CC BY
13
4. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002. 684 с.
5. Ямников А.С., Богомолов М.Н. Центрирующая оправка повышенной виброустойчивости для фрезерования тонкостенных втулок // Черные металлы. 2019. №5. С. 52-57.
6. Yamnikov A.S., Bogomolov M.N. Simulation of Oscillation Frequency Effects on Complex Shape Part Milling // XVI International scientific-technical conference «Dynamics of technical systems» (DTS-2020). ^is collection of conference proceedings contains materials presented in the section №2 «Non-linear Dynamics and Applied Synergetics in technical systems». Р. 10-14.
Богомолов Максим Николаевич, аспирант, hogomolovmnamail. ru, Россия, Тула, Тульского государственного университета
ENSURING THE TARGETED SURFACE QUALITY BY MEANS OF ADDITION OF INCREASED VIBRATION RESISTANCE
M.N. Bogomolov
Comparative technological characteristics of the use of various mandrels for fixing thin-walled workpieces at a milling operation are considered. It is shown that the mandrel of increased vibration resistance provides the hest quality of the processed surface.
Key words: non-rigid workpiece, vibration resistance, surface roughness.
Bogomolov Maxim Nikolaevich, postgraduate, hogomolovmnamail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.43 + 06
ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЁЖНОСТИ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
И.М. Алексаньян, А.Е. Хачкинаян
Приведен собранный статистический материал по износу поршневых колец двигателей внутреннего сгорания строительных, дорожных машин, эксплуатируемых на строительных объектах Ростовской области. Данный материал обработан по нормальному закону Гаусса и получены данные по износу и срокам службы поршневых колец, которые могут быть использованы на ремонтных заводах и в эксплуатационных хозяйствах страны.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, поршневые кольца, износ, надёжность, срок службы.
В настоящее время особо пристальное внимание уделяется вопросам повышения надёжности и долговечности машин и их основному агрегату - двигателю внутреннего сгорания, так как это даёт возможность повысить производительность и снизить себестоимость работ, что является одним из важных путей насыщения народного хозяйства техникой, широкого внедрения комплексной механизации и автоматизации производственных процессов.
При этом в проведённых ранее исследованиях [1-5] в основном определялось влияние на износ конструктивных и технологических факторов бензиновых двигателей, установленных на легковых и грузовых автомобилях и сельскохозяйственных тракторах, а исследование износа деталей дизелей землеройных машин (экскаваторов, автогрейдеров, скреперов, бульдозеров) изучено недостаточно.
Учитывая специфику данной техники, используемой в различных условиях эксплуатации при выполнении многочисленных дорожно-строительных работ, изучение характера и величин износа поршневых колец является актуальным и представляет научную новизну.
В реальных условиях эксплуатации на скорость износа и срок службы поршневых колец влияет одновременно большое число различных факторов: неравномерная скорость скольжения, повышенное переменное давление на рабочую поверхность цилиндра, неодинаковое распределение температур, наличие агрессивной среды и т.п. [6,
7].
Наибольший износ поршневых колец наблюдается в момент пуска двигателя. Из графика (рис. 1) видно, что с увеличением температуры охлаждающей жидкости с 20 °С до 100 °С, износ уменьшается в 2 раза. Оптимальные значения температур охлаждающей жидкости для большинства двигателей внутреннего сгорания составляют 90...100 °С. С увеличение частоты вращения коленчатого вала до 1600 мин-1, износ поршневых колец уменьшается (рис. 1). Минимальный износ наблюдается при частоте вращения коленчатого вала равной 1600 мин-1, а при повышении частоты вращения коленчатого вала свыше 1600 мин-1, износ поршневых колец увеличивается. С возрастанием скоростей и нагрузок удельное давление поршневых колец повышается из-за увеличенного накопления давления за кольцом и возрастания различных потерь. Это приводит к существенному влиянию на износ поршневых колец. Из графика (рис. 1) видно, что с увеличением среднего эффективного давления с 200 кПа до 600 кПа, износ увеличивается в 4 раза.
о1----
20 40 60 80 100 -*-1 Температура охлаждающей жидкости,' ( I_I_|_1_I
200 300 400 500 600
-•-2 Среднее эффективное давление, кПа
I_I_I_I
1200 1350 1500 1650 1800
Частота вращения коленчатого вала, мин 1
Рис. 1. Влияние температуры охлаждающей жидкости (1), среднего эффективного давления (2) и частоты вращения коленчатого вала (3) на износ поршневых колец
Величина износа поршневых колец при прочих равных условиях во многом зависит от режима работы. Более тяжелый нагрузочный режим и более низкое расположение воздухозаборника на двигателе бульдозера ведет к увеличению износа поршневых колец, по сравнению с износом поршневых колец двигателей, установленных на экскаваторе в 1,4 раза.
Долговечность поршневых колец находится в зависимости от климатических факторов: температуры окружающего воздуха, давления, влажности, скорости ветра, количества выпавших осадков и запыленности воздуха [6, 7]. С повышением концентрации частиц пыли в воздухе, поступающем в цилиндры двигателя в пределах 0,025.0,175 г/м, износ поршневых колец увеличивается в 3,5 раза, а с учетом допуска на толщину покрытия - в 5 раз.
В условиях эксплуатации двигателей внутреннего сгорания не представляется возможным установить закономерность и последовательность влияния различных факторов на износостойкость и срок службы их деталей. Поэтому одним из наиболее достоверных способов исследования величин износа и сроков службы деталей двигателей внутреннего сгорания в процессе эксплуатации является статистический метод [8]. Данный метод позволяет с достаточной степенью точности изучить характер и величины износа отдельных деталей, установить основные причины, вызывающие износ, наметить пути повышения износостойкости деталей, установить критерии долговечности, обоснованно назначить нормативные сроки службы деталей и планировать потребность в деталях на любой период с заданной вероятностью с учетом климатических условий [8-11].
Поршневые кольца изнашиваются как по высоте, так и по радиальной толщине. Износ поршневых колец по высоте тем больше, чем ближе их расположение к днищу поршня. Износ поршневых колец по радиальной толщине значительно больше, чем по высоте. Наибольшему износу по радиальной толщине подвержены маслосъёмные кольца (износ доходит до 480...500 мкм и в 2...2,5 раза превосходит износ верхнего компрессионного кольца), что свидетельствует о наличии абразива в масле.
Упругость первых компрессионных колец в процессе эксплуатации уменьшается до 52 %, маслосъёмных до 15.48 %. Уменьшения упругости вторых и третьих компрессионных колец не наблюдается, а напротив, почти у 90 % этих колец упругость выше допускаемой на 6.24 %.
В табл. 1 приведены среднестатистические величины изменения размера и искажения формы поршневых колец дизельных двигателей Д-160. Исследован закон распределения частостей выхода из строя поршневых колец дизелей землеройных машин, вызванных уменьшением их радиальной толщины [10]. Согласно техническим условиям поршневые кольца необходимо менять, если их износ превышает допустимый. Для установления закона выполнен микрометраж колец двигателей, поступивших на ремонтное предприятие [12]. Размах износа составляет от 30 до 270 мкм. Для удобства обработки весь объём выборов (90 замеров) сгруппированы в восемь разрядов, взятых через 30 мкм. За начало отсчета принимается ложный нуль, равный 150 мкм. Частота попадания случайной величины в разряды показана в табл. 2 [13, 14].
Расчёт опытных частостей, для чего частоты делятся на число всех испытаний
(рис. 2)
* * / * . * , Р* = т* /Ы ; Р: = 5/90 = 0,056; Р2 = 11/90 = 0,122;
Р3* = 14/90 = 0,156; Р4* = 24/90 = 0,267; Р5* = 17/90 = 0,189; Р6* = 9/90 = 0,1; Р7* = 7/90 = 0,078; Р8* = 3/90 = 0,033 .
Таблица 1
Среднестатистические величины износа поршневых колец_
Наименование детали Наименование параметра При поступлении в капитальный ремонт, мкм Приведённые к измерителю работы, мкм1000 м • ч
Бульдозер Экскаватор Бульдозер Экскаватор
Первое компрессионное кольцо Уменьшение высоты 174,86 115,71 35,33 20,44
Уменьшение радиальной толщины 226,05 164,69 61,36 30,81
Увеличение зазора между кольцом и канавкой 328,58 205,88 77,05 55,94
Увеличение зазора в замке 511,04 276,4 118,8 48,85
Таблица 2
Результаты обработки статистических данных_
1 Границы разрядов, Nа + Nд 30 60 60 90 90 120 120 150 150 180 180 210 210 240 240 270
2 Опытные частоты попадания в разряды, т* 5 11 14 24 17 9 7 3
3 Границы разрядов в отклонениях от ложного нуля, а Д -120 -90 -90 -60 -60 -30 -30 0 0 30 30 60 60 90 90 120
4 Середины разрядов, н^ ср -105 -75 -45 -15 15 45 75 105
5 Опытные частости попадания в разряды, р* = да*/N ю 5 о, ,0 сч сч ,0 ич ,0 7 6 СЧ, ,0 9 00 ,0 о о ,0 8 7 о, ,0 3 3 о, ,0
6 Накопленные опытные частости, )= IР* 6 5 о, ,0 8 ,0 4 4 ел ,0 10 ю, ,0 0 9 Г-, ,0 0 9 00, ,0 8 6 ст, ,0 -
7 Центрированные и нормированные отклонения для середины разрядов, ч = N ср. - N)/а 6 Г-, 1- С1 1- 6 ю о4 - о4 - 4 ,0 3 ,0 4 Т 3 о, ,2
8 Табличные плотности вероятности, /(() ^ 8 о, о4 ст о4 о 2 со о4 ю 9 со, о4 сч 6 со о4 00 5 С1 о4 сч о4 о 5 о, о4
9 Теоретические вероятности попадания в разряды, Р = / (г) •АН/ а 6 4 о, ,0 5 о ,0 6 ,0 8 С1 ,0 9 ст ,0 2 ,0 6 6 о, ,0 7 2 о, ,0
10 Теоретические частоты попадания в разряды, Ш; = р • N 4 9 16 20 18 13 6 2
11 Квадраты отклонения, (ш* - т ]2/т 0,25 0,44 0,25 0,80 0,06 1,23 0,17 0,50
12 Правые пределы разрядов, Д -90 -60 -30 0 30 60 90 120
13 Центрированные и нормированные отклонения правых пределов разрядов, = Д - N )/а 8 1- 3 ст, о4 - 8 го сТ - 7 ,0 2 г-, ,0 7 СЧ, 2 00, 7 СП ,2
14 Интегральная функция (вероятность отказа изделия), N Ротк. = 11(Н) dN ¥ 6 6 о, ,0 4 00 ,0 4 4 ел ,0 9 7 «л, ,0 8 5 г-, ,0 3 0 ст, ,0 4 6 ст, ,0 19 ст, ,0
15 Вероятность исправного изделия (кривая ресурса), Р = 1 - Р 1 исп. 1 1 отк. 4 3 ст, ,0 6 00, ,0 6 5 ,0 12 ,0 2 7 С1 ,0 7 9 о, ,0 6 3 о, ,0 9 0 о, ,0
Расчёт опытного математического ожидания отклонения величины износа от ложного нуля [15]:
М* Nр )= |Нм;
I=1
М* (нр )= -105 • 0,056 + (- 75 • 0,122) + (- 45 • 0,0156)+ (-15 • 0,267) +
+15 • 0,189 + 45 • 0,1 + 75 • 0,078 +105 • 0,03 = -26,06 +16,93 = -9,13 мкм.
Таким образом, центр опытного распределения смещен от ложного нуля в меньшую сторону на 9 мкм и, следовательно, наработка на отказ примерно равна 141 мкм.
Расчёт статистической дисперсии [16]:
О* (НрН )= | Н - N)2у*; /=1 643
D (N ¡>it )=(-105+9>13)2 • °,°56+(-75+9'13)2 • °,122+
+ (- 45 + 9,13)2 • 0,156 + (-15 + 9,13)2 • 0,267 + (15 + 9,13)2 • 0,189 + + (45 + 9,13)2 • 0,1 + (75 + 9,13)2 • 0,078 + (105 + 9,13)2 • 0,03 = 2599,87
мкм.
1 разрядов в отклонениях ог ложногс
Рис. 2. Гистограмма распределения опытных частостей износа поршневых колец по радиальной толщине (1) и выравнивающая её теоретическая кривая (2)
Расчёт несмещённой оценки для среднеквадратического отклонения [17, 18]:
) = £(Ы) = д/п • В (Ы)/(п -1);
¿(Ы) = 8 • 2599,86/ (8 -1) = 54,51 мкм. Таким образом, применяя метод моментов, экспериментальное распределение
выравнивается нормальным законом следующего вида:
e — IN +9 1Л )2 1 ^ ( Л Z 1 )2
/ (Ы ) = в^^Л^54,51)2^!^.
Расчёт вероятности попадания случайный величины в разряды приближенным способом (можно также использовать функцию Лапласа или интегральную функцию) [8, 9]. Результаты расчетов сведены в табл. 2 (столбцы 7, 8, 9).
Расчёт теоретической частоты попадания случайной величины в разряды:
mi = P • N.
Данные сведены в табл. 2 (столбец 10).
Для выяснения принадлежности опытных данных к нормальному закону необходимо определить X2 Пирсона:
n i=1
(m* - mi J/mi
Данные расчета сведены в табл. 2 (столбец 11).
На основании полученного значения X2 = 9,38 и числа степеней свободы г = К - £ = 8 - 3 = 5 введено в таблицу Пирсона [15]:
Р(с2; 4)= Р(9;5) = 0,109 > 0,1, где г - число степеней свободы, т.е. разность между числом опытов и числом констант, которые уже вычислены по результатам этих опытов независимо друг от друга; К -число разрядов, К = 8; £ - число используемых связей (число констант), которые представляют собой следующие зависимости:
Ы * Ы - М( —\2 * \ £ Р * = 1; £ х* 7* » х; X (х - X) 7* = В (х), *=1 *=1 *=1
где Ы = 90.
Таким образом, гипотеза о принадлежности опытной гистограммы к нормальному закону при уровне значимости а = 0,1, проверенная по критерию согласия Пирсона, не отвергается, т.е. принимается.
[15]:
Выполнена проверка принятой гипотезы с помощью критерия Романовского
(х2 - 1)Д/2т < 3; (9,38 -5)Д/2^5 = 1,34 < 3.
Следовательно, и по критерию Романовского нулевая гипотеза о принадлежности опытных данных к нормальному закону оправдывается.
Выполнена проверка принятой гипотезы с помощью критерия согласия Колмогорова, по которому определяется максимальное значение модуля разности между опытной и теоретической функции:
А
тах
тах>
1 = Атах^Й.
[Г (х)-Р(х)_
По специальным таблицам найдены:
Р(1) = Р[Ашах л/й]> 0,6; Ашах = 0,79 - 0,758 = 0,032;
1 = 0,032л/90 = 0,302; Р(0,302) = 10 > 0,6.
Следовательно, гипотеза отвергается.
На основе значений, приведённых в табл. 2 (столбцы 6 и 14; 14 и 15) построены графики, представленные на рис. 3 и 4.
Из рис. 4 следует, что 100 % ресурс поршневых колец по радиальной толщине составляет 15 мкм; 75 % - при 70 мкм; 50 % - при 110 мкм и 0 % - при 240 мкм.
По гистограмме видно, что теоретическая кривая износов поршневых колец близко воспроизводит полигоны эмпирического распределения, подчиняемого нормальному закону Гаусса (рис. 4). Для достоверного утверждения предварительной гипотезы выполнена проверка по критериям Х-квадрат Пирсона, Колмогорова и Романовского.
а Я
3 0,8 а
я
| 0,6 5
л
I 0,4 я
га
о
/О у
45
75
105
135 165 195 225 255 -♦-1 -я- 2 Середины границы разрядов
Рис. 3. Графики опытной (1) и теоретической (2) интегральных функций
о
я
§
о,
«
т
0,8
0,6
0.4
0,2
У ^ — *
/ С
\
у У
Л г г
0
30
60
90
120 150 180 210 240 1 _ф_2 Границы разрядов
Рис. 4. Графики вероятности отказа (1) и ресурса (2) поршневого кольца
Расчёт величины доверительного разброса среднего результата, отвечающего
доверительной вероятности р = 90 %. Для этого определено среднеквадратическое ото
клонение среднего результата [17]:
dM = S(x)l4n = 54,51/V8 = 54,512,83 »19,26 мкм.
Половина доверительного интервала составляет:
а = dM* (x) arg 0(Pg = 90 %) = 19 • 1,64 = 31,16;
lg
Ig = M * (x )-d< M (x )< M * (x + d)j
или = 110-31 <М(И)< 110 + 31 или = 79Н <М(И)< 141В,
где Н - нижняя или пессимистическая составляющая; В - верхняя или оптимистическая составляющая (рис. 5).
С вероятностью р = 90 % можно утверждать, что нормальная эксплуатация
§
двигателей внутреннего сгорания при прочих значениях деталей будет обеспечена при износе поршневых колец не меньше 79 мкм и не больше 141 мкм, но при другом значении доверительной вероятности доверительный интервал будет другой (рис. 5).
225 255 Износ, мкм
Рис. 5. Доверительный интервал разброса среднего результата с вероятностью 90 %
Кроме исследования износа поршневых колец двигателя Д-160, был произведен микрометраж поршневых колец двигателей ЯМЗ-238 после среднего пробега 170 тыс. км. При этом установлено, что интенсивность износа первого компрессионного кольца по высоте в среднем составила 0,7 мкм на 1000 км пробега. Износы поршневых колец по высоте в разных цилиндрах одного и того же двигателя, и других двигателей незначительно отличаются друг от друга и носят закономерный характер. Полученные результаты по износам поршневых колец (табл. 3) были обработаны методом математической статистики [15].
В результате расчётов получено, что средневзвешенная величина износа первого компрессионного кольца по высоте X = 118,5 мкм, среднеквадратическое отклонение
о = 29,8 мкм, разница между средними величинами дх = 20 мкм. Данные расчётов сведены в табл. 3. По величинам опытной (п) и теоретической (п|) частоты случаев видно
довольно близкое их расположение.
Таким образом, можно утверждать, что полученные экспериментальные данные по износу поршневых колец по высоте являются достоверными закону распределения и могут быть использованы для определения интенсивности износа поршневых колец двигателей ЯМЗ-238.
Таблица 3
Вспомогательные данные для расчета износа поршневых колец по высоте двигателя_
Интервалы износов, мкм Средний износ, XI, мкм Опытная частота случаев, щ, мкм х = (Х; - X )/а ^ = Г (х) Теоретическая частота случаев, ! щ, мкм
50...70 60 6 1,946 0,0608 2,94
71.90 80 9 1,270 0,1781 8,58
91.110 100 13 0,604 0,3332 15,81
111.130 120 18 0,069 0,3980 19,28
131.150 140 14 0,738 0,3034 14,46
151.170 160 8 1,4 0,1497 7,23
171.190 180 4 2,08 0,0459 2,22
2 Щ = 72
С учетом полученных результатов внесены коррективы в технологические процессы ремонта двигателей внутреннего сгорания на ремонтных предприятиях и в эксплуатационных хозяйствах ГЛАВСЕВКАВСТРОЯ и даны следующие рекомендации.
1. Определение технического состояния двигателей на эксплуатационных предприятиях пока носит субъективный характер, что ведёт к недоиспользованию ресурса и непроизводительным затратам. Необходимо обязать эксплуатационные предприятия перед отправкой двигателей в капитальный ремонт вскрывать головки и замерять гильзы и зазоры. Наиболее рационально для этой цели пользоваться методами диагностики без частичной разборки двигателей.
2. При планировании капитальных ремонтов целесообразно применять средневзвешенные сроки службы двигателей до первого капитального ремонта и между ними.
3. Детали цилиндропоршневой группы целесообразно изготавливать с чистотой поверхности: гильз (Rz = 0,4...0,32 мкм ); юбки поршня (Rz = 5,0...2,5 мкм); наружной поверхности колец (Rz = 3,2...2,0 мкм); верхней торцевой поверхности колец (Rz = 2,0...1,25 мкм).
Список литературы
1. Гурвич И.Б. Эксплуатационная надежность автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1994. 144 с.
2. Кугель Р.В. Эксплуатационная надежность тракторов. М.: Агропромиздат, 1990. 112 с.
3. Гурвич И.Б. Износ и долговечность двигателей. Горький: Волго-Вят. кн. изд-во, 1970. 176 с.
4. Канарчук В.Е. Долговечность и износ двигателей при динамических режимах работы. Киев: Наук. думка, 1978. 255 с.
5. Мишин И.А. Долговечность двигателей. Ленинград: Машиностроение, 1968.
260 с.
6. Алексаньян И.М., Хачкинаян А.Е. Обоснование необходимости проведения капитального ремонта машин // Тр. Междунар. науч.-практ. конф. «Транспорт-2019». Ростов-н/Д: РГУПС. 2019. С. 243-247.
7. Алексаньян И.М., Хачкинаян А.Е. Анализ причин низкого качества ремонта машин // Тр. Междунар. науч.-практ. конф. «Транспорт-2019». Ростов-н/Д: РГУПС. 2019. С. 248-251.
8. Алексаньян И.М., Дубенко О.Я. Износ деталей двигателей транспортно-технологических машин: монография. Ростов н/Д: РГУПС, 2015. 139 с.
9. Алексаньян И.М., Нахимович И.А. Основы теории надежности: учеб. пособие. Ростов н/Д: РГУПС, 2017. 116 с.
10. Алексаньян И.М. Исследование износа деталей цилиндро-поршневой группы дизелей землеройных машин // Сб. Междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные технологии в машиностроении». Ростов н/Д. 2009. С. 380-385.
11. Алексаньян И.М., Казаченко А.С., Атаскевич А.Ю. Исследование износа поршневых колец дизелей землеройных машин // Тр. Междунар. науч.-практ. конф. «Транспорт-2013». Ростов-н/Д: РГУПС. 2013. С. 123-125.
12. Алексаньян И.М. Методика измерения параметров поршневых колец ДВС бульдозеров // Тр. Междунар. науч.-практ. конф. «Транспорт-2014». Ростов-н/Д: РГУПС. 2014. С. 11-14.
13. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и её инженерные приложения. М.: Высшая школа, 2000. 480 с.
14. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и её инженерные приложения. М.: Высшая школа, 2000. 383 с.
15. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента: справочное руководство. М.: Наука, 1971. 192 с.
16. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности: основные характеристики надежности и их статистический анализ. М.: Либроком, 2012. 582 с.
17. Уиттекер Э., Робинсон Г. Математическая обработка результатов наблюдений. М.: Книга по Требованию, 2018. 382 с.
18. Длин А.М. Математическая статистика в технике. М.: Книга по Требованию, 2013. 468 с.
Алексаньян Ирина Маркосовна, канд. техн. наук, доцент, erm@,kaf.rgups.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Хачкинаян Амбарцум Ервандович, канд. техн. наук, доцент, ambarzum21 @yandex.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
RESEARCH OF RELIABILITY OF PISTON RINGS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES BY STA TISTICAL METHOD
I.M. Alexanyan, A.E. Khachkinayan
The collected statistical material on wear of piston rings of internal combustion engines of construction and road vehicles operated at construction sites in the Rostov region is presented. This material is processed according to the normal Gauss law and data on wear and service life of piston rings are obtained, which can be used in repair plants and in operational farms of the country.
Key words: internal combustion engine, piston rings, wear, reliability, service life.
Alexanyan Irina Markosovna, сandidate of technical sciences, docent, erm@,kaf.rgups.ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,
Khachkinayan Ambarzum Ervandovich, сandidate of technical sciences, docent, ambarzum21@yandex. ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University
