CC BY
10
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ДРЕВЕСИНЫ
УДК 630.375.4:658.588.2
Хвойные бореальной зоны. 2021. Т. XXXIX, № 4. С. 276-285
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НА ИЗНОС ДВИГАТЕЛЯ ЛЕСОТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ
В. С. Байделюк, Я. С. Гончарова
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: baydelyuk@bk.ru
Представлены результаты исследовательской работы, цель которой — исследовать влияние неустановившихся режимов работы на износ двигателя лесной машины. Двигатели лесных машин работают в условиях неустановившихся нагрузочных и скоростных режимов, характеризующихся значительными колебаниями амплитуды (до 0,15Мс) и частоты (0,1... 10) Гц момента сопротивления, которые вызывают дополнительные динамические нагрузки на элементы двигателя, существенно влияет на их износ. В статье приводятся результаты исследования влияния частоты и амплитуды изменения нагрузки, скорости и ускорений коленчатого вала на интенсивность изнашивания основных деталей двигателя ЯМЗ 238НБ: установлено, по сравнению с установившимися режимами работы, значительное увеличение интенсивности изнашивания деталей на частоте (0,7.0,9) Гц: поршней и верхних компрессионных колец в 2,5.3 раза; коренных и шатунных подшипников - в 1,6... 1,7 раза. Установлено, что при определенной угловой скорости коленчатого вала (т = 130... 145 1/с) интенсивность изнашивания основных деталей приобретает минимальные значения, что позволяет рекомендовать этот диапазон скоростей в качестве основных эксплуатационных режимов.
Ключевые слова: дизельный автотракторный двигатель, неустановившийся режим работы, частота и амплитуда колебаний момента сопротивления, износ двигателя.
Conifers of the boreal area. 2021, Vol. XXXIX, No. 4, P. 276-285
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF UNSTEADY OPERATING MODES ON THE WEAR OF THE ENGINE OF A FOREST TRANSPORT VEHICLE
V. S. Baidelyuk, Ya. S. Goncharova
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: baydelyuk@bk.ru
The results of the research work are presented, the purpose of which is to investigate the influence of unsteady operating modes on the wear of the engine of a forest machine. The engines offorest machines operate in conditions of unsteady load and speed modes characterized by significant fluctuations in amplitude (up to 0.15 Ms) and frequency (0.1...10)Hz of the moment of resistance, which cause additional dynamic loads on the engine elements, significantly affects their wear. The article presents the results of a study of the influence of the frequency and amplitude of changes in the load, speed and acceleration of the crankshaft on the wear rate of the main parts of the YAMZ 238NB engine: it was found, compared with the established operating modes, a significant increase in the wear rate of parts at a frequency of (0.7...0.9) Hz: pistons and upper compression rings by 2.5...3 times; main and connecting rod bearings - by 1.6...1.7 times. It is established that at a certain angular velocity of the crankshaft (т = 130...145 1 / s), the wear intensity of the main parts acquires minimal values, which allows us to recommend this speed range as the main operating modes.
Keywords: diesel tractor engine, unsteady operation mode, frequency and amplitude of oscillations of the resistance moment, engine wear.
ВВЕДЕНИЕ
В лесной промышленности эксплуатация транспортных и технологических машин характеризуется повышенной интенсивностью изменения скоростных
и нагрузочных режимов в широком диапазоне амплитуд и частот. Быстро изменяющиеся во времени силы сопротивления перемещению машины по волоку или лесосеке вызывают неустановившиеся режимы рабо-
ты, значительно влияющие на работу двигателя, его загрузку и его долговечность.
Исследования эксплуатационных режимов трелевочных тракторов [1; 2; 6] показали, что в любой момент времени текущее значение сил сопротивления определяется двумя составляющими: постоянной, равной (0,75-0,85) Мн, и переменной, равной 0,15 Мн -номинального момента двигателя.
Частотный спектр изменения сил сопротивления можно разделить на две зоны [5]: первая зона характеризует медленное протекание процесса с периодом изменения (Т) более 10 сек < 0,1 Гц. Изменение сил в этом диапазоне доступно для регулирования регулятору двигателя и человеку. Они определяются изменением макроусловий и учитываются уравнением тягового баланса. Достаточно полной характеристикой их является математическое ожидание (дх) или среднее значение и дисперсия (Д) так как постоянная времени двигателя (Тд) значительно меньше периода изменения этих сил и реакция двигателя на их воздействие заранее известна.
Вторая зона частот характеризует быстропроте-кающие процессы с периодом менее 10 сек > 0,1 Гц, которые доступны для регулирования лишь регулятору двигателя. Эти силы уравнением тягового баланса не учитываются и могут быть охарактеризованы спектральной плотностью случайного процесса, описывающей микроусловия, в которых работает машина.
Исследуя влияние неустановившихся режимов работы на динамические характеристики двигателя, экспериментально установлено [4]:
1) для двигателя ЯМЗ-238НБ существует диапазон частот изменения момента сопротивления на коленчатом валу (/"= 0,7...0,9 Гц), в котором возможно максимальное отклонение основных параметров от средних значений их на сопоставимы установившихся режимах;
2) в диапазоне частот (/= 0,7.0,9 Гц) изменения Мс наблюдается совпадение частот вынужденных колебаний с собственной частотой чувствительного органа регулятора, что приводит систему «двигатель-регулятор» в резонансное состояние.
Из приведенного анализа влияния переменных нагрузок на показатели двигателя следует, что на неустановившихся режимах работы двигателя имеет место значительное увеличение динамических показателей рабочего цикла (Рг - на 12,5 %; АР/Дф)ср - на 32 %), по сравнению с сопоставимыми установившимися режимами. Увеличение динамических показателей цикла («жесткости» рабочего процесса) ведет к увеличению удельных динамических нагрузок на сопряжения и к повышению интенсивности износа основных деталей двигателя при работе на неустановившихся режимах.
В связи с использованием на лесоразработках новых специализированных машин с дизельными двига-
телями общего назначения, актуальность задачи исследования влияния неустановившихся режимов на износ двигателя возрастает.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Исследовать влияние амплитуды и частоты изменения нагрузки на износ двигателя ЯМЗ 238НБ.
2. Исследовать влияние угловой скорости и ускорения коленчатого вала на износ двигателя ЯМЗ 238НБ.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ
НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ
НА ИЗНОС ДВИГАТЕЛЯ ЯМЗ-238НБ
Исследование влияния неустановившихся режимов работы дизельного двигателя на его износ осуществлялось на лабораторной установке [4] по методике [3] полунатурных испытаний дизельного двигателя. В качестве объекта исследований был выбран двигатель ЯМЗ-238НБ, используемый на тракторах К-700, К-703, К-744 и автомобиле КрАЗ-255Л широко используемых в лесной промышленности.
Испытаниям подвергался новый двигатель ЯМЗ-238НБ серийного производства, прошедший обкатку на стенде в течение 60 часов по режимам рекомендованным заводом-изготовителем, после чего двигатель был оснащен дополнительными датчиками контроля основных параметров работы двигателя и выполнены все работы, связанные с подготовкой двигателя к испытаниям.
С целью исследования влияния неустановившихся режимов работы двигателя на его износ был проведен цикл опытов сначала на установившихся режимах, а затем на неустановившихся режимах работы.
Первый цикл испытаний проводился на установившихся режимах: 5 режимов скорости коленчатого вала ю и 4 ступени нагрузки Ре на каждом скоростном режиме (табл. 1).
Второй цикл испытаний проводился на неустановившихся режимах (табл. 2, 3).
На этих режимах нагрузка изменялась по синусоидальному закону с постоянной амплитудой и переменной частотой изменения сопротивления при фиксированном положении рычага управления топливным насосом [4]. Нагрузочные и скоростные режимы, пределы интенсивность их изменения были выбраны по данным эксплуатационных испытаний трактора К-703 и других лесотранспортных машин [1; 5; 6]. В качестве критерия для сравнительной оценки интенсивности изнашивания основных деталей двигателя при работе на различных сопоставимых режимах было принято равенство условных работ, выполняемых на этих режимах. Необходимым и достаточным условием этого требования явилось то, что на сравниваемых режимах нагрузочные и скоростные параметры соответствовали их эквивалентным значениям [3].
Таблица 1
Режимы испытания двигателя на установившихся режимах
ю, 1/с Ре, МН/м2 ю, 1/с Р„, МН/м2
1 2 3 4 1 2 3 4
94 0,45 0,55 0,65 0,73 157 0,45 0,55 0,65 0,73
115 178
136
Таблица 2
Режимы исследования влияния частоты / изменения нагрузки Рэ на износ двигателя ЯМЗ-238НБ при (8 = 0,20)
f, Гц ю, 1/с Рэ, МН/м2 f, Гц ю, 1/с Рэ, МН/м2 f Гц ю, 1/с Рэ, МН/м2
0,0 0,50 1,25
0,05 0,60 1,50
0,10 136 0,65 0,70 136 0,65 1,75 136 0,65
0,20 0,80 2,00
0,30 0,90 2,50
0,40 1.00 3,00
Таблица 3
Режимы исследования влияния амплитуды изменения нагрузки А Ре и ускорений £ на износ двигателя ЯМЗ-238НБ (юср = 136 1/с)
Ре, МН/м2 ДРе, МН/м2 Ре, МН/м2 ДРе, МН/м2
0,55 0 0,65 0
0,52-0,58 0,06 0,62-0,68 0,06
0,49-0,61 0,12 0,59-0,71 0,12
0,46-0,64 0,18 0,56-0,74 0,18
0,43-0,67 0,24 0,53-0,77 0,24
Исследования влияния ускорений коленчатого вала двигателя ЯМЗ-238НБ на износ основных его деталей проводилось при среднем моменте сопротивления Мсср = 745Нм на 5 ступенях средней скорости: юср = (94, 115, 136,157, 178) 1/с и 6 ступеням ускорений: s = (0, 5, 10, 15, 20, 25) 1/с2.
Для исключения влияния пусковых износов на результаты испытаний прогрев двигателя до нормального теплового состояния (температура воды: +85 °С, масла: +80 °С) осуществлялся в следующем порядке: пуск двигателя электротормозным стендом, работа без нагрузки при ю = 85 1/с, (п = 800 об/мин) в течение 2 минут, работа с нагрузкой Ме = 350 Нм при ю = 136 1/с, (п = 1300 об/мин) в течение 20 минут. Так как исходная температура воздуха в помещении была 23-25 °С, прогрев длился одинаковое время. При этих условиях ошибка, вносимая в результаты эксперимента, была систематической.
ВЫБОР МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА
Достоверность результатов оценки износа двигателя зависит от правильности способа измерения, который будет определяться целью исследований. В последнее время в исследовательской практике наиболее часто применяются методы измерения износа двигателя: метод микрометрирования (ГОСТ 1850988), метод взвешивания деталей, метод искусственных баз, метод спектрального анализа, метод радиоактивных изотопов.
Анализируя отмеченные выше методы измерения износа, можно заключить, что для исследования влияния неустановившихся режимов работы на износ двигателя при сравнительных испытаниях наиболее приемлемыми является метод спектрального анализа, так как он обладает высокой чувствительностью, не требует специальной дорогостоящей подготовки и разборки двигателя и позволяет определить суммарный износ основных групп деталей, что удовлетворяет требования, предъявляемые к сравнительным испытаниям.
Для определения величины линейного износа гильз цилиндров в этом случае целесообразно применить метод искусственных баз (лунок на зеркале цилиндра) [8], так как он позволяет производить замеры износа без нарушения сопряжения «кольцо-гильза».
МЕТОДИКА ОТБОРА ПРОБ МАСЛА
И ОТЛОЖЕНИЙ ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО
АНАЛИЗА
Основное требование к пробе масла заключается в том, что она должна отражать средний состав масла в картере двигателя и отложений в элементах системы смазки.
С целью выявления характера распределения продуктов износа в системе смазки был проведен анализ масла и отложений, отобранных из различных частей системы через 30, 45 и 60 часов работы двигателя. Спектральным анализом проб масла и отложений, выполненном на малогабаритной фотоэлектрической установке МФС-3 был установлен характер распределения продуктов износа по узлам системы смазки. Анализ распределения продуктов износа по системе смазки двигателя показал, что наибольшая вероятность накопления продуктов износа в центробежном фильтре тонкой очистки и фильтре грубой очистки масла. Анализ проб отложений, взятых из фильтра грубой очистки масла и грязеуловителей шатунных шеек коленчатого вала, имели большое рассеивание, вследствие попадания в отложения крупных частиц износа. Поэтому в период испытаний отбор проб для анализа осуществлялся из центробежного фильтра тонкой очистки масла и главного масляного канала системы смазки.
Пробы масла отбирались через специально установленный в главный масляный канал пробковый краник, в конце каждого режима при работающем на холостых оборотах двигателя.
Отбор проб отложений из ротора центрифуги осуществлялся специальным пробоотборником в количестве 5 г, по специальной схеме [9], чтобы не нарушать балансировки ротора. Количество отложений определялось по разности весов ротора до и после работы на режиме. Центрифуга очищалась через 60 часов работы двигателя на стенде, что соответст-
вовало периодичности промывки фильтров, предусмотренной правилами технического ухода.
Пробы масла и отложений направлялись в лабораторию и подвергались спектральному анализу.
МЕТОДИКА АНАЛИЗА ПРОБ МАСЛА
И ОТЛОЖЕНИЙ
Спектральный анализ позволяет раздельно оценивать суммарный износ нескольких групп деталей по характерным химическим элементам, входящим в состав материалов изнашивающихся деталей. Поэтому перед началом испытаний была проведена оценка химического состава основных деталей двигателя. Анализ показал, что из 11 основных деталей 8 содержали железо, поэтому изменение концентрации железа в масле характеризует суммарный износ двигателя.
Суммарный износ подшипников коленчатого вала характеризуется изменением концентрации свинца в масле (на двигателе были установлены бронзовые коренные и шатунные вкладыши: бронза БрС-30 содержит 27-33 % свинца).
В качестве элементов, характеризующих износ отдельных деталей, были приняты: алюминий - поршни; хром - верхние компрессионные кольца.
Для определения износа шатунных подшипников использовался метод вставок-свидетелей из металла, не входящего в состав материалов деталей двигателя. Во вкладыши четвертого шатунного подшипника вмонтировали 10 серебряных вставок-свидетелей, общей площадью 108 мм2 (рис. 1), что достаточно для надежного определения серебра в работавшем масле в течение 10 часов работы двигателя [9].
Рис. 1. Шатунные вкладыши с серебряными вставками-свидетелями
После обкатки двигателя производилось уточнение продолжительности работы на режиме. Для этого двигатель отработал на стенде 16 часов при нагрузке 0,8Н, (125 квт). Через каждые 2 часа работы отбиралась проба масла из главной масляной магистрали, а через 8 часов - и проба отложений из ротора центрифуги. Пробы подвергались спектральному анализу на спектрографе ИСП-30 по методике ВНИИНП [10]. Анализ показал, что за 8 часов работы двигателя на стенде суммарная концентрация серебра в масле и отложениях центрифуги менялась на 2,2х 10-6 %. Такую концентрацию серебра в масле спектральным анализом можно надежно определить. Принятая продолжительность
работы двигателя на режиме составляла 10 часов, что обеспечило получение надежных результатов по измерению концентрации железа, алюминия, меди, хрома, свинца и серебра в масле и отложениях.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА
ПРОДУКТОВ ИЗНОСА В МАСЛЕ
Подсчет количества продуктов износа в картерном масле двигателя определялся по методике, предложенной С. К. Кюрегяном [9] путем суммирования обнаруженного количества их во всех звеньях системы смазки.
Так как в свежем масле содержалось незначительное количество определяемых элементов, подсчет количества продуктов износа в пробах масла осуществлялся по формуле [9]:
Gi = (Qo - Q)( Q -i ■ Ki-i + Qo ■ Ki) / 2Qo, (1)
где G0 - исходное количество масла в системе и смазки двигателя, в кг (25 кг); Qi-1; Qi - количество масла, находящегося в двигателе соответственно в начале и конце данного периода, в кг; Ki-1; Ki - концентрация металла в масле соответственно в начале и конце данного периода, в процентах.
Количество продуктов износа, задержанных центрифугой, определялось по формуле [9]:
Gi = Qi ■ Ki + m1 ■ K1 + m2 ■ K2 + ... +
+ m-i ■ Ki-i - Qi-i ■ Ki-i, (2)
где Qi-i и Qi - количество осадков, в кг; mi, m2, ... mi-i, mi - количество отобранных отложений на промежуточных этапах, в кг; Ki, K2,... Ki-i, .Ki - концентрация металлов в отложениях, в процентах.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование влияния частоты и амплитуды изменения момента сопротивления на изнашивания основных деталей двигателя ЯМЗ-238НБ проводилось на режимах, указанных в табл. 2 и 3.
По результатам обработки данных спектрального анализа проб масла и отложений были построены графики рис. 2-4.
Из представленных графиков (рис. 2 и 3) видно, что характер накопления всех продуктов износа в масле одинаков: интенсивность износа деталей на частоте f = 0,i Гц приближается к значениям ее на установившихся режимах (е = 0). По мере роста частоты изменения Мс интенсивность изнашивания резко возрастает, достигая своего максимума на частоте f = 0,8 Гц. Дальнейшее увеличение частоты изменения Мс ведет к снижению интенсивности изнашивания деталей цилиндропоршневой группы (рис. 2) и кри-вошипно-шатунного механизма (рис. 3), которая на частоте более 2,0 Гц приближается к значениям на установившихся режимах (f = 0).
На частоте f = 0,8 Гц интенсивность изнашивания основных деталей двигателя, по сравнению с установившимся режимом, увеличивается: поршней (Al) -в 2,5 раза; верхних компрессионных колец (Cr) - в 3,0 раза; железосодержащих деталей (в основном гильз цилиндров и верхних компрессионных колец) -
в 1,75 раза; четвертого шатунного подшипника (Ag) -в 1,66 раза; суммарный износ шатунных и коренных подшипников (РЬ) - 1,7 раза; медесодержащих деталей (коренных и шатунных подшипников, втулок распредвала и головок шатунов) - в 1,64 раза.
Характер кривых влияния частоты изменения момента сопротивления на интенсивность изнашивания
хорошо совпадает с характером ускорений коленчатого вала, что свидетельствует об определяющем влиянии их на износ в этих условиях. Ускорения коленчатого вала в период микроразгона являются причиной повышения динамических нагрузок на коренные и шатунные подшипники, что увеличивает интенсивность их изнашивания.
А1 Сг
2Л 2,8
Рис. 2. Зависимость износа деталей цилиндропоршневой группы от частоты изменения момента сопротивления
Рис. 3. Зависимость износа коренных и шатунных подшипников от частоты изменения момента сопротивления
Р6
10
0.06
0.12
б
А, Р& 0,55
2-Р. - 1
136
А*
ол< йР. а*
Рис. 4. Влияние амплитуды изменения нагрузки на интенсивность изнашивания поршней (А1), верхних компрессионных колец (Сг) и железосодержащих деталей (а) и подшипников коленчатого вала (б) двигателя ЯМЗ238НБ
а
Графики, представленные на рис. 4, иллюстрируют влияние амплитуды изменения нагрузки (дРе) на интенсивность изнашивания основных деталей двигателя при постоянных средних значениях угловой скорости (юср = 135 1/с) и ускорениях коленчатого вала е = (0...4) 1/с2.
С увеличением амплитуды переменной составляющей момента сопротивления интенсивность изнашивания деталей увеличивается. При изменении дРе от 0 до 0,24 Мн/м2 (0.2,45 кг/см2) интенсивность изнашивания увеличивается по сравнению с установившимся режимом: поршней (Л1) - в 1,6-1,65 раза; верхних компрессионных колец (Сг) - в 3,0 раза; железосодержащих деталей (в основном гильз цилиндров и верхних компрессионных колец) - в 1,74-2,4 раза; четвертого шатунного подшипника (Лg) -в 1,50-1,66 раза; суммарный износ шатунных и коренных подшипников (РЬ) -1,63-1,80 раза.
Обращает на себя внимание высокая интенсивность изнашивания поршневых колец (Сг) и гильз цилиндров (Ре). Эта пара трения работает в тяжелых условиях, где не обеспечивается гидродинамический режим смазки. С увеличением нагрузки (Ре) повышается вероятность металлического контакта поршневого кольца с гильзой, что и ведет к повышенному износу этих деталей.
Причиной увеличения интенсивности изнашивания коренных и шатунных подшипников при колебаниях нагрузки является увеличение удельных нагрузок на эти сопряжения в условиях примерно постоянной несущей способности масляного клина.
Анализ влияния частоты изменения Мс показывает, что частоты более двух герц практически не влияют на интенсивность изнашивания деталей двигателя и воспринимаются им как высокочастотные колебания. Учитывая то, что амплитуды колебаний Мс на частотах (0,3.10,0) Гц могут иметь значительную величину, можно предположить, что они оказывают влияние лишь на усталостную прочность деталей кривошипно-шатунного механизма двигателя.
Так как кривые интенсивности изнашивания основных деталей двигателя по характеру совпадают с кривой ускорений коленчатого вала, которые определяются динамическими свойствами его [4], можно заключить, что интенсивность изнашивания этих деталей на неустановившихся режимах зависит не только от характера внешних воздействий, но и от динамических свойств двигателя.
Исследование влияние угловой скорости и ускорения коленчатого вала на износ двигателя ЯМЗ 238НБ проводилось на режимах, указанных в табл. 3.
Интенсивность изнашивания железосодержащих деталей двигателя характеризуется интенсивностью поступления железа в масло двигателя за 6,28х105 радиан (105 оборотов) коленчатого вала при эквивалентных затратах энергии.
На рис. 5, а представлена зависимость интенсивности изнашивания деталей двигателя от угловой скорости коленчатого вала при фиксированных значениях ускорений. Из графика видно, что характер интенсивности изнашивания этих деталей повторяется при всех значениях ускорений и имеет явно выраженный минимум при ю = 115.135 1/с. Интенсивность изнашивания их несколько повышается с уменьшением угловой скорости вала ниже ю = 115 1/с и значительно возрастает с ростом угловой скорости вала выше ю = 135 1/с. Так, увеличение угловой скорости от 125 1/с до 178 1/с приводит к увеличению поступления железа в масло в 1,36 .1,47 раза.
На рис. 7, а представлена зависимость интенсивности изнашивания железосодержащих деталей от ускорений при тех же условия, что и на рис. 5, а. Из графика видно, что интенсивность изнашивания этих деталей возрастает с увеличением ускорений, причем, чем больше угловая скорость коленчатого вала, тем большее влияние ускорений на интенсивность изнашивания: при условиях е = 25 1/с2 и угловой скорости вала ю = 178 1/с интенсивность поступления железа в масло в 1,67 раза больше, чем при этой же скорости на установившемся режиме (е = 0).
Ре,
12
10
- 0,20 /
£-23^ /
1 1 ^
е- 5
•
94 115 (36 ¡57
А1
-г*
I
о
Л 20
15 10
Ме.ср" 745ищ $«-0,20 —-— № С? /
*
■ч. 1 Лг>* ГУ, / ✓ /
о*
си
I
О
^ «5 116 157 и1, *
б
Рис. 5. Влияние угловой скорости коленчатого вала двигателя на интенсивность изнашивания железосодержащих деталей (а), поршней (А1) и поршневых колец (Сг) (б) двигателя ЯМЗ-238НБ
а
Такую же зависимость изнашивания имеют верх- вышение тепловой напряженности цикла способству-
ние компрессионные кольца и поршни. Рис. 5, б ил- ет ухудшению работы турбокомпрессора на неуста-
люстрирует влияние угловой скорости, а рис. 8 - ус- новившихся режимах вследствие снижения Р^
корений коленчатого вала на интенсивность изнаши- и 4озд. [11].
вания поршней (Л1) и верхних компрессионных колец Влияние угловой скорости коленчатого вала на
(Сг). Минимальные значения интенсивность изнаши- суммарную интенсивность изнашивания коренных и
вания этих деталей достигает при угловых скоростях шатунных подшипников двигателя (изменение интен-
ю = 115.136 1/с и ускорениях е = 0.5 1/с2 коленча- сивности поступления свинца в масло), при фиксиро-
того вала двигателя. ванных значениях ускорений, представлена на
Увеличение угловой скорости от 136 1/с до 178 1/с рис. 6, а, а рис. 6, б иллюстрирует влияние угловой
при ускорениях е = 0.5 1/с2 приводит к увеличению скорости на интенсивность изнашивания 4-го шатун-
интенсивности изнашивания поршней в 1,4 раза, ного подшипника (изменение интенсивности поступ-
верхних поршневых колец - в 1,65 раза, а с увеличе- ления серебра в масло).
нием ускорений до е = 20.25 1/с2 при тех же услови- Так же, как и в рассмотренных выше примерах,
ях интенсивность изнашивания увеличивается: порш- наблюдается явно выраженный минимум кривых ин-
ней - в 1,6 раза, а верхних компрессионных колец - тенсивности изнашивания этих деталей при угловой
в 2 раза. Влияние ускорений на интенсивность изна- скорости коленчатого вала ю = 136.157 1/с на уста-
шивания этих деталей возрастает с увеличением угло- новившихся режимах работы (е = 0) и на неустано-
вой скорости коленчатого вала. Так, при увеличении вившихся режимах с малыми ускорениями (е < 5 1/с2).
ускорений коленчатого вала от 0 до 25 1/с2, при При снижении угловой скорости от 136 1/с до 94 1/с
ю = 178 1/с поршней - в 1,75 раза, колец - в 2,3 раза. также и при повышении ее от 157 1/с до 178 1/с при
Основная причина повышенной интенсивности ускорениях е < 5 1/с2 интенсивность изнашивания ша-
изнашивания деталей цилиндропоршневой группы тунных и коренных подшипников увеличивается не-
при работе на неустановившихся режимах работы, на значительно (на 5.10 %). Рост ускорений коленчато-
наш взгляд, является нарушение нормального проте- го вала существенно увеличивает интенсивность из-
кания рабочего цикла, которое сопровождается по- нашивания его подшипников. Так увеличение ускоре-
вышением жесткости рабочего процесса. Так как со- ний вала от 0 до 25 1/с2 в диапазоне угловых скоро-
пряжение поршневое кольцо-гильза цилиндра работа- стей 94.136 1/с увеличивает интенсивность изнаши-
ет в условиях, где не всегда обеспечивается жидкост- вания 4-го шатунного подшипника 1,4.1,48 раза,
ное трение, то в момент изменения направления дви- а суммарная интенсивность изнашивания коренных и
жения поршня возможен металлический контакт по- шатунных подшипников - в 1,33.1,45 раза. В диапа-
верхностей трения, вероятность которого возрастает зоне угловых скоростей 157.178 1/с интенсивность
на неустановившихся режимах с повышением жест- изнашивания увеличивается: 4-го шатунного под-
кости рабочего процесса: увеличение Р2 и дР/дф вызы- шипника - в 1,55.1,60 раза, суммарная -
вает повышение температуры гильзы и выхлопных в 1,48.1,55 раза. По мере увеличения ускорений ми-
газов ухудшает качество масляной пленки на зеркале нимум кривых пропадает, а при ускорениях более
цилиндра, что и приводит к увеличению интенсивно- 20 1/с2 кривая интенсивности изнашивания 4-го ша-
сти изнашивания этих деталей с ростом угловой ско- тунного подшипника приобретает выпуклый характер
рости и ускорения коленчатого вала двигателя. По- (рис. 8, б).
94 Ц5 136 157
(13 156 137
а
б
Рис. 6. Влияние угловой скорости коленчатого вала на интенсивность изнашивания коренных подшипников (а) и 4-го шатунного подшипника (б) двигателя ЯМЗ-238НБ
Рис. 7. Влияние ускорений коленчатого вала на интенсивность изнашивания железосодержащих деталей (а) и верхних компрессионных колец (б) двигателя ЯМЗ-238НБ
а б
Рис. 8. Влияние ускорений коленчатого вала на интенсивность изнашивания поршней (а) и медесодержащих деталей (б) двигателя ЯМЗ-238НБ
Р6
4«
А,
1- и) -178 ^ !- 5- (О <136^. 4 - ил« 111 к
1
1- со. 2- со »157 ¡1 3-40 »(36^ А - и » 115 ^с
{ \ У
И г
0 5 10 15 го £,¿4 о 5 ю (5 20
а б
Рис. 9. Влияние ускорений коленчатого вала на суммарную интенсивность изнашивания коренных и шатунных подшипников (а) и 4-го шатунного подшипника (б) двигателя ЯМЗ-238НБ
Влияние угловых ускорений на интенсивность изнашивания коренных и шатунных подшипников иллюстрируется рис. 9. Интенсивность изнашивания этих деталей увеличивается с ростом ускорений и тем больше, чем выше угловая скорость коленчатого вала двигателя.
Так как коренные и шатунные подшипники коленчатого вала двигателя работают в условиях жидкостного трения, можно предположить, что некоторое увеличение интенсивности изнашивания их при малых угловых скоростях (ю < 115 1/с) на режимах с малыми ускорениями (е < 5 1/с2) являются следствием низкой несущей способности масляного клина в этих условиях. По мере возрастания угловой скорости (ю >115 1/с) минимальная толщина масляной пленки возрастает, в результате чего интенсивность изнашивания подшипников уменьшается.
Рост ускорений коленчатого вала увеличивает инерционные нагрузки на подшипники, а колебания угловой скорости его вызывают увеличение зоны минимальной толщины масляной пленки в подшипнике и снижение ее несущей способности. В этих условиях вероятность разрыва масляной пленки и возможность металлического контакта трущихся поверхностей возрастает, что и является причиной повышенной интенсивности изнашивания шатунных ми коренных подшипников с ростом ускорений коленчатого вала.
ВЫВОДЫ
1. Сравнительными лабораторными испытаниями установлено, что при работе двигателя ЯМЗ-238НБ на неустановившихся режимах с наиболее характерными для условий эксплуатации параметрами нагрузки (5к = 0,20; Мсср. = 0,75 Ме), интенсивность изнашивания деталей цилиндро-поршневой группы увеличивалась в 1,5.1,7 раза, а деталей кривошипно-шатунного механизма - в 1,4.1,6 раза по сравнению с сопоставимыми эквивалентными установившимися режимами.
2. Установлено, что при определенной угловой скорости коленчатого вала (ю = 130.145 1/с) интенсивность изнашивания основных деталей приобретает минимальные значения, что позволяет рекомендовать этот диапазон скоростей в качестве основных эксплуатационных режимов.
3. Повышение долговечности автотракторных двигателей, работающих в условиях переменных нагрузок, можно осуществлять следующими путями:
- применение оптимальных скоростных и нагрузочных эксплуатационных режимов работы с механическими коробками перемены передач;
- выбором оптимальных динамических свойств системы «двигатель-регулятор», которые обеспечиваются установкой регулятора с частотой собственных колебаний чувствительного органа, превышающую частоту среза двигателя;
- применением бесступенчатых автоматических коробок передач, с характеристиками, обеспечивающими фильтрацию переменной составляющей нагрузки в зоне резонансных частот;
- использование программных устройств, обеспечивающих оптимальный режим работы двигателя.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Анисимов Г. М., Галямичев В. А., Гольдберг А. М. Исследование эксплуатационных режимов трактора ТДТ-55 // Известия вузов, Лесной журнал, 1968. № 2. С. 57-73.
2. Лысоченко А. А. Анализ работы трелевочного трактора. М. : Тракторы и сельхозмашины. 1962. № 1. С. 19-20.
3. Байделюк В. С. Исследование влияния неустановившихся нагрузочных режимов на износ двигателей лесотранспортных машин : дис. .канд. техн. наук. Л., 1974. 136 с.
4. Байделюк В. С., Гончарова Я. С. Исследование влияния неустановившихся режимов работы на выходные параметры двигателя лесотранспортной машины // Хвойные бореальные зоны. 2021. Том ХХХ1Х, № 2. С. 128-135.
5. Васильев К. В. Исследование загрузки двигателя трелевочного трактора ТДТ-40 : дис. . канд. техн. наук. Л., 1962. 128 с.
6. Эгипти А. Э., Прохоров В. Б., Романенко В. И Исследование эксплуатационных режимов работы колесного трактора К-703 в условиях северо-западной зоны. Реферативная информация о законченных НИР в вузах лесотехнического профиля. Машины и механизмы лесной промышленности. Л., РИО ЛТА. 1974. С. 107-109.
7. Леонов О. Б. Неустановившийся режим двигателя // Известия вузов. Машиностроение. 1968. № 8. С. 114-118.
8. Беркович Е. С., Кранин М. Д. Прибор УПОИ-6 для определения износа цилиндров, поршневых колец и поршневых пальцев. М. : АН СССР, 1960. 45 с.
9. Кюрегян С. К. Оценка износа двигателей внутреннего сгорания методом спектрального анализа. М. : Машиностроение, 1965. 152 с.
10.Зимина К. И., Воробьев Г. Г., Орлова М. И. Спектральный анализ золы отработанных моторных масел, нагаров и осадков // Химия и технология топ-лив и масел. 1960. № 5. С. 50-56.
11.Исаев Е. В., Нисневич А. И. Влияние параметров воздуха на выпуске при наддуве на износ поршневых колец тракторного дизеля // Автомобильная промышленность. 1966. № 10. С. 1-3.
REFERENCES
1. Anisimov G. M., Galyamichev V. A., Goldberg A.M. Research of operational modes of the TDT-55 tractor. Izvestiya vuzov, magazine, 1968, No. 2, pp. 57-73.
2. Lysochenko A. A. analysis of the work skidder. M. : Tractors and agricultural machinery, 1962, № 1. C. 19-20.
3. Bideleux V. S. investigation of the effect of unsteady load regimes on the wear of the engines logging machine thesis. ... candidate of Technical Sciences. L., 1974. 136 p.
4. Baidelyuk V. S., Goncharova Ya. S. Investigation of the influence of unsteady operating modes on the output parameters of the engine of a forest transport machine // Coniferous boreal zones. Theoretical and scientific-practical journal, 2021, Vol. XXXIX, No. 2, pp. 128-135.
5. Vasiliev K. V. Investigation of engine loading of the skidding tractor TDT-40: Dis. ... candidate of Technical Sciences. L., 1962. 128 p.
6. Egipti A. E., Prokhorov V. B., Romanenko V. And Research of operational modes of operation of the K-703 wheeled tractor in the conditions of the north-western zone. Abstract information about completed research projects in forestry universities. Machines and mechanisms of the forest industry. L., RIO LTA. 1974, pp. 107-109.
7. Leonov O. B. Unsteady engine mode. Izvestiya vu-zov. Mechanical Engineering, 1968, No. 8, pp. 114-118.
8. Berkovich E. S., Kranin M. D. Device UPOI-6 for determining the wear of cylinders, piston rings and piston fingers. M., USSR Academy of Sciences, 1960, 45 p.
9. Kyuregyan S. K. Evaluation of the wear of internal combustion engines by spectral analysis. M., Mechanical Engineering, 1965, 152 p.
10.Zimina K. I., Vorobyov G. G., Orlova M. I. Spectral analysis of spent engine oil ash, carbon deposits and precipitation. Chemistry and Technology of Fuels and Oils, 1960, No. 5, pp. 50-56.
11.Isaev E. V., Nisnevich A. I. Influence of air parameters on the exhaust during supercharging on the wear of piston rings of tractor diesel. Automobile Industry, 1966, No. 10, pp. 1-3.
© Байделюк В. С., Гончарова Я. С., 2021
Поступила в редакцию 30.01.2021 Принята к печати 20.08.2021
