Расчетно-экспериментальная оценка влияния уровня дефорсирования на ресурс конвертированного дизеля типа В-2 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УРОВНЯ ДЕФОРСИРОВАНИЯ НА РЕСУРС КОНВЕРТИРОВАННОГО ДИЗЕЛЯ ТИПА В-2

А.А. Малозёмов, А.С. Шииин

EXPERIMENT-CALCULATED ESTIMATION OF DERATING LEVEL INFLUENCE UPON RESOURCE OF CONVERTED B-2 TYPE DIESEL ENGINE

A.A. Malozemov, A. S. Shikin

Разработана физико-статистическая математическая модель расходования ресурса конвертированного дизеля типа В-2. Предложены уравнения для определения относительной скорости накопления повреждений двигателя в зависимости от конструктивных и регулировочных параметров, режимов нагружения объектов применения. Сформулированы рекомендации по выбору номинальных значений частоты вращения и мощности конвертированного дизеля типа В-2, обеспечивающих требуемые показатели долговечности.

Ключевые слова: дизель, надежность, долговечность, ресурс, математическая модель.

A physical-statistical mathematical model of consumption of recourse of converted B-2 type diesel engine is developed. Equations to define the relative speed of damage accumulation depending upon constructive and adjusting parameters, modes of application objects load are offered. Recommendations on choice of nominal values of rotation frequency and power of converted B-2 type diesel engine which provide the required life ratio are formulated.

Keywords: Diesel engine, reliability, durability, resource, mathematical model

Проблема исследования. В настоящее время на основе дизелей специального назначения типа В-2 разрабатываются модификации двигателей, предназначенные для работы в составе гражданской техники (промышленных тракторов, инженерных и дорожно-строительных машин на их базе, транспортных машин, энергетических установок). Дизели военных гусеничных машин (далее - базовые двигатели) не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к гражданской технике, и наоборот. Например, для использования дизеля в составе промышленного трактора, необходимо снизить удельный расход топлива на величину до 8 %, масла - в 1,5-5 раз, увеличить ресурс в 4-8 раз. При этом у конструкторов имеется резерв по снижению номинальной мощности (дефорсированию) в 2-5 раз.

Одна из основных проблем, с которыми приходится сталкиваться при разработке народнохозяйственных модификаций дизелей, это необходимость обеспечения требуемых показателей надежности для техники гражданского назначения существенно более высоких, чем для специальной. Данная проблема обычно решается дефорсированием двигателя по номинальной мощности и частоте вращения. Уровень дефорсирования должен определяться расчетным путем и подтверждаться результатами испытаний.

Существующие методики расчетной оценки параметров надежности основаны на статистических и полуэмпирических математических моделях изнашивания, недостатком которых является невозможность использования на стадии проектирования дефорсированных модификаций двигателя. Кроме того, по статистике вследствие износа случается от 18-65 % всех отказов, в то же время из-за поломок, трещин, разрушений и разрывов происходит 35-70 % отказов, поэтому при прогнозировании ресурсных показателей вместе с изнашиванием необходимо учитывать накопления механических и термических повреждений.

Математическая модель относительной скорости накопления повреждений дизеля. Анализ имеющихся по данной теме работ [1-3] и других исследователей показал, что в основу математической модели расходования ресурса двигателя должны быть заложены следующие принципы:

- предполагается, что ресурсные показатели базового двигателя, режимы эксплуатации базового и дефорсированного двигателя известны, закон распределения параметров надежности базового и дефорсированного двигателя одинаковы (т.е. можно оперировать с центром распределения ресурса и не учитывать разброс параметров);

- наработка двигателя до наступления параметрического (постепенного) отказа определяется скоростью процесса изнашивания, функционального (внезапного) отказа - скоростью процесса накопления повреждений, которая, в свою очередь определяется суммарным воздействием инерционных сил, газовых сил, тепловых нагрузок (макротеплосмен), переменного скоростного режима (ускорений);

- задача прогнозирования ресурса может быть решена с использованием математической модели, основанной на физических моделях изнашивания и накопления повреждений, и статистических данных по типичным режимам нагружения базового и дефорсированного двигателей в составе объектов применения, принципах линейного суммирования повреждений и суперпозиции.

В самом общем виде связь между нагрузкой (напряжением, амплитудой, размахом) S и числом циклов N при работе на разных режимах описывается уравнением Веллера [4]

S?Nt = const, (1)

где т - показатель степени, зависящий от свойств материала, характера действующей нагрузки, i— номер режима.

Суммарное накопление повреждений от j-го фактора за единицу времени по спектру эксплуатационных режимов определяется с учетом частости f возникновения /-го режима:

Cj^N'Sr/,). (2)

1

Относительная скорость накопления повреждений от j-го фактора дефорсированного двигателя (по отношению к базовому):

С.

Kj= О)

где символ « ’ » относится к базовому двигателю.

Скорость накопления повреждений от инерционных нагрузок, которые пропорциональны квадрату частоты вращения, после несложных преобразований уравнения (2) может быть представлена в виде

С„=Х(п?т+]/,), (4)

1

где rii - частота вращения коленчатого вала на i-м режиме.

Скорость накопления повреждений от газовых сил, амплитуда которых определяется максимальным давлением сгорания Р2\

CPz=Y\P>j). (5)

1

Оценку влияния теплонапряженности на ресурсные показатели дизеля удобно производить по критерию фирмы «Доксфорд» [5]:

ч-

/ \а

(6>

(Ля^Рв)

где Ст - часовой массовый расход топлива, Рп — площадь поршня, - суммарный ход поршней, рв - плотность воздуха на входе в цилиндр, А=е /( 8 -1), где в - степень сжатия, а и Ь - показатели степени, зависящие от рассматриваемой поверхности, коэффициент пропорциональности.

Параметры для оценки уровня теплонапряженности могут быть применены только для двигателей очень близких по конструктивному исполнению и сходных по параметрам рабочего процесса, каковыми являются рассматриваемые базовый и дефорсированный дизели. В нашем случае используем параметр q не для сравнения уровней теплонапряженности разных дизелей, а для оценки разных квазистационарных режимов одной и той же модели дизеля, т.е. оцениваем уровень форсирования по теплонапряженности для разных режимов в безразмерной форме, принимая каждый конкретный режим эксплуатации в квазистационарной форме. В этом случае для /-го

режима изменение критерия теплонапряженности относительно номинального режима:

К

Кг, =

Я,

1

(7)

К

После преобразований:

ъ

пот

а Ґ

Ыот г в пот

Ре г

Плотность заряда на впуске [6]:

р., ю6

КТк

Температура воздуха на впуске для дизеля без наддува ТК=Т0, с наддувом [6]:

пк-\

Гр '

Т=Тп

(8)

(9)

(10)

где пк - показатель политропы сжатия (для центробежного нагнетателя пк= 1,65).

С использованием выражений (6)—(10) получим формулу для определения условной скорости накопления повреждений от воздействия макротеплосмен на /-м режиме:

Сп -

а Ґ Ґ п \0.бЛ

ті п пот Р к пот

в Пі Р

ті пот ) і \ V кі ) )

(П)

где Рк - давление воздуха перед органами впуска, символ «пот» относится к режиму, выбранному в качестве номинального.

В таком случае скорость накопления повреждений от воздействия макротеплосмен:

(12)

Скорость накопления повреждений от воздействия переменной частоты вращения (ускорений) 8 :

(13)

Относительная суммарная скорость накопления повреждений К^ф дефорсированного двигателя, ведущих к функциональному отказу, определяется в соответствии с гипотезой линейного суммирования повреждений и принципом суперпозиции (независимости действия сил):

1

К

■ = 1

Е ф

_1_

-1

(14)

Скорость изнашивания двигателя может быть оценена с использованием известных зависимостей [7, 8, 9] либо по методике, изложенной ниже.

Износ двигателя обусловлен силами трения, которые пропорциональны давлению механических потерь Рм, определяемых формулой СЬеп-Р1упп:

Рм=Кх+К2Р2+К3сп + К4с2п, (15)

где сп - средняя скорость поршня; К\ -а - константы.

Условная скорость изнашивания

(16)

Предложенная математическая модель расходования ресурса и методика прогнозирования ресурса имеет следующие преимущества (отличия) по сравнению с существующими:

- модель может быть использована на стадии расчета и проектирования дизеля (при отсутствии экспериментальных данных);

- модель включает подмодель расходования ресурса дизеля вследствие накопления усталостных и термических повреждений, что позволяет определить наработку двигателя не только до параметрического, но и до функционального отказа;

- предложено выражение для оценки влияния макротеплосмен на скорость накопления повреждений дизеля;

- учитывается влияние на скорость изнашивания как продолжительности действия газовых и инерционных сил, так и их амплитуд;

- скорость изменения основных параметров двигателя определяется в зависимости от скорости изнашивания.

Расчетная оценка влияния различных факторов на изменение ресурса дефорсированного двигателя типа В-2, предназначенного для работы в составе промышленного трактора. В качестве базового и дефорсированного двигателей были выбраны В-84М (12ЧН15/18) и В-31М2 (12415/18), применяемые в составе военной гусеничной машины и промышленного трактора кл. 25 соответственно. Анализ особенностей и статистическая обработка данных наблюдений по режимам эксплуатации объектов применения двигателей позволили выявить частотное распределение возникновения факторов, влияющих на ресурсные показатели и их амплитуду (рис. 1,2).

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

П

ли

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

о

о

см

о

о

о

см

о

о

00

о

о

со

о

о

-1

о

о

см

о

о

о

о

А

о

V

00

о

п, мин

а)

Рис. 1. Гистограммы суммарного распределения: а базового двигателя по времени

со со

о о

СТ) со

о о

N.

б)

частоты вращения коленчатого вала, б - уровня нагрузки

0,6

0,5

0,4

-0,3

0,2

0,1

0,0

■ 1 □ 2 щ з

25 45 65 85 105

Е, рад/с2 а)

5

тз

1

0,8

0,6

0,4

0,2

О

0 10 20 Количество циклов х103 б)

Рис. 2. Диаграммы распределения: а - максимальных угловых ускорений коленчатого вала двигателя при работе трактора в режиме бульдозирования: 1 - разгон, 2 - торможение, 3 - размах колебаний ускорений (разгон-торможение); б - макротеплосмен тракторного двигателя за 1000 часов (сЯ/сЯ1 - отношение размаха /-й теплосме-ны к максимальной)

С использованием гистограмм распределения, влияющих на ресурс факторов, и разработанной математической модели (уравнения (1)—(5), (12)—(14)) была выполнена расчетная оценка изменения ресурса дефорсированного двигателя относительно базового. Расчетная величина (90 %) гаммапроцентного ресурса тракторного двигателя превышает полученную по результатам длительных и эксплуатационных испытаний и записанную в технических условиях на 26 %, что подтверждает адекватность предложенной математической модели.

Проведен расчетный эксперимент по оценке влияния уровня дефорсирования дизеля по частоте вращения и мощности (выраженной через амплитудные значения газовых сил) на относительное изменение скорости расходования ресурса.

Зависимость относительной скорости накопления повреждений дефорсированного двигателя вследствие воздействия инерционных сил может быть аппроксимировано степенной функцией:

К„= 3,17 газовых сил:

КР =1,21

рг

макротеплосмен:

КТ = 7,48

г л113 п

\ /

(17)

(18)

(19)

71 Р

Для практически значимого диапазона 1 < — < 0,6 и 1<-^-<0,7 была получена зависимость

суммарной относительной скорости накопления повреждении:

/ \-6,62

= -0,98 + 0,91

л-8,05

г

ч Р' ,

\ г У

+ 0,77

(20)

Зависимость относительной скорости изнашивания дефорсированного двигателя вследствие воздействия сил трения может быть представлена формулой без учета малозначащего параметра Р2\

Я™ =1,83

/ \1,85

П

(21)

Относительная скорость изменения номинальных параметров мощности, удельного эффективного расхода топлива и расхода масла на угар может быть представлена соответствующими выражениями:

**е=0,90 Кшн, (22)

^=0,71^, (23)

^=Ю8^„. (24)

Установлено, что вследствие более выраженной цикличности режимов нагружения и высокой амплитуды изменения факторов, определяющих ресурсные показатели (особенно газовых сил и ускорений), при использовании базового двигателя типа В-2 без конструктивных и регулировочных изменений в составе промышленного трактора его ресурс уменьшится примерно на 30 %.

По результатам исследования сформулированы рекомендации по выбору номинальных значений уровня газовых сил и частоты вращения двигателя типа В-2, предназначенного для работы в составе промышленного трактора кл. 25, которые должны подбираться в соответствии с рис. 3.

0,7

111111111

Рг/Р?

1.0

0,9

135.0-40,0

130.0-35,0

125.0-30,0 ■ 20,0-25,0

□ 15,0-20,0

□ 10,0-15,0

15.0-10,0

10.0-5,0

Рис. 3. Зависимость относительного увеличения ресурса дефорсированного двигателя от относительного изменения газовых сил и номинальной частоты вращения

Заключение. В ходе исследования разработана методика прогнозирования ресурса дизелей типа В-2, которая позволит снизить затраты времени и материальных средств на их доводку по параметрам долговечности. Систематизированы данные по эксплуатационным режимам нагружения дизельных двигателей типа В-2 и их дефорсированных модификаций в составе промышленного трактора, которые могут быть использованы при решении задач прогнозирования ресурса. Сформулированы рекомендации по определению необходимого уровня дефорсирования двигателя для обеспечения требуемых показателей долговечности.

Результаты исследования могут быть использованы при создании дефорсированных модификаций дизельных двигателей типа В-2, разработке аналогичных методик прогнозирования ресурса поршневых ДВС на стадии проектирования модификаций, отличающихся уровнем форсирования и объектами применения.

Разработанная на основе предложенной математической модели расчетная методика используется в ООО ГСКБ «Трансдизель» (г. Челябинск) и ОАО ХК «Барнаултрансмаш» (г. Барнаул) -при разработке гражданских модификаций двигателей типа В-2; ОАО «НИИ автотракторной техники» (г. Челябинск) - при проведении НИР по доводке ресурсных показателей дефорсированных модификаций дизелей типа В-2.

Литература

1. Болотин, В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций / В.В. Болотин. - М.: Машиностроение, 1984. — 312 с.

2. Гусятников, В.А. Влияние факторов эксплуатационного режима на тракторный двигатель / В.А. Гусятников // Улучшение тяговодинамических качеств сельскохозяйственных тракторов в условиях эксплуатации: сб. науч. тр. - Челябинск: Изд-во ЧИМЭСХ, 1982. - С. 80-84.

3. Гусятников, В.А. Математическая модель термических нагрузок головок дизеля 8ЧВН15/16 в эксплуатации // Современные проблемы кинематики и динамики ДВС: тезисы докладов научно-технической конференции / В.А. Гусятников, С.П. Леонтьев, Д.В. Черняев. - Волгоград: Изд-во ВПИ, 1985, - С. 65-70.

4. Хевиленд, Р. Инженерная надежность и расчет на долговечность / Р. Хевиленд. - Л.: Энергия, 1966. - 232 с.

5. Костин, А.К Теплонапряженностъ двигателей внутреннего сгорания: справочное пособие /А.К. Костин, В.В. Ларионов, Л.И. Михайлов. — М.: Машиностроение, 1979. - 220 с.

6. Колчин, А.И. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей / А.И. Колчин, В.П. Демидов. -М.: Высшая школа, 1980. - 400 с.

7. Григорьев, М.А. Износ и долговечность автомобильных двигателей / М.А. Григорьев, Н.Н. Пономарев. - М.: Машиностроение, 1976. -248 с.

8. Ждановский, Н.С. Надежность и долговечность автотракторных двигателей / Н.С. Ждановский, А.В. Николаенко. - Л.: Колос, 1981. - 259 с.

9. Гурвич, И.Б. Эксплуатационная надежность автомобильных двигателей / И. Б. Гурвич, 77.Э. Сыркин. - М.: Транспорт, 1984. - 141 с.

Поступила в редакцию 9 июня 2009 г.

Малозёмов Андрей Адиевич. Кандидат технических наук, доцент кафедры «Специальные и дорожно-строительные машины» Южно-Уральского государственного университета, эксперт Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в области сертификации двигателей внутреннего сгорания и электротехники. Область научных интересов - дизельные и газопоршневые электростанции, рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания.

Andrey A. Malozemov. Candidate of engineering science, associate professor of the Special and Road Building Machines department of South Ural State University, expert of the Federal agency on technical regulation and metrology in the field of certification of internal combustion engines and electrical engineers. Professional interests- diesel and gas piston power stations, working process of internal combustion enginses.

Шикин Андрей Сергеевич. Преподаватель Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (военного института). Область научных интересов - надежность двигателей внутреннего сгорания.

Andrey S. Shikin. Teacher of the Chelyabinsk higher military automobile command-engineering school (military institute). The area of scientific interests - reliability of internal combustion engines.