Повышение долговечности огневых днищ головок цилиндров автотракторных дизелей

 
  Министерство сельского хозяйства Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное образовательное 
учреждение высшего образования 
 
«Самарский государственный аграрный университет» 
 
 
 
 
 
Н. А. Черкашин  
С. Н. Жильцов 
Е. И. Артамонов  
 
 
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ  
ОГНЕВЫХ ДНИЩ 
ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ  
АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Кинель 2023 
 

УДК 631.372 
   Ч48 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой  
«Эксплуатация мобильных машин и технологического оборудования»  
ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный аграрный университет  
им. П. А. Столыпина»   
А. Л. Хохлов; 
канд. техн. наук, руководитель инженерно-технического отдела  
по обслуживанию сельскохозяйственной техники иностранного  
производства ООО «Компания “БИО-ТОН”»  
Г. С. Мальцев 
 
 
Черкашин, Н. А. 
Ч48 Повышение долговечности огневых днищ головок цилиндров 
автотракторных дизелей : монография / Н. А. Черкашин, 
С. Н. Жильцов, Е. И. Артамонов. – Кинель : ИБЦ ФГБОУ ВО 
СамГАУ, 2023. – 136 с. 
ISBN 978-5-88575-701-0 
 
 
Представлен материал по изучению воздействия различных факторов 
на долговечность огневых днищ головок цилиндров автотракторных дизелей. Приведены результаты многочисленных экспериментальных исследований по изучению влияния монтажных напряжений на термостойкость межклапанных перемычек огневых днищ. 
Предназначена для преподавателей, магистрантов, аспирантов аграрных вузов, инженеров и научных работников АПК. 
 
 
УДК 631.372 
ISBN 978-5-88575-701-0 
 
 
 
© Черкашин Н. А., Жильцов С. Н., Артамонов Е. И., 2023 
© ФГБОУ ВО Самарский ГАУ, 2023 
2 
 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение………………………………………………………………… 
5 
1. Анализ дефектов огневых днищ головок цилиндров дизелей и 
методы повышения их ресурса………………………………………… 
 
7 
  1.1.  Дефекты головок цилиндров дизелей………………………….. 
7 
 
14 
  1.2. Факторы, определяющие долговечность головок цилиндров 
дизелей…………………………………………………………………... 
  1.3. Характеристика напряженного состояния головок цилиндров.. 
15 
     1.3.1. Остаточные напряжения……………………………………… 
15 
     1.3.2. Монтажные напряжения……………………………………… 
17 
     1.3.3. Рабочие напряжения………………………………………….. 
21 
     1.3.4. Термические и термоструктурные напряжения…………….. 
22 
  1.4. Способы повышения долговечности огневого днища головок 
цилиндров дизеля……………………………………………………….. 
 
24 
     1.4.1. Снижение остаточных напряжений………………………….. 
24 
     1.4.2. Снижение монтажных напряжений………………………….. 
25 
     1.4.3. Снижение термических напряжений………………………… 
26 
 
35 
1.5. Способы восстановления головок цилиндров с термоусталостными трещинами в межклапанных перемычках……………………… 
2. Теоретическое обоснование повышения долговечности головок 
цилиндров дизелей………………………………………………………  
 
41 
  2.1. Механизм образования трещин в межклапанных перемычках 
огневого днища…………………………………………………………. 
 
41 
  2.2. Определение силовых параметров механической нагрузки на 
головки цилиндров……………………………………………………… 
 
48 
     2.2.1. Расчет удельной механической нагрузки……………………. 
48 
     2.2.2. Расчёт механических напряжений, возникающих при монтаже форсуночного стакана и форсунки……………………………… 
 
51 
  2.3. Определение термических напряжений в межклапанных перемычках головки цилиндров………………………………………….. 
 
57 
  2.4. Расчет сопротивления термической усталости головок цилиндров……………………………………………………………………… 
 
59 
3. Экспериментальная оценка эффективности влияния снижения 
монтажных напряжений огневого днища на динамику роста термоусталостных трещин в головке цилиндров……………………………. 
 
 
63 
  3.1. Обоснование методики оценки эффективности снижения 
монтажных напряжений ……………………………………………….. 
 
63 
  3.2. Результаты исследования монтажных напряжений и деформаций в головке цилиндров……………………………………………. 
 
72 
  3.3. Влияние монтажных напряжений на сопротивление термической усталости головок цилиндров……………………………………. 
 
76 
3 
 

     3.3.1. Определение факторной зависимости сопротивления термической усталости от температуры и монтажных напряжений……. 
 
78 
  3.4. Определение напряжений и деформаций в головке цилиндров 
при термоциклическом нагружении…………………………………… 
 
84 
  3.5. Влияние монтажных напряжений на динамику роста термоусталостных трещин в головке цилиндров……………………………. 
 
90 
4. Повышение долговечности головки цилиндров при снижении 
монтажных напряжений огневого днища……………………………... 
 
94 
  4.1. Обоснование и разработка конструкции форсуночного узла, 
снижающего монтажные напряжения в межклапанной перемычке 
головки цилиндров……………………………………………………… 
 
 
94 
     4.1.1. Определение конструктивных параметров форсуночного 
узла экспериментальной головки цилиндров…………………………. 
 
95 
  4.2. Результаты сравнительных экспериментальных исследований 
серийных и опытных головок цилиндров……………………………... 
 
98 
  4.3. Результаты стендовых исследований двигателей с экспериментальными головками цилиндров…………………………………... 
 
102 
  4.4. Ресурсные исследования двигателей с экспериментальными 
головками цилиндров…………………………………………………... 
 
108 
  4.5. Рекомендации по снижению монтажных напряжений в головке 
цилиндров дизелей при ремонте……………………………………….  
 
110 
Заключение……………………………………………………………… 
115 
Литература………………………………………………………………. 
118 
Алфавитно-предметный указатель…………………………………….. 
134 
 
 
 
4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Современное дизелестроение развивается по пути создания 
высокофорсированных дизелей с повышенным сроком службы и 
надежностью. Основой увеличения мощности при этом является, 
как правило, повышение среднего эффективного давления. Этот 
показатель у современных автотракторных дизелей сельскохозяйственного назначения постоянно растет. Высоко форсированы дизели серии ЯМЗ (ЯМЗ-238НБ, ЯМЗ-240 и др.). Поэтому детали, 
образующие камеру сгорания, воспринимают высокие термические 
и механические нагрузки. От работоспособности этих деталей в 
значительной степени зависит надежность современных форсированных двигателей. 
Все сказанное в полной мере относится к головкам цилиндров 
дизелей. Поэтому вопрос обеспечения долговечной надежной работы головок цилиндров является в настоящее время одной из основных проблем дизелестроения. 
Огневое днище головки цилиндров имеет наиболее неоднородное температурное поле, чтo объясняется сложной конфигурацией полостей охлаждения, а также наличием сравнительно более 
горячих выпускных и более холодных впускных клапанов. 
Температурные перепады по поверхности и толщине огневого 
днища приводят к появлению термических напряжений, которые в 
свою очередь вызывают коробление привалочной плоскости головки цилиндров и появление трещин. На этот процесс существенное влияние оказывает значительная механическая нагрузка, 
и, как следствие, в огневом днище головки цилиндров также действуют высокие механические напряжения, возникающие при 
монтаже на головку деталей системы питания дизелей. Максимальных значений эти напряжения достигают в зоне межклапанных 
перемычек. 
Наиболее типичным дефектом головок цилиндров дизелей 
является появление термоусталостных трещин на огневом днище в 
межклапанных перемычках. При дальнейшем росте удельных 
мощностных показателей дизелей надежность и долговечность 
головки цилиндров может быть значительно снижена, так как при 
этом возрастут не только термические, но и, в значительной мере, 
механические нагрузки, возникающие при сборке и монтаже. 
5 
 

Более 70% головок цилиндров дизелей ЯМЗ, бывших в эксплуатации, имеют трещины межклапанных перемычек различной 
глубины. Появление трещин на огневом днище головок цилиндров 
относится к числу «хронических» дефектов, ежегодно подлежит 
выбраковке из-за трещин 40-50% головок тракторных и комбайновых дизелей. Головки цилиндров за срок службы трактора могут 
заменяться до 3-4 раз, в основном по причине данного дефекта, 
поэтому очевидна необходимость исследования причин образования трещин в зоне межклапанных перемычек, а также факторов, 
способствующих этому процессу. Это дает возможность наметить 
пути по увеличению надежности данной детали. 
Образование трещин в центральной зоне огневого днища головки цилиндров присуще всем типам дизелей. Однако в большей 
степени этот дефект имеют дизели с непосредственным впрыском 
топлива в цилиндр, у которых межклапанная перемычка ослаблена 
форсуночным отверстием. Дизели с непосредственным впрыском 
топлива являются более экономичными и поэтому их разработка в 
современных условиях является одним из перспективных направлений развития двигателестроения. 
Головка цилиндров дизеля является дорогой и металлоемкой 
деталью. Годовые затраты на покупку новых и восстановление 
головок цилиндров дизелей, эксплуатирующихся в сельском хозяйстве, по данным ГОСНИТИ составляет 35-40 млн руб. 
Вопросам исследования напряженного состояния головок цилиндров дизелей, разработке способов восстановления головок 
цилиндров с трещинами в межклапанных перемычках, а также 
разработке мер, направленных на устранение причин, вызывающих 
появление трещин, посвящено много работ. Среди них работы 
Чайнова Н. Д., Мосина Ю. С., Фомина В. М., Взорова И. Д., Исаева 
Е. B., Красавина А. И. и др., но, несмотря на значительное количество исследований в данной области, головка цилиндров остается 
недолговечной деталью с низким уровнем надежности. 
Большие резервы повышения долговечности головок цилиндров, по мнению авторов, могут быть обнаружены в сфере ремонтного производства при разработке мероприятий, направленных на снижение напряженного состояния этой детали.  
 
 
6 
 

1. АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ ОГНЕВЫХ ДНИЩ  
ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЕЙ  
И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИХ РЕСУРСА 
 
1.1. Дефекты головок цилиндров дизелей 
 
Головки цилиндров являются одними из самых долговечных 
базовых деталей. Срок службы их составляет более 20 лет, что 
значительно выше срока службы коленчатых валов и блоков цилиндров [93]. 
Головки цилиндров дизелей (ГБЦ) относятся к числу наиболее 
сложных, многофункциональных деталей. При работе двигателя 
она должна обеспечивать надежное уплотнение газового стыка, 
эффективное охлаждение тепловоспринимающей поверхности газораспределительных каналов и топливоподающих форсунок, 
размещенных в ней. Специфические условия работы (высокая механическая напряженность в условиях повышенных температур, 
тепловая неравномерность, в том числе внутрицикловая), физико-химические свойства материала – серого чугуна (хрупкость, 
относительно низкая теплопроводность), особенности конструкции 
(сложная геометрическая форма) приводят в статически неопределимых системах (головках цилиндров) к росту деформаций 
ползучести, которые способствуют перераспределению напряжений. В результате этого появляются и накапливаются различные 
дефекты, из которых наиболее опасны – трещины на поверхности 
огневого днища. 
В систематизированном виде дефекты головок приведены в 
таблице 1.1. 
В таблице 1.1 показано распределение основных дефектов 
головок цилиндров по маркам дизелей сельскохозяйственного 
назначения. Из этих данных видно, что одним из наиболее распространенных дефектов являются трещины на огневом днище в 
зоне межклапанных перемычек. 
На основе приведенных данных можно сделать вывод, что 
самым распространенным дефектом головки цилиндров является 
износ внутреннего диаметра направляющих втулок (до 96%). 
 
7 
 

Таблица 1.1  
Дефекты головок цилиндров дизелей 
Марка дизеля 
№ 
Наименование дефекта 
ЯМЗ-238НБ А-01, А-41 СМД-14 
Количество головок 
Трещины перемычек между форсу1. 
ночным отверстием и отверстиями под 
74,2 
54,7 
47,9 
впускной и выпускной клапаны, % 
2. 
Коробление плоскости, % 
18,5 
17 
20 
3. 
Разрушение днища вследствие обрыва 
клапана, % 
2,5 
6 
- 
4. 
Предельный износ клапанных гнезд, % 
11 
11,3 
19 
5. 
Прочие дефекты, % 
1 
1 
5 
 
Вторым по распространенности дефектом является износ 
клапанных гнезд (до 94%). Этот дефект характерен для безседельных гнезд. Часто такие головки выбраковывают (до 16%). Головки с износом седел клапанов составляют не более 20% от поступающих в ремонт. Повышение ресурса связано с установкой 
износостойких седел клапанов. 
Следующим по распространенности дефектом (80%) является 
повреждение резьбы. Достаточно часто у некоторых моделей головок (дефект ЯМЗ 238НБ, А-01, А-41, СМД-14, СМ-14НГ) проявляется такой дефект, как термоусталостные трещины между 
распылителями форсунок и клапанными гнездами. 
 
 
 
Рис. 1.1. Трещина в межклапанной перемычке головки 
блока дизеля ЯМЗ-238НБ 
8 
 

На рисунке 1.1 показаны трещины в перемычках между форсуночным отверстием и отверстиями под гнезда клапанов, наиболее 
характерные для головок цилиндров дизелей с непосредственным 
впрыском топлива типа ЯМЗ-240Н, ЯМЗ-238НБ, А-41 и А-01М.  
Изучение дефектов показало, что трещины в межклапанных 
перемычках на огневых днищах головок цилиндров берут начало на 
поверхности камеры сгорания от кромок отверстия под распылитель форсунок и, развиваясь по глубине и ширине перемычек, 
проникают в днище головок и нарушают работоспособность. 
Трещины на огневых днищах головок цилиндров ЯМЗ-238 
возникают обычно по истечении 4-10 лет эксплуатации (рис. 1.2). 
 
 
Рис. 1.2. Частость образования термоусталостных трещин в головках 
цилиндров дизелей ЯМЗ-238, ЯМЗ-236 во времени 
 
Срок службы головок цилиндров ЯМЗ-238 до образования 
трещин составил 9 лет, в 10-16% случаев трещины образуются у 
трех, четырех форсуночных отверстий одновременно. Глубина 
залегания трещин у кромки форсуночных отверстий по данным 
СамГАУ [37] составляет 2-6 мм (рис. 1.3). 
По рекомендации Ярославского моторного завода ремонтные 
предприятия допускают мелкие трещины у отверстий под форсунки глубиной до 5 мм, не захватывающие рабочие фаски 
впускных клапанов и не нарушающие герметичность головки. 
Следовательно, около 70% термоусталостных трещин являются 
допустимыми.  
9 
 

 
 
Рис. 1.3. Глубина залегания термоусталостных трещин у отверстий  
под форсунки головок цилиндров дизелей А-41 
 
Ремонтные предприятия их не устраняют, и изделия с таким 
дефектом нередко направляют в брак. Термоусталостные трещины 
наиболее характерны для дизелей с непосредственным впрыском 
топлива вышеуказанных моделей.  
Для определения трещин в этих зонах перемычки зачищают 
шлифовальной машинкой. Риски от зачистки должны располагаться перпендикулярно предполагаемой линии развития дефекта. 
И если разрушение в перемычке имеется, то в зоне зачистки четко 
просматривается нераскрытая и видимая трещина. Более точно 
термоусталостные трещины выявляются при помощи специальных 
дефектоскопов (мод. ЭПД-6). 
Исследования термоусталостных трещин [36] показали, что 
суммарное количество межклапанных перемычек с глубиной до            
8 мм составляет 97,5% для обоих перемычек. В интервале от 0 до                 
3 мм процент перемычек с трещинами в сторону выпускного клапана составил 34%, в сторону впускного клапана – 90,5%. В диапазоне от 3 до 8 мм процент перемычек с трещинами составил 63,5 
и 7% соответственно. Более глубокие трещины в межклапанных 
перемычках под крайними цилиндрами. В перемычках к выпускному и впускному клапанам среднее значение трещин составило 
соответственно 1,842 и 4,38 мм. Для средних цилиндров эти значения составили соответственно 13,7 и 3,77 мм. 
В работах Межецкого Г. Д. и Жильцова С. Н. [37, 143] получены средние значения результатов измерения глубины термо10