CC BY
75
УДК 629.063.7:629.3-233.2:621.43
Барыльникова Е.П.1, Ковриков И.Т.2, Коваленко С.Ю.2
1Набережночелнинский институт (филиал) Казанского федерального университета 2Оренбургский государственный университет E-mail: 692401@mail.ru
ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ РЕЖИМА СМАЗЫВАНИЯ ШАТУННЫХ ПОДШИПНИКОВ
В ЭКСПЛУАТАЦИИ
В работе представлены результаты исследования смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала двигателя КАМАЗ. Установлено нарушение неразрывности масляного потока при эксплуатационных износах подшипников, снижающих давление в системе смазки менее 0,26 МПа. Применение разработанного способа диагностирования и по его результатам предупредительного ремонта, заключающегося в замене вкладышей при пробегах 125 тыс. км, позволяет снизить долю отказов подшипников коленчатых валов двигателей КАМАЗ до 34%.
Ключевые слова: подшипники коленчатого вала, смазочный процесс, масляный поток, изнашивание.
Актуальность
Опыт эксплуатации автомобилей показывает, что эффективность работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС), сроки проведения текущих и капитальных ремонтов в значительной степени определяются техническим состоянием деталей кривошипно-шатунного механизма и, в частности, быстро изнашиваемых подшипников коленчатого вала (ПКВ). Основной причиной снижения ресурса у 25% отказавших двигателей в эксплуатации является проворачивание шатунных вкладышей. Несмотря на то, что исследованиям по повышению ресурса ПКВ посвящено большое количество научных трудов, и проблема эта не является новой, она остается актуальной и по сегодняшний день.
Отказы двигателей в эксплуатации во многом определяются режимами смазывания ПКВ. В большинстве исследований отказы шатунных подшипников связывают с износами шеек и вкладышей до предельных значений. Однако недостаточно внимания уделяется процессу подвода масла к ПКВ, кинетике самого масла, участвующего в различных формах движения, а также влиянию изменения диаметрального зазора в коренных и шатунных подшипниках.
Анализ работы ПКВ позволил установить взаимосвязь уменьшения подвода масла к шатунным подшипникам из-за увеличения расхода масла через коренные подшипники при из-носах. Вместе с тем, стабилизация располагаемых и потребных расходов масла не предусмотрена в эксплуатации по мере ухудшения технического состояния ДВС, что приводит к отка-
зам и необходимости проведения дорогостоящих капитальных ремонтов.
Исходя из вышеизложенного, необходимо более глубокое изучение изменений режимов смазывания в условиях эксплуатации и их влияния на снижение ресурса двигателя, а исследования, направленные на повышение ресурса автомобильных двигателей в эксплуатации стабилизацией режима смазывания шатунных подшипников, являются актуальными.
Теоретическое исследование условий
подачи масла к ПКВ
Долговечность работы ПКВ достигается организацией подачи достаточного количества масла, которая определяется конструктивными особенностями прокачки масла через коренную шейку и подвода через каналы и центробежную ловушку в шатунной шейке к шатунному подшипнику. Основным параметром, определяющим режимы смазывания, является давление в системе смазывания в целом и на отдельных участках, которое на всех установившихся режимах работы ДВС должно обеспечивать неразрывность потока в каналах до шатунных подшипников.
Статистические данные по параметрам системы смазывания новых двигателей и поступивших в ремонт показали, что в процессе эксплуатации, вследствие изменения технического состояния ДВС, давление в системе смазывания закономерно снижается, следовательно, изменяются и режимы смазывания шатунных подшипников.
Для исследования причин разрыва потока масла при подводе к ПКВ рассмотрена принципиальная схема подвода масла к шатунным подшипникам, используемая на двигателях КАМАЗ. Поток масла из главной масляной магистрали на входе в подшипниковый узел проходит через ряд местных гидравлических сопротивлений. Между вкладышем коренного подшипника и коренной шейкой имеется кольцевой зазор, через который часть потока масла проходит на слив в поддон. Другая часть потока по каналам коренной шейки и шатунной шейки, преодолевая знакопеременное действие центробежных сил каналах, поступает в шатунный подшипник. При анализе данной схемы установлено наличие трех источников создания эффекта насоса: смазочной системы, кинетики запирания, кинетики разгона. В основе исследования лежит определение влияния кинетики масла и износов в подшипниках на потери давления. Общие потери давления в элементах ПКВ двигателя определяются из выражения:
ДР = £(Др)=ДРтр + ДРм + Др + АРц6к - ДРфш (1)
где ДРтр - потери давления на трение, МПа; ДРм - потери давления в местных сопротивлениях, МПа; ДРк - потери давления в кольцевом пространстве, МПа; ДРцбк - потери давления в канале коренной шейки от действия центробежных сил, МПа; ДРц6ш - приращение давления в подводящем канале к шатунной шейке от действия центробежных сил, МПа.
Для подшипникового узла коренного подшипника характерным является истечение масла через кольцевой зазор на слив, что представляет большой практический интерес в связи с необходимостью определения влияния этих утечек на потери давления в кольцевом канале. В соответствии с теорией Т.М. Башты, если величина зазора 5 << А, то движение масла в кольцевом зазоре можно уподобить движению жидкости в плоской щели и перепад давления составит:
ДР = Q ga5
(2)
где V - кинематическая вязкость, сСт; у - плотность масла, кг/м3; Ь - длина щели в направлении потока масла, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; а - ширина щели в направлении, перпендикулярном к движению потока масла, м;
б = иР — объемный расход масла, м3/с;
иср - средняя скорость потока, м/с; ё - диаметр масляного канала, м.
Как видно из формулы (2), величина потерь давления из-за утечки масла через зазор зависит от величины зазора в коренном подшипнике 5 в кубе.
Каналы в коренных и шатунных шейках совершают вращательное движение вокруг оси коленчатого вала, масло в них приобретает как материальная среда кинетику и на масло дополнительно действуют центробежные силы. Потери давления в канале коренной шейки от поверхности шейки до оси коленчатого вала от действия центробежных сил составят:
Др = у— у 2
У2gr>
(3)
где ю - угловая скорость, с-1; гк - радиус коренной шейки, м.
На участке канала от точки перегиба до шатунных подшипников произойдет приращение давления от центробежных сил на величину:
ДРЧбш =Т—Г2 > 2 g
(4)
где гш - радиус вращения выходных отверстий в шатунном подшипнике (кривошипа), м.
Расход масла, подаваемый к шатунным подшипникам, определяется давлением масла в кольцевом канале коренного подшипника и потерями, связанными с переходом из кольцевого неподвижного канала вкладыша во вращающиеся каналы коленчатого вала. На режимах, когда потери давления от действия центробежных сил на участке от точки входа в канал коренной шейки до точки входа в наклонный канал подвода к шатунной шейке равно или превышает давление масла в точке перегиба, может наступить разрыв потока масла. В проведенных исследованиях в качестве гипотезы принято, что условие разрыва масляного потока к шатунным подшипникам может быть достигнуто при превышении потребного расхода через шатунные подшипники над располагаемым притоком ((к, т. е. когда ((ш=(. Вначале эксплуатации располагаемый приток больше потребного расхода на величину запаса. Величина запаса определяется уровнем давления в системе смазки и проходными сечениями.
Согласно теории Ф.Н. Авдонькина, в эксплуатации вследствие изнашивания поверхностей вала и вкладышей зазор 5 в коренном под-
2
2
шипнике возрастает по экспоненциальной зависимости:
S = S0 ■ eb
(5)
где 50 - зазор в конце приработки, приведенный к началу эксплуатации, м; b - коэффициент интенсификации, учитывающий влияние зазора на интенсивность изнашивания, 1/тыс. км; l - наработка двигателя, тыс. км.
Расход масла Q1 на входе в коренной подшипник обусловлен производительностью масляного насоса, которая изменяется с износом незначительно (2-3%), поэтому можно считать, что Q1 = const.
В процессе эксплуатации, в соответствии с формулой А.С. Денисова, расход масла через зазоры в коренном подшипнике Qs изменяется по экспоненциальной зависимости:
Qs = Qs о ■ ew,
(6)
где Qs0 = 2g—- - расход через коренной V 7
подшипник в конце приработки, приведенный к началу эксплуатации, м3/с; где Р0 =го"к50 - площадь кольцевого сечения в конце приработки, приведенная к началу эксплуатации, м2.
Прокачка масла ( через канал в коренной шейке с учетом (6) составит:
Q = Qi - Qs = Qi - Qsoeb
(7)
Из подводящих каналов шатунных шеек вследствие роста зазоров расход через зазоры увеличивается аналогично ((..
Приведенные соотношения показывают, что условие разрыва масляного потока к шатунным подшипникам наступает при наработке /:
б! -^2gYеМ = . (8)
Основываясь на этом, можно сделать вывод, что эксплуатационные износы подшипников коленчатого вала могут привести к разрыву масляного потока к шатунным подшипникам двигателя. Если при нормальных зазорах располагаемый приток масла через каналы коренных опор достаточен для прокачки потребного расхода масла через шатунные подшипники, то с увеличением зазоров потребный расход масла в шатунные подшипники может в разы превышать располагаемый уровень притока масла через каналы коренной опоры.
Таким образом, рассмотренные процессы подвода масла к ПКВ позволили сформулиро-
вать математическую модель предотказного состояния в шатунном подшипнике коленчатого вала на основе кинетики потока масла, которая описывает условия образования критических режимов в эксплуатации.
Первым условием предотказного состояния является отсутствие запаса по производительности располагаемого потока масла над потребным расходом через шатунные подшипники коленчатого вала. Тогда условие нормального режима смазывания шатунных подшипников следующее:
& * &. (9)
На основе установленного условия (9) предложен коэффициент степени запаса потока по производительности:
к>=TT, К>1.
Qiu з
(10)
Значения предложенного коэффициента следующие: предельный критический уровень запаса Кз = 1; средний уровень запаса Кз = 1,2...1,3; верхний уровень запаса определяется производительностью насоса с учетом перепуска масла через редукционный клапан на слив Кз = 1,3.2,5.
Запас по производительности потока сложно применить в качестве диагностического параметра по причине его недостоверности. Поэтому предлагается в качестве диагностического параметра использовать неразрывность потока, которая оценивается резервом давления АР :
А- = --1(А- ), АР > 0 . (11) На основании этого предлагается состояние потока оценивать по наличию избыточного давления в каналах подвода ПКВ, которое должно быть всегда больше нуля.
На основании выдвинутых предположений были проведены экспериментальные исследования, целью которых являлось установление закономерности изменения потока масла в каналах КВ двигателя в зависимости от износа ПКВ и действия центробежных сил на поток масла и обоснование критических режимов, исходя из технического состояния ДВС.
Экспериментальные исследования условий подачи масла к ПКВ
Для проведения экспериментальных исследований были разработаны ряд методик и необходимых конструкторских доработок для обеспечения возможности проведения экспе-
риментов, которые заключались в следующем:
- изменение давления в кольцевом канале коренных подшипников оценивалось с использованием установки, которая представляет собой пять пьезометрических столбов по количеству коренных опор, верхние концы которых соединены между собой и с системой подачи воздуха. Давление масла в кольцевых каналах коренных подшипников измеряли при принудительном снижении давления в главном масляном канале сливом, этим имитировали понижение давления масла в процессе эксплуатации из-за износов;
- влияние потерь давления в канале коренного подшипника от действия центробежных сил на режимы смазывания шатунных подшипников определяли с использованием методики, суть которой состояла в том, что по оси коленчатого вала был сделан вывод наружу из подводящих маслоканалов к шатунной шейке. Принудительным снижением давления в системе смазки (перепуском с фильтра на слив в поддон) добивались на различных частотах вращения коленчатого вала прекращения истечения масла из трубки, что указывает на разрыв потока;
- потребный расход через шатунные подшипники и располагаемый подвод через каналы коренной шейки замерялись на двигателе КАМАЗ-740.10 при стендовых испытаниях. Для определения прокачки масла через подшипник 1-й шатунной шейки в коленчатом вале глушился масляный канал 1-й коренной шейки установкой заглушки, а на передний фланец коленчатого вала устанавливалась полумуфта и штуцер, обеспечивающий подвод масла из внешнего трубопровода к шатунным подшипникам по оси коленчатого вала. В маслопровод включён манометр и счетчик расхода масла ШЖУ-25М-15. Для определения располагаемой подачи масла через каналы 1-й коренной шейки в коленчатом вале двигателя просверлено дополнительное отверстие, обеспечивающее подвод масла на подшипники 1-й шатунной шейки со 2-й коренной опоры, а в маслоканал подвода масла с 1-й коренной опоры установлена заглушка. К переднему фланцу коленчатого вала через полумуфту крепился маслопровод со счетчиком расхода масла ШЖУ-25М-15. От него по маслопроводу слив масла осуществлялся в поддон двигателя. Дифференциальный клапан масляного насоса на весь период испытаний заблокирован;
- действительный расход масла через шатунные подшипники одной шейки определяли замером объёма масла, сливаемого за 1 минуту из изолированного поддона в мерную емкость, на различных режимах работы двигателя;
- для определения диагностического параметра ДР - необходимой величины избыточного давления масла перед шатунными подшипниками в каналах по оси коленчатого вала, необходимого для стабилизации режима смазывания в эксплуатации, была разработана методика, где управляющее давление для дифференциального клапана масляного насоса системы смазки берется из канала подвода масла к шатунным подшипникам по оси коленчатого вала, а сам клапан настраивался последовательно на избыточное давление 0; 0,1 и 0,2 МПа путем настройки пружины (решение о выдаче патента на изобретение по заявке 2012130497/06(047898)). Слив масла из клапана, таким образом, имитировал разную степень изнашивания ДВС: предельное, среднее, без изнашивания.
Экспериментальные исследования проводились на прогретом двигателе 1м=90...100°С на режимах холостого хода, во время которых снимались характеристики давления смазочной системы при трех вариантах настройки. Полученная характеристика давления масла в смазочной системе при нулевом избыточном давлении в канале по оси коленчатого вала является диагностическим параметром предельного состояния в эксплуатации ДР. Предельным значением диагностического параметра ДР является давление, равное нулю, а начальное значение -0,2 МПа.
Анализ результатов
экспериментальных исследований
Анализ измерений давления в кольцевом канале коренных подшипников показал, что на всех режимах работы двигателя существуют потери давления до кольцевых каналов, которое значительно ниже давления в каналах главной масляной магистрали (рисунок 1).
В процессе эксплуатации вследствие изнашивания деталей двигателя давление в смазочной системе закономерно снижается, что является следствием изменения и режимов смазывания шатунных подшипников. Так, потери давления до кольцевого канала коренных подшип-
ников с номинальными зазорами составляют в среднем 30-40% от давления в главной масляной магистрали.
Измерения потерь давления в канале коренного подшипника от действия центробежных сил до оси коленчатого вала показали, что величина потерь значительна и составляет при частоте вращения более 2000 мин-1 от 20 до 50% от номинального давления (п=2600 мин-1, АР=0,168 МПа).
Потребный расход масла через 1-ю шатунную шейку, измеренный принудительной прокачкой снаружи с расходомером, при номинальном зазоре в шатунных подшипниках, равном
0,09 мм при номинальном давлении Р=0,4 МПа и номинальной частоте вращения п=2600 мин-1 составляет 1,1 литра масла в минуту, а при частоте вращения п=1000 мин-1 - 0,25 литра в минуту (рисунок 2, линия 2).
Для сравнения определен располагаемый приток масла через каналы 1-й коренной опоры, измеренный принудительной прокачкой снаружи с расходомером, при стандартном давлении Р=0,4 МПа и при номинальном зазоре в коренных вкладышах, равном 0,100 мм. Располагаемый приток составил 2,8 литров в минуту, и он выше, чем потребный расход через шатунные подшипники (рисунок 2, линия 1).
Р, кгс/см2
а)
4.5
3.5
2,5
р ^о стенду
— 1 :м к
-*---
-•-
п, мин-1
1500
2000
2500
3000
б)
Рисунок 1. Давление в кольцевом канале подшипников при работе двигателя без нагрузки (а) и с нагрузкой (б) по номерам коренных опор в сравнении с давлением по стендовому манометру
(номинальные зазоры)
(увеличенные зазоры)
1 - располагаемый приток масла через каналы 1-й коренной шейки; 2 - потребный расход масла через подшипники 1-й шатунной шейки
Рисунок 2. Характеристики располагаемого притока и потребного расхода масла от технического состояния подшипников коленчатого вала при давлении 0,4 МПа
Для оценки влияния износов ПКВ на режимы смазывания последовательно устанавливались подобранные шатунные и коренные вкладыши с различной степенью износа, создавая увеличенные зазоры. Так, при определении располагаемого притока масла через каналы 1-й коренной опоры при зазоре в подшипниках, равном 0,127 мм, располагаемый приток масла меньше, чем при увеличенном зазоре в 0,16 мм, что указывает на влияние эксплуатационных износов подшипников коленчатого вала на выработке запаса производительности потока масла к шатунным подшипникам.
При оценке достижимого и действительного расхода масла через шатунные подшипники при различных частотах вращения получены результаты, которые приведены на рисунке 3. Действительный расход масла в области давлений выше 0,3 МПа равен достижимому. При измерениях действительного расхода масла с 3-й шатунной шейки выявлен эффект разрыва потока, выражающего пульсацией масляного потока стекающего из отсека.
В действительной характеристике имеется точка перегиба при критическом давлении, равном 0,26 МПа, когда происходит режим разрыва потока, выражающийся в периодическом заполнением и опорожнением полости. Этот режим наступает при выработке запаса производительности потока.
Практическое применение результатов исследования
На основе полученных результатов экспериментальных исследований для оценки технического состояния двигателя в эксплуатации предложен метод диагностирования, основанный на измерении давления и снятии характеристики ДВС на холостом ходу [5]. Метод заключается в том, что на основе фиксированных значений давления масла во всём диапазоне частоты вращения коленчатого вала или в отдельных зонах частот (низких или высоких) в начальный период эксплуатации Р и в текущий момент Р , строятся
нач ^ тек7 1
характеристики давлений (рисунок 4). Сопоставляя характеристику давления текущего Р замера с характеристиками начального
тек
Рнач, предельного Рпред и предыдущих замеров судят об изношенности и остаточном ресурсе двигателя. При оценке необходимо следить, чтобы кривая текущего давления не была ниже кривой предельного давления, которая характерна для такого состояния двигателя, когда в подводящих каналах к шатунным подшипникам КВ наступает разрыв потока.
Следя таким образом за разностью давлений (Р -Р ) представляется возможность анализи-
нач тек
ровать интенсивность износа двигателя по пробегу, а также прогнозировать тренд остаточного ресурса двигателя за период эксплуатации. Пре-
Рисунок 3. Зависимость достижимого (1 шейка) и действительного (3 шейка) расходов масла через шатунные подшипники на различных оборотах двигателя при номинальных зазорах (0,09 мм)
при температуре масла 90+5оС
дельная величина давления на номинальной частоте вращения двигателя КАМАЗ-740 составляет 0,26 МПа.
С вероятностью 0,9 пересечение линии 3 предельного давления с кривой 1 снижения давления в эксплуатации происходит при наработке 125 тыс. км. Вероятность отказа при этом составляет 10% (рисунок 5).
Для повышения ресурса двигателя в процессе эксплуатации рекомендована, проверена в опытной эксплуатации и внедрена на ряде эксплуатационных и сервисных предприятий способ стабилизации режима смазывания шатунных подшипников путем замены вкладышей ПКВ при пробеге 125 тыс. км с применением ремонтного комплекта вкладышей, утолщенных на 0,05 мм (Р0). Комплекты вкладышей освоены в производстве ДААЗ, введены в эксплуатационную документацию и имеются на рынке. Перешлифовка шеек коленчатого вала не требуется. Предложенные мероприятия позволяют снизить затраты на эксплуатацию в размере 9640 руб./автомобиль за счет повышения ресурса двигателя и снижение доли отказов на 34%.
Рисунок 4. Характеристики давления масла в системе смазки
Р. МПа 0.5 ■
з 0 о 1 "
о Г
. 2
о "о О
Рисунок 5. Определение ресурса двигателя по величине предельного давления в системе смазки от наработки автомобиля: 1 - характеристика давления при п = 2600 мин-1; 2 - при п = 600 мин-1; 3 - предельно-допустимое давление на номинальной частоте вращения п = 2600 мин-1
Основные результаты и выводы
На основе вышеизложенных результатов проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
- предложенный параметр степени запаса и неразрывности потока в каналах подвода масла к шатунным подшипникам коленчатого вала позволяет определять предотказное состояние ПКВ ДВС;
- установлено, что из-за изнашивания подшипников коленчатого вала увеличивается расход через шатунные подшипники и снижается прокачка масла через каналы коренной шейки, что нарушает неразрывность масляного потока в каналах;
- определено, что предотказное состояние шатунных подшипников наступает при отсутствии запаса по производительности располагаемого потока масла над потребным расходом через шатунные подшипники коленчатого вала.
Предельный критический уровень запаса Кз=1 наступает при отсутствии давления по оси коленчатого вала;
- установлено, что для обеспечения неразрывности масляного потока давление в системе смазки должно быть не менее 0,26 МПа, на основе чего предложено осуществлять диагностирование двигателя при техническом обслуживании по параметрам предельного, текущего и номинального давления в системе смазки для предотвращения предотказного состояния;
- на основе разработанной методики диагностирования ДВС по характеристике давления предложено проведение предупредительного ремонта двигателей КАМАЗ ДВС путем замены вкладышей при пробеге 125 тыс. км. с применением ремонтного комплекта вкладышей, утолщенных на 0,05 мм (Р0) без перешлифовки
шеек, что позволит сократить число отказов тационные затраты, связанные с ремонтными двигателей, и, как следствие, снизить эксплуа- воздействиями.
--22.08.2014
Список литературы:
1. Кулаков, А.Т. Исследование условий работы подшипников коленчатого вала двигателя / А.Т. Кулаков, А.А. Макушин, Е.П. Барыльникова // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2011. - №10. - С.135-138.
2. Макушин, А.А. Установка для исследования условий смазки подшипников коленчатого вала / А.А. Макушин, Е.П. Барыльникова // Тракторы и сельхозмашины. - 2012.- №12. - С. 38-40.
3. Макушин, А.А. Влияние эксплуатационных факторов на условия смазывания подшипников коленчатого вала автотракторных двигателей / А.А. Макушин, Е.П. Барыльникова // Тракторы и сельхозмашины. - 2013. - №5. - С. 33-36.
4. Система подачи смазочного материала в двигатель внутреннего сгорания / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, Е.П. Барыльникова, Н.В. Орлов. Решение о выдаче патента на изобретение от 2.08.2013 г. по заявке 2012130497/06(047898) от 17.07.2012.
5. Барыльникова, Е.П. Повышение ресурса автомобильных двигателей стабилизацией режима смазывания шатунных подшипников в эксплуатации: эксплуатации: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Е.П. Барыльникова. - Оренбург: ОГУ, 2013. - 18 с.
Сведения об авторах:
Барыльникова Елена Петровна, старший преподаватель кафедры эксплуатации автомобильного транспорта Набережночелнинского института Казанского (Приволжского) Федерального университета, кандидат технических наук 423812, Республика Татарстан, г. Набережные Челны, пр-т Мира, 68/19, е-шаП: 692401@mail.ru
Ковриков Иван Тимофеевич, профессор кафедры машин и аппаратов химических и пищевых производств факультета прикладной биотехнологии и инженерии Оренбургского государственного университета, доктор технических наук, профессор 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 3115, тел. (3532) 372464
Коваленко Сергей Юрьевич, старший преподаватель кафедры автомобильного транспорта Оренбургского государственного университетакандидат технических наук, е-шаП kovalenko-osu@yandex.ru
