Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса поддержания работоспособности автомобильных двигателей в эксплуатации 13
1.1 Управление техническим состоянием автомобильных двигателей 13
1.2 Анализ факторов, влияющих на смазочный процесс в подшипниках коленчатого вала 24
1.3 Анализ состояния вопроса поддержания работоспособности подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей 37
1.4 Анализ методов оценки смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала 70
1.5 Выводы по разделу 91
2 Теоретические основы поддержания работоспособности подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей в эксплуатации методами трибодиагностики 96
2.1 Структура процесса изнашивания подвижных сопряжений автомобильных двигателей в эксплуатации 96
2.2 Концепция повышения долговечности автомобильных двигателей на основе поддержания работоспособности методами трибодиагностики 107
2.3 Математическая модель смазочного процесса в подшипнике коленчатого вала автомобильного двигателя 108
2.4 Математическая модель смазочного процесса в совокупности шатунных и коренных подшипников коленчатого вала 119
2.5 Комплекс параметров функционального состояния подшипников коленчатого вала 131
2.6 Расчетная методика оценки смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала 139
2.7 Представление о системе управления смазочным процессом в подшипниках коленчатого вала 147
2.8 Выводы по разделу 150
3 Техническое и методическое обеспечение трибодиагностики автомобильных двигателей 152
3.1 Программно-аппаратный комплекс оценки смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала автомобильных двигателей 152
3.2 Методика экспериментального исследования смазочного процесса в коренных подшипниках коленчатого вала 161
3.3 Результаты экспериментального исследования смазочного процесса в коренных подшипниках коленчатого вала 168
3.4 Выводы по разделу 172
4 Закономерности смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала автомобильных двигателей на этапах приработки и установившего изнашивания 173
4.1 Теоретическое обоснование методики оценки качества приработки подшипников коленчатого вала 173
4.2 Методика и результаты экспериментального исследования смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала при приработке 177
4.3 Теоретическое обоснование методики диагностирования подшипников коленчатого вала 184
4.4 Методика и результаты экспериментального исследования смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала в зависимости от диаметрального зазора 187
4.5 Выводы по разделу 196
5 Закономерности смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала автомобильных двигателей на режимах пуска и нагружения 199
5.1 Теоретическое обоснование методики определения малоизносных режимов пуска 199
5.2 Методика и результаты экспериментального исследования смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала автомобильного двигателя на режиме пуска 200
5.3 Теоретическое обоснование методики определения малоизносных режимов нагружения автомобильных двигателей 204
5.4 Методика и результаты экспериментального исследования смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала автомобильных двигателей при стендовых испытаниях 207
5.5 Выводы по разделу 213
6 Методики поддержания работоспособности автомобильных двигателей в эксплутации методом трибодиагностики 215
6.1 Методика оценки качества приработки подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей при стендовой обкатке 216
6.2 Методика диагностирования подшипников коленчатого вала 218
6.3 Методика определения малоизносных режимов пуска автомобильных двигателей 223
6.4 Методика определения малоизносных скоростных режимов движения автотранспортного средства 224
6.5 Соответствие разработанных параметров и метода трибодиагностики квалиметрическим требованиям 228
6.6 Технико-экономическая оценка результатов исследования и практических рекомендаций 233
6.7 Выводы по разделу 242
Основные результаты и выводы работы 245
Список использованных источников 248
- Анализ состояния вопроса поддержания работоспособности подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей
- Математическая модель смазочного процесса в подшипнике коленчатого вала автомобильного двигателя
- Методика экспериментального исследования смазочного процесса в коренных подшипниках коленчатого вала
- Теоретическое обоснование методики диагностирования подшипников коленчатого вала
Введение к работе
Актуальность темы. Закономерности изменения технического состояния узлов, механизмов и систем автомобильных двигателей определяют затраты ресурсов и потери, связанные с поддержанием работоспособности. Повышение долговечности автомобильных двигателей в эксплуатации является одним из важных факторов минимизации эксплуатационных затрат перевозочного процесса.
На интенсивность изменения технического состояния влияет большое количество конструктивных, технологических, эксплуатационных и организационно-технических факторов. В связи с этим, поддержание работоспособности в эксплуатации является сложной научно-практической задачей.
Ресурс подвижных сопряжений (ПС) автомобильных двигателей меньше в 2...3 раза ресурса базовых деталей и значительно варьируется. Для капитально отремонтированных и форсированных двигателей проблема обеспечения долговечности становиться ещё более актуальной.
Одной из основных причин изменения технического состояния и внезапных дорогостоящих отказов автомобильных двигателей является изнашивание ПС, например, подшипников коленчатого вала (ПКВ). На них, по данным исследований учёных СГТУ им. Гагарина Ю.А., приходится около 18 % количества отказов всех элементов силовых агрегатов автомобилей КАМАЗ, средняя наработка на отказ составляет 12 % от ресурса двигателя до капитального ремонта, а доля затрат на ремонт составляет свыше 45 %.
Важнейшей причиной повышения интенсивности изнашивания ПС и, как следствие, интенсификации изменения технического состояния, является рассогласование между требуемым и реальным смазочным процессом (СП).
Одним из способов разрешения указанной проблемной ситуации является управление СП в ПС на этапах эксплуатации автомобильных двигателей. Эксплуатационные мероприятия не дают ожидаемого эффекта из-за недостатка знаний о процессах управления СП.
Необходимо новое решение эффективного поддержания работоспособности автомобильных двигателей на основе развития методов управления СП, практическая реализация которого способствует уменьшению затрат ресурсов и потерь при эксплуатации. Резервом развития может стать научно обоснованное применение современных и перспективных методов трибодиагностики.
Основываясь на изложенном, можно утверждать, что разработка научных основ поддержания работоспособности автомобильных двигателей методами трибодиагностики, содержащих теоретические и методологические положения управления техническим состоянием ПС в эксплуатации, является актуальной.
Объект исследования – процесс изменения технического состояния ПС при эксплуатации автомобильных двигателей.
Предмет исследования - закономерности изменения показателей СП в ПКВ при эксплуатации автомобильных двигателей.
Цель работы - снижение затрат на обеспечение перевозочного процесса автомобильным транспортом за счёт повышения долговечности автомобильных двигателей методами трибодиагностики.
Задачи исследования:
-
сформулировать концепцию поддержания работоспособности автомобильных двигателей в эксплуатации за счёт методов трибодиагностики;
-
разработать комплекс математических моделей смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала, параметры и алгоритмы оценки их функционального состояния;
-
сформулировать представление о системе управления смазочным процессом в подшипниках коленчатого вала в эксплуатации;
-
разработать программно-аппаратный комплекс оценки смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала;
-
разработать метод трибодиагностики подшипников коленчатого вала;
-
выявить закономерности изменения показателей смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала от эксплуатационных факторов;
-
разработать комплекс методик поддержания работоспособности автомобильных двигателей в эксплуатации;
8) провести технико-экономическую оценку результатов исследования и
практических рекомендаций.
Содержание диссертации соответствует областям исследований паспорта научной специальности 05.22.10 Эксплуатация автомобильного транспорта: п. 9 «Эксплуатационная надежность автомобилей, агрегатов и систем»; п. 11 «Закономерности изменения технического состояния автомобилей и агрегатов, технологического оборудования с целью совершенствования систем технического обслуживания и ремонта…»; п. 13 «Технологические процессы и организация технического обслуживания, ремонта и сервиса; методы диагностики технического состояния автомобилей, агрегатов и материалов».
Методы исследования. При разработке методов исследования были использованы следующие теории: технической эксплуатации автомобилей; автомобильных двигателей; эксплуатационных свойств автомобилей; трения, изнашивания и смазки; вероятности; управления; надёжности; гидродинамическая теория смазки; аналитические и численные методы в планировании эксперимента и инженерном анализе.
Положения, обладающие научной новизной и выносимые на защиту:
-
концепция поддержания работоспособности автомобильных двигателей, отличающаяся условиями ограничения интенсивности изнашивания ПС в ремонтно-эксплуатационном цикле на основе развития методов трибодиагности-ки;
-
математическая модель СП в ПКВ, отличающаяся детерминированно-стохастической оценкой состояния смазочного слоя по параметру относительной продолжительности существования и позволяющая устанавливать связь между этим параметром и эксплуатационными факторами;
-
математическая модель СП в системе шатунных и коренных ПКВ, отличающаяся обобщенной оценкой относительной продолжительности существо-
вания смазочного слоя интегральным показателем, позволяющая привести результаты оценки к равным условиям для двигателей с разным количеством подшипников;
4) комплекс оценочных параметров функционального состояния ПКВ на
основе нового параметра «интегральная степень существования смазочного
слоя», позволяющий устанавливать закономерности между ними и эксплуатаци
онными параметрами при приработке и эксплуатационном изнашивании, при
работе двигателя на режимах пуска и под нагрузкой;
5) представление о системе управления СП в ПКВ, отличающееся исполь
зованием новых контролируемых параметров и позволяющее учитывать влияние
управляющих параметров на каждом иерархическом уровне;
-
программно-аппаратный комплекс оценки СП в ПКВ, отличающийся способом измерения параметра относительной продолжительности существования смазочного слоя, позволяющий оперативно и с малыми затратами ресурсов получать, отображать и хранить информацию;
-
метод трибодиагностики шатунных и коренных ПКВ, отличающийся экспериментальной оценкой СП в системе подшипников приведением её к модели «эквивалентного подшипника», позволяющий осуществлять диагностирование по параметру «интегральная степень существования смазочного слоя» и производным от него параметрам функционального состояния;
-
закономерности функционального состояния ПКВ при приработке и эксплуатационном изнашивании, при работе на режимах пуска и под нагрузкой, позволяющие устанавливать условия ограничения интенсивности изменения технического состояния;
9) совокупность методик поддержания работоспособности автомобильных
двигателей в эксплуатации за счёт условий ограничения интенсивности измене
ния технического состояния ПКВ при приработке и эксплуатационном изнаши
вании, на режимах пуска и под нагрузкой, установленных методом трибодиа-
гностики.
Теоретическая значимость основных результатов диссертации заключается в том, что разработанные научные положения являются значительным вкладом в изучение закономерностей изменения технического состояния ПКВ и развитие методов и средств поддержания работоспособности автомобильных двигателей в эксплуатации.
Практическая значимость подтверждается актами внедрения:
- в ЗАО «Автоколонна №1825» (г. Оренбург) методики оценки качества
приработки ПКВ автомобильных двигателей; методики оценки приспособлен
ности автомобильных двигателей к пуску; диагностического обеспечения ПКВ
автомобильных двигателей;
в таксомоторном парке «Северный» (г. Оренбург) рационального режима прогрева автомобильных двигателей семейства ВАЗ;
на Заводе двигателей ПАО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны) методики экспериментальной оценки параметров СП в ПКВ при испытаниях двигателя КАМАЗ-740.14-300;
в ЗАО «Ремдизель» (г. Набережные Челны) методики оценки качества приработки ПКВ автомобильных двигателей при доводке технологий восстановления шеек коленчатого вала напылением и наплавкой;
в Набережночелнинском институте (филиале) ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» методики безразборного контроля технического состояния, диагностирования и прогнозирования остаточного ресурса ПКВ автомобильных двигателей в рамках НИР «Разработка математических моделей и алгоритмов обработки информации о техническом состоянии узлов и агрегатов по данным эксплуатационных испытаний автомобилей КАМАЗ» (шифр «Акма-Ю-К»);
в ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» программно-аппаратного комплекса «Автоматизированная система оценки смазочного процесса» в учебном процессе.
Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что теория построена на известных, проверяемых данных, и согласуется с результатами ранее выполненных исследований; экспериментальные данные получены в результате стендовых и натурных испытаний с использованием стандартных и апробированных методов исследований и сертифицированного оборудования; установлены сходимость результатов экспериментальных и теоретических исследований, совпадение с результатами, представленными в независимых источниках по теме диссертационного исследования.
Вклад автора в получение научных результатов заключается в обосновании выбора направлений исследований, формулировании цели и задач работы, в разработке концептуальных положений и методологии их реализации, в проведении теоретических и экспериментальных исследований, в интерпретации полученных результатов, в написании научных работ с изложением основных результатов исследования и их апробировании.
Апробация результатов. Основные результаты исследования доложены и обсуждены на научных конференциях:
- международных: «Концепция развития и высокие технологии производ
ства и ремонта транспортных средств в условиях постиндустриальной эконо
мики» (Оренбург, 1997 г.); «Прогресс транспортных средств и систем» (Волго
град, 1999 г.); «Учебная, научно-производственная и инновационная деятель
ность высшей школы в современных условиях» (Оренбург, 2001 г.); «Иннова
ции и перспективы сервиса» (Уфа, 2004 г.); «Проблемы качества и эксплуата
ции автотранспортных средств» (Пенза, 2006 г.); «Проблемы эксплуатации и
обслуживания транспортно-технологических машин» (Тюмень, 2007 г.); «По
вышение эффективности эксплуатации автотранспортных средств на основе
современных методов диагностирования» (Иркутск, 2007 г.); «Проблемы экс
плуатации и диагностики автомобильного транспорта» (Иркутск, 2009 г.);
«Перспективные направления развития автотранспортного комплекса» (Пенза,
-
г.); «Транспортные и транспортно-технологические системы (Тюмень,
-
г.); «Инновации в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды» (Пермь, 2010 г.); «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010 г.); «Проблемы и
перспективы развития Евроазиатских транспортных систем» (Челябинск, 2012 г.); «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2013,
2015 гг.); «УРАЛ-ТРИБО» (Челябинск, 2014 г.);
- национальных: «Прогрессивные методы эксплуатации и ремонта транспортных средств» (Оренбург, 1999 г.); «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2001, 2003, 2005, 2005, 2007, 2009, 2011 гг.); «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти, 2004, 2005 гг.); «Развитие транспорта в регионах России: проблемы и перспективы» (Киров, 2007 г.); «Проблемы эксплуатации систем транспорта» (Тюмень, 2009 г.); «Политранспортные системы» (Новосибирск, 2009 г.); «Инновационное развитие профессионального образования в условиях университетского комплекса» (Бузулук, 2010 г.); «Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса» (Магадан, 2011 г.); «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (Иркутск, 2012 г.).
Основные результаты диссертации получены при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ на темы: «Управление качеством подшипников скольжения автомобильных двигателей по параметрам смазочного слоя» (№ гос. регистрации 01960006257, 2001-2009 гг.), «Методология контроля и управления техническим состоянием подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей в эксплуатации» при финансовой поддержке Министерства образования Оренбургской области (2010 г.); «Методология обеспечения качества эксплуатации автомобильного транспорта» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках базовой части государственного задания (проект № 1829, № гос. регистрации 114071170053, 2014-2016 гг.).
Соискатель является лауреатом конкурсов на соискание именной стипендии Комитета Администрации Оренбургской области по делам молодежи для молодых учёных и специалистов (2000 г.) и научных работ молодых учёных и специалистов Оренбуржья (2003 г.), а также лауреатом премии Губернатора Оренбургской области в сфере науки и техники (2009 и 2012 гг.). С проектом «Комплекс трибодиагностики» участвовал в 4-ой и 5-ой специализированных выставках «ПРОМЭНЕРГОСТРОЙМАШ» (Оренбург, 2009, 2010 гг.) и в 1-ом международном молодежном образовательном форуме «Евразия» (Оренбург,
2016 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 92 научные работы, в числе которых 26 статей в журналах из Перечня изданий, рекомендованных ВАК, 2 патента на полезную модель, 2 монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Текст изложен на 292 страницах, включает 21 таблицу, 82 рисунка. Список использованных источников содержит 262 наименования, из которых 10 иностранных публикаций. В приложениях на 18 страницах приведена дополнительная информация.
Анализ состояния вопроса поддержания работоспособности подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей
Управляющими показателями выступают такие характеристики, как допускаемые значения параметров технического состояния, допускаемый остаточный ресурс, периодичность и номенклатура операций технического обслуживания и ремонта, предельные суммарные издержки на техническое обслуживание и ремонт и др.
Значительное внимание уделяется формированию оптимальной структуры экплуатационно-ремонтного цикла автомобильных двигателей [19, 70, 82, 86]. Важным фактором управления техническим состоянием является применение методов и средств технического диагностирования, которые позволяют измерять параметры и оценивать качественные признаки технического состояния, устанавливать необходимость капитального ремонта двигателя или его составных частей, объем и характер работ по ТО и текущему ремонту. При ремонте решается задача выявления составных частей, подлежащих ремонту и восстановлению, а также оценки качества ремонтных работ.
Обратная связь в процессе управления служит для получения информации о надежности, об эффективности работы двигателя после управления для корректировки в случае необходимости управляющих показателей.
Характер общего немонотонного изменения технического состояния агрегатов АТС от начала эксплуатации до выработки установленного изготовителем ресурса в качественной форме графически показан на рисунке 1.4 [161].
По мере выработки ресурса динамика технического состояния описывается сравнительно сложной немонотонной закономерностью, характер которой формируют следующие три составляющие [161].
Первая составляющая - монотонное деградационное ухудшение параметра технического состояния, характеризуется огибающей линией, отражающей уровень пределов восстановления параметра с использованием рекомендуемых изготовителем для эксплуатации технологий ТО и текущего ремонта. Это нижняя граница достигаемых в эксплуатации пределов восстановления технического состояния, заложенная при проектировании и производстве.
Вторая - периодическое многократное с частотой выполнения работ планового ТО повторение циклов ухудшения и восстановления технического состояния воспроизводит частоты (и соответствующие периодичности) выполнения ТО нескольких видов одновременно. Эта цикличность будет не ниже цикличности наиболее часто выполняемого вида ТО. Разброс повторения циклов при эксплуатации при этом отразит вариации фактической наработки до ТО.
Третья - апериодическое повторение в случайные моменты времени циклов скачкообразного или постепенного ухудшения технического состояния до уровня неработоспособности вследствие отказов с последующим его восстановлением посредством ремонта принято характеризовать закономерностями распределения наработок на отказ. Наработки одного и того же компонента статистически уменьшаются по мере выработки ресурса. Приведенное графическое отображение динамики технического состояния в эксплуатации наглядно свидетельствует, что полное восстановление работоспособности двигателей посредством ТО и ремонта по технологиям изготовителя остается идеализированной декларацией и в реальности не достигается. Восстановление технического состояния после ТО и ремонта по мере выработки ресурса становится все менее полным, уровень восстановления параметров ухудшается, а с ним – и эксплуатационные свойства.
После выработки ресурса двигателя, когда уровень восстановления параметров приближается или даже достигает уровня эксплуатационных требований, наступает предельное техническое состояние, характеризуемое экономической нецелесообразностью или технической невозможностью восстановления работоспособности так называемыми «гаражными» технологиями текущего ремонта, предусмотренными изготовителем. После этого двигатель списывают, или подвергают капитальному ремонту с использованием созданных для него технологий. Технологии капитального ремонта более разнообразны и позволяют добиться более глубокого восстановления технического состояния, чем при текущем ремонте, но и они не полностью восстанавливают параметры и не обеспечивают те же наработки на отказ и ресурсы, что в начале эксплуатации. Это объясняется неполной заменой деталей (в том числе базовых) с частичным износом, и несовершенством технологий капитального ремонта в сравнении с технологиями сборки двигателей на автосборочном производстве.
Математическая модель смазочного процесса в подшипнике коленчатого вала автомобильного двигателя
Работа двигателя характеризуется непрерывным изменением крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала. В целом эксплуатационный режим работы двигателя определяется комплексом тепловых, нагрузочных и скоростных режимов. В зависимости от значений и сочетаний параметров этих режимов работа двигателя в целом включает такие этапы как пуск, холостой ход, частичные нагрузки, максимальные нагрузки. Неустановившийся режим работы двигателя при этом является превалирующим и составляет от 93 % до 97 % в условиях интенсивного городского движения, от 90 % до 95 % при движении автомобиля по грунтовым дорогам и от 30 % до 35 % всего времени движения автомобиля на загородных автомагистралях [18, 75, 83, 141].
Вследствие неравномерного крутящего момента возникает колебание частоты вращения коленчатого вала, оцениваемое коэффициентом неравномерности 8. В работе [134] отмечается, что значения 8 определяется такими факторами как приведенный к оси коленчатого вала момент инерции возвратно - поступательно движущихся и вращательных частей двигателя, жесткостью коленчатого вала, техническое состояние систем и механизмов. В существующих автомобильных двигателях в зависимости от нагрузочного и скоростного режимов 8= 0,045-0,010.
В процессе работы двигателя происходит изнашивание шеек вала и вкладышей. Износ шеек, как правило, неравномерен по окружности шейки, в результате чего имеющиеся после изготовления (восстановления) рассеивание разности между максимальным и минимальным значениями зазоров в подшипниках, а также отклонения от формы и взаимного расположения -овальность, конуснообразность, биение оси коренных шеек и несоосность постелей коренных опор - прогрессируют [14, 146, 148, 231, 234].
Увеличение износа коренных шеек и вкладышей приводит к повышению зазоров и неравномерности их распределения и, как следствие, прогибу вала, которые усиливают интенсивность и неравномерность изнашивания шеек [17]. Действительные зазоры в подшипниках при пуске двигателя определяются отклонениями от номинального значения диаметров шеек, постелей в блоке и толщины вкладышей, деформацией постелей с вкладышами, а при установившемся тепловом режиме – перечисленными факторами и расширением диаметров шеек, постелей в блоке при нагреве деталей до рабочей температуры [65].
Одним из важных параметров, определяющих режим смазки в подшипниках, считается давление подводимого к ним масла. Давление масла [38, 63, 64] является функцией многих факторов: частоты вращения коленчатого вала, температуры масла, температуры охлаждающей жидкости, значения зазоров в подшипниках коленчатого, распределительного валов, в сопряженных деталях масляного насоса и др.
Давление масла мало сказывается на величине давления в слое масла, но в значительной степени влияет на количество прокачиваемого масла, т.е. на тепловое состояние подшипника. Чрезмерно низкое давление приводит к нарушению жидкостной смазки, возрастанию температуры поверхностей подшипников и интенсивному изнашиванию.
С увеличением частоты вращения коленчатого вала возрастает производительность насоса и давление подачи масла. При работе двигателя по нагрузочной характеристике давление масла не зависит от нагрузки.
В автомобильных двигателях до 70 % масла, подаваемого насосом, расходуется через подшипники коленчатого вала, а в изношенных двигателях этот расход возрастает до 96 %. Причем, основная часть масла проходит через коренные подшипники. Расход масла через подшипник пропорционален зазору в кубической степени. С увеличением зазоров в подшипниках и сопряжениях масляного насоса давление масла снижается.
Вязкость считается основной характеристикой смазочного материала, определяющей ее эксплуатационные свойства в подшипниках скольжения. Вязкость в значительной степени зависит от температуры и в меньшей степени от давления [35, 138]. Зависимость вязкости масла от температуры определяется по вязкостно-температурной характеристике. Маловязкие масла имеют пологую вязкостно-температурную зависимость. Вследствие этого, при пониженных температурах для маловязких масел влияние температуры на вязкость менее существенно, чем для высоковязких сортов. Однако, при рабочих температурах менее вязкое масло может не отличаться от высоковязкого [32].
Эксплуатационные свойства моторного масла изменяются в эксплуатации двигателя вследствие старения [32]. Если свежее масло имеет разброс значений вязкости (± 0,5) %, механических примесей - до 0,02 %, воды - до 0,025 %, то для отработанного эти показатели соответственно (от минус 20% до 25%), до 1 %, до 0,5 %, и топлива - до 0,8 %.
Эти изменения являются результатом окисления, разложения и полимеризации молекул. Кроме того, масло загрязняется продуктами изнашивания, дорожной пылью, водой, охлаждающей жидкостью, топливом. Эти процессы протекают в условиях взаимной связи и влияния.
Вязкость может, как увеличиваться, так и уменьшаться или не изменяться [56, 60, 232]. Вязкость масла увеличивается за счёт испарения летучих фракций. При контакте масла с воздухом происходит окисление, в результате чего изменяются его физические и химические свойства: повышается вязкость, плотность, ухудшается деэмульгирующая способность, образуются растворимые в масле и летучие продукты, плотные продукты окисления выпадают в осадок.
Проведенный анализ показал, что режим смазки зависит от факторов, имеющих существенный разброс значений параметров в эксплуатации. Это говорит о том, что режимы смазки имеют случайную природу и это необходимо учитывать при их количественном описании.
Методика экспериментального исследования смазочного процесса в коренных подшипниках коленчатого вала
По данным исследований [155], при эксплуатации легкового автомобиля в современных условиях среднестатистического российского города (Тюмень, население 640 тыс. чел, уровень автомобилизации 430 авт./1000 чел.) доля времени работы на холостом ходу составляет от 37,8 % до 40,7 %, движение с разгоном - от 22,4 % до 25,5 %, движение с торможением - от 21,9 % до 26,9 %, движение с постоянной скоростью - от 9,9 % до 15 %. Различие в доли времени работы на холостом ходу между «зимним» и «летним» циклами движения составляет от 5,4 % до 10,6 %, что, по мнению автора, в основном, связано с необходимостью прогрева двигателя автомобиля перед началом и во время движения. В зависимости от температуры окружающей среды время прогрева легкового автомобиля до температуры охлаждающей жидкости 40 С составляет от 3 до 10 мин.
Около 80 % территории Российской Федерации находится в районах с умеренным и суровым климатом с продолжительностью зимнего периода от четырех до восьми месяцев [209]. Одним из неблагоприятных эксплуатационных режимов автомобильных двигателей, с точки зрения изнашивания подвижных сопряжений, считается режим пуска и прогрева [40]. Одной из главных проблем холодного пуска является возможность возникновения задиров в парах трения двигателя [55, 63, 95, 212]. Наиболее интенсивное изнашивание происходит не в кратковременный момент начальной стадии пуска двигателя, а при последующем, более продолжительном прогреве. Причем, наиболее подвержены пусковым износам подшипники коленчатого вала, особенно при холодных пусках при безгаражном хранении [85, 221].
Решению проблемы снижения износов подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей на пусковых режимах при низких температурах окружающей среды посвящены работы А.С. Денисова, М.А. Григорьева, Г.С. Лосавио, Ю.Н. Никитина, Г.И. Суранова, P.J. Shayler, J-P. Zammit, J.D. Trapy, P. Damiral и др. [55, 63, 65, 85, 87, 152, 169, 212, 252, 253, 255, 258, 260, 262].
Повышенный износ и задиры подшипников коленчатого вала при запуске и прогреве обуславливается нарушением благоприятных условий их смазывания в периоды, когда поступление масла к подшипникам задерживается, и когда масло проходит через подшипники, но прокачиваемого объема в единицу времени недостаточно для обеспечения устойчивой жидкостной смазки. К интенсификации изнашивания приводят также абразивные частицы, попадающие вместе с холодным маслом в масляные каналы через открытый перепускной клапан полнопоточного масляного фильтра тонкой очистки [26].
В технической литературе в настоящее время достаточно противоречивы мнения как о причинах износа и снижения надежности трущихся пар двигателя при пуске, так и о преобладающем виде изнашивания пар трения в этот период; не существует единого мнения и о количественной оценке доли пускового износа основных деталей в их общем износе. В работах [95, 160, 168] отмечается, что холодный пуск и прогрев вызывает большие износы цилиндро-поршневой группы и подшипников коленчатого вала, эквивалентные по износам эксплуатационному пробегу 200 км и более. На основании этих данных износ поверхностей трения на режиме пуска составлял от 50 % до 75 % от общего износа. В ряде более поздних работ [91, 202] указывается, что пусковой износ двигателей составляет от 2 % до 15 % от общего износа.
Одной из групп подвижных сопряжений, в значительной степени подверженных пусковым износам, является кривошипно-шатунный механизм, в частности подшипники коленчатого вала.
Конструктивно подшипники скольжения спроектированы для работы в режиме жидкостного трения. Однако такой вид трения характерен для установившихся режимов, пуск и прогрев которыми не являются. Рассмотрим более подробно условия работы подшипников и шеек коленчатого вала на режиме пуска. Анализ работ [27, 29, 35, 87] позволил выделить три основные стадии развития смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала на режиме пуска: 1) подготовительная – работа подвижных сопряжений при граничной смазке, обусловленной задержкой времени поступления масла к трущимся поверхностям; 2) переходная – развитие жидкостной смазки, характеризуемое прогревом масла и соответствующим снижением вязкости, а также установление рабочих зазоров из-за тепловых деформаций; 3) рабочее состояние – режим смазки - жидкостный, процесс устойчивый, стабилизированный, способен воспринимать рабочие нагрузки.
При пуске с момента начала вращения коленчатого вала двигателя до появления жидкостной смазки подшипники коленчатого вала работают в условиях граничной смазки. При запуске подача масла к подшипникам происходит не мгновенно, а с запаздыванием, и длительность этого явления во многом определяет интенсивность изнашивания [156].
Экспериментальными исследованиями установлено [91], что как у непрогретого, так и прогретого двигателя режим жидкостного трения в коренных подшипниках наступает значительно позже, чем в шатунных. Так, при развитой при пуске непрогретого двигателя частоте вращения коленчатого вала 600 мин-1 давление в смазочном слое коренного подшипника появлялось через 0,88 сек. с момента начала вращения вала, а в шатунном – через 0,26 сек., (в 3,4 раза быстрее). При тех же условиях пуска у прогретого двигателя в шатунном подшипнике жидкостный режим наступает раньше (через 0,12 сек), чем в коренном (через 0,3 сек.).
Теоретическое обоснование методики диагностирования подшипников коленчатого вала
Параметр Eg отвечает следующим важным требованиям: - пригодности - параметр измеряет степень приближения смазочного процесса в подшипниках к нормальному состоянию, однозначно зависит от величины повышения несущей способности подшипников, отражает расширение диапазона нагрузок и скоростей, при которых подшипники работают в режиме жидкостной смазки; - квантифицируемости - параметр имеет простой физический смысл -характеризует вероятность не разрушения смазочного слоя в подшипниках коленчатого вала в заданных условиях эксплуатации; параметр безразмерен и принимает значение от 0 до 1; - интегральности – параметр объединяет разные подшипники коленчатого вала в один «эквивалентный подшипник коленчатого вала», который обладает обобщенной оценкой смазочного процесса в шатунных и коренных подшипниках. На базе параметра Eg предложен комплекс параметров функционального состояния подшипников коленчатого вала.
Под функциональным состоянием понимается состояние подшипника, при котором он способен выполнять свою основную функцию – обеспечивать надежное смазывание трущихся поверхностей на всех режимах работы двигателя для минимизации потерь на трение и изнашивание [113, 132].
Количественным показателем надежности смазывания трущихся поверхностей может служить параметр Рg (Eg ). Его величина зависит от нагрузочно - скоростного режима работы двигателя. Поэтому оценка функционального состояния подшипника по параметру Рg (Eg ) не может ограничиваться одним нагрузочно - скоростным режимом. В связи с этим, параметром оценки функционального состояния может выступать среднее значение параметра Рg (Eg ) в заданной области нагрузочно–скоростного режима работы двигателя (крутящий момент М – частота вращения коленчатого вала n). Такой параметр назван «степень сохраняемости жидкостной смазки в подшипниках П» [211, 245].
В общем случае параметры оценки функционального состояния в отдельном подшипнике ПP и «эквивалентном подшипнике коленчатого вала» ПЕ определяются по формулам: M max "max M max "max j j Pg(M,n)dndM J J Eg(M,n)dndM TJ min "min TJ мін "min (248) P «max E n max 133 где Mmin и Мтах, птіп и птах - минимальные и максимальные значения соответственно крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала. В частном случае при фиксированном количестве Nonbim исследуемых режимов нагружения параметры определяются по формулам: М=Мтахп=птах М=Мтахп=птах Z Z pg Z Z Еg П _ М=Мтіп п=птіп П _ М=Мтіп п=птіп (2.49) Р N опыт , Е N опыт
Параметр ПР (ПЕ) удовлетворяет важным требованиям - он зависит от повышения несущей способности смазочного слоя (Ng), является безразмерным, принимает значения от 0 до 1, с увеличением ПР (ПЕ) расширяются диапазоны М и п, в которых подшипники коленчатого вала работают в режиме жидкостного трения. Указанные свойства параметра делают его пригодным для оценки качества приработки подшипников.
При значении ПЕ = 1 на всех нагрузочно - скоростных режимах работы двигателя во всех подшипниках коленчатого вала существует режим жидкостной трения (Eg = 1). Значение ПЕ=0 свидетельствует о том, что как минимум в одном подшипнике Pg=0, а Eg =0. В литературных источниках [56, 71] отмечено, что для подшипников скольжения безопасным является доля времени существования жидкостного трения 80 %. Поэтому допустимым безопасным значением параметра принято ПР.доп = Пкдо=0,8. Тогда, при ПЕдоп ПЕ \ режим работы автомобильного двигателя является малоизносным.
Параметр ПР (ПЕ) оценивает смазочный процесс с позиции длительности существования смазочного слоя в подшипниках коленчатого вала на эксплуатационных режимах работы двигателя, однако, не позволяет дать оценку с точки зрения интенсивности изнашивания или износостойкости.
Между значением параметра Eg и износостойкостью (интенсивностью изнашивания) подшипников коленчатого вала установлена связь по вновь предложенным параметрам Wt «удельная интегральная износостойкость подшипников» и її «удельная интегральная интенсивность изнашивания подшипников коленчатого вала» [111, 112, 114, 115].
Учитывая, что интенсивность изнашивания при контактном взаимодействии трущихся поверхностей ihк на 9… 13 порядков больше, чем при бесконтактном, примем допущение, что изнашивание подшипника происходит при контактном взаимодействии.