Нестабильность зазоров в шатунных подшипниках из-за образования прогиба вкладышей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.004.67

А.Т. Кулаков, А.С. Денисов НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ЗАЗОРОВ В ШАТУННЫХ ПОДШИПНИКАХ ИЗ-ЗА ОБРАЗОВАНИЯ ПРОГИБА ВКЛАДЫШЕЙ

Проведена оценка влияния различных факторов на деформирование шатунных вкладышей двигателя. Дан анализ результатов экспериментального исследования изменения зазоров в шатунных подшипниках вследствие деформирования вкладышей в процессе стендовых испытаний. Сформулированы рекомендации по снижению деформаций вкладышей в процессе эксплуатации.

A.T. Kulakov, A.S. Denisov INSTABILITY OF THE SPLITS IN CONNECTING ROD BEARINGS DUE TO FORMATION OF THE INLAYER BENT

An assessment of the various factors effect on the deformation of the inlayers of the engine was conducted. An analysis of the results of the experiment research of the splits change in connecting rod bearings as a result of deformation of the inlayers was conducted in the process of the laboratory poster trials. The recommendation on deformation decrease of the layers in the process of exploitation is made here.

Результаты эксплуатации двигателей на автомобилях КамАЗ указывают на наличие малоизученных явлений, снижающих их надежность и ограничивающих технический ресурс. Одним из них является проворачивание шатунных вкладышей, вызванное их деформацией.

Ранее проведенными исследованиями [1-3,5] установлено, что проворачиванию вкладышей предшествует их деформация с образованием прогиба А, с уменьшением зазора S в шатунном подшипнике до S=0 (схема деформации шатунного вкладыша в поперечном сечении - рис. 1).

Рис. 1. Схема поперечной деформации вкладыша: 1 - шатун; 2 - вкладыш; 3 - шейка

По данным, изложенным в [1-3, 5], процесс проворачивания шатунных вкладышей представляется как деформация вкладышей во времени, с образованием корсетности (прогиба), выборки зазора и схватывания. Многочисленными измерениями вкладышей определены геометрические параметры и величины остаточных деформаций в свободном состоянии после разборки двигателя.

Деформация вкладышей обусловливается их напряженным состоянием, режимами смазки шатунных подшипников [1-3, 5] и происходит при работе двигателя в течение какого-то времени более или менее интенсивно в зависимости от сочетания различных факторов. Естественно, что до получения остаточных деформаций деформирование вкладышей на начальном этапе происходит в упругой области, то есть они возникают и исчезают, а затем накапливаются.

Цель настоящей работы - при работающем двигателе в момент образования прогиба (А) шатунного вкладыша оценить его влияние на зазор в шатунном подшипнике и условия появления, снижения и накопления прогиба.

Для этого была разработана и изготовлена измерительная система из элементов применяемых в промышленности приборов активного контроля с использованием сжатого воздуха. Коленчатый вал двигателя КамАЗ доработан по передней шейке 5-го цилиндра для подвода измерительного воздуха по оси коленчатого вала с выходом через 2 жиклера, расположенных диаметрально противоположно в плоскости 30° от оси кривошипа после верхней мертвой точки 5-го цилиндра по центру шейки. Измерительная система позволяет определить изменение зазора в шатунном подшипнике относительно начального. Измерения проводились на остановленном двигателе после различных режимов работы в положении оси жиклеров вдоль оси шатуна в такте сжатия при закрытых клапанах. Для этого после каждой остановки двигателя путем ручного поворота совмещались специальные метки на маховике и неподвижном картере маховика, после чего в плоскости оси шатуна замеряли величину расхода воздуха. После каждого режима работы двигателя измерения зазора в шатунном подшипнике проводили в такте сжатия при закрытых клапанах.

Измерениями определяли начало образования прогиба вкладышей по увеличению разницы исходного зазора Sо и зазоров после работы на режимах Sl и ее росту (накоплению). При этом также выявляется влияние различных режимов на рост и накопление прогиба.

С этой целью режимы испытаний последовательно изменяли по оборотам, нагрузкам, температурам, давлению масла и так далее, а измерения проводили сразу после

остановки двигателя. За один исследовательский день ставили задачу добиться максимального прогиба вкладыша.

После полной остановки двигателя осуществляются те же измерения по времени выдержки (разница зазоров исходного и фактического) для отслеживания релаксации (уменьшения разницы) и появления остаточного прогиба.

Исследования проводились в боксе № 119 ОАО «КамАЗ-Дизель» на стенде фирмы «АУЬ» с гидротормозом фирмы «БСИБКСК». Испытательный стенд укомплектован необходимым оборудованием и приборами, точность которых соответствует требованиям ГОСТ 14846.

Перед сборкой двигателя проводили микрометраж вкладышей по величине выступания в контрольном приспособлении по размеру в плоскости стыков в свободном состоянии до и после монтажа. Микрометраж проведен на участке входного контроля завода двигателей. Точность измерения выступания вкладышей в контрольном приспособлении - 0,001 мм; диаметра по стыку в свободном состоянии - 0,01 мм. Вкладыши подбирали в пределах чертежных допусков.

Перед установкой вкладышей проводился микрометраж расточек нижних головок шатунов. Шатунные болты при этом затягивались до удлинения 0,25...0,27 мм. Также снимались круглограммы на приборе «ТаНгопё».

После установки вкладышей (шатунные болты также затягивались до удлинения

0,25.0,27 мм) повторно снимались круглограммы расточек шатунов и профилограммы рабочей поверхности вкладышей по образующей.

Замерили диаметр шатунной шейки по 080 и рассчитали фактический зазор в сопряжении шатунная шейка-вкладыш. Зазор в исходном состоянии составил £=0,105 мм.

По результатам микрометража установлено, что шатун в сборе с вкладышами и зазор в шатунном подшипнике соответствует чертежно-технической документации.

На коленчатом валу перед установкой в двигатель с использованием измерительной системы производили подгонку и тарировку жиклеров по расходам воздуха (рис. 2) в следующей последовательности:

1. Устанавливаем давление воздуха на входе Рв= 0,2 МПа.

2. Заглушаем отверстие жиклера № 1 и замеряем расход воздуха из отверстия жиклера № 2 (82).

3. Заглушаем отверстие жиклера № 2 и замеряем расход воздуха из отверстия жиклера № 1 (£1).

4. Сравниваем значения расходов 81 и 82. Подгоняем меньшее проходное сечение до большего и добиваемся разницы не более 3% (см. результаты в таблице) за счет увеличения диаметра жиклера.

Аналогично проводили тарировку и подгонку по расходу воздуха совместно с вкладышами, в следующей последовательности:

1. Устанавливаем давление воздуха на входе Рв = 0,2 МПа.

2. Прикрываем вкладышем 1-й жиклер шатунной шейки и одновременно запираем отверстие 2-го жиклера (£'1).

3. Прикрываем вкладышем 2-й жиклер шатунной шейки и одновременно запираем отверстие 1-го жиклера (8'2).

4. Сравниваем показания £'1 и 8'2, подгоняем меньшее сечение до большего путем заглубления носика жиклера и добиваемся разницы не более 3%.

Коленчатый =ал двигателя

Рис. 2. Схема измерения условного диаметра вкладыша

В разработанной методике измеряли условный диаметр вкладыша путем подвода воздуха через калиброванные отверстия жиклера в шатунной шейке коленчатого вала двигателя при различных условиях смазки шатунных подшипников.

Расход воздуха Показания прибора, %

При полностью открытых двух жиклерах в, % 100

При полностью закрытых двух жиклерах в, % 0

Запирание жиклера 1 (в2), % 70

Запирание жиклера 2 (в1), % 69

С установленными вкладышами: - верхний (запирание отв. 2) (в'2), % 20

- нижний (запирание отв. 1) (в'1), % 17

Режим смазки шатунных подшипников задавали путем снижения давления масла и уменьшения подачи масла к шатунным вкладышам. Для создания требуемого давления в системе смазки двигателя, часть масла из масляного фильтра перепускали в масляный поддон через дополнительный маслопровод с регулирующим вентилем.

Методика измерения условного диаметра вкладыша состоит в том, что воздух под давлением 0,2 МПа, пройдя через регулируемые и нерегулируемые дросселирующие устройства и преобразователь давления «Сапфир-22Д», поступает на измерительное устройство типа «МагроББ» (см. рис. 2). Из измерительного устройства поток воздуха поступает на головку подачи воздуха приемного штуцера. Устройство приемного штуцера позволяет осуществить переток воздуха из не вращающейся части во вращающийся коленчатый вал (рис. 2).

Внутри шатунной шейки просверлены два диаметрально противоположных отверстия в плоскости 30° от оси кривошипа, в которые вставляются воздухоподводящие трубки. Ввіходное отверстие трубок оканчивается точным жиклером 01 мм. Входы трубок на уровне торца коленчатого вала соединяются в одну. Воздух из приемного штуцера поступает на входные отверстия трубок, здесь поток разделяется и по трубкам подается непосредственно к месту измерения условного диаметра вкладыша. Воздух выбрасывается в полость между жиклерами шатунной шейкой и шатунным вкладышем, и шкала измерительного прибора фиксирует по перепаду давления в измерительном устройстве условный диаметр вкладыша.

Калибровка шкалы измерительного прибора в исходном состоянии на 100% осуществляется подачей воздуха в зону измерения условного диаметра вкладыша на остановленном двигателе, когда зазор между шатунной шейкой и вкладышем максимальный. Деформация шатунных вкладышей с образованием прогиба приводит к уменьшению условного диаметра шатунных вкладышей, что и должен зафиксировать прибор отклонением величины расхода воздуха от 100%. Таким образом, предложенная методика позволяет исследовать деформации вкладышей во взаимосвязи с условиями смазки, температурными и нагрузочными режимами двигателя в процессе его работы.

В ходе исследования проведено три эксперимента.

Эксперимент № 1 (см. рис. 3)

Двигатель собран с новыми шатунными вкладышами. Испытания проводились при высоком (штатном) давлении масла (режимы приведены в таблице под графиком). Двигатель испытывали без нагрузки. Время выдержки на каждом режиме от 1 до 3 минут.

Замеры условного диаметра (5 %) по расходу воздуха шатунного подшипника производились после остановки двигателя (см. рис. 3).

С нормальным давлением масла у вкладыша появляются малые деформации(~30% от зазора). Прямолинейность вкладыша восстанавливается за 3 часа, полностью, без остаточных деформаций, что видно на графике (справа) восстановленного зазора 51 до 100%.

Перед началом испытаний и по их окончании производили настройку и контроль измерительного прибора в следующем порядке (см. рис. 2):

При давлении воздуха в системе Рвозд = 0,2 МПа и открытом подводе на участке «А» измерительный прибор устанавливается на 100%; при перекрытом подводе воздуха на участке «А» измерительный прибор показывает 0%.

Б % 100 80 60 40 20 Б %

100

80 * У

60

40

1 2 3 4 т ,ч

п, мин -1 600 800 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 2930

1 в 0с 22 23 24 24 28 34 37 41 48 52 63 70

1 м 0с 30 34 38 41 44 45 48 52 58 61 68 72

Р м, МПа 0,44 0,56 0,52 0,52 0,54 0,55 0,55 0,55 0,56 0,56 0,56 0,56

т. мин 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

Б, % 100 100 100 100 98 95 83 78 77 76 75 75 75 93 95 100

Рис. 3. Изменение зазора в шатунном подшипнике в ходе испытаний без нагрузки при номинальном давлении масла и после испытаний

Эксперимент № 2 (см. рис. 4)

После выдержки в течение трех часов до восстановления зазора продолжена работа с теми же вкладышами и тем же давлением масла. Затем снижено давление масла до критического Рм=0,22^0,23 МПа [5] и на режимах максимальных оборотов за 2 цикла получено увеличение деформации вкладыша, которое полностью не восстановилось через 24 часа.

Рис. 4. Изменение зазора в шатунном подшипнике в ходе испытаний при снижении давления в системе смазки

Уменьшение зазора составило 25%. Проверка осуществлялась путем перекрытия воздуха на участке «А» - при этом показания прибора составляли 0%. При открытом подводе воздуха на участке «А» и давлении Рв=0,2МПа показания прибора составили 75%.

Таким образом, в процессе испытаний на двигателе по первой шатунной шейке зазор уменьшился за счет деформации вкладышей на Д5=0,105х0,25=26 мкм.

Эксперимент № 3 (см. рис. 5).

Рис. 5. Изменение зазора в шатунном подшипнике в ходе проворачивания стартером и испытаний

После выдержки двигателя в течение трех суток с постоянным контролем величины зазора испытания были продолжены с целью еще раз получить деформацию вкладышей и затем проследить рост остаточных деформаций после выдержки.

На первом этапе при прокрутке стартером без существенного изменения параметров двигателя прогиб шатунных вкладышей увеличивается, зазор 5 уменьшается. На втором этапе режимами максимальных оборотов добивались максимального прогиба. Затем при выдержке в течение 10 часов контролировали и отмечали снижение прогиба и увеличение зазора, но остаточная деформация сохранилась.

В этом эксперименте отмечен рост деформации вкладышей в период запуска и нарастание деформации вкладышей в ходе испытаний.

В конце испытаний зазор уменьшился до 36%, а затем восстановился до 5,=75% через 10 часов.

Таким образом, в экспериментах № 1, 2, 3 подтверждены характерные

формоизменения шатунных вкладышей.

Исследованиями установлено, что проворачивание вкладышей представляет собой развивающийся процесс последовательного изменения геометрии самого шатунного вкладыша. Этот процесс начинается в нормальных условиях с первых часов работы двигателя и выражается в образовании прогиба по образующей и уменьшении фактического зазора в шатунном подшипнике.

Вкладыш при работе не является прямолинейным по образующей. При длительной работе двигателя вкладыш с образовавшимся прогибом работает в условиях ухудшенного теплоотвода в шатун, вследствие чего средняя часть вкладыша перегревается и происходит необратимо дальнейшее нарастание прогибов, до полного исчезновения зазора и масляной пленки, сцепление вкладыша с шейкой и в конечном итоге проворачивание вкладышей (рис. 6).

Превышение напряжений над стт

Снижение натяга

Неравномерные деформации по толщине

Снижение радиального давления на постель

Образование начального прогиба

Повышение температуры и тепловых напряжений

Возрастание прогиба

Выравнивание моментов трения в подшипнике и постели

Исчезновение зазора

Превышение момента трения в подшипнике над моментом в постели

Повышение напряжений в фиксирующем выступе до стт

Срыв фиксирующего выступа и проворачивание вкладышей

/^/л

Рис. 6. Схема развития проворачивания шатунных вкладышей: д - радиальное давление вкладыша на шатун; р - давление отрыва вкладыша из-за деформации

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили формоизменение вкладышей в процессе работы двигателя, влияние на них давления масла и в целом несоответствие реальных режимов работы шатунных подшипников положениям гидродинамической теории. Это подтверждает описанный ранее механизм проворачивания шатунных вкладышей [1-3, 5].

Значительная часть двигателей (до 30%) поступает в капитальный ремонт из-за проворачивания вкладышей, особенно шатунных. В настоящее время этот отказ в большинстве случаев считают внезапным, однако он имеет определенную закономерность развития.

В процессе эксплуатации двигателя закономерно изменяется напряженно-деформированное состояние вкладышей коленчатого вала, что вызывает увеличение их прогиба по образующей по экспоненциальной зависимости от наработки 1 [3, 5]

где Д0 - прогиб в конце приработки; Ь - коэффициент.

Предельная величина прогиба шатунных вкладышей составляет 48 мкм и наступает при наработке в среднем 220-240 тыс. км в условиях третьей категории эксплуатации автомобилей [5].

На интенсивность изменения геометрической формы вкладышей в процессе эксплуатации влияют как конструктивно-технологические параметры (выступание, распрямление вкладышей, расположение, размеры и количество отверстий для смазки в коленчатом вале, диаметр отверстий для смазки в коренных вкладышах и ширина смазочной канавки в верхнем коренном вкладыше), так и изменения давления в системе смазки.

Установлено, что в процессе эксплуатации давление в системе смазки на конкретном скоростном и тепловом режиме экспоненциально снижается [5]

где И0 - толщина масляного слоя в конце приработки; Ь - коэффициент.

Это существенно изменяет условия смазки подшипников и вызывает разрыв потока масла к шатунным подшипникам и способствует интенсификации развития деформаций шатунных вкладышей и возникновению проворачивания.

Для надежной работы шатунных подшипников двигателя (без возможного масляного голодания) необходимо повысить давление в системе смазки. Давление в системе должно обеспечивать работу шатунных подшипников коленчатого вала на любых режимах с достаточным количеством масла с целью недопущения деформаций вкладыша.

С этой целью осуществлено увеличение производительности масляного насоса за счет внедрения нового масляного насоса с 86 до 150 л/мин.

Для снижения неравномерности распределения расхода масла по шатунным подшипникам изменен баланс расхода по другим потребителям, в частности уменьшено сечение канала подвода масла к опорным шейкам распределительного вала на втулке. Увеличено проходное сечение на коренном вкладыше, аннулирована втулка центробежной очистки в шатунной полости, изменено поле допуска шатунной шейки в сторону увеличения с 080-0,013 до 080±0,0095 мм, коренной шейки с 095-0,015 до 095±0,11 мм с целью уменьшения зазора (проходного сечения) между вкладышем и шейкой.

Увеличение толщины стальной основы вкладыша делает его более жестким и устойчивым к деформациям, ремонтные вкладыши реже проворачиваются.

А = Л0.еЬл ,

(1)

(2)

(3)

Для уменьшения образования прогиба вкладыша в поперечном сечении в эксплуатации, вследствие температурного нагрева, был уменьшен натяг в сборе вкладышей за счет уменьшения величины выступания вкладыша под плоскостью разъема шатуна.

В дальнейшем необходимо провести работы не только по снижению величины деформаций шатунных вкладышей, но и полного ее исключения за счет конструктивных мероприятий по увеличению жесткости вкладыша, или их креплению к телу шатуна на основе разработанной физической модели вкладыша.

ЛИТЕРАТУРА

1. Денисов А.С. Анализ причин эксплуатационных разрушений шатунных вкладышей двигателей КамАЗ / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков // Двигателестроение. 1981. № 9. С. 37-40.

2. Денисов А.С. Изменение напряженного состояния и геометрической формы шатунных вкладышей в процессе работы дизельного двигателя / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, А.Ю. Шарапин // Повышение эффективности использования автомобильного транспорта: межвуз. науч. сб. / Сарат. политехн. ин-т. Саратов,

1984. С. 14-19.

3. Денисов А. С. Анализ этапов процесса проворачивания вкладышей коленчатого вала / А.С. Денисов, А. Т. Кулаков // Повышение технической готовности автомобильного транспорта: межвуз. науч. сб. / Сарат. политехн. ин-т. Саратов, 1985. С. 14-18.

4. Денисов А. С. Изменение условий смазки шатунных подшипников в процессе эксплуатации автомобильного дизеля / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков // Двигателестроение. 1986. № 4. С. 44-46.

5. Денисов А.С. Основы формирования эксплуатационно-ремонтного цикла автомобилей / А.С. Денисов. Саратов: СГТУ, 1999. С. 352.

6. Денисов А.С. Анализ методов диагностирования шатунных подшипников ДВС и обоснование диагностической оценки их технического состояния / А.С. Денисов, И.К. Данилов // Двигателестроение. 2004. № 3. С. 41-45.

7. Денисов А. С. Влияние условий смазки на толщину масляного слоя в шатунных подшипниках дизельного двигателя / А.С. Денисов, И.К. Данилов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2004. № 4. С. 23-26.

8. Обеспечение работоспособности подшипников коленчатого вала автомобильных дизелей / Б.С. Антропов, Е.П. Слабов, А. А. Крайнов, С.Г. Шкорин // Двигателестроение. 2004. № 3. С. 29-32.

9. Бычков В. Г. Причины необратимых формоизменений тонкостенных вкладышей и пути повышения надежности подшипников высоконагруженных дизелей / В.Г. Бычков, М.А. Салтыков, М.Н. Горбунов // Двигателестроение. 1980. № 6. С. 34-37.

Кулаков Александр Тихонович -

кандидат технических наук,

директор Технического центра «Агромашхолдинг», г. Москва

Денисов Александр Сергеевич -

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство»

Саратовского государственного технического университета