Методика оценки режимов работы автомобильного двигателя по критерию износостойкости подшипников коленчатого вала Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТРАНСПОРТ

УДК 620.178.16:621.82-233.132

Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко, И.В. Тюняев, С.Б. Цибизов МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПО КРИТЕРИЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОДШИПНИКОВ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА

Приведены методика и результаты стендовых испытаний двигателя КамАЗ-740.14-300 в виде нагрузочных, скоростных и многопараметровых характеристик по новому критерию износостойкости подшипников коленчатого вала. Определены малоизносные режимы нагружения двигателя и скоростные режимы движения автотранспортного средства.

Интегральная износостойкость, подшипники коленчатого вала, машизносный режим, автомобильный двигатель

R.F. Kalimullin, S.Yu. Kovalenko, I.V.Tyunyaev, S.B. Tsibizov A METHOD FOR ASSESSING THE OPERATION MODES OF AN AUTOMOBILE ENGINE BY THE WEAR RESISTANCE OF BEARINGS IN THE CRANKSHAFT

The article describes the methods and results of bench tests of the KAMAZ-740.14-300 engine in the form of loading, high-speed and multiparameter characteristics using a new criterion of wear resistance for the bearings of a crankshaft. Minimal wear-modes for loading the engine, and high-speed modes for movement of a vehicle have been defined.

Integrated wear resistance, bearings of a cranked shaft, small wear mode, automobile engine

Практика эксплуатации автотранспортных средств показывает, что одними из сопряжений, лимитирующих ресурс автомобильного двигателя, являются подшипники коленчатого вала. Например, среди структуры отказов всех элементов силовых агрегатов КАМАЗ различных модификаций на их долю приходится около 18 % при средней наработке на отказ 36586 км, для устранения которых требуется 37 % затрат на запасные части и 66 % трудовых затрат [1].

Основными причинами отказов подшипников являются разрушение и выплавление антифрикционного слоя вкладышей, их задир и проворачивание, чрезмерно увеличенный диаметральный зазор вследствие изнашивания трущихся поверхностей вкладышей и шеек, интенсивность которого в эксплуатации во многом зависит от характера смазочного процесса.

Конструктивные параметры подшипников и системы смазки должны обеспечивать максимальную износостойкость трущихся поверхностей на эксплуатационных режимах работы двигателя. Эксплуатация автомобильного двигателя характеризуется широкой вариацией температурного, нагрузочного и скоростного режимом работы двигателя, которые вносят определенный вклад в общий эксплуатационный износ подшипников. Так, для условий низкотемпературного пуска характерно кратковременное, но ускоренное изнашивание подшипников [2-4]. При работе двигателя на рабочих нагрузочно-скоростных режимах закономерности изнашивания подшипников рассмотрены в работах [5, 6].

Анализ состояния вопроса позволяет предположить, что эксплуатация двигателя преимущественно в малоизносных режимах работы является одним из эффективных методов повышения долговечности, однако его применение сдерживается затрудненностью адекватного определения таких режимов. Известные методы оценки износа деталей двигателей, использованные, например, в [6], основаны на взвешивании деталей, спектральном анализе масла, микрометрировании поверхностей трения и т.п., что делает их использование для анализа широкого диапазона нагрузочного и скоростного режима чрезвычайно трудоемкими и затратными.

В связи с этим, реализация нового подхода к повышению эксплуатационной надежности двигателей возможна на основе разработки и анализа специальных критериев, характеризующих износостойкость подшипников. При этом, материальные и трудовые затраты экспериментального определения численных значений критериев должны быть существенно меньше, чем затраты на традиционные методы определения износа.

В работе [7] разработан новый критерий износостойкости подшипников коленчатого вала двигателей, приведены методики и результаты ходовых испытаний автомобиля ВАЗ-2107 и автобуса ПАЗ-3205, определены скоростные режимы их движения, обеспечивающие максимальную износостойкость подшипников, т.е. малоизносные режимы.

Представляет интерес продолжение исследований закономерностей износостойкости подшипников коленчатых валов различных моделей автомобильных двигателей в зависимости от нагрузочного и скоростного режимов, а также установление параметров режимов работы, обеспечивающих минимальный износ.

Объектом исследования является режим работы автомобильного двигателя, предметом исследования - закономерности смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала на различных режимах работы автомобильного двигателя.

Исследуемый двигатель КамАЗ-740.14-300 применяется на автомобилях КАМАЗ-53212, 43353, 53229, 65115, и идентичен по конструкции смазочной системы и кривошипно-шатунного механизма с двигателями других модификаций КамАЗ 740.11-240, 740.13-260, применяемых на многих транспортных средствах.

Цель исследования заключается в повышении долговечности автомобильных двигателей за счет эксплуатации в малоизносных режимах работы по критерию износостойкости подшипников коленчатого вала.

Решены следующие основные задачи исследования:

- разработана расчетно-экспериментальная методика определения критерия интегральной износостойкости подшипников коленчатого вала при стендовых испытаниях двигателя;

- получены закономерности критерия интегральной износостойкости подшипников коленчатого вала на различных установившихся нагрузочно-скоростных режимах работы двигателя и скоростях движения автотранспортного средства;

- определены малоизносные нагрузочно-скоростные режимы работы двигателя и скорости движения автотранспортного средства.

Теоретической основой исследования являлась математическая модель переходного смазочного процесса и износостойкости в гидродинамических подшипниках скольжения машин [7 - 10].

Для обобщенной оценки смазочного процесса в системе шатунных и коренных подшипников использован параметр Eg «интегральная степень существования смазочного слоя». В условиях эксплуатации его значение обуславливается соотношением величин внешней нагрузки на подшипник и предельной несущей способности подшипника, и зависит от большого количества факторов:

Ев = Ев(М,п,1Лм^м,КрА,...), (1)

где М - крутящий момент на коленчатом валу, Нм; п - частота вращения коленчатого вала, мин-1; 1м - средняя температура масла в подшипнике, °С; /Л - динамическая вязкость масла при температуре 1м , Па с; hкр - критическая толщина смазочного слоя, мкм; А - диаметральный зазор в подшипнике, мкм.

Значение параметра Eg изменяется от максимального ( )пшх = 1, характеризующего устано-

вившийся режим жидкостной смазки (бесконтактного взаимодействия) во всех без исключения подшипниках коленчатого вала, до минимального значения ( Eg )пйп = 0 , при котором хотя бы один

подшипник работает в режиме граничной смазки или сухого трения (контактного взаимодействия). Промежуточные значения параметра 0 < Eg < 1 имеют место в условиях переходного смазочного

процесса при последовательном во времени чередовании жидкостной и граничной смазок.

При работе автомобильного двигателя под нагрузкой переменными являются крутящий момент M и частота вращения п . При одинаковых техническом и тепловом состояниях двигателя и свойствах моторного масла значения параметров А, 1м , hкр и /Л в модели (1) являются неизменны -

ми, и появляется возможность определения значения параметра Eg в зависимости от параметров режима работы M и n , используя модель:

Eg = Eg(M ,n) (2)

Для обобщенной оценки износостойкости подшипников коленчатого вала предложен критерий «удельная интегральная износостойкость подшипников Wj «, определяемый по формуле:

Wj =-----1---М^^ (3)

j (1 - Eg ) M n

Критерий Wj безразмерен и принимает значения от 1 до » и зависит от режима взаимодействия трущихся поверхностей ( Eg ) и нагрузочно-скоростного режима работы двигателя ( M и n ).

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 зависимостях (1)-(3), возможно определение значений параметра Wj на различных нагрузочно-скоростных режимах работы двигателя. Режим работы, при котором значение параметра Wj ^ Wjmax , считается малоизносным.

Для проверки выдвинутых теоретических положений проведены экспериментальные исследования для установления закономерностей износостойкости подшипников коленчатых валов от нагрузочно-скоростного режима работы двигателя. В качестве объекта испытаний выбран дизельный двигатель КАМАЗ-740.14-300 (N e =300 л.с. при ne =2600 мин-1). Испытания проводились в лаборатории

испытаний двигателей Завода двигателей ОАО «КАМАЗ» на стенде фирмы «AVL» с гидротормозом фирмы «SCHENCK». Испытательный стенд был укомплектован необходимым оборудованием и приборами, удовлетворяющими требованиям ГОСТ 14846-81. При испытаниях применялось моторное масло марки «Лукойл-Супер» SAE 15W-40, API CF-4/SG и дизельное топливо марки «Л-02-40» ГОСТ 305.

Для замера параметра Eg использовалась измерительно-вычислительный комплекс «Автоматизированная система оценки смазочного процесса» (АСОСП) [10]. К испытуемому двигателю АСОСП подключалась следующим образом: на шкив коленчатого вала через специально изготовленный переходник крепилось токосъемное устройство, к которому подсоединялась одна информационная шина, а к блоку цилиндров - вторая. Шины соединялись с устройством для контроля состояния подшипников, которое в свою очередь через шину соединялось с компьютером. Информация о значении измеряемого параметра с помощью специализированного программного обеспечения отображалась на экране в виде графика и записывалась в память компьютера.

При испытаниях двигателя поддерживались температуры охлаждающей жидкости 80...85 °С и масла 75.80 °С. Последовательно задавались установившиеся режимы работы при частоте вращения коленчатого вала n =1000, 1400, 1800, 2200 и 2400 мин-1 при ступенчатом изменении крутящего момента M на каждой частоте от 10 до 100 кгсм с шагом 10 кгс-м. Замеры велись в прямом и обратном направлении. Длительность замера на каждом режиме составляла 30 с после выдержки в 30 с.

Результаты замеров параметра Eg на каждом режиме работы усреднялись. Для дальнейшего

анализа смазочного процесса у подобных двигателей значения частоты вращения и крутящего момента были пересчитаны в относительные величины по формулам:

n = 100(na6c/натб;х), (4)

M = 100(M абс/Mmt), (5)

где na6c и Ма6с - абсолютные значения показателей; n и М - относительные значения показателей в процентах; na6c = 2600 мин-1 и Ма6с = 100 кгс-м - максимальные абсолютные значения показателей.

Опытные данные Eg (М, n) аппроксимированы в программе Table Curve 3D V 4.0.05 Systat Software, и получена полиномиальная модель вида

E = a + bn + cM + dn2 + eM2 + fnM, (6)

где а, Ь, с, й, е, / - коэффициенты модели, значения которых составляют: а = 0,69655945; Ь =

0,011069894; с = 0,00044217547; й = -0,00010057667; е = -2,2725782-10'6; / = -9,3839357-10'6.

Коэффициент детерминации модели составил г2 = 0,9748, стандартная ошибка 0,01043, что свидетельствует о достаточно высоком качестве аппроксимации.

Используя модель (6) построены многопараметровые характеристики двигателя по параметру интегральной степени существования смазочного слоя Е в подшипниках коленчатого вала (рис. 1 и 2).

Рис. 1 - Характеристика двигателя по параметру Рис. 2 - Области нагрузочно-скоростного режима

Е§ в поле нагрузочно-скоростного режима двигателя с разными уровнями параметра Е§

(изопараметрические области)

Анализ многопараметровой характеристики двигателя по параметру Е§ позволяет определить области нагрузочно-скоростного режима работы, в которых обеспечивается режим смазки подшипников с различным уровнем значений параметра Е§ . Например, область нагрузочно-скоростного режима с высоким уровнем значений параметра Е§ > 0,98 приблизительно составляет п = 40...65 % и

М = 10...50 %; п = 45...60 % и М = 50...80 %.

Модель (6) и многопараметровые характеристики дают представление о приспособленности двигателя к режиму работы по параметру интегральной степени существования смазочного слоя Е§

в подшипниках коленчатого вала.

Практический интерес представляет оценка приспособленности двигателя к режиму работы

по параметру удельной интегральной износостойкости WI подшипников коленчатого вала. Много-

параметровая характеристика двигателя (рис. 3) показывает распределение значений параметра WI в областях нагрузочно-скоростного режима.

■■■В

.. |г |

£1

?яи Р 93 м,% -те

і ?§!

і' ■—' Шщ т

■тт

Рис. 3. Многопараметровая характеристика двигателя по параметру WI в областях нагрузочно-скоростного режима На основании анализа полученной характеристики можно сделать следующие выводы:

- максимальная износостойкость подшипников >1000 обеспечивается в области

п = 45.60 % и М = 10.30 %; и она в среднем в 26 раз выше по сравнению с износостойкостью на остальных режимах;

- по мере расширения нагрузочно-скоростного режима от М =30 % и от п =65 % износостойкость подшипников резко снижается.

В реальных условиях движения автотранспортного средства область преимущественного нагрузочно-скоростного режима представляет собой поле с координатами М - п, определяемые дорожными условиями, скоростью движения, степенью загрузки и т.п. На рис. 4 показано поле преимущественного нагрузочно-скоростного режима работы двигателя КАМАЗ-740.11-240 автобуса НЕФАЗ-5299-08. Исследуемый автобус с гаражным номером 1520 ЗАО «Автоколонна №1825» (г. Оренбург) совершал регулярные вахтовые рейсы в утренние, послеобеденные и ночные часы по маршруту В-332 «Автоколонна №1825

- Ростоши - Терешковой - Газзавод - Терешковой - Ростоши - Автоколонна №1825». По данным системы спутниковой навигации «Автограф», установленной на автобусе, были получены зависимости скорости движения от пробега на маршруте. Используя данные технической характеристики автобуса и степень загрузки пассажирами на участках маршрута, были рассчитаны значения относительной частоты вращения и крутящего момента. Режим движения автобуса был следующим: с пассажирами около 42 % в городских

условиях и 43 % в загородных условиях и 15 % - без пассажиров.

100 М,%

90 80 70 Є0 50 40 30 20 10 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

П,%

Рис. 4. Области преимущественного (точки) и мало износного (заштрихованная область) нагрузочно-скоростного

режима работы двигателя в координатах М-п

При наложении координат малоизносной области нагрузочно-скоростного режима (Е > 0,98)

на преимущественную область можно выявить, насколько фактический режим работы двигателя отличается от мало износного.

Практический интерес представляет определение малоизносного скоростного режима движения на разных передачах по критерию интегральной износостойкости . Для автобуса НЕФАЗ-

5299-08 определены зависимости на разных передачах при 100 % загрузке пассажирами от установившейся скорости Уа , показанные на рис. 5.

700 600 500 400 300 200 100 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 ЭО 100

V,, км/ч

Рис. 5. Зависимости параметра на разных передачах

при установившемся движении автобуса НЕФАЗ-5299-08 от скорости Уа

Анализ зависимостей подтверждает, что на каждой передаче существует такая оптимальная скорость, при которой износостойкость подшипников максимальна (Wj ). Так, на II передаче -

это скорость 17 км/ч; на III - 30 км/ч; на IV - 48 км/ч; на V - 65 км/ч.

Совместный анализ полученных зависимостей и распределения частот фактической скорости движения автобуса НЕФАЗ-5299-08 на разных передачах в условиях городского и загородного движения позволяет сказать, насколько фактический скоростной режим работы автобуса соответствует мало износному. Так, на II передаче в 40 % случаев фактическая скорость близка к мало износной, на III, IV и V передачах - примерно в 20 %. Таким образом, в условиях реального городского и загородного движения автобус движется со скоростями, соответствующими максимальной износостойкости подшипников коленчатого вала, в среднем в 20 % случаях.

На основании проведенного исследования получены следующие результаты и сделаны выводы.

Разработана методика стендовых испытаний дизельного двигателя КАМАЗ-740.14-300, новизна которой заключается в использовании измерительно-вычислительного комплекса «Автоматизированная система оценки смазочного процесса» для замера параметра интегральной степени существования смазочного слоя в подшипниках коленчатого вала.

Установлены закономерности параметра интегральной степени существования смазочного слоя и критерия износостойкости подшипников коленчатого вала от нагрузочно-скоростного режима работы двигателя.

Получены закономерности критерия износостойкости подшипников коленчатого вала от скорости движения автобуса НЕФАЗ с двигателем КАМАЗ на разных передачах. Установлены значения скоростей, соответствующих максимальной износостойкости подшипников.

При эксплуатации автобуса большого класса в условиях городского и загородного движения преимущественный режим работы отличается от оптимального (малоизносного), а только в 20 % случаях скорость является близкой к оптимальной на каждой передаче.

Полученные результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с данными, приведенными в [5, 6]. Однако предлагаемый метод определения малоизносных режимов нагружения автомобильного двигателя на основе экспериментальной оценки интегральной износостойкости подшипников коленчатого вала требует существенно меньших трудовых и материальных ресурсов и имеет существенную практическую значимость. Обеспечение преимущественной эксплуатации двигателей автотранспортных средств в малоизносных режимах способствует повышению их долговечности и, как следствие, минимизации затрат и повышению эффективности транспортного обслуживания. Реализация предложенного подхода к повышению эксплуатационной надежности двигателей возможна за счет принятия организационно-технических решений, например обучение водителей рациональному вождению, совершенствование систем управления двигателем, разработка адаптивных смазочных систем, оптимизация свойств моторных масел и т.п.

ЛИТЕРАТУРА

1. Денисов А.С. Обеспечение надежности автотракторных двигателей: монография / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков. Саратов: СГТУ, 2007. 422 с.

2. Резник Л.Г. Эффективность использования автомобилей в различных условиях эксплуатации: монография / Л.Г. Резник, Г.М. Ромалис, С.Т. Чарков. М.: Транспорт, 1989. 128 с.

3. Коваленко С.Ю. Эксплуатация автомобильных двигателей. Обеспечение долговечности на режиме пуска: монография / С.Ю. Коваленко, Р.Ф. Калимуллин. Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. 115 с.

4. 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.

5. Авдонькин Ф.Н. Оптимизация изменения технического состояния автомобиля в процессе эксплуатации: монография / Ф.Н. Авдонькин. М.: Транспорт, 1993. 350 с.

6. Шабанов А. Где живет износ / А. Шабанов // За рулем. 2009. № 3. С. 150-152.

7. 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.

8. Калимуллин Р.Ф. Теоретическое обоснование нового диагностического параметра двигателя внутреннего сгорания / Р.Ф. Калимуллин // Вестник Оренбургского государственного университета. Приложение «Автотранспортные системы». 2004. С. 44-48.

9. Калимуллин Р.Ф. Метод оценки трибологического состояния подвижных сопряжений автомобильных двигателей / Р.Ф. Калимуллин, Н.Н. Якунин, И.В. Тюняев // Вестник Оренбургского государственного университета. Приложение «Прогрессивные технологии в транспортных системах». 2005. С. 50-55.

10. 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 кафедры «Автомобильный транспорт» Оренбургского государственного университета

Коваленко Сергей Юрьевич -

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Автомобильный транспорт» Оренбургского государственного университета

Тюняев Игорь Владимирович -

главный инженер ЗАО «Автоколонна №1825» г. Оренбург

Цибизов Сергей Борисович -

ведущий инженер кафедры «Автомобили и безопасность движения» Оренбургского государственного университета

Ruslan F. Kalimullin -

Ph. D., Associate Professor Department of Automobile Transport,

Orenburg State University

Sergey Yu. Kovalenko -

Ph. D., Senior Lecturer Department of Automobile Transport,

Orenburg State University

Igor V. Tyunyaev -

Chief Engineer,

JSC «Avtokolonna № 1825», Orenburg

Sergey B. Tsibizov-

Leading Engineer

Department of Automobiles and Traffic Safety, Orenburg State University

Статья поступила в редакцию 15.01.13, принята к опубликованию 20.02.13