - Chịu mài mòn tốt trong điều kiện ma sát lớn - Hệ số ma sát nhỏ - Độ bền cao, đàn hồi tốt - Cơ tính giảm ít ở trạng thái nhiệt độ cao - Có khả năng rà khít với bề mặt XL Vật liệu chủ yếu là gang hợp kim. Ưu điểm: - Có khả năng khôi phục các vết xước - Có khả năng bôi trơn tốt, hệ số ma sát nhỏ - Ít nhạy cảm với ứng suất tập trung Ngoài ra, các loại vật liệu khác đang được nghiên cứu phát triển như HK gốm, chất dẻo, graphít. PP chế tạo xéc măng - Đúc đơn chiếc: phôi đúc định hình cho từng chiếc, tổ chức gang đồng đều, lượng dư gia công nhỏ. - Nhiệt định hình: phôi đúc thành ống, cắt lát, gá nhiều XM cùng lúc, nhiệt luyện để định hình (600 – 650 oC). - Gia công định hình phôi đúc: phôi đúc thành ống như XM ở trạng thái tự do, cắt lát, cắt mở miệng Sau gia công: mạ Crôm, phun bọc Mo, cacbua, ô xít, … Đối với xéc măng dầu kiểu tổ hợp: chế tạo bằng PP dập, cán, nhiệt luyện Chú thích 1. Mặt đáy. 2. Mặt lưng (mặt công tác). 3. Mặt bụng. 4. Phần miệng. 5. Khe hở miệng ở trạng thái lắp trong XL (f0). h – chiều cao XM t – chiều dày XM D – Đường kính ngoài Hình 6.49. Kết cấu xéc măng 7.5.2. Kết cấu xéc măng khí Hình 6.50. Sơ đồ tác dụng bao kín của xéc măng khí Hình 6.51. Tiết diện ngang của XM khí. Hình 6.54. XM có ghép vòng đồng và vòng thiếc Hình 6.55. Cố định XM trên PT động cơ 2 kỳ 1. Pít tông; 2. chốt; 3. XM Hình 6.52. Biến dạng của XM có tiết diện không đối xứng Hình 6.53. Khe hở giữa XM và PT Hình 6.56. Kết cấu miệng XM khí. Hình 6.57. Phân bố áp suất trên XM a. Khi XM còn mới b. Khi XM đã cũ 1. XM bất đẳng áp 2. XM đẳng áp Hình 6.58. Tác dụng bơm dầu của XM khí 1. Pít tông; 2. Xy lanh; 3. Xéc măng 7.5.3. Kết cấu xéc măng dầu Nhiệm vụ: - Gạt dầu bôi trơn bám trên XL về cacte - Phân bố 1 lớp dầu mỏng, đều trên XL Hiện tượng bơm dầu Hình 6.59. Kết cấu XM dầu Hình 6.60. Lỗ thoát dầu trên PT Hình 6.61. XM dầu tổ hợp 1. Xy lanh; 2. Xéc măng; 3. Đệm lò xo; 4. Pít tông 7.5.4. Tính bền xéc măng Giả thiết: Coi XM là một dầm cong - Ứng suất uốn công tác: σu1 - Ứng suất uốn lắp ghép: σu2 - Ứng suất gia công: σu3 Hình 6.62. Sơ đồ tính toán ứng suất uốn công tác Hình 6.63. Sơ đồ tính toán ứng suất uốn lắp ghép - Áp suất nén trung bình nằm trong khoảng: Ptb = 1 – 2 bar - Đối với XM bất đẳng áp, tính toán thêm đại lượng áp suất phân bố trên từng vị trí. Tính bền XM bằng PP PTHH Hình 6.64. Mô hình tính bền XM bằng PP PTHH Hình 6.65. Trạng thái ứng suất công tác của XM Hình 6.66. Trạng thái ứng suất công tác của XM Hình 6.67. Trạng thái ứng suất lắp ghép của XM Hình 6.68. Trạng thái biến dạng của XM khi lắp ráp