CC BY
43
УДК 621.43.004.67(035.3)
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВ ХОЛОДНОЙ ОБКАТКИ
АВТОТРАКТОРНЫХ ДВС
С. В. Тимохин, доктор техн. наук, профессор; И. С. Королев, аспирант
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, е-таП: [email protected]
Дано обоснование необходимости совершенствования существующих технологий и средств холодной обкатки ДВС. Рассмотрены возможные способы повышения ее эффективности, в том числе применением автономных приводных устройств, которые позволяют проводить обкатку двигателей, установленных на мобильные и стационарные машины, с требуемыми технологией частотами вращения.
С использованием теории ДВС и электропривода проведено расчетно-теоретическое обоснование параметров автономного приводного устройства (частоты вращения, момента и мощности электродвигателя, частоты питающего тока и мощности преобразователя частоты).
Ключевые слова: ДВС, холодная обкатка, автономное приводное устройство, частотно-управляемый электропривод, преобразователь частоты.
В последние годы необходимость в ремонте и техническом обслуживании сельскохозяйственной техники резко возросла. Машинно-тракторный парк стареет, нагрузка на него даже при сокращении возделываемых площадей постоянно возрастает. Причем финансовые возможности для обновления парка и поддержания машин в работоспособном состоянии в АПК ограничены.
Анализ эксплуатации машин показывает, что 35...45 % отказов приходится на двигатели [1, 2]. Причем большая часть ДВС, используемых в сельскохозяйственном производстве Российской Федерации, эксплуатируется после капитального ремонта. Практика эксплуатации показывает, что ресурс двигателей после капитального ремонта не превышает 30. 45 % ресурса новых. Поэтому за срок службы машин их двигатели подвергаются капитальному ремонту до шести раз [3]. На техническое обслуживание, текущий и капитальный ремонты двигателей расходуется денежных средств в 5-6 раз, а труда в 10-15 раз больше, чем на их изготовление [4].
В связи с этим остро стоит вопрос о повышении межремонтного срока службы и эксплуатационной надежности сельскохозяйственной техники [5]. Одним из путей решения данной задачи является совершенствование технологической обкатки отремонтированных ДВС.
Установлено исследованиями и подтверждено практикой, что ДВС, прошедшие полноценную обкатку, имеют ресурс в среднем на 30 % выше, чем у необкатан-ных, причем у последних ресурс может
быть равен нулю (аварийные задиры поверхностей ДВС) [6].
Типовые технологии обкатки ДВС обладают рядом недостатков, таких как большая мощность, габариты и стоимость оборудования, высокая трудоемкость процесса обкатки, связанная с необходимостью установки ДВС на обкаточный стенд и последующего снятия его со стенда. Поэтому проведение ремонта в мелких ре-монтно-технических предприятиях, а также в эксплуатирующих организациях не позволяет проводить послеремонтную обкатку по типовым технологиям в силу указанных выше недостатков. Разрабатываемые новые технологии и средства для обкатки ДВС должны устранять недостатки типовых средств и технологий, отличаться простотой реализации, хорошим качеством приработки сопряжений и минимальной трудоемкостью и стоимостью. Также новые технологии должны быть универсальными по отношению к мощности и типам ДВС и реализуемыми в различных производственных условиях.
Типовая технология обкатки включает этапы холодной обкатки, горячей обкатки на холостом ходу и горячей обкатки под нагрузкой. С технической точки зрения наиболее сложным и ответственным до последнего времени являлся этап горячей обкатки под нагрузкой, для выполнения которого требовались тормозные установки с мощностью, соответствующей номинальной мощности обкатываемого ДВС. Разработанные в Пензенской ГСХА метод и средства горячей обкатки с динамическим нагружением и новые технологии с
Нива Поволжья № 1 (34) февраль 2015 61
его использованием [7, 8] позволяют решить эту проблему достаточно простыми, малогабаритными и недорогими средствами. В том числе и путем обкатки ДВС, установленных на машинах. Этап холодной обкатки также является весьма ответственным и требует строгого соблюдения его скоростных и временных режимов. Существующие технологии предусматривают его проведение с помощью внешних стационарных приводных устройств, подключаемых к коленчатому валу ДВС. При этом развиваемый ими момент должен быть не меньше момента механических потерь ДВС, который составляет 30 и более процентов от номинального крутящего момента. Это требует использования громоздкого, высокомоментного электропривода и передающих элементов [9].
При текущем ремонте ДВС известно использование для холодной обкатки штатных пусковых ДВС [10] и электростартеров [11], однако эта технология не может быть применена для обкатки ДВС после капитального ремонта (в силу невозможности обеспечения этими средствами требуемых скоростных и временных режимов обкатки).
Одним из возможных путей решения данной задачи является применение автономного приводного устройства для холодной обкатки на базе высокоскоростного частотно регулируемого электропривода, который устанавливается вместо штатного электростартера. Применение такого привода позволяет производить обкатку двигателей, установленных на мобильные и стационарные машины, с требуемыми технологией частотами, значительно, до 7...10 раз, превышающими пусковые [6].
Приработка сопряжений при холодной обкатке ДВС происходит вследствие взаимного перемещения поверхностей трения и действия на них внутренних, газовых и инерционных нагрузок, вызывающих уменьшение зазоров в сопряжениях, смятие, пластическую деформацию и срезание неровностей и, как следствие, исправление микро- и макрогеометрии поверхностей сопряжений.
Интенсивность процесса приработки обуславливается величиной и динамикой изменения скоростных и нагрузочных режимов работы сопряжений ДВС, а также продолжительностью их воздействия. Общепринятым является постепенное увеличение нагрузочно-скоростных режимов холодной обкатки ДВС.
При холодной обкатке на установившемся скоростном режиме момент МПР , развиваемый устройством для прокрутки
коленчатого вала, затрачивается на преодоление момента механических потерь
ДВС Ммп, т. е.
М =М
1v1 пр 1v1 мп-
(1)
Так как наибольшую долю механических потерь (до 80 %) составляют потери на трение, то с определенным приближением считают, что среднее давление механических потерь ДВС рМП линейно зависит от средней скорости поршня Wn. СР и, соответственно, скоростного режима ДВС [12]:
Рмп =а+bwn.cp , (2)
где а и b - коэффициенты, зависящие от типа, конструкции, размеров, числа цилиндров и теплового состояния двигателя, а также степени приработки сопряжений. Например, для обкатанных карбюраторных ДВС а = 0,039 МПа = const, b = 0,0113 МПас/м = const [12, 13, 14]. У необкатан-ных ДВС коэффициенты а и b, а следовательно, и давление механических потерь имеют повышенные значения. В процессе обкатки они уменьшаются и в ее конце стабилизируются.
Зависимость момента механических потерь ДВС при холодной обкатке от угловой скорости коленчатого вала, тактности и основных конструктивных параметров отражается известным выражением [15]
MХО =
J-'J- S Y7T
(a+c-a)-Vh -z 0,00314--г
(3)
где Ук - рабочий объем цилиндра ДВС, л; г - число цилиндров; тдв - тактность двигателя; с - постоянный коэффициент для ДВС данной марки, определяемый по формуле
^..............(4)
с=— МНм/с-1. п
Например, для двигателя ВАЗ 2101 а = 0,039МПа, ход поршня Б=0,066м; рабочий объем цилиндра ДВС Ц,=0,3л; число цилиндров г=4; тактность двигателя тдв =4 ;
0,0113-0,066
с=-
3,14
-=0,00024 МНм/с-1.
Тогда выражение (3) для двигателя ВАЗ 2101 примет вид
M =
1у1мп
(0,039+0,00024-ю >0,34
=3,726+0,023-® .(5)
0,00314-4
Имея значения коэффициентов а и с, а также рекомендованные значения частот вращения (угловой скорости) на ступенях холодной обкатки, можно определить момент механических потерь при холодной
обкатке, потребный момент прокрутки и необходимую мощность устройства ИГР для прокрутки коленчатого вала ДВС [15]:
кгр =ммг-®=мпр-® .
Мпр =ммг ®=
(а+с-а)-а¥к^ 0,00314-т
(6) (7)
С учетом выражения (5) мощность устройства для прокрутки коленчатого вала ДВС определится по формуле
МГР =(3,726+0,023®)-® . (8)
Момент механических потерь в общем случае складывается из моментов сил трения МТР, составляющего до 80 % от ММП (Мтр=0,8Ммп), а также момента на привод вспомогательных механизмов МВСП и момента, затрачиваемого на процессы газообмена, МГО, составляющих примерно 20.30 % (Мвсп+ Мго=0,2Ммп) [14], т. е.
Ммп = Мтр + Мвсп+ Мго,
(9)
или
Ммп = 0, 8ММП + 0,2 ММП. (10)
У ДВС после капитального ремонта возрастает в основном составляющая сил трения МТР отремонтированных сопряжений (ЦПГ, КШМ и вспомогательных механизмов) и ее увеличение отражается коэффициентом кн, учитывающим повышенное значение сил трения у необкатанного ДВС [16]. С учетом этого коэффициента момент механических потерь необкатанно-го ДВС определяется по формуле
Ммпн= (0,8кн+0,2)Ммп. (11)
Момент, развиваемый автономным приводным устройством, МПУ, необходимый для прокрутки коленчатого вала ДВС при холодной обкатке с заданной угловой скоростью, определяется по выражению
(0,8-£н +0,2)-Ммг
мгу =-
I - п
(12)
где I - передаточное число пары ведущая шестерня приводного устройства - зубчатый венец маховика, 1=11,3;
П - коэффициент полезного действия
зубчатой передачи ведущая шестерня приводного устройства - зубчатый венец маховика, п=0,95.
Значение коэффициента повышения сил трения для двигателя ВАЗ 2101 после капитального ремонта зависит от его качества и может достигать кн = 1,3-1,4 (примем кн = 1,35), тогда
Мгу =(0,8-1,35+0,2)ММГ /11,30,95=0,119-^МГ ,(13) или с учетом выражения (5)
МГУ =0,119- (3,726+0,023® )=0,4443+0,0027® (14) Для последней ступени холодной обкатки двигателя ВАЗ 2101 при частоте
1 — 1 вращения п = 1600 мин- (®=167,5с ) частота вращения вала приводного устройства составит:
П =н-1=1600-11,3=18080 мин
1
а момент и мощность на валу приводного устройства будут равны:
МГУ=0,4443+0,0027-167,5=3,4+0,015=0,90Я-ж (15)
=МГУ -® •/==0,90-167,5-11,3=1703,5Вт (16)
Проведенное обоснование показывает, что для холодной обкатки двигателя ВАЗ 2101 с частотами до 1600 мин-1 необходимо автономное приводное устройство с мощностью не менее 1,8 кВт, крутящим моментом до 0,90 Нм и частотой вращения выходного вала до 18080 мин-1.
Такое приводное устройство не может быть реализовано на базе электропривода переменного тока с питанием от промышленной сети с частотой 50 Гц. Возможно использование быстроходных коллекторных электродвигателей (постоянного или переменного тока), однако они имеют невысокую надежность, создают значительные электромагнитные и электрические помехи. Широкое распространение статических преобразователей частоты для частотно-управляемого электропривода, в том числе высокочастотного, позволяет эффективно решить данную проблему.
Рассчитаем требуемую частоту питающего тока для высокочастотного асинхронного 3-фазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором по известной формуле [17]
г П-Р г /Гц, 60
(17)
где п - частота вращения;
/ - частота питающего тока, Гц;
Р - число пар полюсов электродвигателя;
Для двухполюсного электродвигателя (р = 2) частота будет равна
, 18080-2 _ (=-=602,6 Гц.
60
Таким образом, для разрабатываемого привода необходим статический преобразователь частоты с частотой выходного тока не менее 600 Гц и мощностью не менее 1,8 кВт. Разработанное авторами приводное устройство такого типа имеет электродвигатель с размерами, не превышающими размера электростартера СТ-221 двигателя ВАЗ 2101 и малогабаритный преобразователь частоты с питанием от
Нива Поволжья № 1 (34) февраль 2015 63
промышленной сети. Предварительные испытания данного привода на двигателе ВАЗ 2101 подтвердили возможность реа-
лизации режимов холодной обкатки данного ДВС на частотах вращения от 400 до 1600 мин-1.
Литература
1. Носихин, П. И. Повышение качества и ускорение обкатки отремонтированных дизелей на основе современных достижений трибологии: автореф. дис. ... доктора техн. наук / П. И. Носихин. - М., 1997. - 34 с.
2. Старосельский, А. А. Долговечность трущихся деталей машин / А. А. Старосельский, Д. Н. Гаркунов. - М.: Машиностроение, 1967. - 395 с.
3. Школьников, В. М. Масла и составы против износа автомобилей / В. М. Школьников, Ю. Н. Шехтер. - М.: Химия, 1988. - 96 с.
4. Проников, А. С. Надежность машин / А. С. Проников. - М.: Машиностроение, 1979. - 591 с.
5. Матвеев, Д. М. Роль государственной поддержки в обновлении материально-технической базы сельского хозяйства / Д. М. Матвеев, Ю. Ю. Макарова // Молодой ученый. - 2012. - № 12. -С. 236-240.
6. Королев, И. С. Разработка оборудования для холодной обкатки ДВС на базе частотно-управляемого электропривода с высокой удельной мощностью / И. С. Королев, С. В. Тимохин // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза: РИО ПГСХА, 2013. - С. 210-212.
7. Тимохин, С. В. Обкатка дизелей с динамическим нагружением / С. В. Тимохин, К. Л. Моисеев // Сельский механизатор. - 2011. - № 12. - С. 32-33.
8. Тимохин, С. В. Технологии и средства обкатки ДВС с динамическим нагружением / С. В. Тимохин, А. Н Тюков., А. Н. Морунков // Труды ГОСНИТИ. - 2008. - Т. 101. - С. 122-124.
9. Тимохин, С. В. Методы повышения эффективности холодной обкатки дизелей: монография / С. В. Тимохин, Ю. В. Родионов, А. Н. Морунков. - Пенза: ПГУАС, 2012. - 152 с.
10. Ждановкий, Н. С. Бестормозные испытания тракторных двигателей / Н. С. Ждановкий. -М.-Л.: Машиностроение, 1966. - 177 с.
11. Тимохин, С. В. Энерго-ресурсосбережение при обкатке тракторных дизелей путем создания и реализации в ремонтном производстве модулей с динамическим нагружением: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / С. В. Тимохин. - СПб., 1999. - 37 с.
12. Николаенко, А. В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей / А. В. Нико-лаенко. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1992. - 414 с.
13. Орлин, А. С. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей / А. С. Орлин, С. И. Ефимов, Н. А. Иващенко. - М.: Машиностроение, 1984. - 384 с.
14. Моисеев, К. Л. Расчетно-теоретическое обоснование режимов и средств холодной обкатки ДВС после текущего ремонта (на примере дизеля Д-144-32) / К. Л. Моисеев, С. В. Тимохин // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: сб. матер. Всерос. НПК. - Пенза: РИО ПГСХА, 2011. - Т. 2. - С. 52-55.
15. Моисеев, К. Л. Повышение эффективности приработки дизелей совершенствованием технологии и средств обкатки с динамическим нагружением: автореф. дис. ... канд. техн. наук / К. Л. Моисеев. - Пенза, 2012. - 37 с.
16. Тимохин, С. В. Результаты экспериментальных исследований обкатки дизеля Д-144-32 после текущего ремонта на стенде КИ-28263 с микропроцессорной системой управления / С. В. Тимохин, К. Л. Моисеев, О. А. Царев // Нива Поволжья. - 2011. - № 3(20). - С. 79-83.
17. Бессонов, Л. А. Основы электротехники, электрические цепи / Л. А. Бессонов. - М.: Высшая школа, 1996. - 987 с.
UDK 621.43.004.67(035.3)
THE IMPROVEMENT OF THE TECHNOLOGY AND MEANS OF COLD ROLLING AUTOMOTIVE INTERNAL COMBUSTION ENGINE
S.V. Timokhin, doctor of agricultural sciences, professor; I.S. Korolyov, postgraduate FSBEE HPT "Penza SAA", Russia, e-mail: [email protected]
The article gives reasoning the necessity of improving the existing technologies and means of cold rolling internal combustion engine (ICE). Possible ways of raising its efficiency including application of autonomous driving devices are considered in the article. The application of autonomous driving devices make it possible to conduct rolling installed on mobile and stationary machines with the required frequency of rotation.
Using the theory of ICE and electric drive the calculation-theoretical substantiation of the parameters of autonomous driving devices was conducted (frequencies of rotation, moment and power of the electric engine, frequency of feeding current and power of frequency converter).
Key words: Internal combustion engine (ICE), cold rolling, the autonomous driving device, frequency-controlled electric drive, frequency converter.
References:
1. Nosikhin, P. I. Quality improvement and acceleration of rolling the repaired diesel engines on the basis of modern achievements in tribology: author. dis. ... of doctor of technical sciences / P. I. Nosikhin. -M., 1997. - 34 p.
2. Staroselsky, A. A. Durability of the friction parts of machines / A. A. Staroselsky, D. N. Garkunov. -M.: Mashinostroyeniye, 1967. - 395 p.
3. Scholnikov, V. M. Oils and compounds against cars wear / V. M. Scholnikov, Yu. N. Schechter. -M.: Khimiya, 1988. - 96 p.
4. Pronnikov, A. S. Reliability of machines / A.N. Pronnikov. - M.: Mashinostroyeniye, 1979. - 591 p.
5. Matveyev, D. M. The role of state support in the modernization of material-technical base of agriculture / A. M. Matveyev, Yu. Yu. Makarova // Molodoy uchony. - 2012. No. 12. - P. 236-240.
6. Korolyov, I. S. Development of equipment for cold rolling of the internal combustion engine on the basis of frequency-controlled drive with high power density / I. S. Korolyov, S.V. Timokhin // Collection materials of All-Russian scientific-practical conference. - Penza: EPD, PSAA, 2013. - P. 210-212.
7. Timokhin, S.V. Running diesel engines with dynamic loading / S.V. Timokhin, K. L. Moiseyev // Selsky mekhanizator. - 2011. No. 12. - P. 32-33.
8. Timokhin, S.V. Technology and means of running enternal combustion engine with dynamic loading / S. V. Timokhin, A. N. Tukov, A. N. Morunkov // Papers of the technological research institute. -2008. - Volume 101. - P. 122-124.
9. Timokhin, S.V. Methods of increasing the effectiveness cold running diesel engines: monograph / S. V. Timokhin, Yu.V. Rodionov, A. N. Morunkov. - Penza: PSUAB, 2012. - 152 p.
10. Zdanovky, N.S. No-brake testing tractor engines / N.S. Zdanovky. - M.-L.: Mashinostroyeniye. 1966. - 177 p.
11. Timokhin, S. C. Energy-saving when running tractor diesels by making and implementing repair modules with dynamic loading: author. dis. ... Dr technical sciences / S. V. Timokhin. - SPb., 1999. - 37 p.
12. Nikolayenko, A. V. Theory, design and calculation of automotive tractor engines / V. A. Nikolay-enko. - 2nd ed., revised and enlarged. - M.: Kolos, 1992. - 414 p.
13. Orlin, A. S. Internal combustion engines: design and strength calculation of piston and combined engines / A. S.,Orlin, S. I. Yefimov, N. A. Ivashchenko. - M.: Mashinostroyeniye, 1984. - 384 p.
14. Moiseyev, K. L. Calculation and theoretical substantiation of the modes and means of cold running engine after the current repairing (on the example of diesel D-144-32) / K. L. Moiseyev, S.V. Timokhin // Contribution of young scientists to the innovative development of agrarian and industrial complex of Russia: collection of materials of All-Russian scientific practical conference. - Penza: EPD PSAA, 2011. - Volume 2. - P. 52-55.
15. Moiseyev, K. L. Improving the efficiency of running diesel engines by means of improved technology and equipment of running with dynamic loading: author. dis. ... cand. of techn. sciences / K. L. Moiseyev. - Penza, 2012. - 37 p.
16. Timokhin, S. V. The experimental results of running diesel D-144-32 after the current repairing on the stand KEY 28263 with microprocessor control system / S. V. Timokhin, K. L. Moiseyev, O. A. Tsarev // Niva Povolzhya. - 2011. - № 3(20). - P. 79-83.
17. Bessonov, L. A. Fundamentals of electrical engineering, electric circuits / L. A. Bessonov. - M.: Vysshaya shkola, 1996. - 987 p.
Нива Поволжья № 1 (34) февраль 2015 65
