Введение к работе
Актуальность работы. Рыночные отношения определяют новые условия деятельности предприятий по производству сельскохозяйственной продукции, связанные с использованием уже созданной и вновь разрабатываемой мобильной техники Применение большого количества дизелей в качестве силовых установок для тракторов, комбайнов и автомобилей определяет актуальность вопросов надежной и экономичной их эксплуатации Создание конкурентоспособной мобильной техники связано со снижением металлоемкости, увеличением частоты вращения коленчатого вала и среднего эффективного давления за счет совершенствования конструкции, применения более качественных материалов, оптимизации параметров
В процессе эксплуатации сельскохозяйственной техники из-за выработки ресурса и поломок сокращается ее количество, что приводит к увеличению нагрузки на единицу техники, к снижению площади обрабатываемой земли и к снижению качества обработки Приобретение новой техники затруднено из-за большой стоимости, да и качество ее невысокое Для сельскохозяйственной техники наибольшее количество отказов (до 50 %) наблюдается у двигателей После капитального ремонта этот показатель возрастает еще на 20 % Основными причинами отказов являются износы, усталостные разрушения, коррозия ресурсоопределяющих агрегатов Для двигателя такими являются детали цилиндропорпшевой группы, на долю которых приходится до 44 % отказов
Ужесточение требований к мобильной технике, нашедшее отражение в экологических стандартах ЕЭК ООН «Евро-2» и «Евро-3», внедряемых в настоящее время в России, обусловливают повышение эксплуатационных характеристик дизелей
Долговечность, мощность, расход топлива и масла дизеля во многом зависят от состояния цилиндропорпшевой группы и, прежде всего, от состояния поршневых колец Поршневые кольца работают в тяжелых условиях при больших циклических нагрузках (до 10 МПа), высокой рабочей температуре (250-300 С), интенсивном износе рабочих поверхностей в условиях полусухого абразивного трения, при наличии химически агрессивных компонентов результатов горения Они должны длительное время обеспечивать герметизацию камеры сгорания, распределение масла между трущимися деталями и отводить тепло от поршня к цилиндру Наличие большого количества параметров и характеристик поршневых колец (более тридцати), сложное изменение их значений в процессе изготовления
и эксплуатации затрудняет их выбор при расчете Оптимизация основных параметров поршневых колец, обеспечивающая повышение долговечности, снижение топливно-экономических показателей дизеля, является одной из важнейших проблем отечественного и зарубежного двигателестроения
Актуальность работы подтверждается также тем, что исследования проведены в соответствии с научным направлением 12 9 «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в АПК Поволжско-го экономического региона на 20 лет до 2010 года» (номер гос регистрации 6400052004), региональной научно-технической программой «Повышение уровня механизации АПК Саратовской области», Концепцией развития АПК Саратовской области до 2005 года, а также комплексной темой № 5 НИР Саратовского государственного аграрного университета им НИ Вавилова «Повышение долговечности деталей газораспределения и цилиндропоршневой группы дизелей»
Цель работы. Повышение долговечности и снижение расхода масла при эксплуатации автотракторных дизелей путем обоснования рациональных параметров, задаваемых при проектировании и получаемых при изготовлении поршневых колец
Объект исследований. Дизель КамАЗ-740 и его модификации, оснащенные экспериментальными поршневыми кольцами
Предмет исследования. Способы расчета и контроля формы поршневых колец, методика определения параметров поршневых колец с учетом износа их радиальной толщины и гильзы цилиндров
Методика исследований основана на использовании теоретических, экспериментальных, лабораторных и стендовых методов Теоретические исследования проводились на базе научных основ сопротивления материалов, теории упругости, математического моделирования, математической статистики Теоретические задачи по оценке интенсивности износа, расчету формы колец в свободном состоянии и формы копиров решались с помощью специально разработанных программ, основанных на современном математическом обеспечении (пакеты прикладных программ MATLAB 6 5) Экспериментальные и лабораторные методы применялись для определения геометрических размеров, параметров поршневых колец и деталей цилиндропоршневой группы Производственные испытания включали в себя определение условного модуля упругости и остаточной деформации материала поршневых колец, изготовление экспериментальных поршневых колец и стендовые испытания на безот-
казность двигателя КамАЗ-740, которые выявили износ деталей ци-линдропоршневой группы, расход масла на угар и ресурс дизеля
Научная проблема заключается в систематизации, обосновании и обеспечении рациональных параметров поршневых колец, повышающих эксплуатационные характеристики автотракторных дизелей
Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к решению проблемы повышения долговечности автотракторных дизелей, применяемых в сельскохозяйственной мобильной технике, путем обоснования рациональных параметров поршневых колец, к анализу и обобщению теоретических положений и закономерностей, в результате которых
определены современные требования к параметрам поршневых колец, обеспечивающих повышение долговечности и снижение расхода масла автотракторных дизелей,
на основе анализа существующих методов формообразования поршневых колец разработаны методики расчета формы по нелинейной теории изгиба с учетом растяжимости кольца и направления нагрузки, а также для колец с износостойкими покрытиями с учетом их толщины и физико-механических свойств материалов,
разработана математическая модель оптимальной эпюры радиальных давлений для условий эксплуатации поршневых колец без покрытий, с учетом износостойких покрытий и износа гильзы цилиндров,
обоснован технологический способ обеспечения оптимальных параметров на основе копирной обработки поршневых колец,
созданы алгоритмы и отлажены рабочие программы расчета на ЭВМ формы поршневых колец в свободном состоянии, формы копиров к копировальным станкам, эпюры радиальных давлений, разработаны методики расчета основных параметров поршневых колец при износе их радиальной толщины, проверки токарно-копировального станка МК6026 на соответствие нормам точности и определения физико-механических свойств материала по периметру поршневого кольца
Практическая ценность заключается
в проведении системного анализа современных требований к параметрам поршневых колец,
создании методик расчета формы поршневых колец в свободном состоянии по нелинейной теории и с учетом износостойких покрытий,
разработке способов оценки влияния эпюры радиальных давлений на износ радиальной толщины поршневых колец,
совершенствовании конструкций компрессионных и масло-съемных колец, обеспечивающих снижение расхода масла на угар (авторское свидетельство № 1724974, патенты РФ № 2016300, 2042066, 2065107, патент РФ на полезную модель № 48382),
обеспечении оптимальных параметров поршневых колец технологическими способами (авторские свидетельства № 1657337, 1745405, 1704930, патенты РФ № 1738489, 2014896, 2024358, 2179090,2087553, 2097436,2111266,2245376),
создании методов, средств контроля и измерения основных параметров поршневых колец, включающих измерение формы поршневых колец с использованием измерительного устройства КПФ-1 и инструментального микроскопа, эпюры радиальных давлений по форме поршневого кольца в гибкой ленте и устройства для определения радиального давления поршневых колец (патент РФ № 2085878)
Результаты проведенных исследований являются основой для совершенствования существующих методов расчета, средств контроля, конструирования и технологии изготовления высококачественных поршневых колец, позволяющих снизить износ радиальной толщины поршневых колец в среднем на 20 %, увеличить ресурс дизеля в 1, 2 раза и сократить расход масла на угар на 8 - 10 %
Реализация результатов исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований опробованы или прошли производственные испытания на Ульяновском автомобильном заводе, Ижевском, Тульском и Ковровском машиностроительных заводах, Макинском, Ставропольском, Лебединском заводах поршневых колец, ОАО «КамАЗ-Дизель», «ГАЗ» Экспериментальные поршневые кольца были изготовлены на ОАО «КамАЗ-Дизель» и использовались при проведении испытаний на безотказность двигателя Ка-мАЗ-740
Результаты исследований отмечены дипломом Российской агро-промыш-ленной выставки «Золотая осень» (г Москва, ноябрь 2005 г, ВВЦ), золотой и серебряной медалями на I Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (г Саратов, октябрь 2005 г)
На основе выполненных исследований в работе определены и выносятся на защиту следующие научные положения:
Современные требования к параметрам поршневых колец
Совершенствование методов расчета формы поршневых колец в свободном состоянии
Теоретическое обоснование математической модели оптимизации эпюры радиальных давлений поршневых колец дизелей
Обоснование технологического способа обеспечения оптимальных параметров поршневых колец
Разработка методов и средств контроля и измерения параметров поршневых колец
Разработка мероприятий, направленных на повышение долговечности поршневых колец дизелей и снижение расхода масла на угар
Новизна разработок защищена 4 авторскими свидетельствами и 13 патентами на изобретения
Апробация работы. Результаты исследований обсуждались на научно-технических конференциях Саратовского института механизации сельского хозяйства имени МИ Калинина (1979-1983 гг), Саратовского политехнического института (1980-1983 гг), Астраханского технического института рыбной промышленности и хозяйства (1981 г), Московского института инженеров сельскохозяйственного производства имени В П Горячкина (1982 и 2000 гг), Московского станкоинструментального института (1990 г), Саратовского аграрного университета имени Н И Вавилова на кафедре «Сопротивление материалов и стандартизация» (1995-2007 гг), на Межгосударственных научно-технических семинарах СГАУ «Проблемы экономичности и эксплуатации ДВС в АПК СНГ» (1994-2007 г г), на Международной научно-практической конференции «Совершенствование технологии и организации обеспечения работоспособности машин с использованием восстановительно-упрочняющих процессов» (г Саратов, СГТУ, 2002 г), на постоянно действующих научно-технических семинарах «Проблемы теории, конструкции, проектирования и эксплуатации ракет, реактивных двигателей и назем-но-механического оборудования к ним» (г Саратов, военный артиллерийский университет, 2001-2002 гг), на XI научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России» (г Москва, Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (ВИМ), 2002 г), на VIII Всероссийской научно-практической конференции «Совершенствование технологии в машиностроении» (г Пенза, 111 У, 2004 г), на научно-практической конференции «Вавиловские чтения» (г Саратов, СГАУ, 2004 г), на III Международной конференции «Материалы и технологии XXI века» (г Пенза, 111 У, 2005 г), на X Международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения» (г Пенза, ПТУ, 2005 г), на II Всероссийской научно-практической конференции «Защитные
покрытия в машиностроении и приборостроении» (г Пенза, 111 У,
г), на Международной научно-практической конференции «Ульяновские чтения - 2005» (г Саратов, СГАУ, 2005 г), на Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения профессора В Г Кобы (г Саратов, СГАУ,
г), на Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию со дня рождения профессора А Г Рыбалко (г Саратов, СГАУ, 2006 г)
Результаты работы применяются в учебном процессе по курсу «Метрология, стандартизация и сертификация»
Публикации. По теме диссертации опубликовано 82 работы, в том числе 26 в центральной печати, 17 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 2 монографии, 1 учебное пособие с грифом УМО Из указанных работ 14 опубликовано в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ Отдельные вопросы рассматриваются в 11 научных отчетах, прошедших государственную регистрацию Общий объем публикаций 55 п л , из них лично соискателю принадлежит 28 п л
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы и приложений Работа включает 404 страницы машинописного текста, 19 таблиц, 170 рисунков Список использованной литературы содержит 320 наименований, из них 21 на иностранных языках Приложения приведены на 78 страницах, где представлены результаты статистической обработки экспериментальных исследований, результаты расчетов и документы о внедрении и производственной проверке результатов работы
