Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 7
1.1. Факторы, определяющие работоспособность цилиндро-поршневой группы двигателя 7
1.2. Условия работы гильз цилиндров «мокрого» типа и определение основных причин отказов .- 19
2. Математическое моделирование процесса деформаций стенки гильзы .36
2.1. Особенности деформаций стенки гильзы при наличии внешних воздействий 36
2.2. Математическое моделирование деформаций стенки гильзы 44
3. Методика исследований 56
3.1. Методика определения величины и характера деформаций 56
3.2. Стендовые испытания 62
3.3. Эксплуатационные испытания 63
4. Экспериментальные исследования деформаций гильз в блоке 66
4.1. Определение закономерностей характера деформаций гильз цилиндров 66
4.2. Деформация гильзы с износом внутренней рабочей поверхности 70
4.3. Кавитационное изнашивание гильз цилиндров и его влияние на деформацию 75
4.4. Модернизация конструкции гильзы с целью снижения деформаций 79
4.5. Определение герметичности уплотняющего узла при его деформации 84
5. Результаты стендовых и эксплуатационных испытаний 90
5.1. Технологические основы овализации верхнего опорного бурта гильзы 90
5.2. Определение изменения основных показателей двигателя при обкатке и эксплуатации 92
5.3. Экономическая оценка результатов исследований 93
Выводы 95
Литература
- Условия работы гильз цилиндров «мокрого» типа и определение основных причин отказов
- Математическое моделирование деформаций стенки гильзы
- Деформация гильзы с износом внутренней рабочей поверхности
- Определение изменения основных показателей двигателя при обкатке и эксплуатации
Введение к работе
Двигатель является наиболее сложным и ответственным агрегатом івтомобиля, от технического состояния которого во многом зависит эффективность, надежность и экологичность работы автомобиля в целом. На гго долю приходится до 30% отказов и около 20% трудоемкости технического эбслуживания и ремонта автомобиля [4,38,50].
В настоящее время АО КамАЗ выпускает автомобили с колесными формулами 6x4, 4x2, 6x6, различающиеся мощностными, размерными и зесовыми параметрами. Массовое производство автомо.билей семейства КамАЗ а их поступление в АПК страны началось в 1976 году. В ходе производства :овершенствовались конструкция автомобилей и их составных частей, ювышалось их качество, накапливался и изучался передовой опыт эксплуатации и ремонта. Однако машину в процессе ее использования нельзя изолировать от влияния среды, в которой она работает, от влияния процессов, которые в ней протекают при осуществлении рабочих функций, от действия эстаточных явлений как следствия технологических процессов, применяемых три изготовлении машин. Все виды энергии (механическая, тепловая, электромагнитная и др.) действуют на машину и „ее элементы, вызывая збратимые и необратимые процессы, снижающие начальные характеристики и надежность машин [1,4,18,38,50,102].
В процессе эксплуатации двигателя в результате естественного износа зопряжений и нарушения регулировок его основных систем возрастает неравномерность работы цилиндров до 25-30%, снижается до 35% эффективная мощность, увеличивается до 25% расход топлива, и ухудшаются все другие технико-эксплуатационные показатели [44,55,98].
Снижение надежности техники, занятой в сельском хозяйстве, и эксплуатируемой, как правило, круглогодично, приводит к значительному зниженню эффективности сельскохозяйственного производства в целом, эсобенно в период посева и уборки урожая - время простоя техники достигает зеличины 40-50%) от рабочего. При этом, 35-45%> неисправностей приходится на двигатель, а из них около 50% составляют неисправности деталей цилиндро-поршневои группы двигателя.
Несмотря на большое количество работ, посвященных повышению надежности цилиндро-поршневои группы двигателя внутреннего сгорания, эта проблема полностью не решена до настоящего времени [3,4,13,24,31, 37,39, 41, 50,53,59,66,70,71,80,88,89,105]. В связи с этим разработка способа повышения долговечности цилиндро-поршневои группы является актуальной задачей.
Целью работы является обеспечение работоспособности цилиндро-поршневои группы двигателя КамАЗ путем снижения монтажных деформаций.
Объект исследования: процесс изменения монтажных деформаций двигателя автомобиля КамАЗ.
Научная новизна. Разработана математическая модель, позволяющая оценивать деформации гильз цилиндров при приложении внешней нагрузки. Предложен новый способ снижения деформации рабочей поверхности гильзы, заключающийся в том, что опорный бурт гильзы в поперечном сечении выполняется в виде эллипса, большая ось которого является биссектрисой эолыиего угла между отверстиями под шпильки крепления головки к блоку.
Достоверность результатов работы подтверждается использованием точных измерительных приборов, результатами стендовых и эксплуатационных испытаний, а также хорошей сходимостью теоретических положений с цанными экспериментов.
Практическая ценность. Разработаны практические рекомендации по ;нижению деформаций рабочей поверхности гильзы цилиндров, позволяющие з 1,9-2,2 раза уменьшить ее абсолютные значения, при этом герметичность узла уплотнения повышается на 10-15%.
Реализация результатов исследования. Технологический процесс эвализации верхнего опорного бурта гильзы двигателя КамАЗ-740 рекомендован к внедрению на ОАО «Большеглушицкремтехсервис» (с. эолыпая Глушица, Самарская область).
Тема работы включена в планы государственных и региональных научно-технических программ «Концепция развития . сельскохозяйственного машиностроения в регионах ассоциации «Большая Волга» (утверждена решением Совета ассоциации «Большая Волга» от 27.01.1999 г.), а также в хПрограмму производства сельскохозяйственных машин Самарской области на 2001-2005 г.г.»
Апробация работы. Результаты исследований доложены и одобрены на конференциях:
Международный научно-технический семинар «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ» (СГАУ, Саратов, 2002 г.).
Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава Саратовского государственного агарного университета (СГАУ, Саратов, 2002 г.).
Ежегодные научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава Самарской государственной сельскохозяйственной академии (СГСХА, Самара, 2000-2002 г.г.).
Расширенное заседание кафедры «Ремонт машин» (г.Пенза, 2002 г.). Публикации. Основные положения диссертации изложены в 5 работах. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов, включает в себя 105 страниц машинописного текста, содержит 55 рисунков, 3 таблицы и библиографию из 109 наименований. В приложении на 16 страницах представлены материалы о внедрении и производственной проверке результатов исследований.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
Конструктивные и ремонтные разработки, обеспечивающие снижение монтажных деформаций гильзы и повышающие надежность цилиндро-поршневой группы в эксплуатации.
Математическая модель, позволяющая обосновать пути уменьшения монтажных деформаций стенок гильзы путем изменения конструкции ее верхнего опорного бурта.
Расчетно-экспериментальные исследование деформации гильзы от действия различных факторов и ее влияние на работоспособность цилиндро-поршневой группы.
Условия работы гильз цилиндров «мокрого» типа и определение основных причин отказов
В двигателе к основным геометрическим отклонениям, возникающим в троцессе эксплуатации, относятся: овальность шеек коленчатого вала, прогиб коленчатого вала, несоосность коренных опор блока цилиндров, овальность гильз цилиндров, овальность посадочных мест под гильзы в блоке цилиндров [11,13,50].
Известно, что овальность (деформация) может возникнуть до появления износа от монтажных деформаций [39]. Экспериментально установлено, что монтажная овальность гильз цилиндров в двигателе СМД-14 значительно влияет на расход масла в период приработки двигателей [31]. Величина и характер деформаций цилиндров зависит от конструкции двигателей и имеют свое определенное распределение. Например, для двигателя СМД-62 деформация распределена раструбом вниз, а наибольшая овализация, достигающая значений 54 мкм, находится в зоне уплотнения резиновых колец с расположением малой оси овала в плоскости качания шатуна [17].
В литературе практически отсутствуют данные о характере и значениях деформаций гильз цилиндров двигателя КамАЗ и ее влияние на работоспособность ЦПГ.
Изменение овальности гильз цилиндров обусловлено, в основном, неравномерностью изнашивания по окружности и остаточной деформацией в процессе эксплуатации. Неравномерность изнашивания и деформация гильз, в первую очередь, обусловлены действием боковой силы при перекладке поршня. В результате этого наибольший износ наблюдается, как правило, в плоскости качания шатуна (перпендикулярно оси коленчатого вала), а наименьший - в плоскости оси коленчатого вала. В некоторых двигателях при плохой очистке воздуха это соотношение может нарушаться в зависимости от расположения клапанов [37,38,40,41].
Появление овализации гильз под действием деформации (остаточной) свидетельствует овальность в верхнем неизношенном "поясе. Представленные результаты исследований [13,40,41,49,51,66,84] показывают, что доля овальности от деформации в общей овальности составляет 10-20%.
В условиях повышенной концентрации абразивных частиц интенсивность изнашивания и овализация гильз цилиндров возрастают в процессе эксплуатации, следовательно, и овальность будет возрастать по экспоненциальной зависимости (1.4) аналогично овальности шеек коленчатого зала.
Взаимное влияние технического состояния элементов двигателя эбуславливает и взаимосвязь их отказов, например, в сопряжениях ЦПГ: изнашивание поршневых колец выше предельного износа (толщина слоя хрома на верхних компрессионных кольцах) вызывает изменение условий трения материал) и повышает интенсивность изнашивания, как колец, так и гильз цилиндров, сокращая их ресурс и повышая вероятность их отказа; изнашивание поршневых колец по высоте приводит к увеличению расхода масла на угар и закоксовыванию колец в канавках поршня, вызывая ухудшение экономических и мощностных показателей двигателя, а также увеличивая вероятность поломки колец и перемычек между канавками поршня; снижение из-за изнашивания упругости поршневых колец вызывает повышение концентрации абразивных частиц в зоне трения, повышающих интенсивность изнашивания; отложение нагара на деталях ЦПГ снижает теплоотвод от деталей, ведет к повышению геплового режима ЦПГ, что увеличивает интенсивность изнашивания и вероятность аварийных повреждений (заклинивание, обрыв поршня, гильзы, шатуна, разрушение посадочного отверстия блока цилиндров). Повышенный износ гильз цилиндров в верхнем поясе может вызвать поломку поршневых колец, особенно в изношенной поршневой канавке, и после установки новых колец. Это явление может привести к задиру гильзы и к повреждениям канавки поршня. Таким образом, несвоевременный ремонт деталей КШМ и ЦПГ может привести к выходу из строя дорогостоящих деталей, что значительно увеличит затраты на ремонт двигателя.
Математическое моделирование деформаций стенки гильзы
Общая методика исследований базировалась, на том, что в процессе изнашивания гильзы, толщина ее стенок уменьшается, как снаружи - под действием схлопывающихся в пристеночной области паро-воздушных пузырьков, так и изнутри - как следствие контактного взаимодействия с поршневыми кольцами и поршнем.
Деформация гильзы рассматривалась, и с точки зрения особенностей конструкции двигателя, и с точки зрения основных видов воздействия на стенку гильзы, т.е. путем вычленения составляющих согласно рис.3.2.
На первом этапе изучались условия работы цилиндро-поршневой группы двигателя и факторы, определяющие эти условия. Анализировались основные причины отказов двигателей КамАЗ и принимаемые меры по повышению их долговечности. На основании анализа данных были сформулированы цели и задачи исследования, намечены пути решения этих задач.
На втором этапе были проанализированы все выявленные факторы, лияющие на деформацию стенки гильзы при ее установке в блок двигателя, а акже способы компенсации этих деформаций. Построенная математическая юдель позволила вычленить один фактор, оказывающий максимальное лияние - неравномерность расположения болтов крепления головки блока.
Математическая модель базировалась на законах сопротивления материалов, а именно, на деформации поперечного сечения гильзы при воздействии двух и четырех возмущающих сил (плоская осесимметричная задача). Для решения сформулированной задачи применялось программирование в электронных габлицах MS Excel.
На третьем этапе, согласно основным, сформулированным в математической модели, принципам, определялись: деформации стенки гильзы при различных усилиях затяжки болтов головки блока; расположения гильзы в блоке; ориентация кавитационноизношенной поверхности при установке гильзы в блок; расточка гильзы под ремонтный размер; использование новых и старых деталей; неравномерность расположения болтов крепления головки блока по периметру гильзы. Исследования проводились согласно схемы рис.3.3.
Лабораторные исследования проводились на одном годном к эксплуатации гвигателе. Гильзы, бывшие в эксплуатации, отбирались из числа выбракованных по величинам максимального механического износа - по эабочей поверхности, контактирующей с поршневыми кольцами, и савитационного износа - по наружной поверхности, омываемой охлаждающей кидкостью. Сквозные отверстия и трещины в гильзах отсутствовали. Гильзы жсплуатировались в двигателях, система охлаждения которых была заправлена ГОСОЛом, поэтому следы ржавчины на наружной поверхности отсутствовали, жавчина отсутствовала и на внутренней поверхности, так как гильзы :кладировались в теплом и сухом помещении (отсутствие ржавчины позволяло юлее точно определять отклонения формы). В качестве эталонных [спользовались новые гильзы из числа подготовленных к установке в блок.
При проведении исследований гильзы располагались в двигателе с цемонтированным коленчатым валом, со стороны которого производились замеры ее деформации. При измерениях использовался прибор оригинальной конструкции [82], позволяющий измерять радиальные отклонения внутренней зтенки гильзы (рис.3.4). Цена деления индикаторной головки прибора- 1 мкм.
Для приложения фиксированных усилий затяжки болтов крепления головки блока использовался динамометрический ключ с максимальным їначением шкалы 200 Н-м, что позволяло охватить весь допустимый по гехническим условиям диапазон усилий - 160-190 Н-м.
При продувке цилиндро-поршневой группы использовался ресивер с максимальным давлением 2 МПа и индикатором с ценой деления 0,01 МПа. При проведении экспериментов давление не поднималось выше 0,4 МПа во избежание разрыва стенки гильзы с сильно выраженным кавитационным взносом (до половины толщины стенки).
Конструкция верхнего опорного бурта гильзы изменялась посредством его обработки на токарном станке 1М63. в трехкулачковом патроне 0400, фепление гильзы внутреннее.
Перед производственными испытаниями на двигателе проводился ликрометраж гильз с помощью индикаторного нутромера. После чего их останавливали в блок, где экспериментальные гильзы монтировали через одну с серийными.
Обкатка проводилась на обкаточно-тормозном стенде КИ 55к Z ГОСНИТИ югласно ГОСТІ 8509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний». Стенд имеет жидкостный реостат для бесступенчатого )егулирования мощности и частоты вращения асинхронной машины, а также ІЄСОВОЄ устройство для замера расхода топлива и приборы для определения мощности, частоты вращения коленчатого вала, температуры воды, выходящей із двигателя, температуры масла, давления в системе смазки двигателя.
Имеющийся в системе стенда масляный радиатор позволяет поддерживать -емпературу масла в двигателе в пределах 80 -95 С. На стенде использовалась циркуляционная система охлаждения, в которой вода совершает движение по амкнутой схеме, а ее охлаждение производится в специальных радиаторах гроточной водой.
Деформация гильзы с износом внутренней рабочей поверхности
При эксплуатации двигателя внутренняя - рабочая - поверхность гильзы, соприкасающаяся с поршневыми кольцами, подвергается адгезионному, усталостному и абразивному изнашиванию. В результате эта поверхность гильзы приобретает форму, показанную на рис.4.4.
Деформация гильзы с изношенной внутренней поверхностью, вследствие уменьшения толщины ее стенки, должна отличаться от деформации гильзы без следов износа. Это утверждение будет справедливо, если источник, воздействующий на гильзу и вызывающий ее деформацию, соизмерим по степени формирования возмущений, т.е. имеет одинаковый с ним порядок, с другими источниками воздействия.
Выяснению влияния неравномерного уменьшения толщины стенки гильзы на абсолютные значения и форму деформаций посвящен данный раздел. Для эксперимента были выбраны гильзы, имеющие максимально возможный пробег без следов кавитационного износа, который мог бы существенно повлиять на его результаты. К сожалению, вследствие интенсивного кавитационного изнашивания наружной поверхности гильзы в эксперименте были задействованы гильзы со сравнительно небольшим пробегом - 70000 км. Изменение внутреннего диаметра гильзы показано на рис.4.7, при этом максимальные отклонения диаметра лежали в пределах 100-160 мкм. Характерный вид деформированной поверхности гильзы в блоке приведен на рис. 4.5-4.6.
Гильза с пробегом 70000 км без следов кавитационного износа (максимальный износ - параллельно оси поршневого пальца)
Анализ показал, что характер деформаций - овал, а абсолютные значения отклонений формы гильзы лежат в пределах от -20 мкм до +7 мкм. Ориентация плоскости максимального износа гильзы относительно оси Ъ поршневого пальца несколько изменяет характер деформаций, однако, овализация гильзы остается, все-таки, явно выраженной. Таким образом, износ внутренней поверхности гильзы - для небольших пробегов двигателя -несущественно влияет как на форму, так и на значения деформации. и, мкм п Рис. 4.6 Гильза с пробегом 70000 км без следов кавитационного износа (максимальный износ - перпендикулярно оси поршневого пальца)
Поскольку гильза двигателя автомобиля КамАЗ имеет ремонтный ряд -первый ремонтный размер составляет величину 120,3 мм, то были проведены эксперименты по обнаружению влияния расточки гильзы цилиндра на деформацию гильзы. Характерный вид деформаций приведен на рис. 4.7-4.8.
Анализ рисунков показал, что характер деформаций сохраняется - по прежнему это овал. Абсолютные значения деформаций гильзы увеличиваются до значений +30-32 мкм. Таким образом, расточка гильзы под первый ремонтный размер влияет только на абсолютные значения деформаций. Выводы. 1. На характер деформаций существенного влияния не оказывают ни износ внутренней поверхности гильзы, ни ее расточка под первый ремонтный размер. 2. Абсолютные значения деформаций гильз вследствие снижения толщины стенки при расточке до первого ремонтного размера по отношению к значениям деформаций новых гильз увеличиваются в 1,5-2 раза.
Определение изменения основных показателей двигателя при обкатке и эксплуатации
Определялись изменения основных показателей двигателя при обкатке и жсплуатации, а также давалась экономическая оценка результатов исследований.
Эксплуатационные испытания проводились на автомобилях КамАЗ-5511 и СамАЗ-5410 в условиях рядовой эксплуатации в Кинельском районе Самарской ібласти. Испытания соответствовали 3 категории согласно «Положения о ТО и іемонте подвижного состава автомобильного транспорта». Наблюдение [роводились по плану NVT (ГОСТ 27.002-83).
Эксплуатировались 10 автомобилей, на каждом из которых кспериментальные гильзы цилиндров устанавливались через одну с серийными. Гри сборке был проведен микрометраж гильз с помощью нутромера и сняты юказатели двигателя на стенде после обкатки.
Анализ результатов замеров параметров двигателя в процессе ксплуатационных испытаний позволил выявить снижение расхода топлива на 5-% и снижение выбросов СО на 7-9% (Приложения).
Исходными данными для оценки экономического эффекта являются результаты экспериментальных испытаний. Основываясь на этих данных можно ],ать экономическую оценку по уменьшение расхода топлива на 5-7% (табл. 5.1).
1. Проведенный анализ состояния вопроса показал, что в 35-45% іеисправностей, возникающих в процессе работы двигателя, около 50% оставляют неисправности деталей цилиндропоршневой группы.
2. Выявлены особенности деформирования гильзы двигателя и факторы, ;е определяющие. Определен характер деформаций гильзы в блоке в ;ависимости от ее расположения в блоке, усилий затяжки шпилек крепления хшовки блока и последовательности приложения этих усилий. Установлено, гго неравномерность расположения отверстий под болты крепления головки Злока оказывает определяющее влияние на деформацию стенок гильзы. Характер кривой деформаций - эллипс с расположением большой оси под /глом 30 ...60 к оси коленвала.
3. Определены максимальные величины деформаций новой гильзы в блоке - 18-22 мкм. Выявлено, что при уменьшении толщины стенок гильзы вследствие износа внутренней поверхности деформация стенок гильзы увеличивается на 20-50%. Абсолютные значения деформаций увеличиваются в "-Драза вследствие снижения толщины стенки гильзы при расточке до первого ремонтного размера. Кавитационный износ стенки увеличивает деформацию до 50 мкм, при этом наибольшее влияние на деформацию стенки гильзы оказывают сосредоточенные на небольшой площади и достаточно глубокие -до 25-30% от толщины стенки - изъязвления наружной поверхности.
4. Показано, что на характер деформаций существенного влияния не оказывают ни износ внутренней поверхности гильзы, ни ее расточка под первый ремонтный размер.
5. Показано влияние деформации гильзы на герметичность лабиринтного уплотнения «поршень-поршневые кольца-гильза». Повышение деформации до уровня 30-35 мкм приводит к увеличению прорыва газов на 10%.
6. Построена математическая модель деформации стенки гильзы при приложении осевых нагрузок. В результате проведенного моделирования теоретически доказана возможность воздействия на деформацию гильзы вализацией верхнего опорного бурта. При этом путем расположения малой си эллипса верхнего бурта гильзы вдоль оси действия максимальных юментов достигается как снижение абсолютных значений в 1,9 раза, так и [зменение характера деформаций.
7. Предложен способ компенсации деформации стенки гильзы путем ізменения конструкции верхнего опорного бурта гильзы, позволяющий в 2-2,3 )аза уменьшить ее абсолютные значения.
