CC BY
17
Андрей ВладимировичЛиненко, доктор технических наук, профессор, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-6483-2442
Айнур Иршатович Азнагулов, ассистент, [email protected]
Валерий Владимирович Лукьянов, старший преподаватель, [email protected]
Валинур Галинурович Байназаров, младший научный сотрудник, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-8980-5301
Булат Радикович Халилов, кандидат технических наук, [email protected]
Andrey V. Linenko, Doctor of Technical Sciences, Professor, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-6483-2442
Aynur I. Aznagulov, assistant, [email protected]
Valerii V. Lukianov, Senior Lecturer, [email protected]
Valinur G. Baynazarov, Junior researcher, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-8980-5301
Bulat R. Khalilov, Candidate of Technical Sciences, [email protected]
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 07.12.2022; одобрена после рецензирования 20.12.2022; принята к публикации 10.01.2023.
The article was submitted 07.12.2022; approved after reviewing 20.12.2022; accepted for publication 10.01.2023.
-Ф-
Научная статья
УДК 629.621
Зависимость толщины масляного слоя в подшипниках скольжения от разных условий работы двигателей внутреннего сгорания
Станислав Николаевич Шуханов
Иркутский государственный университет, Иркутск, Россия
Аннотация. Цель исследования - установить зависимость толщины масляного слоя в подшипниках скольжения от разных условий работы двигателей внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания используются в качестве источника энергии в современной автотракторной технике, которая широко применяется в сельском хозяйстве. Его стабильная и корректная работа зависит от многих факторов, особенно от состояния шатунно-поршневой группы, нормальное функционирование которой связано со смазочными жидкостями. Выполненные обзор и анализ литературных источников, аналитические исследования с элементами расчётных способов позволили установить зависимость толщины масляного слоя в подшипниках скольжения от разных условий работы двигателей внутреннего сгорания. Построены графические зависимости толщины масляного слоя в подшипниках скольжения от различных факторов функционирования двигателей внутреннего сгорания.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, масляный слой, подшипники скольжения, сельскохозяйственное производство.
Для цитирования: Шуханов С.Н. Зависимость толщины масляного слоя в подшипниках скольжения от разных условий работы двигателей внутреннего сгорания // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2023. № 1 (99). С. 169 - 173.
Original article
Dependence of the thickness of the oil layer in plain bearings on different operation conditions of internal combustion engines
Stanislav N. Shukhanov
Irkutsk State University, Irkutsk, Russia
Abstract. The purpose of the study is to establish the dependence of the thickness of the oil layer in plain bearings on different operating conditions of internal combustion engines. Internal combustion engines are used as an energy source in modern automotive and tractor equipment, which is widely used in agriculture. Its stable and correct operation depends on many factors, especially on the condition of the connecting rod and piston group, the normal functioning of which is associated with lubricating fluids. The review and analysis of literature sources, analytical studies with elements of calculation methods made it possible to establish the dependence of the thickness of the oil layer in plain bearings on different operating conditions of internal combustion engines. Graphical dependences of the thickness of the oil layer in plain bearings on various factors of the functioning of internal combustion engines are constructed.
Keywords: internal combustion engine, oil layer, plain bearings, agricultural production. For citation: Shukhanov S.N. Dependence of the thickness of the oil layer in plain bearings on different operation conditions of internal combustion engines. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2023; 99(1): 169-173. (In Russ.).
На современной автотракторной технике, нашедшей широкое распространение в сельскохозяйственном производстве, в качестве источника энергии в основном используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Корректная работа ДВС во многом зависит от состояния шатунно-поршневой группы (ШПГ) Нормальное функционирование ШПГ связано в том числе с масляными жидкостями. Смазочные жидкости для подшипников скольжения обеспечивают такие ключевые функции, как разделение сопряжённых составляющих частей устройства, уменьшение трения, а также износа, защиту металлических деталей от коррозии, включая отвод тепла и продуктов износа из зон трения, а также демпфирование шума и вибраций.
Цель исследования - установить зависимость толщины масляного слоя в подшипниках скольжения от разных условий работы двигателя внутреннего сгорания.
Материал и методы. Обзор и анализ литературных источников позволили определить цель и задачи исследования, его актуальность. В работе были использованы аналитические методы с элементами расчётных способов; построены графические зависимости толщины масляного слоя в подшипниках скольжения от различных факторов функционирования двигателей внутреннего сгорания; проведены эксперименты по прогреву двигателя на оборотах холостого хода и полной нагрузке при температуре окружающего воздуха минус 30°.
Результаты и обсуждение. Одним из факторов, обеспечивающих нормальную работу подшипника скольжения, является достаточный запас толщины масляного слоя, характеризуемый коэффициентом запаса надёжности жидкостного трения:
h ■
k — min
h
(1)
крит
разрыв масляной плёнки и трение трущихся поверхностей носит полужидкостный характер. Для обеспечения жидкостного трения необходимо, чтобы величина коэффициента запаса его надёжности была равна не менее 1,5 - 2,0 [3 - 6].
Толщина смазочного слоя в самом его узком сечении может быть найдена из выражения:
hmin = -(1 -Х).
(2)
где 5 - диаметрический зазор в подшипнике, мкм;
X - относительный эксцентриситет цапфы. Величина относительного эксцентриситета определяется как конструктивными, так и эксплуатационными факторами:
Х = ^. (3)
к - г
где е - смещение центра вала относительно центра подшипника (абсолютный эксцентриситет), мкм;
R - радиус подшипника, мкм; г - радиус вала, мкм.
В совокупности эти факторы определяют коэффициент нагруженности подшипника, который равен:
ф=-Р |-|10-4
цю v d,
(4)
где - толщина масляного слоя в его наиболее узком сечении, мкм; йкрит - минимальная критическая толщина смазочного слоя, учитывающая шероховатость цапфы, вкладыша и гарантийную толщину существования масляной плёнки между вершинами гребешков неровностей, мкм. Поскольку шероховатость цапфы равна 0,2 мкм [1], приняв равными шероховатости цапфы и подшипника, а гарантийную толщину масляной плёнки между вершинами неровностей обработки равной 0,1 мкм [2, 3], получили йкрит = 0,5 мкм. При толщине масляного слоя меньше критического значения наблюдается
где р - удельная нагрузка на подшипник, Н/м2; ц - коэффициент динамической вязкости, Нс/м2;
ю - угловая скорость, с-1; d - диаметр подшипника, см. Для геометрического параметра подшипника, равного I/^ (I - длина подшипника, см), и вычисленного значения коэффициента нагружен-ности подшипника, пользуясь специальными графическими зависимостями для коэффициента нагруженности [4 - 7], находили величину относительного эксцентриситета. Из этой величины по формуле (2) определяли толщину масляного слоя в самом узком его сечении. Для определения удельной нагрузки на подшипник предварительно были проведены эксперименты по прогреву двигателя на оборотах холостого хода и полной нагрузке при температуре окружающего воздуха минус 30° и было произведено его индицирование.
В результате обработки индикаторных диаграмм максимальное давление газов в цилиндре составляло в первые минуты в среднем 5,00 МПа при прогреве на оборотах холостого хода, 7,00 МПа - при прогреве на номинальной мощности.
Среднюю удельную нагрузку на шатунный и коренной подшипники в качестве расчётной определяли из построенных в этих целях полярных диаграмм сил, действующих из шейки вала [4 - 6, 8, 9].
Среднее давление на шейки вала составляло для шатунной шейки с геометрическим параметром I / d = 0,56 при работе на оборотах холостого хода 3,90 МПа, при работе с полной нагрузкой - 4,50 МПа. Для коренной шейки с геометрическим параметром I /^ = 0,43 средняя величина давлений составляла 6,50 МПа при работе на оборотах холостого хода, 6,00 МПа -при работе с полной нагрузкой. Диаметральный зазор в шатунном подшипнике равнялся 68 мкм, в коренном подшипнике - 75 мкм.
В таблице 1 приведены определённые расчётным путём значения коэффициента нагружен-ности подшипников, значения относительного эксцентриситета и толщины масляного слоя в зависимости от температуры картерного масла, т.е. его вязкости при работе двигателя на оборотах холостого хода и с номинальной нагрузкой.
По данным, приведённым в таблице 1, видно, что величина коэффициента нагруженности подшипника тем меньше, чем ниже среднее удельное давление, чем выше вязкость масла и чем больше угловая скорость вращения вала. Видно также, что меньшей величине коэффициента нагруженности соответствует большее значение толщины масляного слоя. На минимальную толщину масляного слоя основное влияние оказывает вязкость масла. Повышение вязкости масла способствует уменьшению коэффициента нагруженности, относительного эксцентриситета вала в подшипнике и увеличению минимальной толщины масляного слоя.
На графике (рис. 1) видно, что с повышением температуры масла минимальная толщина масляного слоя резко снижается. Удельная же нагрузка на подшипник оказывает незначительное
влияние на толщину масляного слоя. Толщина масляного слоя в шатунном подшипнике при прогреве двигателя с полной нагрузкой меньше, чем при прогреве на оборотах холостого хода, в среднем на 1,6 мкм. В коренном же подшипнике толщина масляного слоя при прогреве двигателя с полной нагрузкой в среднем на 1,0 мкм больше, чем при прогреве на оборотах холостого хода.
Таким образом, на коэффициент нагружен-ности подшипника и на минимальную толщину масляного слоя в основном оказывает влияние вязкость масла и незначительно - удельная нагрузка на подшипник. С этой точки зрения условия работы подшипников в начальный период прогрева двигателя следует считать более благоприятными, чем при прогретом двигателе.
Увеличение минимальной толщины масляного слоя в подшипнике с понижением температуры масла не только снижает коэффициент нагруженности подшипника и обеспечивает гидродинамический режим смазки, но и способствует лучшему пропуску частиц износа и частиц механических
Йшт, мкм 35
25
20
15
10
Чч
Очч\ Л Ч N \\ N N \\ N ч >\\\
ч 4Ns
N^ \\ х. ход
Ne, Н
20
40
60
80
коренной подшипник шатунный подшипник
100 Тм, °С
Рис. 1 - Изменение минимальной толщины масляного слоя в подшипниках в зависимости от температуры масла
1. Значения коэффициента нагруженности подшипников, относительного эксцентриситета и толщины масляного слоя от температуры картерного масла
5
0
0
Температура масла, °С 0 20 40 60 80 100
m х 10-3, с/м2 91,3 18,0 5,0 2,0 1,5 0,8
Холостой ход Шатунный подшипник Ф 0,024 0,120 0,438 1,090 1,460 2,740
X 0,06 0,31 0,55 0,72 0,78 0,85
hmin, мкм 32,0 23,5 15,3 9,5 7,5 5,1
Коренной подшипник Ф 0,040 0,203 0,730 1,820 2,430 4,560
X 0,22 0,50 0,73 0,85 0,89 0,97
hmin, мкм 27,5 18,5 10,1 5,0 3,0 1,2
Номинальная нагрузка Шатунный подшипник Ф 0,029 0,149 0,538 1,345 1,790 3,350
X 0,10 0,35 0,60 0,76 0,84 0,89
hmin, мкм 30,5 22,0 13,6 8,0 5,5 3,7
Коренной подшипник Ф 0,039 0,199 0,718 0,790 2,390 4,480
X 0,20 0,48 0,70 0,84 0,88 0,94
hmin, мкм 29,0 19,5 11,3 6,0 4,5 2,2
2. Значения коэффициента нагруженности и толщины масляного слоя при прогреве двигателя на различной частоте вращения коленчатого вала при температурах картерного масла 0° и 100 °С
Частота вращения коленчатого вала, мин 1 800 1000 1200 1400 1600 1700
Шатунный подшипник Тм = 0 °С ф 0,051 0,041 0,034 0,029 0,025 0,023
X 0,15 0,11 0,09 0,08 0,07 0,06
мкм 28,2 30,2 30,9 31,3 31,6 32,0
Тм = 100 °С ф 5,800 4,640 3,890 3,330 2,810 2,590
X 0,98 0,93 0,90 0,87 0,86 0,85
hmm, мкм 0,7 2,4 3,4 4,4 4,7 5,1
Коренной подшипник Тм = 0 °С ф 0,085 0,068 0,057 0,048 0,043 0,039
X 0,33 0,30 0,27 0,25 0,23 0,22
hmm, мкм 25,0 25,5 26,0 26,5 27,0 27,5
Тм = 100 °С ф 9,690 7,750 6,500 5,530 4,870 4,560
X 0,990 0,986 0,985 0,980 0,975 0,970
hmm, мкм 0,5 0,7 0,8 1,0 1,1 1,2
примесеи, всегда имеющихся в масле, между цапфой и вкладышем подшипника.
Если величина зазора в подшипнике мала, а размеры частиц примесей относительно велики, происходит разрыв отдельных частиц масляной плёнки, и к жидкостному трению слоя прибавляется трение между твёрдыми частицами механических примесей и поверхностями вала и подшипника.
Следует отметить крайне низкое значение толщины масляного слоя при температуре масла, близкой к 100°. В этом случае с большей вероятностью следует ожидать появление граничного полужидкостного трения, а следовательно, и повышенного износа подшипника.
Поскольку ряд исследователей рекомендует прогрев двигателя начинать на минимально устойчивых холостых оборотах коленчатого вала, нами произведены расчёты коэффициента нагруженности и толщины масляного слоя при прогреве двигателя на различной частоте вращения коленчатого вала при температурах картерного масла 0° и 100°. Данные расчётов приведены в таблице 2 и на рисунке 2.
Данные таблицы 2 показывают, что с понижением частоты вращения коленчатого вала двигателя коэффициент нагруженности подшипника значительно возрастает. Например, при температуре картерного масла 0° и холостых оборотах коленчатого вала с частотой вращения 800 мин-1 коэффициент нагруженности шатунного подшипника на 55 % больше, чем при холостых оборотах коленчатого вала с частотой вращения 1700 мин-1, и на 43 % больше, чем при работе двигателя с номинальной нагрузкой.
Следовательно, для подшипников коленчатого вала прогрев двигателя на пониженной частоте вращения менее благоприятен, чем прогрев на полных оборотах холостого хода.
Сопоставление графиков (рис. 1 и 2) показывает, что при температуре картерного масла 0°
Н т1П!
35 30 25 20 15 10 5
_-
— — ~~ \
\\
\ \ Тм = о°
Тм= 100°
—— —Л
800
1000
1200
1400
коренной подшипник шатунный подшипник
1600
п, об/мин
Рис. 2 - Изменение минимальной толщины масляного слоя в подшипниках от частоты вращения коленчатого вала при прогреве двигателя работой на холостом ходу
толщина масляного слоя при прогреве двигателя с полной нагрузкой больше (на 2,3 мкм - в шатунном подшипнике и на 4,9 мкм - в коренном), чем при прогреве двигателя на оборотах холостого хода с частотой вращения 800 мин-1.
Таким образом, расчёты показали, что в целях обеспечения наименьшего значения коэффициента нагруженности подшипника и увеличения толщины масляного слоя желательно, чтобы прогрев двигателя осуществлялся на максимально возможной частоте вращения коленчатого вала.
Вывод. Работа двигателя на минимально устойчивых оборотах холостого хода или на пониженных оборотах с нагрузкой при температуре картерного масла, близкой к 100°, является недопустимой ввиду того, что минимальная толщина масляного слоя достигает критического значения. Увеличение нагрузочного режима при работе двигателя на регуляторе оказывает незначительное влияние на толщину масляного слоя и на коэффициент нагруженности подшипника
0
по сравнению с работой двигателя на оборотах холостого хода.
Список источников
1. Типей Н., Константинеску В.Н., Бицэ О. Подшипники скольжения. Расчёт, проектирование, смазка. Бухарест, 1964. 457 с.
2. Коровчинский М.В. Теоретические основы работы подшипников скольжения. М.: Машгиз, 1959. 403 с.
3. Зайцев А.К. Основы учения о трении, износе и смазке машин. М.: Машгиз, 1947. 253 с.
4. Дьячков А.К. Расчёт подшипников быстроходных двигателей. М.: Машгиз, 1939. 144 с.
5. Коробов В.А. О смазке подшипников коленчатых валов автотракторных двигателей. М., 1937. 164 с.
6. Двигатели внутреннего сгорания / А.С. Орлин, Д.Н. Вырубов, М.Г. Круглов и др. М.: Машгиз, 1962. Т. II. 471 с.
7. Орлов П.И. Смазка лёгких двигателей. М.: Машгиз, 1937. 462 с.
8. Денисов А.С., Данилов И.К. Исследование режима диагностирования кривошипно-шатунной группы дизельных двигателей по толщине масляного слоя // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2003. № 1. С. 71 - 75.
9. Денисов А.С., Данилов И.К. Влияние условий смазки на толщину масляного слоя в шатунных под-
шипниках дизельного двигателя // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2005. № 1 (6). С. 74 - 80.
References
1. Tipey N., Constantinescu V.N., Bitse O. Plain bearings. Calculation, design, lubrication. Bucharest, 1964. 457 p.
2. Korovchinsky M.V. Theoretical foundations of the operation of plain bearings. M.: Mashgiz, 1959. 403 p.
3. Zaitsev A.K. Fundamentals of the doctrine of friction, wear and lubrication of machines. M.: Mashgiz, 1947. 253 p.
4. Dyachkov A.K. Calculation of bearings of high-speed motors. M.: Mashgiz, 1939. 144 p.
5. Korobov V.A. About lubrication of bearings of crankshafts of autotractor engines. M., 1937. 164 p.
6. Internal combustion engines /A.S. Orlin, D.N. Vyrubov, M.G. Kruglov еt al. M.: Mashgiz, 1962. T. II. 471 p.
7. Orlov P.I. Lubrication of light engines. M.: Mashgiz, 1937. 462 p.
8. Denisov A.S., Danilov I.K. Investigation of the diagnosing mode of the crank group of diesel engines by the thickness of the oil layer. Vestnik Saratov State Technical University. 2003; 1: 71-75.
9. Denisov A.S., Danilov I.K. Influence of lubrication conditions on the thickness of the oil layer in connecting rod bearings of a diesel engine. Vestnik Saratov State Technical University. 2005; 6(1): 74-80.
Станислав Николаевич Шуханов, доктор технических наук, профессор, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-2134-6871
Stanislav N. Shukhanov, Doctor of Technical Sciences, Professor, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-2134-6871
Статья поступила в редакцию 22.12.2022; одобрена после рецензирования 10.01.2023; принята к публикации 16.01.2023.
The article was submitted 22.12.2022; approved after reviewing 10.01.2023; accepted for publication 16.01.2023. -♦-
Научная статья УДК 623.618
Анализ современного состояния и направления модернизации сельскохозяйственного производства (на примере Амурской области)
Роман Олегович Сурин, Сергей Васильевич Щитов, Евгений Евгеньевич Кузнецов
Дальневосточный государственный аграрный университет, Благовещенск, Россия
Аннотация. Современный машинно-тракторный парк сельскохозяйственных предприятий, его количественный и качественный состав во многом определяются структурой сельскохозяйственного производства и особенностями принятой технологии. Обновление сельскохозяйственных машин и тракторов должно проводиться на постоянной основе, отвечать условиям многофункциональности и универсальности в применении, иметь способность к адаптации технологических характеристик в изменяющихся условиях производства сельскохозяйственной продукции. На примере Амурской области рассмотрены основные целевые ориентиры и направления, а также варианты решения отраслевых задач, связанных с развитием и техническим оснащением сельского хозяйства региона. Определены основные направления машинно-технологической модернизации сельского хозяйства региона с использованием федеральных, региональных и муниципальных целевых программ, обеспечивающих как устойчивое развитие сельского хозяйства, так и закрепление высококвалифицированных кадров на селе.
Ключевые слова: агропромышленный комплекс, машинно-тракторный парк, посевные площади, производство, программа развития, экономическая эффективность.
Для цитирования: Сурин Р.О., Щитов С.В., Кузнецов Е.Е. Анализ современного состояния и направления модернизации сельскохозяйственного производства (на примере Амурской области) // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2023. № 1 (99). С. 173 - 179.
