CC BY
4
УДК 62-144
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-524-529
СБЕРЕЖЕНИЕ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ, ПОТРЕБЛЯЕМЫХ АВТОНОМНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗА СЧЁТ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА СТАДИИ
ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Д.Р. Абсалямов, Р.Р. Хальметов, В.М. Моторин, В.М. Сальников, Р.А. Мосягин
В настоящей статье описана методика прогнозирования ресурса наиболее нагруженного узла двигателя внутреннего сгорания (ДВС) — подшипников скольжения коленчатого вала. Анализ результатов эксплуатации некоторых отечественных ДВС автономных источников электроснабжения (АИЭ) показал, что характерными отказами подшипников скольжения являются задиры и усталостное выкрашивание антифрикционного слоя. Задиры имеют место на ДВС с незначительной наработкой, и их появление обусловлено в основном наличием отклонений параметров деталей узла подшипников скольжения выше допустимых пределов. Устранение указанного дефекта требует повышения технологического контроля на стадии проектирования и производства, а также соблюдения правил эксплуатации.
Ключевые слова: автономные источники электроснабжения, двигатель внутреннего сгорания, сбережение топливно-энергетических ресурсов, подшипники скольжения, коленчатый вал, задиры, антифрикционный слой.
Как известно, максимум распределения отказов, связанных с усталостным разрушением антифрикционного слоя, находится в области наработок 2,6-3,2 тысячи часов. Причина их возникновения в несоответствии прочностных свойств материала подшипников скольжения уровню действующих нагрузок. В связи с этим под обеспечением долговечности подшипников скольжения коленчатого вала ДВС на стадии его проектирования прежде всего подразумевается обеспечение ресурса подшипников скольжения по усталостному выкрашиванию.
Разработка новых моделей ДВС в конструкторских бюро продолжается в среднем от 4 до 6 лет. По окончании опытно-конструкторских работ ДВС считается доведенным и готовым к промышленному изготовлению. Однако в первые годы после начала серийного выпуска обнаруживается низкая эксплуатационная надежность тех или иных узлов и деталей. Такое положение объясняется недостаточной степенью изученности условий их нагружения при работе ДВС в силу отсутствия научно обоснованных, хорошо проверенных на практике, расчетно-экспериментальных методов исследований.
В основу метода положены следующие предпосылки. За время ti работы ДВС в эксплуатации на одном из режимов, характеризуемом величиной крутящего момента М и угловой скоростью вращения вала toj, в течение срока службы Т (до момента разрушения), на ДВС будет произведено П; циклов нагружения, которое для четырехтактных ДВС равно
ЗОы; гп 900Ы; ™ ,1Ч
60 ti= —L fiT, (1)
¿n n
где tj = f;T; f - плотность вероятности работы ДВС на данном режиме.
Из уравнения усталостной кривой материала подшипников скольжения определяем количество циклов нагружения, необходимое до момента разрушения при заданном уровне нагрузки Ртах i,
Nj = , (2)
1 VPmax ij 0 ' v '
где т — тангенс угла наклона кривой усталости; Ртах 0 — предел усталостной прочности материала; N0 — базовое число циклов нагружения.
Таким образом, за время работы ti ДВС подшипником скольжения будет накоплена определенная мера повреждения
'Ч —
V ~may 7 /
(3)
Согласно линейной гипотезе накопления усталостных повреждений [1], разрушение подшипника скольжения произойдет тогда, когда сумма накопленных повреждений будет равна единице, т. е. = 1 или
1 900Т у1=к _ . ...
где к — режимы работы ДВС в эксплуатации.
Из уравнения (4) получаем выражение для ресурса в часах
т= 90° . (5)
Следовательно, для прогнозирования долговечности подшипников скольжения необходимо располагать информацией о вероятностно-статистической загруженности [1 ДВС в эксплуатации, пределом усталостной прочности Ртах0 антифрикционного материала и нагрузками Ртах; на подшипник скольжения.
В условиях эксплуатации ДВС общего назначения выполняют различные операции, при этом и о изменяются в широких пределах. Для прогнозирования долговечности подшипников скольжения необходимы суммарные вероятностные характеристики их распределения. С этой целью диапазон наиболее вероятных режимов, изображенный в безразмерных координатах угловой скорости вращения вала ш=Ю1/Юном (Юном — угловая скорость на номинальном режиме работы ДВС) и внешнего момента М = М1 / Мном (Мном — момент на номинальном режиме работы ДВС), разобьем на условные секторы и присвоим им порядковые номера, представленные на рис. 1.
Рис. 1. Разбивка на секторы зоны наиболее вероятных режимов работы двигателей
внутреннего сгорания АИЭ
Будем считать, что в точках секторов с координатами ю1 и Mi сосредоточены режимы данного сектора и значение их равно среднеарифметическому. В результате анализа литературных источников, а также на основании выполненных авторами исследований в соответствии с принятой разбивкой получены распределения за весь срок службы вероятностных характеристик эксплуатационных режимов работы, ДВС различных типов для АИЭ, представленных в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Вероятностные характеристики эксплуатационных режимов работы двигателей внутреннего ___ сгорания АИЭ__
i Ю М i Ю М
0 0,350 0 9 1,025 0,50
1 0,825 0,10 10 0,825 0,70
2 0,975 0,10 11 0,950 0,70
3 1,075 0,10 12 1,025 0,70
4 0,825 0,30 13 0,825 0,90
5 0,975 0,30 14 0,950 0,90
6 1,050 0,30 15 1,000 0,90
7 0,825 0,50 16 0,825 1,10
8 0,950 0,50 17 0,950 1,10
18 0,825 1,15
В отличие от существующих методов усталостных испытаний подшипников скольжения авторами принят способ, где в качестве критерия нагруженности вкладышей приняты не внешние удельные давления, а максимальные гидродинамические, возникающие в масляном слое [2]. Для реализации способа была использована установка, отличительной особенностью которой является наличие датчика давления в шейке вала и механизма проворота валов, позволяющего регистрировать максимальный пик гидродинамического давления и автоматически поддерживать его величину в заданных пределах путем изменения амплитуды внешней динамической нагрузки. Результаты испытаний представляются в координатах Ртах — ш (Ртах — уровень давлений в слое, ш — количество циклов нагружения), представленных на рис. 2.
Нагрузки на подшипники скольжения определяются по методике [3], хорошо зарекомендовавшей себя на практике и позволяющей получать удовлетворительную сходимость теоретических и экспериментальных данных. Методика основана на решении дифференциального уравнения расчетного рас-
пределения пиковых значений гидродинамического давления шатунного подшипника скольжения двигателя внутреннего сгорания ЯМЗ-7514.10, принятого за базовый при разработке методики прогнозирования, в диапазоне возможных режимов его работы. Очевидно, что максимальные давления в слое на аналогичных режимах работы различных моделей ДВС отличаются своей величиной, однако характер распределения с изменением режима примерно одинаков [4,5]. С целью проверки указанного положения были выполнены расчеты шатунного подшипника скольжения двигателя внутреннего сгорания 12ЧН18/20, имеющего ряд существенных конструктивных отличий от двигателя внутреннего сгорания ЯМЗ-7514.10. Результаты расчетов, подтвердили правильность сделанного предположения (рис. 3).
Таблица 2
Вероятность режима работы _/ (%) для двигателей внутреннего сгорания АИЭ_
Номера секторов (рис. 1) Вероятность режима работы Л (%) для двигателей внутреннего сгорания АИЭ
6 14 30 50 20 30 40
Подвижные Стационарные
0 25,7 24,5 15,4 11,7 16,7 11,6 9,4
1 1,9 2,1 2,0 1,7 1,4 1,7 2,1
2 4, 1 4,3 5,4 4,6 2,1 2,6 3,0
3 6,2 6,7 9,6 8,7 8,3 7,8 4,4
4 1,4 1,9 2,7 2,2 1,9 1,7 0,9
5 2,7 2,8 4,6 4,2 3,8 3,4 2,7
6 7,3 6,9 6,0 5,7 4,6 4,2 3,9
7 1,6 1,8 3,2 2,8 2,2 2,1 1,9
8 2,2 2,7 3,5 3,3 2,9 2,0 1,8
9 11,2 10.3 8,5 9,8 9,6 8,9 9,8
10 1,6 2,1 2,6 2,3 1,9 1,8 1,8
11 3,2 3,3 3,4 3,6 3,8 4,6 3,6
12 11,3 10,3 9,0 10,5 14,4 15,8 17,2
13 0,9 1,2 2,4 1,8 1,6 1,8 1,7
14 2,4 3,1 3,6 2,2 1,9 2,6 2,5
15 11,3 10,2 9,9 12,3 14,2 15,6 18,3
16 0,2 0,8 1,2 0,7 1,3 1, 1 1,7
17 0,3 1,5 3,3 5,2 3,5 6,2 8,9
18 0,1 0,3 0,6 1,8 0,4 1,6 1,9
Рис. 2. Распределение максимальных давлений в слое в зависимости от режимов работы двигателя
внутреннего сгорания ЯМЗ-7514.10
р;.
1,4 1,2 1,0 О, В 0,6
0.4 IV,
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Рис. 3. Изменения в зависимости от режимов работы двигателей внутреннего сгорания:
— ЯМЗ-7514.10; — 12ЧН18/20
526
Изменение безразмерного давления р, = ртах 1 /р™«* (Ртах — уровень давлений на номинальном режиме) двигателя внутреннего сгорания 12ЧН18/20 такое же, как и у двигателя внутреннего сгорания ЯМЗ-7514.10, что позволяет утверждать о справедливости полученных зависимостей для других моделей ДВС. В целях удобства дальнейшего использования полученных результатов путем аппроксимирования было подобрано эмпирическое выражение
р, = (0,938 - 0,638 ю) М] + (0,547 - 0,297 ю) М1 + (0,683 - 0,233 ю). (6)
Таким образом, формула (5) для долговечности подшипников скольжения приобретает вид
"г1 __D
900шн
-1
ipmax о А (7)
\ рном I ' V /
где Кр = [ь ЩРГ] — коэффициент режима работы ДВС.
Как видно, выражение (7) может быть применено без наличия индикаторных диаграмм, получение которых на стадии проектирования не представляется возможным.
Зависимость между уровнем давлений Ртах , и числом циклов нагружения N даже при самом строгом соблюдении идентичности испытаний материалов подшипников скольжения на усталостную прочность в силу неоднородности самого материала имеет ярко выраженный случайный характер. Чтобы учесть это обстоятельство, надо положить, что параметры кривой усталости — случайные величины, подчиняющиеся некоторым е скольжения будет определяться выражением
Т = Тср у т, (8)
где Тср — средняя долговечность подшипника скольжения, вычисляемая по формуле (5); у — случайный параметр, плотность распределения вероятностей которого имеет вид
^=«ъ
где и — коэффициент вариации; е = 0,6 — доля от среднего предела усталости Ртах о, ниже которого не происходит накопление усталостных повреждений.
С учетом указанных факторов вероятность отказа подшипника скольжения за время работы Т определяется из выражения
(9)
F(T)= 1 — exp
(10)
Из приведенного следует, что разработанная методика прогнозирования долговечности подшипников скольжения предусматривает выполнение следующих этапов исследовательских работ: аналитически определяется уровень максимальных гидродинамических давлений в масляном слое на номинальном режиме работы ДВС; в соответствии с выражением (6), находятся безразмерные давления рпо предложенному способу определяются характеристики несущей способности материала подшипников скольжения; полученные результаты подставляются в формулу (7), и вычисляется средняя долговечность подшипников скольжения; в соответствии с выражением (10), при заданном ресурсе Т находится вероятность отказа подшипников скольжения. В дальнейшем, при разработке проектов новых объектов необходимо рассматривать информацию, изложенную в источниках [6,7].
Методика прогнозирования апробирована на двигателях внутреннего сгорания ЯМЗ-7514.10. Полученные данные долговечности подшипников скольжения удовлетворительно согласуются с результатами эксплуатации. При условии выполнения некоторых дополнительных исследований, в частности определения вероятностных характеристик загруженности в эксплуатации, методика может быть применена не только для двигателей внутреннего сгорания АИЭ, но и для автомобильных, тепловозных, судовых и других моделей ДВС.
Одновременно, необходимо отметить, что повышение эффективности и долговечности работы подшипников скольжения приведёт к снижению затрат ДВС на преодоление сил трения. Последнее положительно скажется на повышение коэффициента полезного действия ДВС и на снижение затрат на собственные нужды, соответственно это положительно отразится на сбережении топливно-энергетических ресурсов.
Список литературы
1. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М.: Стройиздат, 1965. 260 с.
2. Балюк Б.К., Ажиппо Н.А., Анисимов В.С. Новый метод испытания подшипников скольжения двигателей на усталостное выкрашивание. Двигателестроение, 1981. №9. С. 60-61.
3. Захаров С.М., Эрдман В.Ф. К расчету нестационарно-нагруженных подшипников скольжения на ЭВМ / Вестник машиностроения, 1976. №7. С. 31-36.
4. Абсалямов Д.Р., Хальметов Р.Р., Аитов Р.Н., Петров А.Ю. Прогнозирования технико-экономических показателей механического оборудования дизель-генераторов в процессе эксплуатации / Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2022. Выпуск 3. С. 71-75
5. Некрасов И.Н., Моторин В.М., Матюнин А.С. Модель диагностирования технических систем специальных объектов / Сборник статей XXIV межвузовской научно-практической конференции «Современные направления развития технологии, организации и экономики строительства», 2021. ВИ(ИТ) ВА МТО. С. 267-274.
6. Демидова Н.С., Сальников В.М., Шевчук А.М. Формирование исходных данных для проектирования основы строительства специальных объектов (информационно-аналитический обзор) / Труды Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского, 2018. Выпуск 663. С. 76-79.
7. Заложных С.Д., Моторин В.М., Сальников В.М. Система утилизации теплоты выхлопных газов дизель-генераторных установок специальных сооружений объектов наземной космической инфраструктуры / Труды Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского, 2018. Выпуск 663. С. 95-98.
Абсалямов Дамир Расимович, д-р техн. наук, доцент, начальник кафедры, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского,
Хальметов Рамиль Ряшидович, преподаватель кафедры, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского,
Моторин Виктор Михайлович, канд. техн. наук, доцент, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского,
Сальников Вадим Михайлович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, доцент, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского,
Мосягин Роман Александрович, канд. пол. наук, доцент, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского
SAVING OF FUEL AND ENERGY RESOURCES CONSUMED BY AUTONOMOUS SOURCES OF POWER SUPPLY OF SPECIAL TECHNICAL SYSTEMS BY PREDICTING THE DURABILITY OF SLIDING BEARINGS OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE AT THE STAGE OF THEIR DESIGN
D.R. Absalyamov, R.R. Halmetov, V.M. Motorin, V.M. Salnikov, R.A. Mosyagin
This article describes a method for predicting the resource of the most loaded internal combustion engine unit — the crankshaft sliding bearings. Analysis of the results of operation of some domestic internal combustion engines of autonomous power supply sources has shown that the characteristic failures of sliding bearings are bullying and fatigue staining of the antifriction layer. Bullying occurs on internal combustion engines with insignificant operating time, and their appearance is mainly due to the presence of deviations in the parameters of the sliding bearing assembly parts above the permissible limits. The elimination of this defect requires increased technological control at the design and production stage, as well as compliance with the rules of operation.
Key words: autonomous power supply sources, internal combustion engine, saving of fuel and energy resources, sliding bearings, crankshaft, bullies, antifriction layer.
Absalyamov Damir Rasimovich, doctor of technical sciences, docent, head of the department, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Halmetov Ramil Rashidovich, lecturer of the department, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Motorin Viktor Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Salnikov Vadim Mikhailovich, candidate of technical sciences, senior researcher, docent, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Mosyagin Roman Alexandrovich, candidate of political sciences, docent, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
