CC BY
34
УДК 629.113.004.67
Р.И. Альмеев АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ПОДШИПНИКОВ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА НА ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ
Статья посвящена проблеме обеспечения надёжности двигателей на переходных режимах работы. Представлены результаты расчета, позволяющие оценить работоспособность подшипников при рассматриваемой совокупности эксплуатационных условий, а также предельные значения зазоров и температур смазочного материала. Разработано устройство предпусковой смазки, способствующее оптимизации параметров смазочного процесса на режимах пуска и прогрева. По результатам стендовых испытаний сделаны выводы об эффективности предложенного устройства.
Подшипник скольжения, смазочный процесс, вероятность контактирования, ресурс сопряжения, устройство предпусковой смазки, испытания, эффективность
R.I. Almeev THE ANALYTICAL PRECONDITIONS OF CRANKSHAFT BEARINGS OPERATING LIFE IMPROVEMENT ON TRANSITIVE OPERATING MODES
The article is devoted to the problem of engines reliability maintenance on transitive operating modes. Results of calculation are presented, which allowing to estimate working capacity of bearings at considered set of operational conditions and critical values of clearances and lubricant oil temperatures. The device for pre-starting lubrication promoting optimization of lubricant process parameters on start-up and warming modes is developed. Conclusions of the offered device efficiency by results of bench tests are makes.
Journal bearing, lubricant process, probability of contact process, interface resource, the device for pre-starting lubrication, tests, efficiency
Условия работы автомобильных двигателей в период пуска и прогрева значительно отличаются от условий работы на номинальных нагрузочных и скоростных режимах и оказывают существенное влияние на долговечность и безотказность основных деталей цилиндро-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма. Изучение закономерностей влияния температурных факторов на интенсивность изнашивания при пуске и в процессе дальнейшей эксплуатации позволяет понять причины образования повышенных износов деталей двигателя.
Основной эксплуатационной причиной повышенного изнашивания и возникновения отказов подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей является нарушение условий смазки [1]. При недостаточном поступлении масла в подшипник, могут нарушаться условия гидродинамического трения, в результате толщина масляного слоя может стать ниже критической, что повысит вероятность проворачивания вкладышей.
Минимальная толщина масляного слоя hmin в точке наибольшего сближения вала и подшипника должна быть достаточна для того, чтобы предотвратить соприкосновение микронеровностей вала и подшипника при возможных колебаниях режима (увеличение нагрузки, уменьшение частоты вращения, падение вязкости масла от перегрева), а также в результате перекосов вала и упругих деформаций вала и подшипника [5].
Режим трения в сопряжении можно оценить по следующему параметру [7]:
где Ra1, RZ1 и Ra2, RZ 2 - параметры шероховатости соответственно первой и второй контактирующих поверхностей. При значении kР > 3 наблюдается гидродинамический (жидкостный) режим смазки, при 1 < kР < 3 - режим смешанной смазки, а при кР < 1 - граничный режим [7].
Минимальная толщина масляного слоя является функцией безразмерного числа Зоммерфельда [4, 6]:
и отношения длины подшипника к диаметру Ш, где Т - динамическая вязкость масла, Па ■ с; О -угловая скорость, рад/с; Р = Р /(d ■ і ) - среднее давление, действующее на подшипник, Па; Р - нагрузка, действующая на подшипник, Н; у = А / d - относительный зазор; А - диаметральный зазор, мкм.
Для получения рабочих характеристик подшипника, выполняли расчёт нагрузок, действующих на подшипники коленчатого вала, а также минимальной толщины масляного слоя в зависимости от зазоров, температуры и давления масла на входе в подшипник (значения получены для режима прогрева двигателя на холостом ходу) [3, 5, 7]. На рис. 1 показаны зависимости среднециклового значения минимальной толщины масляного слоя в подшипниках от температуры масла в зоне трения.
(1)
(2)
Рис. 1. Зависимости минимальной толщины И,™ масляного Рис. 2. Зависимости интенсивности изнашивания
слоя от температуры масла в зоне трения 1тр и диамет- II от температуры масла в зоне трения 1тр: 1 - Л
рального зазора в подшипнике Л: 1 - Л=94 мкм; 2 - Л=200 =94 мкм; 2 - Л =130 мкм; 3 - Л =160 мкм; 4- Л
мкм (форсированный двигатель КАМАЗ-740.63) =190 мкм
Исходя из предположения о линейном характере связи между интенсивностью изнашивания сопряжения и коэффициентом трения, определяемым долей работы подшипника в условиях смешанной смазки, вычисляли интенсивность изнашивания сопряжения ^I (рис. 2). По данным рис. 2 видно,
что в интервале температур 80...100°С можно ожидать увеличения интенсивности изнашивания на 40...50%.
Одним из критериев работоспособности нестационарно-нагруженных подшипников является продолжительность зон смешанной смазки [7]. Для данного критерия существует предельное значение, превышение которого может привести к возникновению задира подшипника. Была определена доля цикла работы двигателя, для которой условие ктш > ккр не выполняется (суммарная
продолжительность зон смешанной смазки) и проведен расчет вероятности контактирования поверхностей £, которая в общем случае является функцией отношения минимальной толщины
смазочного слоя Нтп к критической Икр .
На рис. 3 представлена двухфакторная зависимость вероятности контактирования
поверхностей £ от температуры масла в зоне трения 1тр и диаметрального зазора в подшипнике А. На данном графике отмечено критическое значение £КР = 0,078 , а также значения температур масла в картере двигателя 1;м, соответствующих температурам масла в зоне трения ^ Характер двухфакторной зависимости параметра £от температурного режима работы и диаметрального зазора в подшипнике - линейный при температурах масла менее 115 и 93°С для шатунных подшипников с номинальным и предельным диаметральными зазорами соответственно. При достижении указанных критических температур в подшипнике будет наблюдаться рост вероятности контактирования поверхностей и, как следствие, интенсификация процессов изнашивания.
£кр=0,078 ■ 0,05-0,1 □ 0,1-0,15 □ 0.15-0,2 т 0.2-0.25 □ 0,25-0,3 *0,3-0,35 □ 0,35-0,4
-• ■190
' К ■ ■170
X 1 к ч 150 1
■ - 150 й ' <
1 ■ 1 о и
^1
' к
0 8 5 9 0 95 1 )0 105 110 11 5 120 12 5 гтр
50 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 1м
Рис. 3. Двухфакторная зависимость вероятности контактирования поверхностей £ от температуры масла в зоне трения 1тр и диаметрального зазора в подшипнике Л
Теоретические предпосылки увеличения долговечности путем применения системы предпусковой смазки заключаются в снижении вероятности работы подшипников коленчатого вала в правой области графика (рис. 3), когда не обеспечивается условие £ < •
Общий характер изменения рассматриваемых параметров в процессе низкотемпературного пуска (температура масла в картере 1 м=-20оС) представлен на рис. 4. Влияние предпусковой смазки на снижение вероятности контактирования поверхностей показано заштрихованной областью.
Рис. 4. Зависимости вероятности контактирования поверхностей £ (1) и интенсивности изнашивания II (2) от времени прогрева с момента пуска двигателя т (штриховой линией показаны кривые при использовании
предпусковой смазки)
С целью повышения долговечности двигателя предложено устройство предпусковой смазки, способствующее оптимизации параметров смазочного процесса на режимах пуска и прогрева [2]. Изготовлен опытный образец устройства и проведены экспериментальные исследования. Цель исследований - анализ параметров смазочного процесса и оценка эффективности работы устройства предпусковой смазки при установке его на двигатели с различной конструкцией систем смазки.
При проведении испытаний использовали двигатель КАМАЗ-740.62-280, установленный на стенде фирмы «АУЬ». Испытания с имитацией пониженного теплового режима работы проводили на двигателях КАМАЗ-740.10 и ЗМЗ-4062.10. В процессе испытаний выполнен сравнительный анализ параметров на двигателе со штатной системой смазки и двигателе с установленной системой предпусковой смазки.
Разработаны практические рекомендации и проведена оптимизация параметров работы устройства с целью обеспечения наибольшей эффективности его работы. Для этого определяли зависимость времени нарастания давления от времени прокачки системы при различной температуре масла в картере двигателя 1м (рис. 5). При оптимизации за минимальное значение времени нарастания давления принималось тзап=4...5с (соответствует достижению критического значения вероятности контактирования). Полученные данные позволили оценить эффективное время работы системы предпусковой смазки траб (рис. 6).
Рис. 5. Зависимости времени нарастания давления в главной масляной магистрали тзап после запуска двигателя от времени работы системы предпусковой смазки Траб при различной температуре масла в картере tм:
1 - минус 30 оС; 2 - минус 10 оС; 3 - 0 оС;
4 - 20 оС; 5 - 50 оС
Рис. 6. Зависимости эффективного времени работы системы предпусковой смазки траб от температуры масла картере tм (при номинальной производительности насоса предпусковой смазки 0=5 л / мин )
По результатам испытаний были сделаны выводы об эффективности работы устройства предпусковой смазки:
1) Система обеспечивает поддержание давление масла перед пуском двигателя в пределах 0,06...0,25 МПа, в зависимости от начальной температуры масла в картере двигателя. В результате сокращается время поступления масла к деталям двигателя (в среднем на 80%).
2) При номинальной производительности насоса (Р=5 л/мин), эффективное время работы системы находится в диапазоне 6...28 с.
3) Эффективность использования системы предпусковой смазки заключается в сокращении количества отказов двигателей, связанных с задиром (проворотом) коренных и шатунных подшипников и повышении общего ресурса подшипников скольжения (на 8-10 %).
Применение разработанного устройства целесообразно на высокофорсированных дизельных двигателях, работающих в районах с низкими температурами воздуха. В связи с этим предложенное устройство можно рекомендовать автопроизводителям грузовой техники для испытания и последующей установки на автомобили, поставляемые для эксплуатации в районы Крайнего Севера.
ЛИТЕРАТУРА
1. Денисов А.С. Обеспечение надежности автотрактортных двигателей / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков. Саратов: СГТУ, 2007. 422 с.
2. Денисов А.С. Устройство для предпусковой смазки двигателя внутреннего сгорания: пат. на полезную модель № 88737 / А.С. Денисов, Р.И. Альмеев // Бюл. госуд. реестра полезных моделей РФ, 2009, № 32.
3. Колчин А.И. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей / А.И. Колчин, В.П. Демидов. 4-е изд., стер. М.: Высш. шк., 2008. 496 с.
4. Мур Д. Основы и применения трибоники / Д. Мур. М.: Мир, 1978. 487 с.
5. Орлов П.И. Основы конструирования: справочно-методическое пособие: в 2 кн. Кн. 2 / П.И. Орлов; под ред. П.Н. Учаева. 3-е изд., исправл. М.: Машиностроение, 1988. 544 с.
6. Чихос Х. Системный анализ в трибонике / Х. Чихос. М.: Мир, 1982. 351 с.
7. Чичинадзе А.В. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / А.В. Чичинадзе, Э.М. Берлинер, Э.Д. Браун и др. М.: Машиностроение, 2003. 576 с.
Альмеев Руслан Игоревич -
кандидат технических наук, ассистент кафедры «Техническая эксплуатация и ремонт транспортных средств» филиала Самарского государственного технического университета в г. Сызрани
Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию
Ruslan I. Almeev -
Ph.D., assistant of the chair «Technical exploitation and repair of transport means» of Samara State Technical university in Syzran
