Зависимость предельного износа и ресурса деталей от форсирования ДВС Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.43

В. В. ГОЕВА, Н. Е. ГРИШИН, В. А. КОЧЕНОВ

ЗАВИСИМОСТЬ ПРЕДЕЛЬНОГО ИЗНОСА И РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ ОТ ФОРСИРОВАНИЯ ДВС

Ключевые слова: предельный износ, ресурс, степень сжатия, форсирование, частота вращения коленчатого вала.

Аннотация. На основании физики изнашивания и эмпирических данных определена зависимость предельного износа и ресурса деталей от степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала.

Развитие двигателей внутреннего сгорания неразрывно связано с форсированием и ростом нагрузок в деталях и сопряжениях. Зависимость долговечности и износостойкости деталей от форсирования ДВС необходима для прогнозирования надежности вновь создаваемых ДВС, для выявления перспектив проектирования и модернизации производства трибосопряжений, разработки технических условий для диагностики двигателей в эксплуатации и дефектовки деталей при ремонте.

Задачи прогнозирования решаются статистическими и аналитическими методами. Статистические методы и модели позволяют учесть теоретически неограниченное число факторов. Недостаток - не отражают физическую природу процесса, и оптимальные решения приходится искать путем проб и ошибок. Аналитические модели учитывают меньшее число факторов, почти всегда требуют значительных допущений и упрощений. Достоинство - строятся на физике процесса, лучше приспособлены для поиска оптимальных решений, для апробации требуют меньшего количества экспериментальных исследований. Использование аналитических методов усложняется тем, что в процессе эксплуатации свойства деталей и трибосопряжений изменяются и эти изменения трудно поддаются математическому анализу. Чтобы минимизировать потери времени и средств, необходимо совмещать аналитическое моделирование с известными эмпирическими данными долговечности и износостойкости серийных двигателей. Предлагаемая

© Гоева В. В., Гришин Н. Е., Коченов В. А.

работа основывается на динамике развития автомобильных ДВС, отраженной в показателях технической характеристики двигателей ГАЗ и ЗМЗ [1, с. 150], а также эмпирических данных износа деталей кривошипно-шатунного механизма и цилиндропоршневой группы этих двигателей [2, с. 50].

Предельный износ является окончанием нормального и началом аварийного периодов эксплуатации. Смена периодов происходит из-за повышения зазора и появления ударных нагрузок, резко увеличивающих интенсивность износа трибосопряжения. Предельный износ зависит от начальных геометрических параметров, величины и характера нагрузок, действующих в трибосопряжении. Начальные параметры обусловливаются погрешностями проектирования и производства Н, включают зазор и соответствие микро- и макрогеометрии трущихся поверхностей деталей своим оптимальным, приработанным параметрам. С развитием проектирования и производства погрешности уменьшаются. Логично принять погрешности обратно пропорциональными форсированию. Степень сжатия и частота вращения коленчатого вала отражают как уровень проектирования, так и технические возможности двигателестроения.

Наступление аварийного периода эксплуатации ускоряется с повышением величины и неравномерности нагрузок Н, т.е. предельный износ обратно пропорционален нагрузкам. Загруженность деталей и сопряжений ДВС обусловливается давлением газов, зависимым от степени сжатия е, и инерционными силами и моментами, зависимыми от частоты вращения коленчатого вала. В технической характеристике ДВС даются две частоты: для номинального режима работы пН и для режима максимального крутящего момента пМ. Считаем, что в исследованиях изнашивания, более актуальными являются данные для критических режимов работы, включая режим максимального момента. Частота вращения на этом режиме менее зависима от количества цилиндров и назначения двигателя, например для грузового - легкового автомобиля.

Прогнозируемый теоретический предельный износ определится:

И2Т = ^-спп = М. (1)

Н ЕПМ £ПМ £ПМ

где СН, СП, СЕ, Сп, С, СП, СИ — коэффициенты пропорциональности.

Известна зависимость ресурса трибосопряжений ДВС от свойств автомобиля. Взаимосвязь автомобиля и ДВС включает энерго-

49

вооруженность - мощность двигателя на одну тонну полной массы автомобиля, а также соотношение пути поршня к пути автомобиля, определяемое радиусом качения колеса и передаточным числом трансмиссии. Отмечается, что при повышении энерговооруженности уменьшается вероятность езды на пониженных передачах, т. е. режимах работы двигателя, при которых растет путь поршня, соответственно износ и расход топлива. Недостатком метода является введение в исследование двигателя свойств автомобиля, что усложняет анализ, затрудняет прогнозирование ресурса на этапе проектирования ДВС, из-за большего количества анализируемых факторов увеличивается вероятность ошибок.

Технические возможности двигателей, включая мощность, форсирование, ресурс, развиваются параллельно с автомобилями, а также улучшением дорог, обслуживания и т. д. В качестве гипотезы, прогнозируемый теоретический ресурс деталей т2Т примем прямо пропорциональным степени сжатияе и частоте вращения коленчатого вала на режиме максимального крутящего момента пМ:

т2Т = КєпК-п Є^М = ^тє^М (2)

где КЕ ,Кп ,КТ - коэффициенты пропорциональности.

На основании степени сжатияе и частоты вращения коленчатого вала пМ, эмпирических данных предельного износа И2Э и ресурса т2Э, рассчитываем: коэффициенты пропорциональности СИ = И2Эепм и К = прогнозируемый теоретический износ И2Т, и ресурс т2Т; со-

ЕПМ

ответствие теоретического и эмпирического износа ДИ= И2Э~И2Т 100% и ресурс Дт= Т2Э~Т2Т 100% (таблица).

И2Э ^2Э

В расчет ресурса не вошли двигатели грузовых автомобилей ГАЗ-51 и ЗМЗ-53. Разработанный метод учитывает свойства автомобилей, поэтому расчеты для двигателей грузовых и легковых автомобилей должны производиться раздельно.

Зависимости предельного износа и ресурса от степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала во многом основаны на физике изнашивания. Считаем, что для исследования такого типа получено высокое соответствие теоретических и эмпирических данных, что позволяет использовать зависимости для прогнозирования долговечности и износостойкости вновь проектируемых ДВС.

На рис. 1, 2 представлены графики изменения предельного износа деталей кривошипно-шатунного механизма и цилиндропоршневой группы при форсировании ДВС. Для всех анализируемых деталей с ростом степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала предельный износ уменьшается. Совершенствование проектирования и производство геометрических параметров трущихся поверхностей деталей отстают от форсирования и роста нагрузок в трибосопряжениях ДВС. Увеличение ресурса деталей (рис. 3, 4) связывается с ростом мощности ДВС и повышением энерговооруженности автомобилей, что уменьшает отношение пути трения деталей КШМ и ЦПГ к пути - пробегу автомобиля. Дифференцируем уравнения и определим скорость изменения предельного износа и ресурса от степени сжатия: И\^ =

—Г^, т2(е) = КтпМ = const.

£ Пм ( £

На рис. 5 представлены скорость изменения предельного износа и ресурса (на примере цилиндров) от степени сжатия. С ростом тия И\(£^ ^ const, аналогично с ростом частоты вращения коленчатого вала И2(п) ^ const. Это объясняется тем, что с развитием ДВС погрешности проектирования и производства: П ^ min = 0, а технические возможности, включая ресурс, растут пропорционально форсированию.

Таблица 1 — Прогнозирование предельного износа и ресурса деталей двигателей

Показа- тель ГАЗ- 51 ГАЗ- 69 ЗМЗ -21 ЗМЗ -53 ЗМЗ -24 ЗМЗ -402 ЗМЗ -406 Среднее значе- ние

Год произ- водства 1945 1947 1960 1963 1970 1982 1996 -

£ 6,2 6,7 7,15 7,6 8,2 8,2 9 -

-1 пМ, мин 1500 2000 2100 2200 2400 2600 4000 -

Коренные шейки коленчатого вала

И2Э, мкм 100 160 120 80 70 50 50 -

Си &104 93 214 180 134 138 107 180 150

И2Т, мкм 160 110 100 90 80 70 40 -

А, % 60 31 17 12 14 40 20 27

Т2Э> тыс. км 60 100 130 120 175 250 250 -

Кт ■ 10-4 75 86 89 117 69 90

т2Т, тыс. км 120 135 177 192 324 -

Ат, % 20 4 0 23 30 15

Шатунные шейки коленчатого вала

И2Э, мкм 140 140 60 30 20 20 15 -

Си -104 130 190 90 50 40 40 50 80

И2Т, мкм 90 60 50 50 40 40 20 -

А, % 36 57 17 67 100 100 33 60

Т2Э, тыс. км 70 70 120 100 170 220 200 -

Кт &10-4 - 52 84 86 103 56 75

т2Т, тыс. км - 100 110 150 160 270 -

Ат, % - 43 8 12 27 35 25

Цилиндры

И2Э, мкм 150 150 230 130 125 115 95 -

Си-105 14 20 35 22 25 25 34 25

И2Т, мкм 270 185 165 150 125 115 70 -

О4 < 80 23 50 15 0 0 26 27

т2Э, тыс. км 60 80 140 120 300 330 350 -

© - 60 93 152 155 97 110

т2Т, тыс. км - 150 165 220 220 400 -

Дт, % - 87 18 27 33 14 36

Тепловой зазор в замке первого компрессионного кольца

И2Э, мм - 1 0,3 0,2 0,18 0,16 0,14 -

Си -103 - 13 4,5 3,3 3,5 3,4 5 5,5

И2Т, мкм - 0,42 0,35 0,30 0,28 0,26 0,15 -

% % < - 58 17 50 56 63 7 42

Т2Э, тыс. км - 60 70 60 100 180 190 -

К 10-4 - 45 47 - 51 84 53 56

Т2Т, тыс. км 75 85 110 120 200 -

% % < - 25 20 - 10 33 5 20

\И2Т , мкм

Рисунок 46 - Прогнозирование ресурса компрессионных колец

Рисунок 5 - Скорость изменения предельного износа

и ресурса

от степени сжатия

ЛИТЕРАТУРА

1. Двигатели Заволжского моторного завода / Минеев А. М. и др. Нижний Новгород. Издательство Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского, 1998. 256 с.

2. Оценка проектирования и изготовления трибосопряжений / Ко-ченов В. А. и др. // Тракторы и сельхозмашины. 2011. № 12. С.56 .

DEPENDENCE OF DETERIORATION LIMIT, RESOURCE AND PARTS DUE TO ICE FORCING

Keywords: deterioration limit, resource, compression degree, forcing, frequency of rotation of the crankshaft.

Annotation. Based on the physics of deterioration and empirical data the dependence of the deterioration limit and a resource of details of the compression rate and the speed of the crankshaft is determined.

ГОЕВА ВЕРА ВЛАДИМИРОВНА - доцент кафедры «Тракторы и автомобили», Нижегородский государственный инженерноэкономический институт, Россия, Княгинино, ([email protected]).

GOEVA VERA VLADIMIROVNA - docent of the chair «Traktors and cars», Nizhny Novgorod state engineering and economic institute, Russia, Knyaginino, ([email protected]).

ГРИШИН НИКОЛАЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ - старший преподаватель кафедры «Тракторы и автомобили», Нижегородский государственный инженерно-

экономический институт, Россия, Княгинино, ([email protected]).

GRISHIN NIKOLAY EVGENYEVICH - senior lecturer of the chair «Tractors and cars», Nizhny Novgorod state engineering and economic institute, Russia, Knyaginino, ([email protected]).

КОЧЕНОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент, «Нижегородский государственная сельскохозяйственная академия», Россия, Нижний Новгород, ([email protected]).

KOCHENOV VLADIMIR ALEKSANDROVICH - docent, candidate of technical sciences, «Nizhny Novgorod state agricultural academia»(cheriraida@mail. ru).____________________________________