Совершенствование оценки работоспособности подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей

 

Цибизов С.Б., Янучков М.Р., Калимуллин Р.Ф., Якунин Н.Н.

Оренбургский государственный университет, Оренбург

Современный двигатель внутреннего сгорания представляет собой сложный механизм, технико-эксплуатационные и ресурсные показатели которого зависят от четкого функционирования различных систем и, прежде всего, от работоспособности системы смазки. Под работоспособностью системы смазки понимается такое ее состояние, при котором она способна выполнять заданные функции, главной из которых является создание на всех нагрузочно — скоростных и тепловых режимах работы двигателя на трущихся поверхностях прочной масляной пленки.

Оценка работоспособности системы смазки проводится по отдельным элементам. Для подшипников коленчатых валов традиционными параметрами оценки являются давление масла в главной масляной магистрали, виброакустические показатели в характерных зонах двигателя, температура масла, содержание частиц износа в масле и другие.

Однако по приведенным параметрам нельзя дать достоверную оценку работоспособности подшипников, т. к. они учитывают действие множества факторов, отличных от состояния смазочного процесса непосредственно между трущимися поверхностями.

Целью исследования является совершенствование методов и средств оценки работоспособности подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей в эксплуатации.

Выдвинуты рабочие гипотезы:

— работоспособность подшипников коленчатого вала в достаточной мере может быть описана параметрами смазочного процесса;

— на различных этапах эксплуатации автомобильных двигателей работоспособность подшипников коленчатого вала изменяется, и существуют методы управления работоспособностью подшипников;

— параметры работоспособности подшипников коленчатого вала должны однозначно зависеть от несущей способности смазочного слоя, быть чувствительными к нагрузкам и скоростям, быть безразмерными, иметь ясный физический смысл, а также доступными для измерения.

Одним из параметров смазочного процесса является продолжительность существования смазочного слоя (параметр Рж), отражающая долю времени бесконтактного взаимодействия трущихся поверхностей (при Рж=0 происходит постоянное контактное взаимодействие поверхностей, при Рж=1 – постоянное бесконтактное взаимодействие поверхностей, при 0?Рж?1 – наблюдается переходный смазочный процесс) [9].

Разработаны математические модели смазочного процесса как в отдельном подшипнике скольжения, так и в системе подшипников коленчатого вала [3, 4, 8]. Создана автоматизированная система оценки смазочного процесса [2]. В ее основе лежит принцип изменения электрической проводимости подвижного сопряжения в зависимости от наличия либо отсутствия диэлектрического смазочного материала между трущимися поверхностями [7].

Математическая модель смазочного процесса в системе подшипников базируется на замене этой системы одним абстрактным “суммарным” подшипником, для которого вращающимся элементом является коленчатый вал, а не вращающимся – блок цилиндров. Для оценки смазочного процесса в таком подшипнике используется суммарный параметр Ржсум, определяемый по формуле:

, (1)

где Рж.к.п.i — параметр Рж в i-ом коренном подшипнике;

Рж.шп.j — параметр Рж в j-ом шатунном подшипнике;

k и m — число коренных и шатунных подшипников соответственно.

Параметр Ржсум неприменим для сравнительной оценки к двигателям с различными системами подшипников коленчатого вала. В связи с этим, для приведения подобных систем к равным условиям, используется понятие “эквивалентный подшипник”, обобщенно оценивающий смазочный процесс в шатунных и коренных подшипниках. Для оценки смазочного процесса в таком подшипнике используется параметр Ржэкв, который рассчитывают по формуле:

, (2)

где L k m — общее количество коренных и шатунных подшипников в автомобильном двигателе.

Величина параметра Рж зависит от нагрузочно–скоростного режима работы двигателя. Поэтому оценка работоспособности подшипника по параметру Рж не может ограничиваться одним нагрузочно-скоростным режимом. В связи с этим, параметром оценки может выступать среднее значение параметра Рж в заданной области нагрузочно–скоростного режима работы двигателя (в координатах крутящий момент М – частота вращения коленчатого вала n).

При фиксированном количестве Nопыт исследуемых режимов нагружения параметр оценки работоспособности подшипника П определяется по формуле:

,(3)

где Мmin и Мmaхnmin и nmaх — минимальные и максимальные значения соответственно крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала.

Параметр П удовлетворяет важным требованиям — зависит от изменения несущей способности смазочного слоя (Nж), является безразмерным, принимает значения от 0 до 1, с увеличением П расширяются диапазоны М и n, в которых подшипники коленчатого вала работают в режиме жидкостного трения со значением параметра Рж ? 1. При значении Пэкв = 1 на всех заданных нагрузочно–скоростных режимах работы двигателя во всех подшипниках коленчатого вала существует режим жидкостного трения (Ржэкв =1). Значение Пэкв = 0 свидетельствует о том, что как минимум в одном подшипнике Рж =0 (Ржэкв = 0). В литературном источнике [1] отмечено, что для подшипников скольжения безопасным является доля времени существования жидкостного трения свыше 80 %. Поэтому в работе регламентированным значением параметра принято [П] = 0,8.

Известно [5], что важными следствиями приработки гидродинамических подшипников скольжения являются повышение несущей способности смазочного слоя и расширение диапазона нагрузок и скоростей, при которых подшипники работают в режиме жидкостного трения. Поэтому параметр П может выступать в качестве параметра оценки качества приработки подшипников. В статье экспериментально доказанаобоснованность теоретических положений, методик и средств оценки работоспособности подшипников двигателя на примере приработки подшипников [6].

Экспериментальное исследование проведено на специально подготовленном рядном автомобильном двигателе 4Ч8,2/7. От базовой конструкции он отличается электрической изоляцией коренных подшипников от блока цилиндров за счет нанесенного на постели подшипников слоя высокопрочного материала с диэлектрическими свойствами. От каждого из пяти коренных вкладышей выводится провод за пределы масляного картера и соединяется с пятиканальным разъемом. На носке коленчатого вала двигателя крепится ртутный токосъемник.

Электрическая изоляция каждого коренного подшипника позволяет замерять параметр Рж.к.п в подшипнике в “чистом виде”. Для замера параметров смазочного процесса используется автоматизированная система оценки смазочного процесса.

В основу экспериментальной методики оценки параметров смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала при их приработке положены укрупненные модели, содержащие входные и выходные переменные. Для i-го коренного подшипника входные переменные — M, n и ? , выходная переменная — Рж.к.п.i, определяемые зависимости —Рж.к.п.i = f (i, M, n, ?) и Пж.к.п.i = f(i, ?). Для подшипников двигателя входные переменные — M, n и ? , выходная переменная — Ржэкв, определяемые зависимости —Ржэкв=f(M, n, ?) и Пэкв = f(?).

Исследуемый двигатель с внесенными в конструкцию изменениями соответствовал неприработанному состоянию после ремонта. Поэтому исследования проводились в два этапа. Первый этап – стендовая обкатка по режимам, рекомендованным заводом-изготовителем. Второй этап – периодически повторяющийся установившийся режим нагружения двигателя на обкаточно-тормозном стенде КИ-5543 при определенных сочетаниях значений крутящего момента М и частоты вращения коленчатого вала n по двухфакторному плану, построенному с использованием положений математического планирования экспериментов

Проведено 7 серий опытов. В каждой серии проводился прогрев двигателя, затем, в соответствии с планом, устанавливался требуемый режим испытания. На каждом режиме производился двукратный замер параметров последовательно в каждом i-ом коренном подшипнике (параметр Рж.к.п.i) и системы подшипников (параметр Ржсум). За время одного измерения в каждом состоянии, составлявшим около 30 секунд, фиксировались значения параметра Рж с интервалом 1 с. Во время исследований контролировались значения давления масла, температуры охлаждающей жидкости и масла, велся хронометраж, в результате чего для каждого номера опыта серии фиксировалось среднее время с начала приработки двигателя.

Анализ изменения во времени значений математических ожиданий параметровРж.кп и Ржэкв показал следующее:

— аппроксимирующие зависимости имеют вид Рж.к.п = а(b???е??? и
Ржэкв =g/(1 + ezw ???1/d, где ? — время с начала приработки, мин; a, b, c, d, g, w, z – коэффициенты (рисунок 1);

Рис. 1. Зависимости значений математических ожиданий параметра Рж в пяти коренных и эквивалентном подшипниках от времени с начала приработки двигателя (опыт М=30 Н · м , n=2000 мин-1)

— имеется выраженный прирост значений параметров во времени (ж/d????0), причем с увеличением времени скорость изменения параметров снижается и стремится к нулю, а их значения — к единице (рис. 2);

Рис. 2. Зависимости скоростей изменения значений математических ожиданий параметра Рж в пяти коренных и эквивалентном подшипниках от времени с начала приработки двигателя (опыт М=30 Н·м, n=2000 мин-1)

— отмеченные особенности являются характерными признаками приработки как направленного детерминированного переходного процесса;

— значения параметров Рж.кп и Ржэкв зависят от значений параметров нагрузочно–скоростного режима испытания.

По аппроксимирующим зависимостям Рж.к.п.i=f1 (???иРжэкв=f2(???для каждой опытной точки М и n по формуле (3) рассчитаны значения параметра оценки работоспособности подшипников. Получены зависимости значений параметровПж.к.п.i=f3(???и Пэкв=f4 (??, представленные на рисунке 3, а также скорости их изменения (рисунок 4).

Рис. 3. Зависимости значений параметра П в пяти коренных и эквивалентном подшипниках от времени с начала приработки двигателя

Рис. 4. Зависимости скоростей изменения значений параметра П в пяти коренных и эквивалентном подшипниках от времени с начала приработки двигателя

Анализ полученных результатов показывает, что значения параметра П после стендовой обкатки двигателя по режимам, рекомендованным заводом-изготовителем, не достигли регламентированного уровня [П] = 0,8 и составляют Пж.к.п.i = 0,51…0,75 для коренных подшипников иПэкв = 0,56 для эквивалентного подшипника. Максимальные значения параметра Пж.к.п.i у каждого коренного подшипника достаточно близки друг к другу (от 0,9785 до 0,9815, т.е. расхождение относительно среднего 0,9800 составляет ?1,53 %). Время ? достижения регламентированного уровня в каждом коренном подшипнике отличается (от 156 до 264 мин, т.е. ? 25,7 %). Это свидетельствует о различной приспособленности коренных подшипников у исследуемого двигателя к приработке. Система подшипников прирабатывается на 81,9 % дольше (382 мин). Можно считать, что при использованных режимах обкатки и условиях приработки подшипники за время ? = 700 мин достигнуто максимальное значение параметра работоспособности Пэкв = 0,888.

Основываясь на изложенном можно утверждать, что:

— разработана математическая модель смазочного процесса в подшипниках скольжения коленчатых валов автомобильных двигателей, позволяющая оценить работоспособность коренных и шатунных подшипников различных автомобильных двигателей и являющаяся базой для определения интенсивности изменения технического состояния подшипников в эксплуатации;

— обоснован параметр оценки работоспособностиподшипников скольжения коленчатых валов автомобильных двигателей, представляющий среднее значение параметров продолжительности существования смазочного слоя в коренных и шатунных подшипниках в области нагрузочно-скоростного режима;

— теоретически установлены и экспериментально подтверждены зависимости значений параметров продолжительности существования смазочного слоя в отдельных коренных подшипниках и в системе подшипников коленчатого вала от нагрузочно-скоростного режима и длительности приработки. Результаты свидетельствуют о различной интенсивности приработочных процессов в отдельных коренных подшипниках.

Полученные результаты и предложенная оценка работоспособности подшипников скольжения коленчатых валов автомобильных двигателей позволяют повыситьэффективность эксплуатации автомобильных двигателей.Источником эффективности является увеличенный послеремонтный ресурс автомобильных двигателей вследствие снижения интенсивности изнашивания подшипников скольжения за счет управления смазочным процессом в подвижных сопряжениях, определения допустимых к использованию моторных масел и присадок к ним, назначения рациональных нагрузочно-скоростных режимов стендовой и эксплуатационной обкаток и других мероприятий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вырубов, Д.Н. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей: учебник для втузов/ Д.Н. Вырубов, С.И. Ефимов, Н.А. Иващенко и др.; под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – М.: Машиностроение, 1984. – 384 с.

2. Калимуллин, Р.Ф. Автоматизированная система оценки смазочного процесса в подшипниках скольжения: экспресс-информация/ Р.Ф. Калимуллин, Н.Н. Якунин. – Оренбург: Оренбургский ЦНТИ, 2004. — № 50-003-04. – 2 с.

3. Калимуллин, Р.Ф. Расчетная оценка условий смазки коренных подшипников автомобильных двигателей /Р.Ф. Калимуллин, Н.Н. Якунин // Вестник Оренбургского государственного университета, 2000. — № 1. — С. 54 – 58.

4. Калимуллин. Р.Ф. Метод оценки трибологического состояния подвижных сопряжений автомобильных двигателей / Р.Ф. Калимуллин, Н.Н. Якунин, И.В. Тюняев //Вестник Оренбургского государственного университета, 2005. — № 12 (Приложение “Прогрессивные технологии в транспортных системах”).- С.50 – 55.

5. Карасик, И.И. Прирабатываемость материалов для подшипников скольжения: монография / И.И. Карасик. – М: Наука, 1978. — 136 с.

6. Сологуб, В.А. Разработка параметра и метода контроля приработанности подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей по показателям смазочного процесса / В.А. Сологуб, Р.Ф. Калимуллин // Вестник Оренбургского государственного университета, 2005. — № 12 (Приложение “Прогрессивные технологии в транспортных системах”).- С.116 – 120.

7. Якунин, Н.Н. Способ определения нарушения жидкостного режима трения подшипников скольжения: авт. св. СССР № 1312444 / Р.Т. Абдрашитов, А.И. Шевченко, Н.Н. Якунин (СССР) // Открытия. Изобретения, 1987. — № 19.

8. Якунин, Н.Н. Переходный смазочный процесс в коренных подшипниках автомобильных двигателей / Н.Н. Якунин, Р.Ф. Калимуллин, А.Ю. Алемасцев, С.В. Баловнев, В.А. Сологуб // Справочник. Инженерный журнал, 2002.- №7. — С. 14 – 20.

9. Якунин, Н.Н. Теоретическое исследование условий работоспособности подшипников скольжения машин / Н.Н. Якунин, Р.Ф. Калимуллин // Трение и износ, 1999. — Том 20. — № 4. — С. 358 – 363.

 Posted by at 04:20