روش آزمون عیب سایش گرم پیستون

3- روش آزمون

براي پیشبرد آزمایش ها، از یک موتور EF7/NA نو که  مشخصات فنی آن در جدول (1) ذکر شده است، استفاده شد.

در این تحقیق با طراحی و اجراي آزمون ویژه اي به نام آزمون سایش گرم پیستون که توسط شرکت FEV پیشنهاد شد[19]، موتور به طور طبیعی دچار عیب سایش گرم  پیستون شد.

به دلیل اینکه عیب سایش گرم پیستون در شرایط سخت کاري موتور اتفاق می افتد، رویه این آزمون به نحوي طراحی شد تا موتور در چنین شرایطی قرار گیرد. این رویه شامل سه مرحله زیر بود:

1) موتور طی حدوداً 30 ثانیه از حالت خاموش به دور بیشینة توان خود تحت بیشینة بارگذاري رسید.

2) موتور به مدت تقریباً 120 دقیقه در وضعیت مذکور یعنی سرعت بیشینه توان و بیشینه بارگذاری باقی ماند.

3) موتور طی مدت 40 ثانیه خاموش شد.

در مدت زمان آزمون، پارامترهای عملکردی موتور شامل سرعت دورانی،سرعت دورانی، گشتاور، قدرت، نرخ گازهاي نشتی محفظة لنگ و فشار محفظة لنگ به طور همزمان اندازه گیري شدند. تجهیزاتی که در این آزمایش استفاده شد عبارت بودند از:

• لگام ترمز

• نرم افزار و سخت افزارهاي خوانش و کنترل موتور

• دستگاه اندازه گیري نرخ و فشار گازهاي نشتی محفظه

• لنگ سامانه سرمایش و گرمایش

• تجهیزات کنترل دما و فشار سیال خنک کاري و روانکاری موتور

پس از انجام این آزمون، موتور باز شده و سیلندر و پیستونهاي آن بررسی شدند. دیده شد که در سیلندر و تصویر (1)، سایش گرم اتفاق افتاد.

شکل (1) پیستون شمارة این موتور را در سمت فشاري و 1 سیلندر و پیستون شمارة ضد فشاري نشان میدهد. همانطور که دیده می شود عیب سایش گرم، اثرات مخربی در سمت فشاري این سیلندر و پیستون گذاشته و سطوح آنها را به کلی از بین برده است.

همچنین در این شکل دیده می شود که درجه خفیف تري از عیب سایش گرم در سمت ضد فشاري رخ داده است. لازم به ذکر است که به دلیل وجود نیروهاي جانبی و تنش هاي بالاتر، اغلب سمت فشاري آسیب بیشتري می بیند. اما در بعضی مواقع مشاهده شده که علائم شدیدي از عیب سایش گرم در سمت ضد فشاري نیز رخ داده است.[21]

 این امر بیشتر به دلیل گرماي زیاد این ناحیه است، زیرا در برخی موتورها، چند راهه خروجی در سمت ضد فشاري قرار دارد.

4. نتايج و بحث

در این قسمت اثرات عیب سایش گرم پیستون بر روي پارامترهاي موتور به تفصیل مورد بحث قرار می گیرد. بدین منظور به ترتیب پارامترهاي نرخ گازهاي نشتی محفظة لنگ، سرعت دورانی، گشتاور، قدرت موتور و فشار محفظه لنگ به طور جداگانه بررسی می شوند.

1-4- نرخ گازهاي نشتي محفظه لنگ

پس از بررسی داده هاي اخذ شده، مشخص شد که این عیب در مرحله دوم از آزمون رخ داد. این کار با بررسی پارامتر نرخ گازهاي نشتی محفظه لنگ انجام شد زیرا یکی از معیارهاي اصلی براي تشخیص عیب سایش گرم پیستون در موتورها، افزایش شدید و ناگهانی این پارامتر است [21].

به منظور اندازه گیري پارامتر نرخ گازهاي نشتی محفظه از لنگ، از دستگاه اندازه گیري گازهاي نشتی محفظه لنگ از نوع فشار تفاضلی لیتر با دقت 1%، محدوده کاري 3 تا 150 لیتر بر دقیقه و محدوده دمایی 10 تا 55 درجه   سانتیگراد استفاده شد.

اساس کار این دستگاه، استفاده از روش اندازه گیري اختلاف فشار است. گازهاي نشتی که از محفظه لنگ موتور وارد لوله  دستگاه می شوند، در بین راه از یک دهانه تنگ عبور می کنند.

این امر باعث ایجاد اختلاف فشار در دو سر دهانه شده که توسط توسط حسگر تفاضلی فشار  اندازه گیري می شود. درنهایت، دبی گازهاي نشتی از این اختلاف به دست می آید.

شکل (2) نمودار مربوط به پارامتر نرخ گازهاي نشتی محفظه لنگ را به همراه سرعت دورانی موتور در طول آزمون نشان می دهد.

در این شکل دیده می شود که پارامتر نرخ گازهاي نشتی دو دفعه به طور شدید افزایش یافت. اولین افزایش ناگهانی در 28 ثانیه پس از شروع آزمون رخ داد یعنی این افزایش مربوط  به مرحله اول از آزمون بود. پیشتر گفته شد که در این مرحله 0 تا 6000 دور بر دقیقه برده شد.

این افزایش بدین دلیل است که براي بالا بردن سرعت دورانی موتور، لازم است که سوخت و هواي بیشتري مصرف شود یعنی مقدار گازهاي موجود در سیلندر و مقدار گازهاي حاصل از احتراق بیشتر می شود.

در نتیجه میزان گازهایی که از فضاي میان سیلندر و پیستون نشت می کنند نیز به مراتب افزایش می یابد. در این آزمون، چون این تغییرات در مدت زمانی کوتاه انجام شد.  پس افزایش در نرخ گازهاي نشتی نیز به طور ناگهانی رخ داد.

بنابراین می توان گفت که افزایش اولیه در نرخ گازهاي نشتی به موجب افزایش ناگهانی دور موتور بوده ارتباطی به عیب سایش گرم نداشت  همچنین دیده می شود که پس از افزایش شدید دور، نرخ گازهاي نشتی با شیب زیادي افت کرد.

افزایش دوم در نرخ گازهاي نشتی که در دقیقه پنجم از آزمون اتفاق افتاد مربوط به مرحله دوم از آزمون بود، جایی که موتور در سخت ترین شرایط کاري خود قرار داشت.

لازم به ذکر است که احتمال وقوع عیب سایش گرم در این مرحله بیشتر است چرا که به دلیل افزایش شدید سرعت، دماي پیستون ها به شدت افزایش می یابند ولی هنوز سیلندرها به دلیل دماي سیال خنک کاري، آنقدر گرم نیستند.

در این شرایط انبساط حجمی پیستون ها بیشتر از سیلندرها بوده و به موجب آن، لقی میان سیلندر و پیستون بیش از پیش کم می شود و احتمال نزدیک شدن پیستون به دیواره سیلندر افزایش می یابد.

به دلیل وجود نیروهاي سمت فشاري سیلندر در این سرعت، فشار زیادي از سوي پیستون به فیلم روغن میان پیستون و سیلندر وارده می آید. این نیروهاي دینامیکی شدید و نیز دماهاي بالا در این ناحیه باعث از بین رفتن لایه روغن شده و تماس فلز با فلز رخ می دهد بدین معنا که شرایط براي وقوع عیب سایش گرم محیا میشود.

پس از ایجاد عیب سایش گرم، به دلیل خوردگی و از بین رفتن لایه هاي سیلندر و پیستون، آببندي محفظه احتراق کاهش یافته و گازها می توانند به سادگی از فضاي میان سیلندر و پیستون عبور کرده و خود را به محفظه لنگ برسانند.

بنابراین افزایش دوم در نرخ گازهاي نشتی نشان دهنده وقوع عیب سایش گرم در موتور می باشد. با دیده می شود که عیب سایش گرم پیستون توجه به شکل2 دیده می شود که عیب سایش گرم پیستون باعث شد که نرخ گازهاي نشتی محفظه لنگ به مقدار 52/65  لیتر بر دقیقه برسد.

همچنین در این شکل دیده می شود که پس از وقوع عیب سایش، مقدار نرخ گازهاي نشتی تا محدوده 40لیتر بر دقیقه کاهش یافته و در طول آزمون در این بازه باقی مانده است.

این امر بدین دلیل است که در ابتدا با وقوع عیب سایش گرم، مواد از روي سطوح سیلندر و پیستون کنده می شوند. این امر موجب از بین رفتن آببندي میان سیلندر و پیستون و نفوذ گازهاي محفظة احتراق به محفظه لنگ می شود.

به همین دلیل است که یک افزایش شدید و ناگهانی در پارامتر نرخ گازهاي نشتی در ابتداي وقوع عیب سایش گرم رخ میدهد. اما پس از آن به دلیل اینکه پیستون بر روي سیلندر در حال کشیده شدن است، مواد کنده شده می توانند به سطوح سیلندر و پیستون جوش خورده و تا حدي باعث آببندي شوند.

اما در این وضعیت آببندي استاندارد موتور از بین رفته و سطوح سیلندر و پیستون صدمه دیده اند (شکل 1). به همین دلیل است که پس از وقوع عیب سایش گرم، مقدار پارامتر نرخ گازهاي نشتی در محدوده زیادي باقی مانده است.

2-4- سرعت دوراني موتور

در این قسمت پارامتر سرعت دورانی موتور در زمان عیب سایش گرم به طور دقیق بررسی می شود. در این آزمون، ابتدا سرعت دورانی موتور در مدت زمانی کوتاه پس از روشن شدن، به سرعت بیشینه توان می رسد. سپس به مدت تقریباً 120 دقیقه در این سرعت و تحت بیشینه بارگذاري قرار گرفته و در نهایت موتور خاموش می شود.(3)

(الف) نمودار سرعت دورانی موتور را بر حسب شکل مدت زمان آزمون نشان می دهد. همانطور که دیده می شود، سرعت دورانی پس از مدت زمان کوتاهی به 6000 دور بر دقیقه رسید و از آن به بعد موتور وارد مرحله دوم آزمون شد.

دیده می شود که در دقیقه پنجم آزمون، افت شدیدي در سرعت موتور (بیش از 100 دور بر دقیقه) رخ داد. این  زمان مقارن با زمانی است که در نرخ گازهاي نشتی افزایش شدیدي ایجاد شد. بنابراین می توان گفت که این افت قابل توجه در سرعت موتور، ناشی از عیب سایش گرم پیستون بود. این امر به دلیل تشکیل جوش هاي محلی بر روي سطوح سیلندر و پیستون می باشد.

در شکل 3 (الف) دیده می شود که پس از کاهش ناگهانی، یک افزایش در سرعت دورانی موتور رخ داد. این امر بدین دلیل است که دینامومتر متصل به موتور براي اصلاح سرعت دورانی، باري معادل کمبود سرعت دورانی (تقریباً 100 دور بر دقیقه) برسد.

اما به دلیل شکسته شدن جوش ها و کاهش اصطکاک، سرعت موتور از 6000 دور بر دقیقه منحرف شد. البته پس از مدت زمانی اندک دینامومتر توانست این انحراف را اصلاح کند. این مورد مانند آن بود که گویی مانعی که بر سر راه سرعت موتور بود، به طور ناگهانی برداشته شود. مسلماً در این حالت سرعت موتور از مقدار مطلوب منحرف می شود.

با نگاهی دقیق تر به نمودارسرعت دورانی موتور، دیده می شود که پس از وقوع عیب سایش گرم، تغییرات در سرعت دورانی بسیار شدید شد بدین معنا که انحراف سرعت موتور از مقدار مطلوب 6000دور بر دقیقه، افزایش یافت به طوري که این انحراف به  10 دور بر دقیقه رسید.

شکل 3 (ب) نوسانات سرعت را طی 10 دقیقه و پس از وقوع عیب سایش گرم در مقیاسی بزرگتر نشان می دهد. گفتنی است که در وضعیت طبیعی، مقدار انحراف از سرعت دورانی براي  تجهیزات استفاده شده باید کمتر از 10 دور بر دقیقه باشد.

در مجموع دیده می شود که عیب سایش گرم پیستون در ابتدا منجر به کاهش چشمگیري در سرعت موتور شده، سپس نوسانات شدیدي را در آن ایجاد می کند که منجر به کاهش عملکرد موتور می شود. به علاوه میل لنگ موتور ممکن است در اثر این کاهش ناگهانی و شدید سرعت موتور آسیب ببیند.

3-4-  گشتاور موتور

نمودار گشتاور موتور به همراه سرعت دورانی در شکل (4) آورده شده است.

در این شکل دیده می شود که در دقیقه پنجم، تغییر چشمگیري در گشتاور موتور رخ داده است. این لحظه مقارن است با زمانی که عیب سایش گرم پیستون اتفاق افتاد.

ملاحظه می شود که در اثر این رخداد، گشتاور موتور  به طور قابل توجهی افت کرد و به مقدار 89/9 نیوتن متر رسید.
دلیل این کاهش شدید، افزایش ناگهانی اصطکاک می باشد.

به علاوه پس از وقوع عیب سایش گرم، گشتاور نیز مانند سرعت دورانی دچار نوسانات شدیدي شد که نشان دهنده خارج شدن موتور از حالت طبیعی است. پس می توان گفت که عیب سایش گرم پیستون تأثیر مخربی بر روي گشتاور موتور داشته است.

4-4- قدرت موتور

شکل(5) نمودار قدرت موتور بر حسب زمان را در این  آزمون نشان می دهد.

 با توجه به این شکل دیده می شود که پس از گذشت دقیقه از آزمون، قدرت موتور دچار کاهش شدیدي شد و به  مقدار 56/03 کیلووات رسید. این لحظه همان زمانی است که مقدار عیب سایش گرم پیستون در موتور اتفاق افتاد.

کاهش در قدرت به این دلیل است که چون سرعت دورانی و گشتاور موتور در اثر این عیب کاهش یافتند، در نتیجه قدرت موتور نیز کاهش یافت زیرا قدرت موتور با سرعت و گشتاور نسبت مستقیم دارد.

توجه شود که مقدار قدرت 56/03 کیلووات براي این موتور، در سرعت دورانی تقریباً 5170 تولید می شود. پس می توان گفت که تأثیر عیب سایش گرم بر روي قدرت موتور، معادل کاهش 830 دور بر دقیقه سرعت موتور بود.

نوسانات در قدرت موتور پس از وقوع عیب سایش گرم نیز افزایش یافت که نشانگر افت قابل توجه در عملکرد موتور است. مسلماً موتور تحت چنین نوساناتی در قدرت نمی تواند کارا باشد و نیاز به تعمیرات اساسی دارد تا این عیب بر طرف شود.

5-4- فشار محفظه لنگ

گازهایی که از محفظة احتراق بالاي پیستون از طریق شیار رینگ ها به درون محفظه لنگ نفوذ می کنند فشاري را در این ناحیه ایجاد می کنند. هرچه مقدار و فشار گازهاي نشتی در موتور کمتر باشد، براي سلامت موتور بهتر است.

فشار بالاي این گازها باعث خرابی آببندهاي موتور شده و در این شرایط آلایندگی موتور نیز افزایش می یابد. اینجاست که نقش رینگ هاي کمپرسی در جلوگیري از نشت گازها نمایان می شود.

همانطور که ذکر شد در اثر وقوع عیب سایش گرم پیستون، به دلیل از بین رفتن آببندي میان سیلندر و پیستون، گازهاي محفظه احتراق می توانند به سادگی از میان سیلندر و پیستون عبور کرده و به محفظه لنگ برسند.

در نتیجه می توان انتظار داشت که در اثر وقوع این عیب، فشار محفظه لنگ نیز افزایش یابد. شکل (6)  صحت این گفته را در غالب داده هاي تجربی بر گرفته از این آزمون نشان می دهد.

 همانطور که دیده می شود فشار در ابتداي آزمون به دلیل افزایش شدید سرعت دورانی زیاد شد در مدت زمانی بسیار کوتاه از 1/74 کیلو پاسکال به مقدار 2/75 کیلو پاسکال(تقریبا 60% افزایش) رسید.

با توجه به این آزمون می توان ذکر کرد که به موجب افزایش سریع سرعت موتور، دماي پیستون ها به طور سریع به بیشینه مقدار خود می رسد اما در این مدت زمان کوتاه، دماي سیلندرها به اندازة کافی بالا نرفته است.

این امر منجر می شود که پیستون ها بیشترین انبساط حجمی را داشته در صورتی که هنوز سیلندرها به طور کامل منبسط نشده اند. این تفاوت در میزان انبساط حجمی باعث می شود که لقی میان سیلندر و پیستون بیش از پیش کم شده و پیستون با سیلندر تماس پیدا کند و عیب سایش گرم بوجود آید.

بنابراین می توان گفت که دلیل اصلی وقوع عیب سایش گرم در این آزمون، کم شدن لقی به دلیل تفاوت در انبساط حجمی سیلندر و پیستون بوده است.

از این آزمون می توان نتیجه گرفت در شرایطی که اختلاف انبساط هاي حجمی سیلندر و پیستون دلیل اصلی ایجاد سایش گرم است، سیلندر و پیستونی مستعدتر به این عیب هستند که به راهگاه ورودي آب نزدیکترین باشند.

همچنانکه در این تحقیق دیده شد که سیلندر و پیستون شماره 1 دچار عیب سایش گرم شدند، چون سیال خنک ابتدا از سیلندر 1 عبور می کرد. در این شرایط انبساط حجمی این سیلندر کمتر از سیلندرهاي دیگر بود یعنی لقی میان سیلندر و پیستون کمتر شده و شرایط براي تشکیل عیب سایش گرم در این سیلندر مساعدتر شد.

در مجموع دیده شد که عیب سایش گرم پیستون می تواند تأثیرات قابل توجهی را بر روي پارامترهاي عملکردي موتور بگذارد و موجب افت شدید در عملکرد موتور شود.

در این حالت، موتور آسیب دیده از شرایط طبیعی خود خارج شده و نیاز به تعمیرات اساسی دارد که به نوبة خود هزینه هاي هنگفتی را بر جاي می گذارد.

بنابراین با توجه به این ضرورت، باید تحقیقات پیرامون این عیب افزایش یافته تا هر چه بیشتر بتوان از وقوع آن جلوگیري کرد.

همچنین پیشنهاد می شود که سامان هاي براي تشخیص عیب سایش گرم پیستون ایجاد شود تا بتوان در زمان هاي ابتدایی وقوع این عیب، آن را شناسایی کرده و اقدامات اصلاحی به منظور جلوگیري از پیشرفت آن صورت گیرد.

بنابراین با توجه به خلاهاي موجود در این زمینه، لازم است که تحقیقات به سمت تشخیص این عیب نیز سوق داده شوند.

5- نتيجه گيري

در این تحقیق، با هدف بررسی کمی اثرات عیب سایش گرم پیستون بر روي موتور، آزمونی ویژه به منظور بوجود آوردن عیب سایش گرم در یک موتور انجام شد.

پارامترهاي عملکردي موتور نظیر سرعت دورانی، گشتاور و قدرت موتور در مدت زمان آزمون اندازه گیري شده و تغییرات آنها در اثر عیب سایش گرم پیستون به طور کامل بررسی شدند.

نتایج آزمون نشان داد که عیب سایش گرم پیستون موجب کاهش چشمگیري در سرعت دورانی، گشتاور و قدرت موتور شد. از طرف دیگر، این عیب باعث افزایش شدیدي در نرخ گازهاي نشتی محفظه لنگ و فشار محفظه لنگ شد.

با توجه به نتایج، تفاوت در انبساط حجمی سیلندر و پیستون نقش به سزایی را در وقوع عیب سایش گرم پیستون داشت.

در مجموع، با توجه به اثرات مخرب و قابل توجه عیب سایش گرم پیستون که در تحقیق حاضر نشان داده شد، لازم است تا پژوهش هاي بیشتري در زمینة جلوگیري و تشخیص این عیب در موتورها انجام شود.

بنابراین پیشنهاد می شود با آزمایشهاي دقیق بر روي مقاومت مواد سازنده سیلندر و پیستون در برابر عیب سایش گرم، استفاده از پوشش هاي مختلف و نیز بهبود طراحی قطعات، بتوان هر چه بیشتر از وقوع این عیب جلوگیری کرد.

در زمینه تشخیص این عیب، پیشنهاد می شود از آزمون هاي غیر مخرب مانند تحلیل ارتعاش و روغن استفاده شود.

مراجع:

[1] Piston Damages—Recognizing and Rectifying, MSI Motor Service International, 2004.

[2] Ye Z., Zhang C., Wang Y., Cheng H.S., Tung S., Wang Q.J., He X., An experimental investigation of piston skirt scuffing: a piston scuffing apparatus, experiments, and scuffing mechanism analyses, Wear, 257, 2004, pp. 831.

[3] Wang Y., Yao C., Barber G.C., Zhou B., Zou, Q., Scuffing resistance of coated piston skirts run against cylinder bores, Wear, 259, 2005, pp. 1041-1047.

[4] Cho D.H., Lee S.A., Lee Y.Z., The effects of surface roughness and coatings on the tribological behavior of the surfaces of a piston skirt, Tribology Transactions, 53, 2009, pp. 137-144.

[5] Singh O., Umbarkar Y., Sreenivasulu T., Vetrivendan E., Kannan M., Babu Y.R., Piston seizure investigation: Experiments, modeling and future challenges, Engineering Failure Analysis, 28, 2013, pp. 302-310.

[6] Dyson A., Scuffing-a review, Tribology International, 8, 1975, pp. 77-87.

[7] Conference on Lubrication and Wear, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, London, 1957.

[8] Dyson A., The failure of elastohydrodynamic lubrication of circumferentially ground discs, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 190, 1976, pp. 699-711.

[9] Rohatgi P., Pai B., Effect of microstructure and mechanical properties on the seizure resistance of cast aluminium alloys, Wear, 28, 1974, pp. 353-367.

[10] Block H., Theoretical study of temperature rise at surface of actually contact under oiliness Archive of

n Proceedings of the General Discussion on Lubrication and Lubricants, London, England.

[11] Lee S., Cheng H., Scuffing theory modeling and experimental correlations, Journal of Tribology, 113, 1991, pp. 327-334.

[12] Shen M., Cheng H.S., Stair P.C., Scuffing failure in heavily loaded slow speed conformal sliding contacts, Journal of Tribology, 113, 1991, pp. 182-191.

[13] Cocks M., Interaction of sliding metal surfaces, Journal of Applied Physics, 33, 1962, pp. 2152-2161.

[14] Reddy A.S., Bai B.N., Murthy K.S.S., Biswas S.K., Wear and seizure of binary Al-Si alloys, Wear, 171, 1994, pp. 115-127.

[15] Reddy A.S., Bai B.N., Murthy K.S.S., Biswas S.K., Mechanism of seizure of aluminiumsilicon alloys dry sliding against steel, Wear, 181, 1995, pp. 658-667.

[16] He X., Experimental and Analytical Investigation of the Seizure Process in Al-Si Alloy/Steel Tribocontacts, Northwestern University, 1998.

[17] Jang J.H., Joo B.D., Lee J.H., Moon Y.H., Effect of hardness of the piston ring coating on the wear characteristics of rubbing surfaces, Metals and Materials International, 15, 2009, pp. 903-908. [18] Nikas G., Sayles, R., Effects of debris particles in sliding/rolling elastohydrodynamic contacts, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 212, 1998, pp. 333-343.

[19] FEV Test Procedure, Hot Piston Scuff Test, FEV company.

[20] جعفري س، مهدیقلی ه، بهزاد م، تشخیص عیب سایش سمبه با استفاده از روش انتشار صدا، فصلنامه علمی پژوهشی تحقیقات موتور ،جلد24 ، سال،1391، شماره 24 .صفحات 28-21

[21]موسویان ا، نجفی غ، قبادیان ب، جعفري س ، خزایی م، بررسی دقت پارامتر نرخ گازهاي نشتی محفظه لنگ در تشخیص عیب سایش پیستون ، هشتمین همایش بین المللی موتورهاي درونسوز و نفت، تهران، ایران، سال 1392