CC BY
115
НАДЕЖНОСТЬ МАШИН
УДК 629.113.004.67
А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, А. А. Г афиятуллин, Д. Л. Панкратов АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ УСЛОВИЙ СМАЗКИ ШАТУННЫХ ПОДШИПНИКОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Дан анализ основных составляющих давления масла в шатунных подшипниках коленчатого вала двигателя с учетом конструктивных и режимных параметров. Проведена оценка изменения условий смазки шатунных подшипников в процессе эксплуатации с учетом влияния износа деталей.
Дана оценка усовершенствованного коленчатого вала двигателей КамАЗ с учетом полученных результатов.
A.S. Denisov, A.T. Kulakov, A.A. Gafiyatullin, D.L. Pankratov ANALYTICAL RESEARCH OF THE CONDITIONS CHANGE OF THE CONCORD BEARING GREASE IN THE PROCESS OF EXPLOITATION
The analysis of the basic components of the oil pressure in the concord bearings of the knee shaft of the drive taking into consideration the constructive and regime parameters are given in the article. The evaluation of the conditions change of the concord bearing grease in the process of exploitation was verified taking into consideration the influences of the parts wear. The improved knee shaft of the KamAZ drives and the considered obtained results are evaluated here as well.
Анализ проворачивания шатунных вкладышей коленчатого вала и отложений в полостях шатунных шеек [1] свидетельствует о том, что через шатунную шейку, на которой произошло проворачивание вкладышей, проходило меньшее количество масла. Следовательно, фактором, способствующим проворачиванию вкладышей, является снижение расхода масла через шатунный вкладыш.
Недостаточная смазка подшипников коленчатого вала связана с конструкцией и эксплуатацией системы смазки двигателя. Масло, подаваемое масляным насосом, идет на смазку и охлаждение распределительного вала, цилиндропоршневой группы, турбокомпрессоров, коренных и шатунных вкладышей.
Расчеты системы смазки недостаточно точно показывают, какое давление масла необходимо для смазки шатунных подшипников, а также режимы работы двигателя, при которых шатунные подшипники не испытывают масляного голодания.
Закономерности изнашивания и изменения геометрической формы деталей в процессе эксплуатации обусловливают появление отказов - то есть нарушение работоспособности. Зачастую это используют как дискретное событие. Однако это можно отнести к критической стадии развития отказа, при которой возникают недопустимые (патологические) нарушения технического состояния. В процессе эксплуатации важно предупредить их возникновение, что можно сделать на основе кинетики предотказного состояния [2, 3].
При этом основное внимание следует уделять аналитическому исследованию процессов движения масла по каналам системы смазки. Рассмотрим наиболее распространенную схему подвода масла к шатунным подшипникам, которая применяется долгое время и на двигателях КамАЗ-740 (рис. 1). Масло по каналам в блоке цилиндров подводится в кольцевую канавку, выполненную в верхнем коренном вкладыше. Из нее по одному или диаметрально противоположным каналам масло входит в коленчатый вал. При этом подача масла может быть пульсирующей или непрерывной. На двигателях КамАЗ-740 для первой шатунной шейки масло подается с пульсациями через одно отверстие, а для остальных непрерывно. Пройдя по каналам, масло поступает в центробежную ловушку, из которой через два отверстия, просверленных противоположно друг другу в плоскости, перпендикулярной кривошипу (позднее через одно отверстие), масло поступает в шатунный подшипник одного и другого цилиндров.
Для постоянного подвода масла в шатунный подшипник давление на входе в него незначительно отличается от давления в коренных подшипниках
[4]
—2 2 2 Р = Р + у— (г — г ) — кР
ш к » ' ш к / к
2 я
(1)
где Рш - давление масла на входе в коренной подшипник; к - коэффициент потерь из-за утечек в кольцевом канале вкладыша; гк - радиус коренной шейки; гш - радиус вращения выходных отверстий в шатунном подшипнике (кривошипа); ю - угловая скорость; у - плотность масла; g - ускорение силы тяжести.
В уравнении (1) Рк-кРк - это давление непосредственно в кольцевом канале коренного подшипника (определяется экспериментально). Однако, в уравнении (1) не учитываются потери давления, связанные с переходом из кольцевого неподвижного канала вкладыша во вращающийся канал коленчатого вала. При отсутствии вращения коленчатого вала переход из кольцевого канала в канал коленчатого вала (ю=0) из точки 1 в точку 2 (рис. 1) давле-
Рис. 1. Схема смазки шатунного подшипника двигателя КамАЗ:
1 - кольцевой канал;
2 - канал в коренной шейке;
3 - вход в канал подвода к шатунной шейке;
4 - канал подвода; 5 - полость
ние в этих точках будет равно
Р = Рг . (2)
При вращении коленчатого вала равенство (2) нарушается. Рассмотрим удельную энергию жидкости в точках 1 и 2 ,используя уравнение Бернулли для точки 1 [5]
V2 Р
Е =—+ — + ^ .
1 2 я у 1
(3)
Жидкость в кольцевом канале коренного подшипника неподвижна и Ух=0 (Ух - скорость в точке 1; Zx - кинетическая энергия в точке 1) Zx=0, тогда
*1=Р .
У
Поскольку в точке 2 жидкость совершает сложное движение, то она приобретает скорость движения (У2) в переносном движении (окружную скорость)
У2 =ю г . (5)
Поэтому ее энергия складывается из энергии давления в относительном движении, и кинетической, и вращения в непрерывном движении
У2 Р
Е2 = 2-+~~ • (6)
2g г
Так как переход из точки 1 в точку 2 совершается только за счет внутренней энергии единицы массы жидкости без дополнительного сообщения энергии извне, то
Е = е2, (7)
откуда
У2
Р2 = Р-Уу^ . (8)
2 -
То есть, при переходе масла из канавки вкладыша в канал коренной шейки давление снижается на величину
АРк = у ^ = у—^ = у—{—1 гк210-4 , (9)
2- 2- '2- ^ 30
-1 -2 где и - частота вращения коленчатого вала, мин ; гк - радиус коренной шейки (4,75-10 м);
3 2
у=900 кг/м - плотность масла; g=9,8 м/с - ускорение силы тяжести.
С увеличением частоты вращения коленчатого вала может происходить «динамическое запирание» канала в коренной шейке. Расчет по формуле (9) показал, что при и=2930 мин-1 потери давления составляют 0,09 МПа. Следовательно, в выражении (1) должны учитываться и эти потери
—2
Рш = Рк +У^ (Г2 - Гг2) - кРк -АРк . (10)
2 -
По результатам расчетов потери давления от кольцевого канала коренного подшипника до оси коленчатого вала составляют
ю2
АР13 = у— гГ2 + АРк = 0,18 МПа. (11)
2 -
Измерение давления в кольцевом канале коренного подшипника [6] позволило определить величину потерь давления на утечки и гидравлические сопротивления, кРк при и=2930 мин-1, которые составили 0,12 МПа. Следовательно, при номинальном давлении в системе смазки 0,45 МПа [7] при частоте и=2930 мин-1 до точки 3 (рис. 1) теряется давление АР^=0,3 МПа или 67% и составляет в ней Р3=0,15 МПа.
Приращение давления от центробежных сил на участке 3-5 (рис. 1) до шатунных
подшипников при и=2930 мин-1 составляет
ю2
АРчб = У— = 0,15 МПа. (12)
2-
При достижении равенства Р3=Рчб может наступить разрыв потока масла в шатунный подшипник. На режимах, когда АРчб превышает давление на входе в канал подвода к шатунной шейке Р3, может наступить разрыв потока масла, что приводит к снижению расхода масла через подшипник и появлению пульсаций. В этих условиях значительно ухудшается теп-
лоотвод от шатунных подшипников, что повышает напряженно-деформированное состояние шатунных вкладышей и увеличивает вероятность их проворачивания.
Давление в элементах системы смазки двигателя является одним из основных параметров, определяющих расход масла по потребителям и теплоотвод от поверхностей трения. Необходимо проанализировать их взаимосвязь в процессе эксплуатации для снижения вероятности разрыва масляного потока.
При определенных условиями эксплуатации режимах работы двигателя (скоростном, тепловом, нагрузочном) расход масла через сопряжения деталей и каналы обусловлен геометрическими параметрами, свойством масла и движением. Используя уравнения расхода жидкости через отверстия и насадки [5], определим расход масла в точке 1 (рис. 1)
а =а,+а.=ц к
2 = Ц
У V
2 gP-(Fs + К,), (13)
У
где а1 - расход масла через точку 1 (рис. 1); а, - расход масла через зазоры в коренном подшипнике; а, - расход масла через канал в коренной шейке в точке 2 (рис. 1); ц - коэффициент расхода; К, - площадь поперечного сечения сопряжения вал-коренной вкладыш через зазор 8; К, -площадь поперечного канала в поперечной шейке; Р1 - давление жидкости в точке 1 (рис. 1).
В процессе эксплуатации, вследствие изнашивания, зазор 8 в коренном подшипнике возрастает по экспоненциальной зависимости [8,9]
8 = 80 еЬ1 , (14)
где 80 - зазор в конце приработки, приведенный к началу эксплуатации; Ь - коэффициент интенсификации, учитывающий влияние зазора на интенсивность изнашивания; I - наработка двигателя.
Расход масла в точке 1 обусловлен производительностью масляного насоса, которая изменяется с износом незначительно [10,11] (2-3%), поэтому можно считать, что при 2=еош1 площадь сечения К, связана с зазором 8 линейно.
К, = п г, , . (15)
С учетом (14) получим
К, = п г, 8о вЬІ = КоЄЬ , (16)
где К,о = пг, Бо - площадь сечения в конце приработки, приведенная к началу эксплуатации. Поэтому в процессе эксплуатации а, возрастает по экспоненциальной зависимости
а, = а,о еЬ1 , (17)
где й = ц 2 g — FSO - расход через коренной подшипник в конце приработки, приведенный
V У
к началу эксплуатации (рис. 2). С учетом условия (13) для йк получим
2 = 21 - а = 21 - йУ1 . (18)
Из шатунных шеек (грязеуловителей) вследствие роста зазоров расход через зазоры увеличивается аналогично (17)
йш =Ц Fш^2g ^ = ц.2 gPшFШ0 еЬ = йшо еЬ1 , (19)
У V У
где йШ0 - расход через шатунный подшипник в конце приработки, приведенной к началу эксплуатации; Рш - давление масла в шатунной полости.
Приведенные соотношения показывают, что условие разрыва масляного потока к шатунным подшипникам наступает при 1Р (рис. 2)
а=йш , (20)
или
а-цК^2gPеЬ1 = цКш^2gPшeЬl . (21)
Рис. 2. Изменение расхода масла через подшипники коленчатого вала
в процессе эксплуатации
Данные условия связывают параметры расхода и давление масла в различных участках схемы смазки коренных и шатунных подшипников. Проведем анализ изменения этого условия в процессе эксплуатации. Видно из условия (21), что в процессе эксплуатации существенно изменяются давление масла и площадь поперечного кольцевого сечения в коренных и шатунных подшипниках.
В новых двигателях площадь поперечного кольцевого сечения в коренном подшипнике в соответствии с (15) при середине поля допуска на зазор 0,126 мм [12] составляет
Еп = 3,14 • 47,5 • 0,126 = 18,8 мм2,
для шатунных подшипников при середине поля допуска на зазор 0,094 [12]
Ашп = 2 • 3,14 • 40 • 0,094 = 23,6 мм2 .
Площадь отверстия в коренной шейке составляет
Ео = %гк1 = 3,14 • 32 = 28,26 мм2,
в шатунной ¥шо = 2пгШо = 2 • 3,14 • 32 = 56,52 мм2, а при двух отверстиях 113,04 мм2.
Видно, что в коренном подшипнике нового двигателя расход через канал коренной шейки в среднем в 1,5 раза выше, чем через зазоры в подшипнике. В шатунном подшипнике расход через канал в шатунной шейке (в грязеуловителе) в среднем в 2,32 раза выше, чем через зазоры в подшипнике, а при двух отверстиях для смазки - в 4,78 раза. Эти соотношения показывают, что вероятность разрыва масляного потока к шатунным подшипникам, то есть наступление условий (20), в новом двигателе очень мала. Видно также, что второе отверстие для смазки в шатунной шейке лишнее, так как обеспечивает излишнее резервирование расхода, но способствует снижению давления в шатунном подшипнике.
По мере изнашивания шеек и вкладышей зазоры увеличиваются. Так, по данным [3], предельные зазоры в коренных и шатунных подшипниках двигателей КамАЗ -740 составляют соответственно 0,24 и 0,22 мм. При этом
^ = 3,14 • 47,5 • 0,24 = 35,8 мм2 ,
^ = 2 • 3,14 • 40 • 0,22 = 50,24 мм2 .
Пропорционально увеличению площади повышается и расход масла через коренные подшипники. Расход повышается в 1,9 раза, что существенно сократит расход через канал в коренной шейке. Расход через шатунный подшипник возрастает в 2,12 раза. В целом это существенно повышает вероятность разрыва масляного потока к шатунным подшипникам (условие 20).
Кроме этого необходимо учитывать накопление отложений в полостях шатунных шеек. Так, по данным [3], к пробегу 100-120 тыс. км до 50% объема полостей занято отложениями, плотность которых составляет 2,2-2,3 г/см3.
Следовательно, площадь поперечного сечения отверстий для смазки шатунных подшипников сокращается, что повышает вероятность разрыва масляного потока к шатунным вкладышам и их проворачивания.
Наличие полостей в шатунных шейках приводит также к увеличению времени поступления масла к шатунным подшипникам после пуска двигателя. Это обусловлено временем заполнения полостей до уровня отверстий для смазки, которые расположены по радиусу кривошипа.
Рис. 3. Коленчатый вал и гаситель крутильных колебаний для двигателей КамАЗ-740.11-240, 740.13-260, 740.14-300, 740.11-1005020 (Икр=60 мм),
740.13-1005020 (Ккр=60 мм)
В усовершенствованной конструкции коленчатого вала без полостей в шатунных шейках (рис. 3) [13] условия смазки шатунных подшипников улучшились за счет нескольких факторов. Во-первых, диаметр масляных каналов в коренных шейках увеличен с 6,2 до 8 мм. Во-вторых, уменьшилось количество изменений направления масляных каналов, что сократило гидравлические потери. В-третьих, выход отверстий в шатунных шейках расположен по радиусу 79 мм, что значительно выше радиуса кривошипа и это повысит центробежную составляющую приращения давления в шатунном подшипнике. В-четвертых, направление выхода каналов составляет с направлением относительного движения вкладышей острый угол (в отличие от прямого в прежней конструкции), что также сокращает гидравлические потери, способствует стабилизации масляного клина. Все это способствует увеличению наработки до условия (21) разрыва масляного потока к шатунным подшипникам.
В этом случае площадь отверстия в коренной шейке составит
Ео = пгк2о = 3,14 • 42 = 50,24 мм2,
что в 2,67 раза выше, чем площадь поперечного кольцевого сечения в коренном подшипнике, и повышает подачу масла к шатунным подшипникам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Денисов А.С. Анализ причин эксплуатационных разрушений шатунных вкладышей двигателей КамАЗ-740 / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков // Двигателестроение. 1981. № 9. С. 37-40.
2. Денисов А.С. Теоретические основы автосервиса. Изменение технического состояния элементов автомобиля в процессе эксплуатации / А.С. Денисов. Саратов: СГТУ, 1999. 118 с.
3. Денисов А.С. Основы формирования эксплуатационно-ремонтного цикла автомобилей / А.С. Денисов. Саратов: СГТУ, 1999. 350 с.
4. Смирнов В.Г. Повышение долговечности деталей автомобильных двигателей за счет совершенствования конструкции систем смазки / В.Г. Смирнов, Б.Н. Лучинин. М.: НИ-ИНавтопром, 1980. 59 с.
5. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика / Т.М. Башта. М.: Машиностроение, 1971. 543 с.
6. Кулаков А.Т. Разработка способа диагностирования шатунных подшипников двигателей и практических рекомендаций для снижения их отказов в процессе эксплуатации (на примере КамАЗ-740): дис. ... канд. техн. наук / А.Т. Кулаков. Саратов, 1986. 173 с.
7. Двигатель КамАЗ 740.11-240. Руководство по эксплуатации 740.11-3902001РЭ. Набережные Челны, 1977. 120 с.
8. Авдонькин Ф.Н. Теоретические основы технической эксплуатации автомобилей / Ф.Н. Авдонькин. М.: Транспорт, 1985. 215 с.
9. Авдонькин Ф.Н. Оптимизация изменения технического состояния автомобиля / Ф.Н. Авдонькин. М.: Транспорт, 1993. 352 с.
10. Григорьев М.А. Исследование распределения потока масла в автомобильном двигателе / М. А. Г ригорьев, В.Г. Смирнов // Труды НАМИ. Вып. 117. М., 1979. С. 76-84.
11. Г ригорьев М. А. Баланс распределения масла по потребителям в системе смазки автомобильных двигателей / М.А. Григорьев, В.Г. Смирнов // Труды семинара по очистке воздуха, масла и топлива с целью увеличения долговечности двигателей. Вып. 10, кн. 1. М.: ОНТИ, 1970. С. 83-89.
12. Автомобили КамАЗ. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. М.: В/О Автоэкспорт, 1984. 415 с.
13. Совершенствование конструкции коленчатого вала двигателей КамАЗ / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, Н.И. Светличный, А.А. Гафиятуллин // Двигателестроение. 2003. № 3. С. 24-26.
Денисов Александр Сергеевич -
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство»
Саратовского государственного технического университета
Кулаков Александр Тихонович -
кандидат технических наук,
директор технического центра дизелестроения ОАО «Агромашхолдинг», г. Москва
Г афиятуллин Асхат Асадуллович -
начальник отдела надежности ОАО «КамАЗ-Дизель», г. Набережные Челны
Панкратов Дмитрий Леонидович -
аспирант кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство»
Саратовского государственного технического университета
