CC BY
69
Черняков Д.С., Птицын А.С., Зарипова Н.А. Долговечность подшипников скольжения двигателя внутреннего сгорания и методы ее повышения // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2018. -№1 (12) январь - март. - URL http://e-journal.omgau.ru/images/issues/2018/1/00519.pdf. - ISSN 2413-4066
УДК 621.8
Черняков Дмитрий Степанович
Магистрант
ФГБОУВО Омский ГАУ, г. Омск [email protected]
Птицын Александр Сергеевич
Магистрант
ФГБОУ ВО Омский ГАУ, Омск aleks-pt95@mail. ru
Зарипова Наталья Андреевна
Кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО Омский ГАУ, г. Омск [email protected]
Долговечность подшипников скольжения двигателя внутреннего сгорания
и методы ее повышения
Аннотация. В статье рассматривается значение подшипников скольжения в двигателе внутреннего сгорания и рассмотрение методов повышения долговечности их работы, позволяющих повысить эффективность работы подшипников и предотвращения износа в период высоких нагрузок двигателя внутреннего сгорания. Приведена оценка материалов изготовления подшипников скольжения и их влияние на работу самого подшипника.
Ключевые слова: подшипник скольжения, двигатель внутреннего сгорания, вкладыш, коленчатый вал двигателя, износ.
Подшипники коленчатого вала двигателя работают в основном при гидродинамическом режиме смазки. В правильно спроектированном и изготовленном подшипнике нарушение этого режима может происходить только в процессе пуска, при понижении вязкости масла, мгновенных перегрузок, нарушении его подачи и т.д. При нормальной работе тракторного дизеля средней напряженности минимальное значение толщины масляного слоя равно 7-8 мкм. В форсированных моделях двигателей внутреннего сгорания толщина гидродинамической пленки уменьшается до 4 мкм [2]. Такая толщина является предельной, так как возможны локальные нарушения гидродинамического режима, вызванные попаданием в зазор абразивных частиц, размеры которых превышают величину зазора. Отсюда не следует, что в процессе нормальной работы подшипника, когда поверхности трения смазаны слоем масла, изнашивание не происходит. Может происходить пластическая деформация, вызванная высокими гидродинамическими давлениями, развиваемыми масляным слоем. Максимальная величина гидродинамического давления в 2,5 - 3 раза превышает среднее давление внешних сил, действующих на подшипник. Контактная поляризация, термоэлектрические явления на поверхностях трения, разделенных жидкой
пленкой, являются причиной действия электростатической составляющей износа [3]. Особо важным фактором является также коррозия антифрикционного слоя.
Задачу по повышению долговечности подшипников скольжения двигателя внутреннего сгорания нельзя рассматривать только с точки зрения совершенствования конструкции и улучшения физико-химических свойств подшипника скольжения. Для решения данной задачи необходимо принимать во внимание также и вторую составляющую исследуемой пары трения — поверхность шейки коленчатого вала и сам коленчатый вал. Только при таком подходе к решению определяются режимы и условия эксплуатации проектируемого изделия: определяет виды технологических жидкостей, применяемых при эксплуатации; частота и продолжительность циклов эксплуатации; основные параметры, определяющие состояния объекта и их предельные значения, указывающие на недопустимость его дальнейшего использования.
Основными факторами при проектировании и изготовлении вкладыша скольжения двигателя внутреннего сгорания, является его конструкция (вкладыши могут быть толстостенными и тонкостенными) и качества его антифрикционного покрытия. Первоначально требование обеспечения высокой жесткости вкладыша удовлетворялось путем применения толстостенных вкладышей, которые имеют толщину 4-6 мм и более. Однако такие вкладыши не обеспечивали хорошего контакта с постелью подшипника, из-за чего затруднялся отвод тепла и снижалась усталостная прочность [4]. Кроме того, толстый антифрикционный слой подвержен вымещению при нагружении. В современных двигателях все больше находят применение тонкостенные вкладыши. Это гибкие конструкции, но вследствие их плотного прилегания к постели жесткость обеспечивается подшипником в целом. При этом тепло очень хорошо отводится в массу двигателя и понижает температуру антифрикционной пленки. Тонкостенные вкладыши хороши для массового производства, так как штампуются из ленты, но требуют высокой точности и соосности опорных узлов.
Наиболее распространенными материалами для заливки вкладышей являются сплавы на основе алюминия, меди, олова, цинка, свинца. Выбор антифрикционного сплава должен в, большей степени определяться его совместимостью с маслом. Соответствие масла подшипникам двигателей практически определяется его антикоррозионными свойствами и вязкостью. К примеру, баббитовые вкладыши скольжения в настоящее время неперспективны в связи с их низкой усталостной прочностью и коррозионной стойкостью. По большей части этими недостатками обладают сплавы, содержащие свинец. Широкое применение имеет свинцовистая бронза, обладающая высокими механическими характеристиками и твердостью, чем баббиты, но худшей прирабатываемостью.
В автотракторных двигателях применяют трехслойные подшипники: антифрикционная заливка из сплава СОС- 6-6 (6% - сурьма, 6% - олово, 88% - свинец), стальная тонкостенная основа и металлокерамический или медно-никелевый подслой.
На тракторных дизельных двигателях нашли свое применение биметаллические вкладыши: антифрикционный сплав АСМ (3,5 - 4,5% - сурьма, 0,5 - 0,7% -магния, остальное - алюминий), нанесенный прокаткой на жесткое стальное основание, с промежуточным подслоем из алюминиевой фольги или чистого алюминия. Такие биметаллические подшипники применены на большинстве отечественных тракторных дизельных двигателей. Их долговечность - 4 - 5 тыс. ч. Толщина антифрикционного слоя 0,7 - 0,8 мм, т.е. их можно считать толстостенными. Однако переход в дизелях на более тонкую заливку пока себя не оправдал в связи с деформируемостью валов, которые подвержены большим нагрузкам.
Ниже в таблице 1 приведены антифрикционные материалы, нашедшие свое применение при изготовлении подшипников скольжения двигателя внутреннего сгорания [5].
Большое влияние на долговечность работы вкладышей подшипников скольжения оказывает и сама конструкция двигателя, на который он установлен.
Из теории расчета двигателей известно, что у рядных двигателей внутреннего сгорания по сравнению с V-образными, нагрузки на шатунные подшипники больше, чем на коренные, и износ их соответственно выше. Однако такая теория не всегда справедлива. Так, на
тракторном дизеле СМД-14 шатунные вкладыши изнашиваются меньше, чем коренные, независимо от того, что нагрузка на них выше. Это объясняется дополнительной очисткой масла в полостях шатунных шеек. Аналогичные явления имеют место в двигателях ЗМЗ.
Таблица 1. Материалы для гидродинамических подшипников скольжения
Материал Химический состав Объемный состав в % Твердость по Бринеллю при Примечания
20°С 100°С
Оловянистые LgPbSn 80 80Sn; 12Sb; 27 10 Очень мягкие, хорошая приспособляемость к
баббиты (WM 80) 6Си; 2РЬ; несоосности, высокая стойкость к задирам
Свинцовисты LgPbSn 10 73РЬ; 16Sb; 23 9 Требуется упрочнение, например, в составных
е баббиты (WM 10) ЮSn; 1Си; стальных отливках или с разделительными никелевыми слоями на свинцовистой бронзе
Свинцовистая G-CuPb 25 74Си; 25РЬ; 50 47 Очень мягкая, высокая стойкость к задирам,
бронза ISn меньшая стойкость к износу.
G-CuPb 25 70Си; 22РЬ; 6Sn; 3Ni 86 79 Свойства близкие
Свинцовисто- G-CuPbЮ 80Си;10РЬ; 75 67 Повышенная стойкость к задирам за счет
оловянистая Sn ЮSn легирования свинцом. Лучшая стойкость к
бронза несоосности по сравнению с оловянистой бронзой. Выдерживает высокие нагрузки, поэтому предпочтительна для подшипников коленчатого вала. Многослойные подшипники применяются при изготовлении шатунно-поршневой группы. Р до 100 Н/мм2
G-CuPb 23 76Си; 23РЬ; 55 53 Составные отливки для малонагруженных (70
Sn ISn Н/мм2) и толстостенных корпусных подшипников. Высокое сопротивление задирам. Применяется в подшипниках коленчатых и распределительных валов
Оловянистая G-CuSn 10 88Си; ЮSn; 85 Твердый материал. Применяется при
бронза гп 2гп умеренных нагрузках и низких скоростях скольжения в упорных подшипниках
С^п8 92Си; 8Sn 80... 220 Высококачественный пластичный сплав. Хорошая ударная стойкость при недостатке смазки. Применяется в рулевом управлении, в тонкостенных подшипниках скольжения
Томпак G-CuSn7 гпРЬ 83Си; 6РЬ; 7Sn; 4гп 75 65 Олово частично заменяется цинком и свинцом. Может заменять оловянистую бронзу при нагрузках среднего уровня (40 Н/мм2). Применяется в подшипниках скольжения в машиностроении, в подшипниках коленчатых валов, во втулках верхних головок шатуна.
Латунь Сигп31 Si 68Си;31гп ; 1 Si 90... 200 Повышенное содержание цинка нежелательно при сильном нагреве подшипника.
Алюминиевая СиА1 9Мп 88Си; 9А1; 110.. Тепловое расширение сопоставимо с
бронза 3Мп . 190 расширением легких сплавов. Применяется в подшипниках с корпусом из легких сплавов для компенсации несовпадений.
Алюминиевы AISi 12 Си 1Си; 85А1; 110 100 Поршневые сплавы для малых скоростей
й сплав №М 12Si; INi; 1Мп скольжения
Катонное A1Sn6 1Cu;6Sn;90 40 30 Расплавленное олово раскрывается для
алюминиевое А1; 3Si улучшения прочности и антифрикционных
покрытие свойств.
Гальванизи- PbSnЮCu 2Си; 88РЬ; 50... Используется в современных
рованные ЮSn 60 триметаллических вкладышах;
вкладыши гальванопокрытие наносится слоем толщиной 10-30 мкм; имеет мелкозернистую структуру; разделительный никелевый слой.
В значительной мере степень износа и соотношение износов коренных и шатунных подшипников зависят от подачи масла из главной магистрали в коленчатый вал. Так, экспериментальное изменение поверхности шейки коленчатого вала позволило получить следующие преимущества: уменьшить среднюю температуру в слое масла на 10,7%; увеличить минимальную толщину масляного слоя на 62%; уменьшить мощность, затрачиваемую на трение в подшипнике, на 28%; уменьшить тепловыделение за счет сил трения на 52% [1].
Таким образом, долговечность работы подшипников скольжения можно увеличить разными способами. Эффективность того или иного способа зависит от типа двигателя от материалов изготовления самих подшипников.
Ссылки на источники:
1. Абачараев И.М., Абачараев М.М., Дорохов А.Ф., Шихсаидов Б.П. Конструкторско-технологические разработки по повышению ресурса и экономичности двигателя внутреннего сгорайия//Двигателестроение. - 2004. -№1.-С.20-22
2. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность). М: Издательство МСХА, 2001. - 616 с.
3. Дроздов Ю.Н. и др. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник / Ю.Н. Дроздов, В.Г. Павлов, В.Н. Пучков. М.: Машиностроение, 1986.-224 с.
4. Анализ металлов; Справочник/Лазарев А.И., Харламов И.П. М.: Металлургия, 1987. - 320 с.
5. Автомобильный справочник. Перевод с англ. Первое русское издание. М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2003. - 896 с.
Dmitry Chernyakov
Master's Degree Student FSBEI HE Omsk SAU, Omsk
Alexander Ptitsyn
Master's Degree Student FSBEI HE Omsk SAU, Omsk
Natalia Zaripova
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor FSBEI HE Omsk SA U, Omsk
Durability of the sliding bearings of the internal combustion engine and methods for its
increasing
Abstract. The article considers the importance of sliding bearings in an internal combustion engine and consideration of methods for increasing the durability of their operation, which allows increasing the efficiency of bearings and preventing wear during high loads of the internal combustion engine. The estimation of materials of manufacturing of bearings of sliding and their influence on work of the bearing is given.
Keywords: Sliding bearing, internal combustion engine, liner, engine crankshaft, wear.
