CC BY
6УДК 621.436.004.67
ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО РЕЖИМА ОБКАТКИ РЕМОНТИРУЕМЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
канд. техн. наук, доц. В.Г. АНДРУШ (Белорусский государственный аграрный технический университет, Минск)
Представлены результаты исследования стендовой обкатки ремонтируемых дизелей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 на различных режимах. Об износе и интенсивности изнашивания судили по изменению содержания железа в обкаточном масле, контролировалась динамика изменения мощности механических потерь и температура масла во время обкатки. По результатам испытаний выбран рациональный режим обкатки двигателей.
Введение. Капитальный ремонт машины обходится в 2...3 раза дешевле приобретения новой. Отношение стоимости капитального ремонта машины к цене новой уменьшилось в последнее время с 30.40 до 20.28 %, а двигателей - с 40.60 до 22.30 %. Эти изменения вызваны ростом цен на новую технику и снижением стоимости ремонта, что экономит около 50 млрд. руб. в сравнении с закупкой такого же количества новых двигателей [1]. В настоящее время в сельскохозяйственных организациях Республики Беларусь эксплуатируется около 95 тысяч дизельных двигателей, в том числе: на тракторах - 53, зерноуборочных комбайнах - 12, автомобилях - 20, кормоуборочных комбайнах и другой специальной технике - 10. Количество отказов и неисправностей двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в общей структуре отказов для отдельных машин достигает 35.55 % [2, с. 39]. Двигатели ЯМЗ-236, -238, -240 и их модификации широко используются не только в автомобилях, но и в сельскохозяйственной технике, их ремонтируют на 12 специализированных предприятиях системы агросервиса Республики Беларусь (на 5 мотороремонтных заводах, в 4 райагросервисах и в 3 райагропромтехниках).
Существующие режимы обкатки рассчитаны на ремонтируемые двигатели с усредненными выходными параметрами, без учета индивидуальных показателей. Как показала практика, одни двигатели достигают состояния обкатанных в более короткие сроки, чем по установленному режиму, другие - с большой мощностью механических потерь в начале обкатки - не успевают приработаться, перегреваются и даже заклинивают. Исходя из этого стоит задача выбора рационального режима стендовой обкатки двигателей, чтобы на его основе в дальнейшем разработать алгоритма селективного управления обкаткой двигателей в зависимости от их технического состояния.
В соответствии с нормативно-технической документацией обкатка двигателей, являясь завершающей операцией ремонта, осуществлялась на обкаточно-тормозном стенде модели КИ-5274-ГОСНИТИ. Для сборки двигателей использовались детали, восстановленные по технологиям Минского авторемонтного завода, при этом проверялось соответствие технической документации основных деталей двигателя. Техническое состояние двигателя в целом оценивалось начальной мощностью механических потерь. В зависимости от величины этого параметра принималось решение о готовности двигателя к стендовым испытаниям.
Основная часть. Износ и интенсивность изнашивания контролировались методом спектрального анализа. В каждый двигатель перед обкаткой заливали свежее масло. Пробы масла для спектрального анализа брались перед его заливкой в двигатель, затем через каждые 5 или 10 мин в зависимости от продолжительности этапа, а также после каждого этапа приработки. Отбор проб масла производился шприцем с наконечником из картера двигателя через отверстие масломерной линейки. Масло отбиралось с уровня на 25.30 мм ниже отметки на масломерной линейке, указывающего минимально допустимый уровень масла.
Температура воды и масла измерялась с погрешностью ±2 %, давление воды и масла в системе охлаждения и смазки - с погрешностью ±1,0 %. Частота вращения определялась измерителем цифровым тахометрическим с погрешностью ±0,5 %. Измерение крутящего момента осуществлялось с помощью маятникового силоизмерительного механизма с погрешностью ±1,0 %, предел измерения 0.1800 Нм. Расход топлива измерялся устройством с погрешностью ±1,0 %.
Температура охлаждающей воды поддерживалась в следующих пределах: на стадии холодной обкатки 55 ± 5 °С, горячей 70 ± 10 °С, температура масла при горячей обкатке 80.95 °С, при максимальном нагрузочном режиме температура воды не превышала 90 °С, масла - 100 °С.
Мощность механических потерь Nмп определялась для каждого двигателя до окончания каждого этапа приработки и после при частоте вращения коленчатого вала 500 мин-1:
NMп = Мкр ■ п/9550, кВт, где Мкр - крутящий момент, Н-м; п - частота вращения коленчатого вала, мин-1.
Крутящий момент двигателя Мкр рассчитывается по следующей формуле:
Мкр = РВес '1,
где Рвес - показание измерительного устройства стенда, Н; I - плечо весового устройства стенда (I = 0,7162 м).
Испытания двигателей проводились по последовательному плану: первоначально обкатка выборки двигателей осуществлялась по используемому на заводах более продолжительному режиму (табл. 1); затем - по разработанному промежуточному (табл. 2); далее - самому кратковременному режиму (табл. 3).
Таблица 1
Режим обкатки двигателей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 [3, с. 256]
Этапы обкатки Частота вращения коленчатого вала, мин-1 Мощность, кВт Продолжительность, мин
ЯМЗ-236 ЯМЗ-238
Холодная 500...600 - - 40
700 - - 30
На холостом ходу 1000 - - 15
Горячая под нагрузкой 1700 44 60 25
То же 1800 52 68 20
1900 78 90 30
2000 104 137 20
Итого 180
Таблица 2
Промежуточный режим обкатки двигателей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238
Стадия и этап обкатки Частота вращения коленчатого вала, мин-1 Мощность, кВт Продолжительность, мин
ЯМЗ-236 ЯМЗ-238
Холодная 800 0 0 30
То же 1200 0 0 25
1400 0 0 10
Всего 65
На холостом ходу 1500 0 0 10
Горячая под нагрузкой 1600 22 44 10
То же 1700 44 66 10
1800 66 88 10
1900 88 110 10
2000 102,5 138,5 10
Всего 50
Итого 125
Таблица 3
Режим обкатки двигателей ЯМЗ-236, -236М и ЯМЗ-238, -238М [4, с. 200]
Этапы обкатки Частота вращения коленчатого вала, мин-1 Мощность, кВт Продолжительность, мин
ЯМЗ-236 ЯМЗ-238
Холодная 800 0 0 20
1200 0 0 20
1400 0 0 10
Всего 50
На холостом ходу 1500 0 0 10
Горячая под нагрузкой 1600 22 30 10
То же 1700 44 60 10
1800 66 88 5
1900 88 110 5
2000 102 138 5
Всего 35
Итого 95
О динамике износа деталей судили по изменению содержания железа в обкаточном масле. Результаты измерения в зависимости от продолжительности обкатки и частоты вращения коленчатого вала приведены на рисунках 1 и 2.
Ре, г/т
Рис. 1. Динамика износа деталей двигателя ЯМЗ-236: 1 - режим обкатки по таблице 1; 2 - режим обкатки по таблице 3; 3 - режим обкатки по таблице 2
Ре, г/т
Рис. 2. Динамика износа деталей двигателя ЯМЗ-238: 1 - режим обкатки по таблице 1; 2- режим обкатки по таблице 3; 3 - режим обкатки по таблице 2
Износ по стадиям приработки распределился следующим образом:
- для двигателя ЯМЗ-236 (кривая I, рис. 1) - холодная обкатка - 28, на холостом ходу - 10, горячая под нагрузкой - 62 %;
- для двигателя ЯМЗ-238 (кривая I, рис. 2) - холодная обкатка - 31, на холостом ходу - 6, горячая под нагрузкой - 63 %.
Следовательно, износ протекает весьма неравномерно, основная его доля приходится на стадию горячей обкатки. При этом средняя интенсивность изнашивания (отнесенная к одной тонне смазочного масла) на стадии холодной обкатки составляет 0,7 и 0,93 г/т-мин, а на стадии горячей обкатки под нагрузкой - 1,15 и 1,58 г/т-мин или превышает в 1,6 и 1,7 раза для двигателей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 соответственно. Наибольшая интенсивность изнашивания возникает на первом этапе горячей обкатки при частоте вращения коленчатого вала 1700 мин-1 и равна 2,2 г/т-мин при тормозной мощности 44 кВт для ЯМЗ-236 и 1,8 г/т-мин при тормозной мощности 60 кВт для ЯМЗ-238. Появление такого существенного износа на первом этапе горячей приработки сопровождается скачкообразным ростом температуры масла. Если прирост температуры масла за весь период обкатки двигателя, т.е. за 180 мин составил 45 °С, то за первый этап горячей обкатки под нагрузкой продолжительностью 25 мин - 15 °С (рис. 3).
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 т, мин
Рис. 3. Зависимость температуры масла от времени обкатки двигателя ЯМЗ-236: 1 - сокращенный режим обкатки по таблице 3; 2- режим обкатки по таблице 2; 3 - режим обкатки по таблице 1
Резкое повышение температуры масла свидетельствует о динамическом изменении нагрузочного режима. Действительно, переход со стадии холостого хода с частотой вращения коленчатого вала, равной 1000 мин-1, на стадию горячей приработки с тормозной мощностью 44 кВт и частотой вращения коленчатого вала, равной 1700 мин-1, сопровождается более чем 3-кратным увеличением удельных давлений, действующих на пару трения «шатунная шейка - подшипник» от инерционных сил.
Как уже отмечалось, на стадии холодной обкатки (п = 500...700 мин-1) при незначительных инерционных нагрузках и скоростях взаимного скольжения поверхность заполировывается. Она не обладает достаточной износостойкостью и начинает интенсивно изнашиваться с повышением нагрузок. Последнее сопровождается вырыванием отдельных частиц металла, местным выкрашиванием антифрикционного слоя коренных вкладышей, задирами поршней с наволакиванием металла на поверхность зеркала цилиндра.
При холодной обкатке на этом режиме амплитуда удельных давлений в парах трения КШМ недостаточна для образования новой микрогеометрии поверхности за счет износа. Этот процесс интенсивно протекает только на стадии горячей обкатки под нагрузкой.
На втором этапе горячей обкатки при п = 1800 мин-1 интенсивность изнашивания продолжает оставаться высокой - 2 г/т-мин. Только на двух заключительных этапах обкатки в результате приработки начинается формирование новой поверхности, обладающей достаточной несущей способностью Динамика износа этого периода обкатки характеризуется удельными износами, составляющими 6 и 15 % при п =1900 мин-1, 4 и 8 % при п = 2000 мин-1 соответственно для двигателей ЯМЗ-238 и ЯМЗ-236. Относи-
тельно незначительные износы в период окончания приработки под нагрузкой дают основание предположить, что вновь сформированные трущиеся поверхности обладают достаточной износостойкой структурой, препятствующей появлению задиров в эксплуатации. Однако при отсутствии явления заполиро-вания поверхностей процесс формирования износостойких структур мог начаться раньше с улучшением качества приработки. Учитывая это обстоятельство, в целях исследования изменения динамики износа был разработан и испытан промежуточный режим обкатки (см. табл. 2), в котором, по сравнению с более продолжительным (см. табл. 1), на стадии холодной приработки существенно повышена частота вращения коленчатого вала, а по сравнению с более сокращенным (см. табл. 3) - удлинили продолжительность приработки на ступенях.
При разработке промежуточного режима преследовалась цель частично «сместить» центр тяжести процесса изнашивания из области горячей в область холодной обкатки, не увеличивая абсолютных значений износа за весь период приработки, обеспечить его более равномерное распределение по этапам и избежать появления глянцевитости поверхностей.
Отличительные особенности этих режимов, в сравнении с принятыми (см. табл. 1), - введение 3-этапной приработки на стадии холодной обкатки с увеличением частоты вращения коленчатого вала в конце холодной обкатки с 700 до 1400 мин-1, а на стадии холостого хода - с 1000 до 1500 мин-1. Начальная частота вращения коленчатого вала при горячей обкатке под нагрузкой составила 1600 вместо 1700 мин-1. При этом перепад удельных давлений от инерционных сил на пару трения «шатунная шейка - подшипник» при переходе от холодной к горячей обкатке под нагрузкой сократился с 3-кратного до 1,5 раза. В целом произошло сглаживание режима нагружения.
На стадии горячей обкатки под нагрузкой режим обкатки задавался исходя из условия равномерного линейного приращения тормозной мощности.
Такая зависимость совпадает с характером изнашивания поршневых колец, так как последнее пропорционально среднему эффективному давлению.
При испытаниях двигателей по промежуточному режиму было замечено, что на стадии холодной обкатки принятая продолжительность этапов (30 и 25 мин) приводила к образованию на кривой износа горизонтальных участков, свидетельствующих о стабилизации интенсивности износа. Поэтому время обкатки каждого из первых двух этапов может быть сокращено. Кроме того, на этапах при частоте вращения коленчатого вала 1900 и 2000 мин-1 износ практически не наблюдается (см. кривые 3 на рисунке 1 и 2). Это обусловлено тем, что на таких частотах вращения коленчатого вала инерционные нагрузки в значительной степени уравновешиваются силами давления газов.
Равномерность износа при режиме обкатки по таблице 3 подтверждается также близкой к линейной зависимостью температуры масла от времени обкатки, тогда как для режима по таблице 1 этого не наблюдается (см. кривые 1 и 3 на рисунке 3).
Динамика износа при промежуточном режиме (см. табл. 3) иллюстрирована кривыми 2 на рисунках 1 и 2. Относительные износы по стадиям приработки распределились следующим образом:
- для двигателя ЯМЗ-236 - холодная обкатка - 70, на холостом ходу - 9, горячая под нагрузкой - 21 %;
- для двигателя ЯМЗ-238 - холодная обкатка - 62, на холостом ходу - 18, горячая под нагрузкой - 20 %. В режиме обкатки по таблице 1 эти величины были соответственно равны 28, 10, 62 %, и 31, 6, 63 %. В промежуточном режиме соответственно для двигателя ЯМЗ-236 - 64, 9, 27 % и для ЯМЗ 238 - 63, 13, 24 %.
Продолжительность режима обкатки по таблице 3 меньше продолжительности по таблице 1 на 48 % и составляет 95 мин. Сравнение кривых 1 и 2 (см. рис. 1 и 2) позволяет отметить, что динамика изменения износов при данном варианте приработки более благоприятная, чем по таблице 1, поскольку в ней практически отсутствуют зоны длительной стабилизации интенсивности износа (горизонтальные участки на кривых 1, 2) и обеспечивается плавное и, главное, равномерное нарастание износов.
Максимальная интенсивность изнашивания происходит в период холодной приработки - 2,4 и 2,6 г/т-мин. Более повышенные износы в этот момент опасны усилением абразивного воздействия частиц износа и образованием значительных участков адгезионного взаимодействия (микроконтактного схватывания).
Динамика износа заключительного периода приработки (п = 1900, 2000 мин-1) характеризуется относительными значениями для двигателя ЯМЗ-236 - 2 и 1 %, а для двигателя ЯМЗ-238 - 4 и 2 %.
Для сравнения, по режиму таблицы 1 эти значения составляют 4 и 8 % (ЯМЗ-236), 6 и 15 % (ЯМЗ-238), соответственно.
Уменьшение износов на заключительных этапах обкатки под нагрузкой при режиме по таблице 3 по сравнению с таблицей 1 свидетельствует о более благоприятном характере формирования несущих поверхностей и улучшении качества приработки.
Момент окончания стендовой обкатки двигателей оценивался также по изменению значения мощности механических потерь. На протяжении всего процесса наблюдается ее снижение в зависимости от
времени обкатки, а на заключительных этапах - асимптотическое приближение к оси абсцисс по закону, близкому к экспоненте (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость мощности механических потерь от времени обкатки 1, 4 - режим обкатки по таблице 3; 2, 5 - режим обкатки по таблице 1;
3, 6 - режим обкатки по таблице 2; 1, 2, 3 - двигатель ЯМЗ-238; 4, 5, 6 - двигатель ЯМЗ-236
От режима приработки существенно зависит и интенсивность снижения мощности механических потерь. Например, на стадии холодной обкатки по таблице 1 скорость изменения мощности механических потерь минимальна и составляет 1,7^10-2 (ЯМЗ-236) и 1,9^10-2 (ЯМЗ-238) кВт/мин, а ее максимальные значения - 2,5 •Ю- и 4,0 •Ю-2 кВт/мин соответственно отмечаются на первом этапе горячей обкатке под нагрузкой (п = 1700 мин-1) при тормозной мощности 44 (ЯМЗ-236) и 60 (ЯМЗ-238) кВт. Анализ этих численных значений показывает, что на первом этапе горячей обкатки под нагрузкой интенсивность снижения выше, чем на стадии холодной в 1,5 раза для двигателей ЯМЗ-236 и в 2,1 раза - ЯМЗ-238.
При обкатке двигателей по режиму по таблице 3 интенсивность снижения мощности механических потерь относительно режима по таблице 1 на стадии холодной обкатки увеличивается для двигателя ЯМЗ-236 в 1,7, а на этапе горячей под нагрузкой (п = 1700 мин-1) в 1,4 раза и в 1,8 и в 1,4 раза для ЯМЗ-238 соответственно.
Наблюдается снижение общего суммарного износа в процессе приработки по сокращенному режиму на 7 % для двигателя ЯМЗ-236 и 6 % для ЯМЗ-238, а по промежуточному - на 4 и 3 % соответственно относительно режима по таблице 1.
Сопоставление динамики изменения мощности механических потерь с кривыми износа (см. рис. 1 и 2), полученными в результате спектрального анализа обнаруживает их допустимую сходимость и однозначность описания процесса приработки, это согласуется с данными [5].
Мощность механических потерь за весь цикл стендовой обкатки при режиме по таблице 1 обкатки снизилась, в среднем, на 3,0 и 4,3 кВт для двигателей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 соответственно. При сокращенном варианте обкатки по таблице 3 эти показатели составили 2,8 для двигателя ЯМЗ-236 и 4,0 кВт - ЯМЗ-238.
При обкатке по промежуточному режиму продолжительностью 125 мин (см. табл. 2) мощность механических потерь после обкатки снизилась на 2,9 и 4,1 кВт соответственно (см. кривые 3 и 6 на рисунке 4).
Снижение мощности механических потерь от начального значения в результате стендовой обкатки составляет:
режим по таблице 1:
- для двигателя ЯМЗ-236 - 33,7 %, для двигателя ЯМЗ-238 - 33,5 %;
- сокращенный режим по таблице 3:
- для двигателя ЯМЗ-236 - 31,5 %, для двигателя ЯМЗ-238 - 31,1 %; промежуточный режим по таблице 2:
- для двигателя ЯМЗ-236 - 32,6 %, для двигателя ЯМЗ-238 - 31,9 %.
Сокращенный вариант обкатки по таблице 3 рекомендуется предприятиям с высоким качеством ремонта, промежуточный вариант - тем, где уровень производства ниже, а режим обкатки по таблице 1 -предприятиям с низкой технологической обеспеченностью и культурой производства. В заключение исследования можно сделать следующие выводы:
- динамика изменения износов при режимах обкатки по таблице 3 более благоприятная, чем по таблице 1, поскольку в ней практически отсутствуют зоны длительной стабилизации интенсивности изнашивания и обеспечивается плавное и, главное, непрерывное нарастание износов;
- сопоставление динамики изменения мощности механических потерь с кривыми износа, полученными в результате спектрального анализа, обнаруживает их допустимую сходимость и однозначность описания процесса приработки, это согласуется с данными [5];
- равномерность износа при режиме обкатки по таблице 3 подтверждается также близкой к линейной зависимостью температуры масла от времени обкатки, тогда как для режима по таблице 1 этого не наблюдается;
- наиболее рациональным режимом для обкатки двигателей является режим по таблице 3, он применим на предприятиях с высоким качеством ремонта, промежуточный вариант - на тех, где уровень производства ниже, а режим обкатки по таблице 1 на предприятиях с низким уровнем технологической обеспеченности и культуры производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прищепов, М.А. Стендовая обкатка автотракторных дизелей с заданием ее режимов по мощности механических потерь / М.А. Прищепов, В.Г. Андруш // Вес. Нац. акад. навук Беларуси. Сер. Аграр. навук. - 2012. - № 2. - С. 105-110.
2. Коваленко, Н.А. Техническая эксплуатация автомобилей / Н.А. Коваленко, В.П. Лобах, Н.В. Ве-принцев. - Минск: Новое знание, 2008. - 352 с.
3. РК 200-РСФСР-2/1 -2018-88. Двигатели ЯМЗ мод. 236, 238, 240 и их модификации: Руководство по капитальному ремонту 236.00.000 РК Ч.П. Сборка, регулировка и испытания. - М., 1989.
4. РК РБ 000 17590. 444-95. Двигатели ЯМЗ-236, 238, 240 и их модификации. Руководство по капитальному ремонту. Ч. 2. - Минск: БелНИИТТранстехника, 1995. - С. 198 - 203.
5. Храмцов, Н.В. Обкатка и испытание автотракторных двигателей / Н.В. Храмцов, А.Е. Королев, В.С. Малаев. - М.: Агропромиздат, 1991. - 125 с.
Поступила 08.07.2014
RATIONAL REGIME SELECTION OF THE RENOVATED ENGINES RUNNING
V. ANDRUSH
The investigations of Metal running repaired diesel JAMZ-236, JAMZ-238 in various modes. The magnitude and intensity of wear tried to modify the content of iron in the break-in oil, to control the dynamics of change in capacity of mechanical losses and oil temperature during a run. According to test results selected rational mode running.
