CC BY
83
УДК 629.33: 621.43
Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко
КОНЦЕПЦИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Представлены концепция и методология решения проблемы ресурсосбережения автомобильных двигателей, заключающаяся в повышении их долговечности в эксплуатации обеспечением мало-износных режимов работы двигателя на основе контроля смазочного процесса и оценки износостойкости в подшипниках коленчатого вала.
Подшипники коленчатого вала, смазочный процесс, износостойкость, ресурс двигателя
R.F. Kalimullin, S.Yu. Kovalenko
THE CONCEPT OF RESOURCE-SAVING OPERATION AUTOMOBILE ENGINES
The concept and methodology of a solution of the problem of resource-saving of the automobile engines, consisting in increase of their durability in operation by ensuring low the wear mode setting on the basis of control of lubricant process and a wear resistance assessment in bearings of a cranked shaft is submitted.
Bearings of a cranked shaft, lubricant process, wear resistance, engine resource
При эксплуатации автомобильного транспорта актуальным является решение научных и практических задач совершенствования методов и средств обеспечения работоспособности двигателей подвижного состава с целью повышения эффективности транспортного обслуживания и минимизации затрат.
Практика эксплуатации автотранспортных средств показывает, что одними из сопряжений, лимитирующих ресурс автомобильного двигателя, являются подшипники коленчатого вала. На долю подшипников коленчатого вала приходится 10-20 % отказов двигателя, для устранения которых требуется 50-70 % затрат на запасные части и 50-60 % трудовых затрат [1].
Основными причинами отказов подшипников являются разрушение и выплавление антифрикционного слоя вкладышей, их задир и проворачивание, чрезмерно увеличенный зазор вследствие изнашивания трущихся поверхностей вкладышей и шеек, интенсивность которого во многом зависит от характера смазочного процесса на различных режимах эксплуатации двигателей. Поэтому,
от режимов пуска и нагружения автомобильного двигателя зависит интенсивность изнашивания, а, в конечном итоге, скорость расходования ресурса. Известно, что существуют такие режимы работы двигателя (малоизносные режимы), при которых интенсивность изнашивания деталей минимальна. Это позволяет предположить, что эксплуатация двигателя преимущественно в малоизносных режимах работы является одним из основных эффективных методов повышения долговечности, однако его применение сдерживается затрудненностью определения таких режимов известными методами.
В связи с вышесказанным развитие методов, средств и технологий ресурсосбережения автомобильных двигателей в эксплуатации является актуальным. Необходима новая научно - обоснованная концепция и методология решения проблемы ресурсосбережения автомобильных двигателей, заключающаяся в повышении их долговечности в эксплуатации обеспечением малоизносных режимов работы на основе контроля смазочного процесса и оценки износостойкости в подшипниках коленчатого вала.
Известно, что ресурс автомобильных двигателей в наибольшей степени ограничивается ресурсом подвижных сопряжений кривошипно-шатунного механизма и цилиндропоршневой группы. В таких сопряжениях изнашивание является наиболее значимым повреждающим процессом, расходующим их ресурс, интенсивность которого во многом зависит от свойств смазочного процесса в эксплуатации и который происходит как во время приработки при обкатке, так и во время штатной эксплуатации двигателя.
Эксплуатация автомобильного двигателя характеризуется широкой вариацией параметров теплового, нагрузочного и скоростного режимов работы. Принято считать, что при эксплуатации двигателя в подшипниках коленчатого вала преобладает режим жидкостной смазки. Однако в реальной эксплуатации происходит его нарушение в таких распространенных случаях, как: пуск двигателя, когда имеет место задержка поступления моторного масла к подшипникам, особенно при низких температурах, повышающих вязкость масла; работа двигателя с большими нагрузками при низкой частоте вращения коленчатого вала; пониженное давление масла в системе смазки, вызванное загрязнением фильтрующего элемента, снижением производительности масляного насоса, а также снижением вязкости масла за счет его перегрева или разжижения топливом; когда зазор в подшипниках превышает допустимую величину вследствие высокой степени изношенности.
Изменение технического состояния вследствие изнашивания приводит к увеличению диаметрального зазора, овальности и конусности, разрушению антифрикционного слоя подшипника, что способствует снижению несущей способности смазочного слоя, уменьшению его минимальной толщины, увеличению вероятности ее разрушения и, соответственно, увеличению продолжительности контактного взаимодействия трущихся поверхностей. Таким образом, нарушение режима жидкостной смазки интенсифицируют процесс изнашивания подшипников и, соответственно, скорость расходования их ресурса.
Известно, что различные режимы работы двигателя вносят разный вклад в эксплуатационный износ. Так, многочисленными исследованиями, в том числе авторов, установлено, что ускоренное изнашивание подшипников характерно при приработке и в условиях низкотемпературного пуска [3]. Однако вопрос о влиянии эксплуатационных режимов на изнашивание подвижных сопряжений решен не в полном объеме.
Для количественной оценки состояния смазочного процесса могут использоваться соответствующие показатели, характеризующие его состояние, которые могут являться критериями отказа подшипников, т. е. признаками нарушения их состояния, при котором они способны выполнять заданные функции согласно требованиям проектной документации.
Повышение долговечности автомобильных двигателей возможно за счет минимизации скорости ухудшения технического состояния подшипников коленчатого вала на основе обеспечения режимов функционирования, обеспечивающих минимальную интенсивность изнашивания.
В связи с этим реализация нового подхода к повышению эксплуатационной надежности двигателей возможна на основе развития методов и средств контроля смазочного процесса и оценки износостойкости в подшипниках коленчатого вала. Известные экспериментальные методы оценки износостойкости основаны на традиционных методах взвешивания, спектрального анализа, микромет-рирования и т. п., что делает их использование для анализа широкого диапазона теплового, нагрузочного и скоростного режимов чрезвычайно трудоемкими и затратными.
Существующие методы и средства диагностирования подшипников коленчатых валов не позволяют достоверно и оперативно оценить смазочный процесс на всех этапах жизненного цикла в них. В связи с этим, совершенствование методов и средств диагностирования для более достоверного и
оперативного определения и прогнозирования технического состояния подшипников коленчатых валов по показателям смазочного процесса является актуальной задачей повышения эффективности эксплуатации автомобильных двигателей.
Сформулирована новая концепция решения проблемы ресурсосбережения автомобильных двигателей, заключающаяся в повышении долговечности автомобильных двигателей в эксплуатации на основе:
1) повышения достоверности и оперативности контроля смазочного процесса и оценки износостойкости в подшипниках коленчатого вала;
2) повышения качества приработки на этапах стендовой и эксплуатационной обкаток автомобильных двигателей;
3) снижения эксплуатационных износов подшипников коленчатых валов на этапе подготовки двигателя к транспортному процессу за счет малоизносных режимов запуска и прогрева;
4) снижения эксплуатационных износов подшипников коленчатых валов на этапе осуществления двигателем транспортного процесса за счет малоизносных режимов нагружения;
5) снижения количества внезапных аварийных отказов автомобильных двигателей вследствие установления требуемой периодичности и содержания профилактических и ремонтных воздействий подшипников коленчатого вала, а также исключения пропуска обнаружения катастрофического состояния за счет совершенствования их диагностирования.
Предложенный подход к повышению эксплуатационной надежности двигателей на основе критериев износостойкости подшипников коленчатого вала позволяет учесть дополнительные факторы и отойти от обобщенных рекомендаций в сфере эксплуатации автотранспортных средств в сторону принятия более обоснованных организационно-технических решений.
Теоретической основой исследования являлись разработанные математические модели переходного смазочного процесса и износостойкости в гидродинамических подшипниках скольжения машин. Для обобщенной оценки смазочного процесса в системе шатунных и коренных подшипников введен параметр Е& «интегральная степень существования смазочного слоя» [7, 9, 11].
В условиях эксплуатации его значение обусловливается соотношением величин внешней нагрузки на подшипник и предельной несущей способности подшипника, и зависит от большого количества факторов:
Е = кг(М ,п,\,а,т,гм ,кР Л,...), (1)
где М - крутящий момент на коленчатом валу, Н м; п - частота вращения коленчатого вала, мин-1; tм - средняя температура масла в подшипнике, °С; /1 - динамическая вязкость масла при температуре tм, Па с; Икр - критическая толщина смазочного слоя, мкм; А - диаметральный зазор в подшипнике, мкм.
Значение параметра Ег изменяется от максимального (Ег )тах = 1, характеризующего установившийся режим жидкостной смазки (бесконтактного взаимодействия) во всех без исключения подшипниках коленчатого вала, до минимального значения (Е& )тп = 0 , при котором хотя бы один
подшипник работает в режиме граничной смазки или сухого трения (контактного взаимодействия). Промежуточные значения параметра 0 < < 1 имеют место в условиях переходного смазочного
процесса при последовательном во времени чередовании жидкостной и граничной смазок.
Интегральная степень существования смазочного слоя в подшипнике коленчатого вала зависит как от температуры масла, так и нагрузочно-скоростного режима, и эти зависимости имеют свои особенности на этапах приработки, установившегося (нормального) и ускоренного изнашиваний.
При работе автомобильного двигателя переменными являются крутящий момент М и частота вращения п . При одинаковом тепловом состояниях двигателя и свойствах моторного масла значения параметров tм и / в модели (1) являются неизменными, и появляется возможность определения
значения параметра в зависимости от параметров режима работы (М и п) и технического состояния (А и Икр), используя модель= Ег(М,п,А,Икр).
При одинаковом техническом и тепловом состояниях двигателя и свойствах моторного масла значения параметров А, tм, Нкр и / в модели (1) являются неизменными, и появляется возможность
определения значения параметра Eg в зависимости от параметров режима работы M и п , используя модель = Е(М,п) [6].
При износе подшипников вследствие приработки или эксплуатационного изнашивания переменным являются параметры Ък и А. При одинаковых режимах работы, тепловом состоянии двигателя и свойствах моторного масла значения параметров М , п , tм и Ц в модели (1) являются неизменными, что позволяет определять значения параметра Eg в зависимости от параметров технического состояния подшипников, используя зависимость Е& = Eg(hкр, А ) [9, 10].
При прогреве двигателя при одинаковых техническом состоянии двигателя и свойствах моторного масла значения параметров ^ , А и /т в модели (1) являются неизменными, что позволяет
определять значения параметра Eg в зависимости от параметров режима работы (M и п ) и температуры масла tм , используя модель БЁ = Eg(M,n,tм) [8].
Для обобщенной оценки износостойкости подшипников коленчатого вала предложен критерий «удельная интегральная износостойкость подшипников WI «, определяемый по формуле:
1 М е яе 100
Wr =--— =-, (2)
1 - Е8Мп (1 - Е8 )ых
где N - процент использования мощности двигателя, %; Ме, пе - крутящий момент и частота вращения коленчатого вала на номинальном режиме работы двигателя; М , п - крутящий момент и частота вращения коленчатого вала на текущем режиме работы двигателя.
Критерий WI безразмерен и принимает значения от 1 до ¥ и зависит от режима взаимодействия трущихся поверхностей () и нагрузочно-скоростного режима работы двигателя (М и п).
Физический смысл параметра заключается в том, что его значение показывает во сколько раз интегральная износостойкость подшипников коленчатого вала на текущем режиме работы двигателя больше интегральной износостойкости на режиме номинальной мощности при постоянном контактном взаимодействии подшипников.
Основываясь на моделях (1, 2), возможно определение значений параметра WI на различных нагрузочно-скоростных режимах работы двигателя. Режим работы, при котором значение параметра
ттг ТХ7 тах
УУ1 ® Ут1 , считается малоизносным.
Величину линейного износа трущихся поверхностей за заданную длительность работы двигателя можно косвенно оценить показателем Ькъ «суммарная протяженность контактов в подшипниках» [4, 5, 8], определяемого по формуле
Къ = -—-1АТ. (3)
кЪ 1=1 60 г
где т - количество интервалов времени установившегося режима работы двигателя; d - средний диаметр шатунной и коренной шеек коленчатого вала, мм;
П - частота вращения коленчатого вала на установившемся режиме работы двигателя, мин-1; АTi - интервал времени установившегося режима работы двигателя, с.
Параметр Ькъ удобен для сравнительного анализа износостойкости подшипников коленчатого вала одного и того же двигателя при одинаковом скоростном режиме п на холостом ходу, но при различных условиях, например, начальной температуре двигателя, свойств моторных масел и присадок к ним, наличии предпусковой тепловой подготовки системы смазки
Использование параметра Ькъ расширяет возможности проведения анализа изменения технического состояния подшипников коленчатого вала вследствие износа при различных эксплуатационных условиях. При известных экспериментальных значениях параметра возможно расчетным ме-
тодом оценить величину износа в подшипниках коленчатого вала при различных эксплуатационных условиях и нагрузочно-скоростных режимах.
Представленная работа направлена на увеличение ресурса автомобильных двигателей вследствие снижения пусковых и эксплуатационных износов за счет обеспечения малоизносных режимов работы при эксплуатации двигателя, совершенствования методов и средств диагностирования, рациональной технологии стендовой и эксплуатационной обкаток, выбора оптимальных моторных масел и присадок к ним, выбора оптимальных средства предпусковой тепловой подготовки двигателей на основе разработанного комплекса теоретических, методических, технических и экспериментальных решений контроля смазочного процесса и оценки износостойкости подшипников коленчатого вала.
Обеспечение эксплуатации двигателей автотранспортных средств преимущественно в мало-износных режимах способствует повышению их долговечности и, как следствие, минимизации затрат и повышению эффективности транспортного обслуживания.
Полученные результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с данными других исследователей. Однако предлагаемые методы определения малоизносных режимов пуска и нагружения автомобильного двигателя на основе экспериментальной оценки интегральной износостойкости подшипников коленчатого вала требует существенно меньших трудовых и материальных ресурсов и имеет существенную практическую значимость.
Результаты работы рекомендуется использовать в автотранспортных предприятиях с целью обеспечения малоизносных режимов работы автомобилей и автобусов, например, за счет обучения водителей рациональным способам прогрева и вождения; оптимизации маршрутов движения, режимов движения, выбора систем улучшения пусковых качеств двигателя, моторных масел, режимов запуска и прогрева с учетом природно-климатических условий эксплуатации и технического состояния двигателя; на двигателестроительных и двигателеремонтных заводах в лабораториях испытаний и обкатки, например, при совершенствовании смазочных систем и подшипников коленчатого вала, для управления режимами обкатки новых и отремонтированных двигателей, а также в учебном процессе вузов при подготовке студентов транспортных направлений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авдонькин Ф.Н. Оптимизация изменения технического состояния автомобиля в процессе эксплуатации: монография / Ф.Н. Авдонькин. М.: Транспорт, 1993. 350 с.
2. Калимуллин Р.Ф. Разработка диагностического обеспечения подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей / Р.Ф. Калимуллин // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2012. № 5. С. 101-108.
3. Коваленко С.Ю. Методика оценки приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска / С.Ю. Коваленко, А.В. Казаков // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011.№ 10.С. 184-190.
4. Коваленко С.Ю. Функциональная диагностика подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей / С.Ю. Коваленко, С.Б. Цибизов, Р.Ф. Калимуллин // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011. № 5. С. 158-163.
5. Коваленко С.Ю. Методика оценки приспособленности автомобильных двигателей к изменяющимся условиям эксплуатации / С.Ю. Коваленко, И.В. Тюняев, Р.Ф. Калимуллин // Вестник Оренбургского государственного университета. 2009. № 4. С. 165-170.
6. Тюняев И.В. Влияние скоростного режима движения автотранспортных средств на износостойкость подшипников коленчатых валов двигателей / И.В. Тюняев, В.А. Сологуб // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011. № 10. С. 156-162.
7. Якунин Н.Н. Диагностирование подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей по параметрам смазочного процесса / Н.Н. Якунин, Р.Ф. Калимуллин, М.Р. Янучков // Автотранспортное предприятие. 2009. № 4. С. 47-50.
8. Якунин Н.Н. Оценка приспособленности автомобильных двигателей к режимам пуска и прогрева по параметрам смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала / Н.Н. Якунин, Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко // Транспорт Урала. 2008. № 2. С. 110-114.
9. Якунин Н.Н. Совершенствование методики оценки качества приработки подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей / Н.Н. Якунин, А.П. Фот, Р.Ф. Калимуллин // Вестник Оренбургского государственного университета. 2006. № 9. С. 335-342.
10. Якунин Н.Н. Типовой режим приработки не всегда эффективен / Н.Н. Якунин, Р.Ф. Калимуллин // Грузовое и пассажирское автохозяйство. 2007. № 2. С. 57-61.
11. Янучков М.Р. Диагностирование подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей по состоянию смазочного слоя / М.Р. Янучков, Р.Ф. Калимуллин // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011. № 10. С. 125-132.
Калимуллин Руслан Флюрович -
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автомобильного транспорта Оренбургского государственного университета
Коваленко Сергей Юрьевич -
кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры автомобильного транспорта Оренбургского государственного университета
Ruslan F. Kalimullin -
Ph.D., Associate Professor of the Department of Automobile Transport Orenburg State University
Sergey Y. Kovalenko -
Ph.D., Senior Teacher of the Department of Automobile Transport Orenburg State University
Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13
