CC BY
27
УДК 621.43+621.822.17 А.В. Гриценко, С.С. Куков
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДШИПНИКОВ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА
В статье представлены результаты экспериментальных исследований взаимосвязи технического состояния подшипников кривошипно-шатунного механизма с параметрами давления в центральной масляной магистрали двигателя внутреннего сгорания.
Ключевые слова: подшипник, двигатель внутреннего сгорания, кривошипно-шатунный механизм, зазор, давление, параметр.
A.V. Gritsenko, S.S. Kukov EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE BEARINGS TECHNICAL CONDITION IN THE CRANK-CONROD MECHANISM
The experimental research results of interrelation between bearings technical condition in the crank-conrod mechanism and pressure parameters in the central oil trunk of the explosion engine are given in the article.
Keywords: bearing, explosion engine, crank-conrod mechanism, spacing, pressure, parameters.
Целью настоящего исследования является повышение эффективности диагностирования подшипников кривошипно-шатунного механизма двигателей внутреннего сгорания.
Задачей исследования является экспериментальное установление закономерности влияния величины зазоров в коренном и шатунном подшипниках на параметры пульсации давления в центральной масляной магистрали с учетом частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Перед проведением экспериментальных исследований были проведены лабораторные исследования, которые включали в себя, в частности, выбор и испытание метрологических характеристик различных датчиков давления и регистрирующей аппаратуры. В результате метрологических испытаний были выбраны датчик давления Д06М-3(У2) и персональный компьютер с многоканальной приставкой KRP-4M. Для нагружения отдельных подшипников двигателя был разработан отключатель электромагнитных форсунок, позволяющий изменять нагрузку на подшипники от нулевого до максимального значения (максимальное значение нагрузки составляло 0,4 МПа на работающий цилиндр двигателя) [1].
Объектом испытаний служили кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и система смазки двигателя ЗМЗ-4062 с приводным электродвигателем и коробкой передач.
Методом сравнения эталонных осциллограмм с осциллограммами при изношенных коренном и шатунном подшипниках были отобраны характерные точки осциллограммы давления, характеризующие износ подшипников КШМ [2].
В сигнале давления были выделены следующие диагностические параметры: Атх - максимальная амплитуда давления, МПа; А - средняя величина давления, МПа; А, А, А - минимальные амплитуды давления в момент такта сгорания, МПа; Ах -А2, Ах -Аъ - разность минимальных амплитуд давления двух соседних циклов, МПа. В результате анализа был установлен чувствительный диагностический параметр, характеризующий техническое состояние коренного подшипника: разность минимальных амплитуд давления Ах- А2, Ах- А3 двух соседних циклов в момент такта сгорания при работе диагностируемых подшипников через цикл, с нагрузкой (нагрузка составляла 0,4 МПа на работающий цилиндр двигателя) и без нагрузки при полностью открытой дроссельной заслонке (корреляционное отношение составило
0,99), а также режим работы двигателя, соответствующий 880 мин-1 частоты вращения коленчатого вала двигателя [2].
Была установлена экспериментальная зависимость [2], отражающая связи степени износа коренного подшипника и разности минимальных амплитуд давления А2-А1, которая апроксимируется уравнением третьего порядка
2К = 170,86 • (А2 — Ах)^ -68,87 • (А2 — А^)2 + 8,93 • (Л2 - А1) + 0,248, (1)
где А2-Ах - разность минимальных амплитуд давления двух соседних циклов при работе первого цилиндра (2, 3, 4 отключены) через цикл, один цикл рабочий, другой нерабочий;
2К - зазор в коренной шейке, мм.
Таким образом, измеряя разность амплитуд давления двух соседних циклов при работе диагностируемого цилиндра (три другие отключены) через цикл, с нагрузкой и без нагрузки, используя уравнение (1), можно определить действительный износ любого коренного подшипника.
Установлено, что предельное значение разности минимальных амплитуд давлений под нагрузкой (нагрузка составляла 0,4 МПа на работающий цилиндр двигателя) и без нагрузки для выбраковки коренного подшипника при частоте вращения коленчатого вала двигателя п=880 мин1 составляет 0,02 МПа.
Для установления взаимосвязи технического состояния коренного и шатунного подшипника на выбранных режимах диагностирования с минимальной амплитудой давления был спланирован и проведен многофакторный эксперимент [1], результаты которого представлены на рисунках 1 и 2.
Р, МПа
Рис. 1. Зависимости минимальной амплитуды давления Р от частоты вращения коленчатого вала двигателя п, для 2Ш = 0,05 мм и 2К = 0,09 мм, 2К = 0,12 мм, 2К = 0,15 мм
При анализе экспериментальных данных было установлено, что суммарное влияние технического состояния коренной и шатунной шейки характеризуется нарушением линейности роста минимальной амплитуды давления. Причем с ростом зазоров в коренной и шатунной шейке, при их взаимном влиянии, увеличивается диапазон нелинейности минимальной амплитуды давления. Для определения общего уравнения регрессии, связывающего техническое состояние коренной и шатунной шейки, а также частоты вращения коленчатого вала двигателя экспериментальные данные были разложены на две составляющие: 1) линейную составляющую изменения минимальной амплитуды давления, характеризующую начало и конец зависимости; 2) нелинейную составляющую изменения минимальной амплитуды давления, характеризующую диапазон нелинейности. На рисунках 1 и 2 представлены результаты разложения зависимости на две составляющие - линейную и нелинейную.
Р, МПа 0,4г
Л.
Л
0,3
Р,
Ґі
А
р\
1 0,2
0,1
1.2x10
х
". __ . — - ■■ -
___—-— , - ' '
' __ """"
1.4x10
1.6x10
1.8x10
2x10'
11, мин
3
Рис. 2. Зависимости минимальной амплитуды давления Р от частоты вращения коленчатого вала двигателя п для 2Ш = 0,10 мм и 2К = 0,09 мм, 2К = 0,12 мм, 2К = 0,15 мм
После анализа экспериментальных данных на рисунках 1, 2 были получены частные уравнения регрессии для зазора в коренной шейке 2К = 0,09 мм, связывающие минимальную амплитуду давления Рх,
Р\ в центральной масляной магистрали с зазором в шатунной шейке 2Ш, мм и частотой вращения коленчатого вала двигателя п, мин~1:
Р, = (7,438 • 10"5 • гш + 2,852 • 1(Гб) • п2 - (0,26 • 2Ш + 8 • 10“3) • п + (223,8 • 2Ш + 7,91), (2)
Р\ = (1,6 • ИГ3) • и - (2-2 ш+ 0,14). (3)
Для зазора в коренной шейке 2К = 0,12 мм:
Р2 = (3,048 • 10“5 • 2Ш + 5,012 • КГ ) • п - (0,1 • 2Ш + 0,015) • п + (76,44 • 2Ш +13,368), (4)
Р\ = (1,5 • 10“3) • п - (2,2 • 2Ш + 0,21). (5)
Для зазора в коренной шейке 2К =0,15 мм:
Р3 = (4,514 • 10“5 • 2Ш + 4,201 • 10~6) • п1 - (0,139 • 2Ш + 0,012) • п + (98,8 • 2Ш +10,165), (6)
РІ = (1,66 • 10“3) • п - (3,6 • 2Ш + 0,754)
(7)
При анализе зависимостей на рисунках 1 и 2 установлено, что максимальное приращение минимальной амплитуды давления АР, МПа (рис. 3), изменяется. Причем с ростом зазора в шатунной шейке 2ш от
0,05 до 0,10 мм максимальное приращение минимальной амплитуды давления АР, МПа, увеличивается, что можно видеть на рисунке 3.
Р, МПа
^Цр.о /
.- ~ .
1 2:>; 103 1.4x103 1.бх103 1.8х103 2х103
Рис. 3. Зависимость минимальной амплитуды давления Р от частоты вращения коленчатого вала двигателя п для 2Ш = 0,05 мм,
2Ш = 0,10 мм и 2К = 0,15 мм
Проанализируем изменение величины максимального приращения минимальной амплитуды давления АР, для различных зазоров в коренной и шатунной шейке (см. рис. 1, 2) при соответствующем значении частоты вращения коленчатого вала двигателя. Для этого составим по данным рисунка 1 таблицу 1 максимальных приращений минимальной амплитуды давления АР, для 2Ш = 0,05 мм и 2К = 0,09 мм, 2К =0,12 мм, 2К =0,15 мм.
Таблица 1
Значения максимальных приращений минимальной амплитуды давления АР, МПа, для 2Ш = 0,05 мм
и 2К = 0,09 мм, 2К = 0,12 мм, 2К = 0,15 мм
2К, мм 2 к = 0,09 2К = 0,12 2К =0,15
2Ш, мм 2Ш = 0,05 2Ш = 0,05 2Ш = 0,05
АР, МПа 0,009 0,0171 0,0405
п, мин1 1700 1660 1600
Составим по данным рисунка 2 таблицу 2 максимальных приращений минимальной амплитуды давления АР, МПа, для 2Ш = 0,10 мм и 2К = 0,09 мм, 2К = 0,12 мм, 2К = 0,15 мм.
Таблица 2
Значения максимальных приращений минимальной амплитуды давления АР, МПа, для 2Ш =0,10 мм
и 2К = 0,09 мм, 2К = 0,12 мм, 2К = 0,15 мм
2К, мм 2К = 0,09 Я к = 0,12 Я к =0,15
2Ш, мм 2 ш = 0,10 2 ш = 0,10 2 ш = 0,10
АР, МПа 0,0152 0,0340 0,0627
п, мын~ 1680 1640 1580
По данным таблиц 1 и 2 видно, что частоты вращения коленчатого вала двигателя, при которых наблюдается максимальное приращение минимальной амплитуды давления, для зазоров в шатунной шейке 2Ш = 0,05 и 2 ш = 0,10 практически одинаковы для всех сочетаний зазоров коренной и шатунной шеек. На основании этого построим зависимость скоростного режима диагностирования п, от величины зазора в коренном подшипнике 2К (рис. 4).
п, _иин_|
1.8x10-
1.7x10'
1.6x10'
1.5x10'
\
0 0.05 0.1 0.15^> мм
Рис. 4. Зависимость скоростного режима диагностирования п от величины зазора 2К
в коренном подшипнике
Зависимость на рисунке 4 описывается уравнением прямой линии
п - -1,667 -103 -2К +1,85-10
(8)
Таким образом, установлено, что скоростной режим п, мин1, для определения технического состояния шатунного подшипника определяется по выражению (8). Так как выражение (8) линейно для зазоров в коренной шейке 2К = 0,09 мм, 2К = 0,12 мм, 2К = 0,15 мм, то можно сделать допущение, что для зазоров в коренной шейке менее 2К = 0,09 мм также будет справедливо данное выражение.
Однако величины максимальных приращений минимальной амплитуды давления АР, МПа, для 2Ш = 0,05 мм и 2Ш = 0,10 мм при одном и том же зазоре в коренной шейке различны (см. рис. 3). По данным таблицы 1 построим зависимость максимальных приращений минимальной амплитуды давления ЛР0 05, МПа, для 2Ш = 0,05 мм (рис. 5).
ДРй_й5, МПа 0,05
0,04 0,03 0,02 0,01
8
/ /
/
/
0.16
мм
1.03 0.1 0.12 0.14
Рис. 5. Зависимость максимальных приращений минимальной амплитуды давления ЛР0 05
от зазора в коренной шейке 2К (для 2Ш = 0,05 мм)
3
Зависимость, представленная на рисунке 5, аппроксимируется полиномом
АР0 05 = 85 • г\ -15,15 • 2К + 0,765, (9)
где 2К - зазор в первой коренной шейке, мм
По данным таблицы 2 можно построить зависимость максимальных приращений минимальной амплитуды давления ЛР010 для 2Ш = 0,10 мм (рис. 6).
Рис. 6. Зависимость максимальных приращений минимальной амплитуды давления АР010 от зазора в коренной шейке (для 2Ш =0,10 мм)
Зависимость на рисунке 6 аппроксимируется полиномом
АР010 = 55 • - 5,283 • 2к + 0,182.
(10)
Для определения степени влияния технического состояния шатунной шейки на максимальное приращение минимальной амплитуды давления пересчитаем коэффициенты уравнений (9) и (10).
В результате пересчета коэффициентов уравнений (9) и (10) было получено общее уравнение регрессии, связывающее максимальное приращение минимальной амплитуды давления с величиной зазора в коренной и шатунной шейке,
Др = (-600 • 2Ш +115) • 2гк - (-197 • 2Ш + 25,017) • 2К + (-11,66 • 2Ш +1,348), (11)
где АР - максимальное приращение минимальной амплитуды давления, МПа;
^ - зазор в коренной шейке, мм;
2Ш - зазор в шатунной шейке, мм.
Однако для возможности применения результатов многофакторного эксперимента было получено общее уравнение регрессии, связывающее величину зазора в шатунной шейке с максимальным приращением минимальной амплитуды давления АР и величиной зазора в коренной шейке 2К :
2Ш = (243,889 • 22к - 68,217 • 2К + 4,97) • АР - (34,898 • 22к - 8,076 • 2К + 0,467), (12)
где АР - максимальное приращение минимальной амплитуды давления, МПа;
2К - зазор в коренной шейке, мм;
2Ш - зазор в шатунной шейке, мм.
Таким образом в результате экспериментальных исследований получена зависимость (1) для определения степени износа коренной шейки 2К по разности минимальных амплитуд давления А2 - Ах двух соседних циклов при работе диагностируемого цилиндра через цикл, с нагрузкой (нагрузка составляла 0,4 МПа на работающий цилиндр двигателя) и без нагрузки при частоте вращения коленчатого вала двигателя ЗМЗ-4062 п=880 лшн"1. Установлено, что предельное значение разности минимальных амплитуд давлений под нагрузкой и без нагрузки для выбраковки коренного подшипника составляет 0,02 МПа.
Выводы
В результате экспериментальных исследования технического состояния подшипников кривошипношатунного механизма получены:
Выражение (8) для определения скоростного режима п, мин-1, при диагностировании технического состояния шатунного подшипника.
Уравнение регрессии (11), связывающее максимальное приращение минимальной амплитуды давления с величиной зазора в шатунной и коренной шейках.
Уравнение регрессии (12), позволяющее определить зазор в шатунной шейке при известном зазоре в коренной шейке и измеренном значении максимального приращения минимальной амплитуды давления.
Литература
1. Куков С.С., Гриценко А.В. Диагностирование коренных подшипников кривошипно-шатунного механизма по параметрам давления в центральной масляной магистрали // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2009. - Вып. 3. - С. 143-147.
2. Гриценко, А.В. Диагностирование подшипников кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания по параметрам пульсации давления в центральной масляной магистрали: дис. ... канд. техн. наук. - Челябинск, 2009.
'--------♦-----------
