CC BY
97
Кондратьев В.В. и др. // Металлург. 2013. №5. С. 9295.
10. Карлина А.И. Изучение структуры внутренних течений и волнового движения водного и взвесенесу-щего потока // Вестник ИрГТУ. 2015. № 4. С. 137145.
11. Карлина А.И. Анализ современных и перспективных способов воздействия на природные и сточные воды // Вестник ИрГТУ. 2015. № 5. С. 146-150.
12. Подготовка и очистка природных и сточных вод / К.Л. Ястребов и др. Иркутск : Изд-во ИрГТУ. 2014. 564 с.
13. Перспективы применения нанотехнологий и нано-материалов в горно-металлургической промышленности /В.В. Кондратьев и др. // Вестник ИрГТУ. 2010. № 1. С. 168-174.
14. Полонский С.Б. Исследование динамики движения минеральных частиц в пенном слое в условиях пенной сепарации // Обогащение руд. Иркутск : Изд-во ИПИ. 1982. С. 86-90.
15. Теория и практика прикладной гидроаэромеханики в обогащении полезных ископаемых и металлургии / К.Л. Ястребов и др. Иркутск : Издательство ИрГТУ. 2015. 350с.
16. Развитие и совершенствование математической модели динамики капель и газовых пузырьков в жидкости / В.В. Кондратьев и др. // Наука, техника, инновации : сб. ст. II Междунар. науч.-техн. конф. Брянск, 2015. С. 269-274.
17. Patent US No. 5,234,111 Taraban. / Mikhail N. Zlobin, Viktor M. Metsik, Alexandr A. Nemarov, Georgy P. Permyakov, Nikolai T. Medetsky ; 08.10.1993.
УДК 621.443 - 519.6 Дорохов Александр Фёдорович,
д. т. н., профессор, профессор кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники», Астраханский государственный технический университет, тел. 8906187-40-83, e-mail: dorokhovaf@rambler.ru
Проватар Алексей Геннадиевич, начальник центра практики и содействия трудоустройству Каспийского института морского и речного транспорта - филиала ФБОУ ВПО «ВГУВТ», Астрахань,
тел. 8-908-618-03-79, e-mail:provatar@mail.ru Матвеев Юрий Иванович,
д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «СЭУ» ФБОУ ВПО «ВГУВТ», Нижний Новгород,
тел. (831) 419-78-58, e-mail: vgavt@vgavt-nn.ru
УМЕНЬШЕНИЕ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ НА ПРЕОДОЛЕНИЕ СИЛ ТРЕНИЯ В ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЕ СУДОВЫХ ДВС РЕГУЛЯРИЗАЦИЕЙ МИКРОРЕЛЬЕФА СОПРЯГАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
A. F. Dorokhov, A. G. Provatar, Yu. I. Matveev
REDUCTION OF LOSSES OF POWER ON OVERCOMING FRICTION FORCES IN CYLINDER-PISTON GROUP OF SHIP INTERNAL COMBUSTION ENGINE BY REGULARIZATION OF MICRORELIEF OF THE INTERFACED SURFACES
Аннотация. Известная основная причина сравнительно низкой конкурентоспособности отечественного двигателестрое-ния - устаревшая технологическая база на всех этапах производственного процесса, начиная от получения заготовок и заканчивая испытаниями готовой машины. Это не позволяет обеспечить требуемую точность размеров, формы, взаимного расположения поверхностей и качества поверхностного слоя деталей, что приводит к увеличению потерь мощности на преодоление сил трения в сопряжениях, на которых и базируется кинематика двигателей. Регуляризация микрорельефов направлена на создание специального текстурного рельефа (регулярного микрорельефа) на сопрягаемых поверхностях деталей, который наделяет поверхность тронка поршня и зеркала цилиндровой втулки определенными свойствами, такими как повышенная маслоемкость, упрочнение и сокращение площади контакта трущихся рабочих поверхностей. Эти полезные свойства, приобретаемые деталью после ее обработки данными методами (виброраскатывания и вибронакатывания), позволяют снизить силы сопротивления движению деталей ЦПГ и минимизировать механические потери двигателя на трение, а также повысить износостойкость деталей и время приработки в процессе обкатки двигателя.
Ключевые слова: регулярный микрорельеф, вибронакатывание и виброраскатывание, смазочный слой, сила трения колец, сила трения юбки поршня, сопротивление сдвигу.
Abstract. The known main reason for rather low competitiveness of domestic engine-building is the outdated technological base at all stages of production, beginning from receiving preparations and finishing with tests of the ready car. It doesn't allow to provide the demanded accuracy of the sizes, forms, relative positioning of surfaces and quality of a blanket of details that leads to increase in losses of power at overcoming friction forces in interfaces on which the kinematics of engines is based. Regularization of microreliefs is directed on creation of a special textural relief (a regular microrelief) on the interfaced surfaces of details which allocates a surface of a trunk of the piston and a mirror of the cylinder plug with certain properties, such as the increased oil-absorption power, hardening and reduction of the area of contact of the rubbing working surfaces. These useful properties acquired by a detail after its processing by these methods (a vibroraskatyvaniye and a vibronakatyvaniye) allow to reduce forces of resistance to the movement of details of TsPG and to minimize mechanical losses of the engine on friction, and also to increase wear resistance of details and time of running-in in the course of an engine running in.
Keywords: regular microrelief, vibronakatyvaniye and vibroraskatyvaniye, lubricant layer, friction force of rings, piston skirt friction force, resistance to shift.
Машиностроение и машиноведение
Введение
Рабочие процессы современных судовых поршневых ДВС, работающих на традиционных нефтяных топливах, в достаточной степени отработаны, и в ближайшей и среднесрочной перспективе какие-то прорывные технические решения здесь не ожидаются. Предлагаемые разработки в области комбинированного смесеобразования [1, 2] или НСС1-процессов [3, 4] пока не заинтересовали производителей двигателей, возможно в силу малой информированности об этих направлениях в области нового качества смесеобразования, а скорее всего из-за устоявшейся инерционности и слабых инвестиционных возможностей отечественной промышленности. Всем известная основная причина сравнительно низкой конкурентоспособности отечественного двигателестроения -устаревшая технологическая база на всех этапах производственного процесса, начиная от получения заготовок и заканчивая испытаниями готовой машины. Это не позволяет обеспечить требуемую точность размеров, формы, взаимного расположения поверхностей и качества поверхностного слоя деталей, что приводит к увеличению потерь мощности на преодоление сил трения в сопряжениях, на которых и базируется кинематика двигателей. Потери мощности на преодоление сил трения в цилиндропоршневой группе (ЦПГ) являются наибольшей составляющей всех внутренних потерь двигателя - 48-53 % [5-7], хотя некоторые исследователи приводят значения до 70 % [8]. При этом внутренние потери, выражающиеся значением механического КПД, в отечественных двигателях достигают 20-25 % от индикаторной мощности двигателя (безнаддувных и наддувных), тогда как двигатели лучших зарубежных производителей имеют этот показатель на уровне 15 %. Однако следует учитывать, что рекламируемая мощность зарубежных двигателей приводится в соот-
ветствии с правилами ISO, то есть без учёта затрат мощности на привод вспомогательных и навесных агрегатов и механизмов, что даёт прирост мощности на 5-9 %, а это превышает фактическую длительную мощность, используемую потребителем, и даёт заниженные показатели внутренних потерь двигателя.
Теоретические основы задач трения в ЦПГ
Основой гидродинамической теории смазки для поверхностей конечной длины и бесконечной ширины, наклонённых под малым углом а и перемещающихся друг относительно друга со скоростью V, является уравнение Рейнольдса, которое для задач в одномерной постановке имеет вид [9, 10]
dp _ 6'v х - xo dx
а
(1)
х
dp
где — - градиент гидродинамического давления йх
масла в зазоре; п - вязкость масла; х - текущая координата; хо - координата, соответствующая началу отсчёта перемещения поверхности трения (рис. 1).
Силу трения поршневых колец при работе поршня в цилиндре двигателей внутреннего сгорания Ык можно выразить исходя из того, что поршень под действием силы Ык при боковом перемещении соприкасается с цилиндром половиной поверхности
i
NK =к rJ
б' vhl? х fc - х) dx J2Al, + llh (hx + Alx)2 :
(2)
где И = ¡^а или к = ¡^ а , так как а - малый угол; ¡! - длина части перемещающейся поверхности;
А - наименьший зазор между поверхностями.
После интегрирования и преобразования уравнение для Ык приводится к виду
Рис. 1. Схема соединения «цилиндр - поршневое кольцо - поршень»
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
N =
П г16 ЦУ 1Х
к2
( (
1п
V V
А + к А
2И
2А + к
(3)
Сделав допущение, что вязкость жидкости постоянна, сила инерции жидкости и кольца отсутствует и на границах тел скольжения жидкости не происходит, можно определить удельное давление масляного слоя при боковом перемещении поршня, на основе материалов [11], по уравнению
Р =
6ци
к3
2 ]2 - х ^
(4)
где к - расстояние между сближающимися поверхностями; х - произвольное расстояние от центральной части поверхности; и - скорость относительного перемещения поршня.
Если уравнения (2) и (3) относятся к поршневому кольцу, то уравнение (4) - к тронку поршня при к = 5, I = Ь (5- зазор между юбкой поршня и цилиндром, Ь - высота юбки поршня). Из уравнения (4) видно, что гидродинамическое давление р обратно пропорционально расстоянию между поршнем и цилиндром 5 в кубе, особенно это важно при установившемся движении в поршня в зоне, где боковая сила, прижимающая поршень к цилиндру, максимальна. Следует считать, что при движении поршня величина 5 есть заполненный маслом зазор между поршнем и цилиндром и чем он больше, тем меньше значение гидродинамического давления смазки в масляном зазоре и, соответственно, меньше сила трения трон-ка поршня Ып в соединении поршень - цилиндр.
Сила трения Ып определяется по формуле
NП = /ж Я р(1, ф)ййф, (5)
где /ж - обобщенный коэффициент жидкостного трения; - область взаимодействия юбки поршня и масляного слоя, оказывающая сопротивление перемещению (зона дуги от а1 до а2, контакта юбки поршня с цилиндром - угол ф).
Что же касается поршневого кольца, то сила трения его о цилиндр в меньшей степени зависит от толщины масляного слоя между кольцом и цилиндром А, поскольку она имеет тенденцию к равномерности в связи с упругим прижатием кольца к цилиндру.
Формирование регулярных микроельефов
на сопрягаемых поверхностях ЦПГ
Этот метод направлен на создание специального текстурного рельефа (регулярного микрорельефа) на сопрягаемых поверхностях деталей, который наделяет поверхность тронка поршня и
зеркала цилиндровой втулки определенными свойствами, такими как повышенная маслоем-кость, упрочнение и сокращение площади контакта трущихся рабочих поверхностей. Эти полезные свойства, приобретаемые деталью после ее обработки данными методами (виброраскатывания и вибронакатывания), позволяют снизить силы сопротивления движению деталей ЦПГ и минимизировать механические потери двигателя на трение, а также повысить износостойкость деталей и время приработки в процессе обкатки двигателя.
В основе этого метода регулярно расположенных углублений лежит холодное пластическое деформирование обрабатываемого металла, что исключает возможность возникновения микротрещин, и это является достоинством по сравнению, например, с плосковершинным хонинговани-ем [12]. Основной особенностью этого способа является сочетание раскатывающего действия, характерного для большинства способов поверхностного пластического деформирования (ППД), с ударным. В результате доля остаточной деформации возрастает, что приводит, при прочих равных условиях, к более значительному упрочнению, как по степени, так и по глубине залегания упрочненного слоя металла. В результате обработки на поверхности металла образуется текстура (микрорельеф) с точными размещениями канавок, а также их пересечениями по всей поверхности и глубиной до 4-6 мкм в зависимости от размеров площади обрабатываемой детали (рис. 2). Достоинства данного способа в том, что такие канавки имеют больший объем, в сравнении с углублениями, получаемыми хонингованием, и, соответственно, удерживают большее количество масла, тем самым улучшая смазывающую способность пар трения. Также при использовании этого метода уменьшается контактная площадь поверхности, имеющая данную текстуру, тем самым снижаются потери мощности на преодоление сил трения. Сложность заключается в особенностях расчета и создания микрорельефа в зависимости от размеров детали и характера ее работы. Приведем аналитический расчет снижения потерь мощности на трение в судовом дизеле 2Ч9,5/11 с серийными и виброраскатанными цилиндровыми втулками.
Микрорельеф, нанесённый на зеркало цилиндра, занимает 4,15 % (или /отн = 0,0415) общей поверхности трения. Такое значение определенно на основании рекомендаций Ю.Г. Шнейдера [13].
Для решения вопроса об оценке влияния вибрационной обработки зеркала цилиндра на мощность трения поршневых колец необходимо проанализировать уравнение силы трения поршневого кольца [14]
п _
тр.к
8•42 3к
2/3
• V2/3 •
У
дС
Р
Л
У
1/3
• Рк, (6)
где рл - суммарное радиальное давление колец; п -динамическая вязкость моторного масла; Сm -средняя скорость поршня; р - радиус закругления поршневого кольца; Fк - площадь контакта кольца с цилиндром, Fк = 7,46 см2. Так как сила трения поршневого кольца пропорциональна поверхности трения в первой степени, то имеет место отношение:
поп
тр.к псер. тр.к
_ 100% - 4,15% ,
где Я0Пк - сила трения всех колец опытного дизеля; - сила трения всех колец серийного дизеля, = 65,4 Н [15]. Отсюда в двигателе с опытными деталями ЦПГ ЯОРрк = 60 Н. Поршневые
кольца работают по опытной вибронакатанной поверхности цилиндровой втулки. Сила трения юбки поршня пропорциональна поверхности тре-
ния в степени 2/3 и обратно пропорциональна толщине масляного слоя между юбкой поршня и цилиндром также в степени 2/3.
Объем масла в зазоре между юбкой поршня и цилиндром дизеля с серийными деталями ЦПГ
УМ,ер _ Рю • Б0, м3, где Fю - площадь юбки поршня
(0,017 м2), 50 - эксплуатационный зазор между поршнем и цилиндром, 50 = 0,038 мм [16]. Тогда Умсер = 0,646/106 м3. Дополнительный объём масла внутри микрорельефа, образовавшийся в результате заполнения маслом канавок микрорельефа цилиндровой втулки (рис. 3), определяется по формуле:
кг ->
АУ _—/птн • Ь • М, м3,
ц 4 отн ' '
где /отн _ 0,0415 - относительная площадь микрорельефа; Ь - периметр цилиндра;
М - высота образующей юбки поршня М = 76,5 мм [16]; г - радиус закругления канавки, 4/10-6 м. Тогда, АУ _ 0,149 -10-6 м3. Суммарный объём масла
в зазоре опытного дизеля составит У0п _ усер +АУ , или Уоп _ 0,795 • 10
м м ц ' м '
6 м3. Отсю-
да новое значение «условного» масляного зазора БОР _ У0п1 рю , или Б°п _ 47 • 10-6 м. Таким обра-
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
зом, «условный» масляный зазор увеличился с 38 до 47 мкм т. е. на 24 %.
Формулы (6) [14], определяющие значения сил трения поршня и его колец, для удобства анализа целесообразно представить в следующем виде:
RmpM = 2,145 •
f \ 2/3
F Л
ю
V S0 J
•(С2 • N )1/3 •
V m ср )
Кр.к =1,13 •
_F_
1/3
VP
•Cm • р 5 Г
1 /3
2/3
(7)
(8)
Рис. 3. Схема условного масляного зазора
Тогда сила трения юбки поршня будет, R = [(1 - 0,0415) • (1 - 0,24)]2 3 • R, Н
где ^Спрю = 108,5 Н - сила трения юбки поршня серийного двигателя [17]. Тогда, R °р = 85 Н, и сила трения поршня (с учётом силы трения колец), Кр.п = 145 Н.
Мощность трения дизеля с опытной цилиндровой втулкой определяется по формуле:
Nтр.ЦПГ
= 0,736zRmp.nSnКп.п/2250, кВт,
где z - число цилиндров; Кр.р = 1,04 - коэффициент, учитывающий потери в поршневых пальцах, получим N °Пр цпг = 3,15 кВт. Так как потери мощности в ЦПГ серийного двигателя составляют Nтр цпг = 3,911 кВт [9], то механические потери
мощности в ЦПГ опытного дизеля снизились на N = 0,761 кВт, что составляет 20 % разности между потерями серийной ЦПГ и ЦПГ опытного двигателя с виброобработанной цилиндровой втулкой. Следовательно, эффективность применения метода вибрационного раскатывания цилиндровых втулок, в целях снижения потерь мощности на преодоление сил трения, обеспечивается [18].
Заключение
Проанализировав литературные данные по различным методикам для определения потерь на трение в ЦПГ поршневых ДВС, авторы, предпочли методики, предложенные Энглишем [17] и Шабшаевичем [14], хотя базой для разработки этих методик является комплекс работ К. Энгли-ша. Имеется ряд других методик для определения потерь мощности на трение в ЦПГ, например работы Р.М. Петриченко и других авторов, метод подхода к расчету механических потерь в ЦПГ, на наш взгляд, наиболее приемлем в инженерной практике для проведения ориентировочных, а затем и уточненных расчетов именно в фундаментальных трудах [17].
где N „ - среднее значение нормальной силы
ср
поршня.
Каждая из формул содержит одну константу и три сомножителя. Первый сомножитель, характеризующий размеры элементов поршня и колец, может изменяться, и здесь можно искать резервы снижения потерь мощности на трение.
Второй сомножитель целиком определяется режимом работы двигателя; так как анализу обычно подвергаются показатели двигателя в его работе на номинальном режиме, то варьировать этим сомножителем не представляется возможным.
Последний сомножитель зависит от температурного состояния трущихся деталей, которое, в свою очередь, зависит от режима работы двигателя и примененной схемы системы охлаждения. Поэтому необходимо обозначить предел форсирования дизеля по среднему эффективному давлению, при котором применяемая схема охлаждения способна обеспечить приемлемый уровень температур цилиндра и поршня. В предлагаемой форме записи видно, что:
- сила трения кольца пропорциональна нормальной силе в степени 2/3 и произведению скорости движения на вязкость масла в степени 1/3, т. е. здесь превалирующее значение имеют потери, связанные с трением двух поверхностей, разделённых тонким, порядка нескольких микрометров, слоем смазки, потери же, связанные с преодолением сопротивления слоя смазки сдвигу и зависящие от скорости и вязкости, имеют второстепенное значение;
- сила трения поршня, наоборот, пропорциональна нормальной силе в степени 1/3 и произведению скорости на вязкость в степени 2/3, что говорит о превалирующем значении сопротивления слоя смазки, толщина которого достигает нескольких десятков микрон, сдвигу и второстепенном влиянии чистого трения;
- что касается влияния поверхности трения, то сила трения кольца пропорциональна поверхности прилегания кольца, так как кольцо под действием сил упругости и давления газов прижато к
Машиностроение и машиноведение
зеркалу цилиндра по всему периметру почти равномерно. Сила трения поршня пропорциональна поверхности юбки в степени 2/3, так как поршень постоянно прижат к зеркалу цилиндра только одной стороной.
Следует считать, что при движении поршня
величина Б0 есть заполненный маслом зазор между поршнем и цилиндром и чем он больше, тем меньше значение сил трения юбки поршня п
в соединении «поршень - цилиндр». Поэтому кон-структорско-технологические мероприятия по увеличению этого зазора приводят к уменьшению сил трения, т. е. уменьшению потерь мощности на трение. В принципе, структура формул (7) и (8), в предложенной форме записи, может быть интерпретирована как закон Кулона - Амонтона Fтр = к N, где прижимающая сила N представлена в виде произведения 3 сомножителей, а константа представляет какой-то условный коэффициент трения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Исаев А.П. Рабочий процесс судового ДВС с комбинированным смесеобразованием и воспламенением от сжатия : дисс. ... канд. техн. наук. Астрахань, 2012. 170 с.
2. Каргин С.А. Теоретическое обоснование и экспериментальное исследование рабочего процесса судового ДВС с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением : дисс. . канд. техн. наук. Астрахань, 2006. 152 с.
3. Корпорация GM разработала новую технологию процесса сгорания топлива НСС1 [Электронный ресурс] // Millioncars.ru. : автомобильный портал. иКЬ http://www.millioncars.ru/text/19.09.2007/6377/. (Дата обращения 22.09.2015).
4. Махмоуд Мохамед Эль-Гхобаши Эль-Хагар. Разработка методов управления рабочим процессом двигателя с самовоспламенением гомогенного заряда : дис. ... канд. техн. наук. Москва, 2004 184 с.
5. Методология расчётного и экспериментального исследования внутренних потерь в судовом дизеле / А.А. Шуаипов и др. // Вестник Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2012. № 2. С. 99-108.
6. Путинцев С.В., Кулешов А.С., Агеев А.Г. Оценка механических потерь современных поршневых двигателей // Двигателестроение. 2013. № 2. С. 15-20.
7. Петриченко P.M. Метод оценки мощности трения в поршневой группе ДВС // Двигателестроение. 1979. № 7. С. 24-25.
8. Трение и мощность двигателя [Электронный ресурс] // Восстановлением и стабилизации копрессии автомобильных двигателей. Технология Кэсон. : сайт. URL http://www.keson-hightech.narod.ru/friction.htm. (Дата обращения 22.09.2015).
9. Дорохов А.Ф. Разработка методологии, принципов проектирования и модернизации производства судовых малоразмерных дизелей : дисс. ... докт. наук. СПб, 1997. 361 с.
10. Трение и теплопередача в поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания / Р.М. Петриченко и др. Л. : ЛГУ, 1990. 248 с.
11. Шлыков Ю.П., Ганин К.И. Контактный теплообмен. Л. : Госэнергоиздат, 1963. 144 с.
12. ...Использовать плосковершинное хонингование. Опыт зарубежных мотористов [Электронный ресурс] // Мотор Технологии : сайт. URL http://www.spbmotor.ru/about/151/ispolzovat-ploskovershinnoe-khoningovanie/ (Дата обращения 22.09.2015).
13. Шнейдер Ю. Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. Л. : Машиностроение, 1972. 240 с.
14. Шабшаевич Б.Э. Расчет силы трения в цилиндро-поршневой группе тракторного дизеля //Тракторы и сельхозмашины. 1973. № 12. С. 45-47.
15. Дорохов П. А. Улучшение эксплуатационных характеристик судовых дизелей путем термоизоляции элементов рабочего цилиндра // Вестник Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2011. № 1. С. 106-109.
16. Бочкарёв В.Н. Научные основы методики расчёта и технологического обеспечения норм точности деталей и сопряжений кривошипно-ползунных механизмов судовых малоразмерных дизелей : дисс. ... докт. техн. наук. Л., 1985 399 с.
17. Дизели Ч 8,5/11, Ч 9,5/11. Руководство по эксплуатации 2452018 РЭ М. : Внешторгиздат. 1993. 273 с.
18. Энглиш К. Поршневые кольца. Т. 1. Теория, изготовление, конструкция и расчет. М. : Машиздат, 1962. 385 с.
