RU2550287C1

RU2550287C1 - Piston with anti-cavitation surface for fuel metering device

Info

Publication number: RU2550287C1
Application number: RU2013159066/06A
Authority: RU
Inventors: Саид Федорович Урманчеев; Эльвира Шамилевна Насибуллаева; Екатерина Всеволодовна Денисова; Марина Алексеевна Черникова; Максим Юрьевич Мурашкин; Ильдар Шамилевич Насибуллаев
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2015-05-10

Abstract

FIELD: motors and pumps.

SUBSTANCE: piston for a fuel metering device made from aluminium alloy contains a head strengthened by intensive plastic strain (1) with ultrafine-grained structure of material. The end face of the piston head has a central anti-cavitation area (4) with the loose structure obtained by laser processing deepened along a circle arch on 3-5 mm. The anti-cavitation area (4) diameter is less than the head (1) diameter and forms along the end face edges a high-strength ring (3) with the width 2-5 mm.

EFFECT: cavitation probability lowering.

2 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к усовершенствованию конструкции поршня, и направлено на улучшение динамических характеристик и снижение вероятности появления кавитации; может быть использовано в устройствах дозирования топлива.The invention relates to engine building, namely to improving the design of the piston, and is aimed at improving the dynamic characteristics and reducing the likelihood of cavitation; can be used in fuel metering devices.

Традиционно в самолетостроении в качестве конструкционного материала при изготовлении поршня для устройства дозирования топлива используется жаропрочный алюминиевый сплав АК4-1, который по химическому и фазовому составам весьма близок к дуралюминам, но вместо марганца в качестве легирующих элементов содержит железо и никель. Сплав хорошо деформируется в горячем состоянии; коррозионная стойкость удовлетворительная. Для защиты от коррозии детали подвергаются анодированию, оксидированию и покрываются лакокрасочными материалами. Сплав отличается высокой износостойкостью (низкий коэффициент трения). Существенным недостатком данного сплава является то, что детали устройств дозирования топлива, а именно поршни, изготовленные из него, подвергаются нагреву и должны работать длительное время при температуре >150°C. При таких экстремальных условиях элементы топливной автоматики подвергаются коррозийным процессам, что в конечном итоге снижает безопасность всей системы автоматического управления летательным аппаратом [Справочник «Авиационные материалы», т.4, Алюминиевые и бериллиевые сплавы, ч.1. Деформируемые алюминиевые сплавы].Traditionally, in aircraft manufacturing, the AK4-1 heat-resistant aluminum alloy is used as a structural material in the manufacture of a piston for a fuel metering device, which is very close to duralumin in chemical and phase compositions, but instead of manganese, it contains iron and nickel as alloying elements. The alloy deforms well when hot; Corrosion resistance is satisfactory. To protect against corrosion, parts are anodized, oxidized and coated with paints and varnishes. The alloy is characterized by high wear resistance (low coefficient of friction). A significant drawback of this alloy is that the parts of the fuel metering devices, namely the pistons made from it, are heated and must work for a long time at a temperature> 150 ° C. Under such extreme conditions, elements of fuel automation are subjected to corrosive processes, which ultimately reduces the safety of the entire automatic control system of the aircraft [Reference “Aviation materials”, t.4, Aluminum and beryllium alloys, part 1. Deformable aluminum alloys].

Существует ГОСТ Р 53558-2009, согласно которому есть специальные технические требования к алюминиевым поршням для двигателей. Можно выделить тот факт, что поршни должны быть изготовлены из алюминиево-кремниевых сплавов, легированных медью, никелем, магнием и другими металлами, повышающими механические свойства сплава. Структура сплава в термически обработанном поршне должна быть плотной, мелкозернистой, не должна иметь трещин, свищей, рыхлот, шлаковых засоров, посторонних включений и так далее. Твердость готовых поршней должна быть в пределах 80-120 НВ.There is GOST R 53558-2009, according to which there are special technical requirements for aluminum pistons for engines. We can single out the fact that the pistons should be made of aluminum-silicon alloys alloyed with copper, nickel, magnesium and other metals that increase the mechanical properties of the alloy. The alloy structure in the heat-treated piston should be dense, fine-grained, should not have cracks, fistulas, loosening, slag blockages, foreign matter, and so on. The hardness of the finished pistons should be in the range of 80-120 HB.

Известно, что при работе устройств дозирования топлива возникает гидродинамическая кавитация в тех участках потока, где давление понижается до некоторого критического значения, в любом топливе находится до 13% растворенного воздуха от общего объема, именно воздушные пузырьки, схлопываясь при резком изменении температуры и давления топлива, вызывают разрушение поверхностных слоев конструкции. Химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов, с которыми соприкасается жидкость. Это представляет собой серьезную проблему. Кавитационному разрушению подвержены практически все известные конструкционные материалы, при этом кавитационное разрушение деталей начинается с тонких поверхностных слоев их материала [Хватов Б.Н. Влияние состояния поверхностного слоя на кинетику кавитационного разрушения гидротурбинной стали //Вестник ТГТУ. 2002. Том 8. №3. С.507-512].It is known that during the operation of fuel metering devices, hydrodynamic cavitation occurs in those parts of the flow where the pressure decreases to a certain critical value, up to 13% of dissolved air in the total volume of any fuel, namely air bubbles, collapse when the temperature and pressure of the fuel change sharply, cause destruction of the surface layers of the structure. The chemical aggressiveness of gases in bubbles, which also have a high temperature, causes erosion of the materials in contact with the liquid. This is a serious problem. Almost all known structural materials are subject to cavitation destruction, while cavitation destruction of parts begins with thin surface layers of their material [B. Khvatov. The influence of the state of the surface layer on the kinetics of cavitation fracture of hydroturbine steel // Vestnik TSTU. 2002. Volume 8. No. 3. S. 507-512].

Как правило, в устройства дозирования топлива может входить один или несколько поршней, которые выполнены с возможностью перемещения в цилиндрическом корпусе (втулке). Они подвергаются различным видам давления топлива, что приводит к возникновению кавитации, разрушению поверхности металла самого поршня и, как следствие, потере качества управления.Typically, one or more pistons that are movable in a cylindrical body (sleeve) may be included in fuel metering devices. They are subjected to various types of fuel pressure, which leads to cavitation, destruction of the metal surface of the piston itself and, as a result, loss of control quality.

Известен поршень (Патент РФ № 2182243, кл. F02B 77/13, 2002), который снабжен специальной неметаллической или композиционной полимерной вставкой, выполненной в виде цилиндра с эксцентричным отверстием под поршневой палец и установленной в предварительно увеличенные отверстия бобышек поршня.A piston is known (RF Patent No. 2182243, class F02B 77/13, 2002), which is equipped with a special non-metallic or composite polymer insert made in the form of a cylinder with an eccentric hole for the piston pin and installed in pre-enlarged holes of the piston bosses.

Существенным недостатком данного изобретения является подверженность к воздействию давлений, сил трения на сам поршень, в связи с чем происходит выкрашивание торцевых поверхностей поршня. В конечном итоге при работе устройства дозирования топлива забиваются регулировочные отверстия, что может привести к потере управляемости системы автоматического управления летательного аппарата.A significant disadvantage of this invention is the susceptibility to pressure, friction on the piston itself, and therefore the piston end surfaces are chipped. Ultimately, when the fuel metering device is operating, the adjustment holes become clogged, which can lead to loss of controllability of the aircraft’s automatic control system.

Известен поршень двигателя внутреннего сгорания (Патент №2116487, F02F 3/00, 1998), который содержит головку с выполненными в ней, по меньшей мере, двумя канавками для установки поршневых колец, юбку и бобышки с отверстиями под поршневой палец. Поршень изготовлен из композиционного материала, состоящего из матричного алюминиевого сплава, включающего кремний в количестве 11-26 об. %, и упрочнителя в виде частиц карбида кремния или оксида алюминия или смеси частиц карбида кремния и оксида алюминия.A known piston of an internal combustion engine (Patent No. 2116487, F02F 3/00, 1998), which contains a head with at least two grooves for installing piston rings, a skirt and boss with holes for the piston pin. The piston is made of a composite material consisting of a matrix aluminum alloy including silicon in an amount of 11-26 vol. %, and a hardener in the form of particles of silicon carbide or aluminum oxide or a mixture of particles of silicon carbide and aluminum oxide.

Недостатком данного изобретения является сам материал, из которого изготовлен поршень. Такой материал после стандартной термической обработки не имеет достаточной прочности и твердости, подвержен кавитационному разрушению, что может отрицательно влиять на эксплуатационные свойства поршня и на работу системы в целом. Кроме того изменяются статические и динамические характеристики самого устройства дозирования топлива в процессе его эксплуатации.The disadvantage of this invention is the material of which the piston is made. Such material, after standard heat treatment, does not have sufficient strength and hardness, and is subject to cavitation failure, which can adversely affect the operational properties of the piston and the operation of the system as a whole. In addition, the static and dynamic characteristics of the fuel metering device itself during its operation are changing.

Задача предлагаемого устройства - повышение износостойкости, термической и механической прочности, снижение потерь на трение, снижение кавитационного разрушения, которое обеспечит в конечном итоге безопасность устройства дозирования топлива, долгосрочность его работы.The objective of the proposed device is to increase the wear resistance, thermal and mechanical strength, reduce friction losses, reduce cavitation failure, which will ultimately ensure the safety of the fuel metering device, its long-term operation.

Поставленная задача решается поршнем для устройства дозирования топлива, изготовленным из алюминиевого сплава, содержащим упрочненную интенсивной пластической деформацией головку с ультрамелкозернистой структурой материала и шток, причем торец головки имеет центральную антикавитационную область с рыхлой структурой, полученной лазерной обработкой, углубленную по дуге окружности на 3-5 мм, диаметр которой меньше диаметра головки с образованием по краям торца высокопрочного кольца шириной 2-5 мм.The problem is solved by a piston for a fuel metering device made of aluminum alloy, containing a head reinforced by intense plastic deformation with an ultrafine-grained material structure and a rod, the head end having a central anticavitation region with a loose structure obtained by laser processing, deepened in an arc of a circle by 3-5 mm, the diameter of which is smaller than the diameter of the head with the formation at the edges of the end face of a high-strength ring 2-5 mm wide.

Сущность изобретения пояснена чертежами, где на фиг.1 изображен поршень, а на фиг.2 изображен вид A- A фиг.1. Поршень содержит головку 1, шток 2, на торце головки показано высокопрочное кольцо 3 и антикавитационная область 4.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a piston, and figure 2 shows a view A-A of figure 1. The piston contains a head 1, a rod 2, a high-strength ring 3 and an anti-cavitation area 4 are shown at the end of the head.

Предлагаемый поршень в устройстве дозирования топлива работает обычным образом.The proposed piston in the fuel metering device operates in the usual way.

Выполнение головки поршня из ультрамелкозернистого алюминиевого сплава АК4-1, упрочненного методом интенсивной пластической деформации, обеспечивает увеличение прочности материала на 10,5-15,6 кгс/мм², твердости на 38 НВ по сравнению с обычной термической обработкой (Техническая справка МАКБ «Темп» по результатам исследования образцов из сплава АК4-1), в результате изготовление головки поршня из данного материала позволяет значительно уменьшить влияние силы трения на движение поршня. А лазерная обработка торцевой поверхности поршня позволяет уменьшить вероятность появления кавитации в ходе работы поршня.The implementation of the piston head of ultrafine-grained aluminum alloy AK4-1, hardened by intensive plastic deformation, increases the strength of the material by 10.5-15.6 kgf / mm ² , hardness by 38 HB compared with conventional heat treatment (Technical Reference MAKB “Temp "According to the results of the study of samples from AK4-1 alloy), as a result, the manufacture of the piston head from this material can significantly reduce the effect of friction on the movement of the piston. A laser treatment of the piston end surface allows to reduce the likelihood of cavitation during piston operation.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить износостойкость, термическую и механическую прочность, снизить потери на трение, уменьшить кавитационные разрушения. Все это обеспечивает в конечном итоге безопасность устройства дозирования топлива, долгосрочность его работы.Thus, the proposed invention improves the wear resistance, thermal and mechanical strength, reduce friction losses, reduce cavitation damage. All this ultimately ensures the safety of the fuel metering device, its long-term operation.

Claims

A piston for a fuel metering device made of an aluminum alloy containing a head reinforced with intense plastic deformation with an ultrafine-grained structure of the material, the end face of the head having a central anti-cavitation region with a loose structure obtained by laser processing, 3-5 mm deepened in a circular arc, the diameter of which is smaller the diameter of the head with the formation on the edges of the end face of a high-strength ring 2-5 mm wide.