شناسایی و بررسی معایب سایش پیستون
شناسایی عیب سایش پیستون از طریق تحلیل ارتعاشات موتور
عیب سایش پیستون یکی از عیوب مخرب در انواع موتورهای درونسوز است. عوامل مختلفی در ایجاد این عیب دخیل هستند که ازمهمترین آنها می توان به کمبود لایه روانکار میان پیستون و سیلندر اشاره کرد.
هدف
هدف از این مقاله بررسی کمی اثرات عیب سایش پیستون بر روی پارامترهای عملکردی موتور است که به نوبه خود تحقیق جدیدی در حوزه موتورهای درونسوز می باشد.
بدین منظور طی یک آزمون سایش، پارامترهایی مانند نرخ گازهای نشتی محفظه لنگ، سرعت دورانی، گشتاور، قدرت موتور و فشار محظفه لنگ اندازه گیری شدند.
نتایج تحقیق
نتایج نشان داد این عیب موجب کاهش سرعت دورانی، گشتاور و قدرت موتور به میزان بیش از 100 دور بر دقیقه، 25 نیوتن متر و 16 کیلووات شد.
علاوه بر اثراتی که عیب سایش بر روی پارامترهای مذکور داشت، با وقوع این عیب، افزایش شدید و ناگهانی در پارامترهای نرخ گازهای نشتی محفظه لنگ و فشار محفظه لنگ رخ داد.
مقدمه
امروزه کارخانه هاي پیشرفتة موتورسازي به منظور جلب رضایت مشتریان، با ارائه آخرین دستاوردهاي خود با یکدیگر رقابت می کنند. نمونه هایی از این پیشرفت ها عبارتند از قدرت خروجی بالاتر به ازاء سوخت مصرفی کمتر، وزن ویژة کمتر، رعایت استانداردهاي آلایندگی و غیره.
در این میان، یکی از مهمترین اولویت کارخانه ها، مسئله قابلیت اطمینان، دوام و طول عمر موتور است. علیرغم پیشرفت هاي صورت گرفته در موتور مسئله ایجاد عیوب هنوز به عنوان یک معضل اساسی مطرح است [1].
علت سایش پیستون
این امر به دلیل قرار داشتن قطعات در شرایط سخت کاري است. به طور مثال پیستون ها همواره با تنشهاي شدید مکانیکی و حرارتی، نیروهاي فراوان، اصطکاک، دماهاي بالا و مواد خورنده مواجه اند.
این امر موجب می شود تا پیستون ها که از اجزا کلیدي در موتورها هستند، بسیار مستعد به خرابی شوند به طوري که در حال حاضر عیوب فراوانی در پیستون ها شناسایی شده است. این عیوب شامل خرابی هاي وارده بر تاج پیستون، سر پیستون و دامن پیستون است.
عیب سایش پیستون جزو عیوب مخربی است
عیب سایش پیستون جزو عیوب مخربی است که پیستون ممکن است براي هر پیستونی رخ دهد. در صورت وقوع این عیب، سیلندر و پیستون دچار آسیب شدید شده و موتور نیاز به تعمیرات اساسی دارد.
بنابراین پرداختن به این عیب به منظور تضمین سلامت و افزایش قابلیت اطمینان و طول عمر موتور لازم و ضروري است. یی و همکاران [2] به بررسی تجربی عیب سایش پیستون و تحلیل سازوکار آن پرداختند.
در این تحقیق ذکر شد که عیب سایش، یکی از خرابی هاي اصلی و تأثیرگذار بر روي طول عمر موتورهاست. به منظور ایجاد این عیب و شبیه سازي حرکت پیستون درون سیلندر، یک دستگاه طراحی و ساخته شد.
بررسی تأثیر آلیاژ آلومینیوم نوع A390 بر روی عیب سایش پیستون
در این تحقیق، تأثیر آلیاژ آلومینیوم نوع A390 بدون پوشش و با پوشش هاي مختلف بر روي سازوکار عیب سایش بررسی شد. پوشش هاي استفاده شده شامل روکش نیکل-فسفر با 4 درصد حجمی ذرات نیترات بور، روکش قلع و روکش پلیمر کامپوزیت با تقریباً 15 درصد حجمی ذرات گرافیت بود.
همچنین در این تحقیق تأثیر سختی سطوح دامن پیستون و سیلندر در پدیدة سایش با استفاده از ریزنگاري و ویژگی هاي ریخت شناسی نیز مطالعه شد.
ونگ و همکاران [3] به بررسی مقاومت سطوح مختلف پیستون در مقابل عیب سایش پرداختند. در این تحقیق مقاومت سایشی پیستون ها با تغییر سختی سطوح و نیز استفاده از پوشش هاي مختلف مطالعه شد.
مطالعات آزمایشی شامل سه پوشش با دو سختی مختلف براي پیستون در برابر سطوح سیلندر ساخته شده از سه آلیاژ مختلف آلومینیوم و چدن بود.
عوامل اصلی و موثر در برابر سایش پیستون و سیلندر
در این تحقیق ذکر شد که سطح تماس، خواص مکانیکی و شیمیایی مواد سیلندر، سختی سطح پیستون و پوشش ها عوامل اصلی و مؤثر در برابر سایش می باشند. چوو و همکاران [4] اثرات سختی سطح و پوشش ها را بر روي رفتار سایشی سطوح پیستون بررسی کردند.
راه حل کاهش اصطکاک و مقدار سایش پیستون
در این تحقیق ذکر شد که دو راه براي کاهش اصطکاک و مقدار سایش پیستون وجود دارد که یکی اصلاح سختی سطح و دیگري استفاده از پوشش براي محافظت از سطوح لغزنده میباشد.
براي بررسی اثر سختی، سطوح با سه سختی مختلف و براي بررسی اثر پوشش ها از دو پوشش گرافیت و کربن شبه المان استفاده شد.
نتایج نشان داد که ضریب اصطکاک پوشش گرافیتی کمتر از پوشش کربن شبه الماس بود، اما پوشش گرافیتی در محافظت از سطوح در مقابل سایش مؤثر نبود.
همچنین پوشش کربن شبه الماس عملکرد بهتري نسبت به پوشش گرافیتی داشت. سینق و همکاران [5] به بررسی عیب قفل شدگی پیستون به صورت تجربی و شبیه سازي پرداختند.
عیب قفل شدگی
لازم به ذکر است که عیب قفل شدگی درجة پیشرفت تري از عیب سایش است که تحت آن حرکت قطعات لغزنده به موجب اصطکاک شدید، متوقف می شود. [6].
نتایج تحقیق [5] نشان داد که دماهاي کاري بالا و کاهش چشمگیر در ضخامت فیلم روغن، پدیده قفل شدگی را تشدید می کنند. نویسندگان اذعان کردند که هنوز خلائی در مدلسازي فیزیکی این عیب وجود داشته و تئوريهاي بیشتري براي درک بهتر این مکانیزم پیچیده لازم است.
تحقیقات نوین و کاربردی در خصوص عیب سایش پیستون
با توجه به پژوهش هاي قبلی، تاکنون اثرات عیب سایش پیستون بر روي موتور در هیچ تحقیقی بررسی نشده است. لذا در مقاله حاضر، این کار با بررسی جامع و دقیق پارامترهاي عملکردي موتور در زمان وقوع عیب سایش پیستون انجام می شود که به نوبة خود، پژوهشی جدید است.
همچنین نتایجی که در این تحقیق بدست آمده اند، نوین و کاربردي می باشد. پارامترهاي بررسی شده در این تحقیق عبارتند از نرخ گازهاي نشتی محفظه لنگ، سرعت دورانی، گشتاور، قدرت موتور و فشار محفظة لنگ.
2- عيب سايش پيستون
در تعریف استاندارد، عیب سایش به آسیب شدیدي گفته می شود که میان سطوح لغزنده جوش هاي محلی رخ دهد. [7]
عیب سایش جزء عیوب مربوط به قطعات لغزنده است بدین معنا که هرگاه دو قطعة مکانیکی روي یکدیگر بلغزند، احتمال وقوع عیب سایش میان آنها وجود دارد.
توجه ویژه طراحان پیستون در خصوص عیب سایش
از قطعات مستعد به عیب سایش می توان به سیلندر و پیستون و چرخدنده ها اشاره کرد. در این میان، عیب سایش گرم پیستون به دلیل اهمیت به سزاي خود در موتورها، همواره مورد توجه طراحان پیستون بوده و کارخانه هاي موتورسازي هرگونه اقدامی جهت جلوگیري از وقوع آن انجام می دهند. [6]
عوامل تشکیل عیب سایش گرم پیستون
عوامل بسیاري در تشکیل عیب سایش گرم پیستون دخالت دارند. این عوامل عبارتند از دما، تنش، لایة روانکار، استوانه اي بودن سیلندر اصطکاک، تغییر شکل حرارتی، لقی میان سطوح ، بار، سرعت لغزش، حرکت ثانویة ،نیروهاي جانبی، محیط کاري، شکل سطوح، پیستون و ناهمواريها، زبري، خواص فیزیکی مواد نظیر سختی استحکام، حد خستگی، حد سیلان و غیره، و در نهایت خواص شیمیایی مواد نظیر پیوندها، نقطة ذوب، نیروهاي، تمایل به دگرچسبی، نیروهاي دگرچسبی، همچسبی، واکنش پذیری و غیره [16-8 ,6 ,2]
عیب سایش گرم پیستون داراي سازوکار پیچیدهاي است که تاکنون توسط محققان زیادي بررسی شده است.[ 18 ,17 ,3 ,2]اما به منظور روشن تر شدن نحوه به وجود آمدن عیب سایش گرم، در ادامه روند تشکیل این عیب تشریح می شود:
آغاز عیب سایش گرم پیستون
اساساً عیب سایش گرم پیستون با تماس فلز با فلز (تماس پیستون با سیلندر) آغاز می شود. این وضعیت زمانی رخ می دهد که روانکاري مرزي بوده یا لایه روانکار به هر دلیلی از ناحیة میان این دو سطح از بین برود.
این تماس موجب افزایش شدید اصطکاک و حتی در مقیاس هاي ریز دما می شود. افزایش دما موجب می گردد که استحکام مواد کاهش یابد.
این امر می تواند با ضعف هاي ساختاري در سیلندر و پیستون تشدید شود. نمونه هایی از ضعف هاي ساختاري که به خطاي طراحی و ساخت مربوط است عبارتند از گوشه هاي تیز، سوراخ هاي ریز موجود در سطوح، زبري در مقیاس ریز، جنس مواد و غیره.
علل سایش فزاینده پیستون
تحت این شرایط خواص ماده مانند حد سیلان، حد خستگی و تنش هاي مجاز نسبت به حالت طبیعی کاهش می یابد. حال با وارد آمدن تنشهاي شدید که به دلیل وجود نیروهاي جانبی، نیروهاي لغزشی و نیز نیروهاي اضافی در نتیجه افزایش اصطکاک به وجود می آیند، جریانات پلاستیک در لایه ها و زیر لایه ها ایجاد می شود بدین معنا که مواد بالاخص مواد سطحی تر دچار تغییر شکل پلاستیک شوند.
با توجه به تنشهاي مجاز کاهش یافته، مواد می توانند به سادگی از جاي خود کنده شوند. به دلیل تغییر شکل پلاستیک مواد، نیروهاي همچسبی در آنها کاهش یافته و از طرف مقابل، نیروهاي دگرچسبی میان دو سطح لغزنده (سیلندر و پیستون) ایجاد می شود.
عیب سایش با چسبیدن مواد
این نیروها به حدي اند که موجب می شوند مواد در یک مقیاس بزرگ از روي سطوح کنده شده و به سطح مقابل منتقل شوند. این انتقال به دلیل همان نیروي دگرچسبی است که میان مواد دو سطح به وجود می آید. لازم به ذکر است که انتقال ماده براي هر دو سطح اتفاق می افتد.بنابراین توجه شود که در عیب سایش با چسبیدن مواد رخ می دهد. [2]
ایجاد سوراخ و چاله
با چسبیدن مواد به یکدیگر ممکن است واکنش هاي شیمیایی میان آنها نیز برقرار شود.در این حالت پیوند میان مواد محکمتر شده و مواد جدیدي تشکیل می شود. در نتیجه این فرآیند، لایه هاي سخت تر روي سطوح ایجاد شده و در طرف مقابل، به دلیل کنده شدن مواد از روي سطوح، سوراخ و چاله هایی به وجود می آید.
این لایه هاي اضافی و چاله هاي تشکیل شده روي سطوح، زبري آنها را افزایش می دهد.
فرآیند مذکور به دلیل افزایش زبري و تشکیل لایه هاي سخت و تیزتر در مرحله قبل، با نرخ سایش بیشتر تکرار می شود بدین معنا که هر بار، شدت آسیب بیشتر می گردد. به همین دلیل، عیب سایش گرم با نرخ فزاینده شدیدتر می شود.
ادامه مقاله ….
لینک کنید
