Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 5
1.1. Общий анализ и требования к деталям сопряжения 5
1.2 Процесс изнашивания сопряжения поршневое кольцо - гильза цилиндра 9
1.3. Разновидность и принцип действия применяемых антифрикционных добавок в моторное масло 19
1.4 Классификация и характеристика антифрикционных добавок к моторному маслу 24
1.5. Выводы и задачи исследования... 30
2. Расчетно-теоретический анализ эффективности применения добавок в масло для сопряжения гильза-поршневое кольцо 31
2.1. Расчет интенсивности изнашивания сопряжения гильза - поршневое кольцо в условиях рядовой эксплуатации двигателей 31
2.2. Расчетно-теоретическая модель изнашивания сопряжения гильза - поршневое кольцо 34
2.3. Расчетно-теоретический анализ влияния добавок в масло на изнашивание сопряжения кольцо - гильза 39
3. Методика экспериментальных исследований 47
3.1. Конструирование машины трения для проведения лабораторных испытаний 47
3.2. Условия и режимы проведения лабораторных испытаний 50
3.3. Методика взвешивания образцов поршневое кольцо - гильза цилиндра 54
3.4. Методика измерения шероховатости 55
3.5. Методика проведения стендовых испытаний 58
4. Экспериментальные исследования влияния антифрикционных добавок в моторное масло на работу сопряжения гильза—поршневое кольцо 64
4.1. Лабораторные исследования эффективности действия добавок в моторное масло 64
4.2. Результаты проведения стендовых испытаний 83
5. Экономический эффект применения антифрикционных добавок 92
Выводы 94
Литература
- Процесс изнашивания сопряжения поршневое кольцо - гильза цилиндра
- Расчетно-теоретическая модель изнашивания сопряжения гильза - поршневое кольцо
- Условия и режимы проведения лабораторных испытаний
- Результаты проведения стендовых испытаний
Введение к работе
Проблема повышения долговечности деталей цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) относится к числу проблем, не
~ г—
теряющих своей актуальности с течением времени. Современное развитие конструкций двигателей характеризуется применением новых конструкционных и эксплуатационных материалов. Одними из таких материалов являются антифрикционные добавки в смазочное масло. Анализ применения антифрикционных добавок в смазочные масла различных узлов показал их высокую эффективность.
Применительно к сопряжениям цилиндропоршневой группы ДВС в настоящее время производится более 20 антифрикционных добавок различного действия.
Исследование процессов изнашивания сопряжений цилиндропоршневой группы с введением этих добавок в смазочное масло ДВС изучено недостаточно. В связи с этим теоретические обоснования и экспериментальное исследование эффективности, различных добавок с целью улучшения работоспособности основного сопряжения гильза - поршневое кольцо является весьма актуальным.
Исследованием работы и методов повышения надежности сопряжений цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания занимались многие ученые. Применительно к поставленной цели исследования вопросами работоспособности сопряжения гильза - поршневое кольцо посвятили свои работы В.И. Балабанов, В. Н. Быстров, Д.Н, Гаркунов, П.П. Дудко, М.Н. Ерохин, Г.И. Истомин, Н. Н. Козловский, М. Круль, В.Н. Кузьмин, СМ. Мамыкин, В. Ф. Пичугин, Л.И. Погодаев, В. В. Стрельцов, В.И. Ципцин, А.Ю. Шабанов и многие другие.
Процесс изнашивания сопряжения поршневое кольцо - гильза цилиндра
В 70-е годы была разработана классификация сопряжений по условиям изнашивания — в зависимости от характера возможного сближения деталей при износе их поверхностей, а так же в зависимости от постоянства условий трения и износа поверхностей для расположенных на одной траектории точек сопряжённых тел. Принадлежность сопряжении к тому или иному типу и группе данной классификации определяет методику её расчёта на износ. Сопряжение поршневое кольцо - гильза цилиндра относится к третьей группе I типа.[18,19]
При граничной смазке поверхности-сопряженных тел разделены слоем смазочного материала весьма малой толщины (от толщины одной молекулы до 0,1 мкм). Наличие граничного слоя или граничной пленки снижает силы трения по сравнению с трением без смазочного материала в 2...10 раз и уменьшает износ сопряжённых поверхностей в сотни раз.
Процессы, происходящие на поверхности материалов чрезвычайно важны т.к. ЦПГ является одним из важных узлов ДВС. Повысить толщину масляной пленки на стенках гильзы цилиндра очень трудно. Еще сложнее ее удержать на поверхности.
Схемы скольжения тел при граничной смазке. Все масла способны адсорбироваться на металлической поверхности. Прочность пленки зависит от наличия в ней активных молекул, качества и количества последних. Хотя минеральные смазочные масла являются механической смесью неактивных углеводородов, они, за исключением наработавших сверхчистых масел, всегда имеют включения органических кислот, смол и других поверхностно-активных веществ. Жирные кислоты входят в состав масел растительно-животного происхождения, а также в состав пластичных смазочных материалов. Поэтому, почти все смазочные масла образуют на металлических поверхностях граничную фазу квазикристаллической структуры толщиной до 0,1 мкм, обладающую более или менее прочной связью с поверхностью и продольной когезией. При наличии относительно толстой масляной прослойки между поверхностями трения переход от ориентированной структуры масла к неориентированной совершается скачком.
Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности (стоймя), что позволяет представить для наглядности граничную планку в виде ворса (РисЛ). При взаимном перемещении поверхностей трения «ворсинки» как бы изгибаются в противоположные стороны. На самом деле происходит сдвиг с перекосом квазикристаллической структуры пленки.
Сопротивление ее скольжению в таком состоянии несколько повышено. На восстановление ориентации молекул в прежнее положение, перпендикулярно поверхности тел требуется некоторый промежуток времени, иногда относительно большой.
Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенциальном направлении молекулярные слои легко изгибаются и при толщине слоя больше некоторой критической величины скользят друг по другу; по нормали к твердой поверхности пленка обладает высоким сопротивлением сжиганию; ее несущая способность исчисляется десятками тысяч килограммов на 1 см2. Деформация сжатия пленки в довольно высоком интервале не выходит за пределы упругости. Механизм трения при граничной смазке представляется в следующем виде. При нагрузке протекает упругая пластическая деформация на площадках контакта, под которыми здесь следует понимать площадки более близкого прилегания поверхностей, покрытых граничной пленкой смазочного материала, вплоть до мономолекулярного слоя. На площадках контакта может произойти взаимное внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочной пленки. Сопротивление двшкению при скольжении складывается из сопротивления сдвигу граничного слоя и сопротивления «пропахиванию» поверхностей внедрившимися объемами. Кроме того, на площадках контакта, подвергнутых наиболее значительной пластической деформации, и в пунктах с высокими местными температурами может произойти разрушение смазочной пленки с наступлением адгезии обнажившихся поверхностей, и даже схватывание металлов на микроучастках Б (Рис.1), которые приведены Д.Н. Гаркуновым [18] .
Это вызывает дополнительное сопротивление движению.
Благодаря подвижности молекул смазочного материала на поверхности трения адсорбция протекает с большой скоростью, что сообщает смазочной пленке свойство «самозалечиваться» при местных ее повреждениях. Эта способность играет большую роль в предупреждении лавинного процесса схватывания.
Невозобновляемая граничная пленка по мере возрастания пути трения изнашивается, масло из пленки адсорбируется на продукты износа и уносится с поверхности трения; происходит сублимация пленки как твердого тела и удаление масла в атмосферу. Окисление пленки способствует дезориентации структуры и разрушению ее.
Вязкость масла не влияет на процесс граничной смазки. Масла с одинаковой вязкостью, но разных марок, имеют различное смазывающее действие.
Доказано, что добавление в граничные слои смазочного материала и водных растворов поверхностно-активных веществ повышает толщину граничного слоя и способствует уменьшению износа (до двух раз). [18,21,77,78,79] При трении с граничной смазкой износ деталей машин велик, как уже неоднократно отмечалось в главе о выборе сопряжения поршневое кольцо - гильза цилиндра для исследования. В силу волнистости и шероховатости поверхностей их контактировании происходит на очень малых участках трения, контактные давления имеют высокие значения, и тонкая граничная пленка масла не предохраняет поверхности от пластической
Расчетно-теоретическая модель изнашивания сопряжения гильза - поршневое кольцо
В качестве расчетной модели при теоретическом исследовании износа сопряжения гильза - кольцо принята методика И.В. Крагельского [40,41,42.]. Для случая упругого контакта контактирующих тел интенсивность изнашивания определяется по формуле: Kv а0-Є С) где С - коэффициент, учитывающий фрикционную усталость материала и параметры опорной поверхности r(v)-r(l + f/2) С = VV 4(у + 1)-Г(у + ґ/2) (ад = 1/(2 V+1),(7,2) где и - параметр степенной аппроксимации кривой опорной поверхности t - показатель кривой фрикционной усталости при упругом контакте, Г - гамма функция
Постоянная упругости 0 истираемого материала определяется выражением 0 = 1 1 где ц. - коэффициент Пуассона, Е - модуль упругости, Р - номинальное давление в контакте. Коэффициент Kv определяется выражением: = Г(у + 1) 1 v 2-V Г-(v +1,5 )-(7,4) где Л - безразмерный комплекс, характеризующий шероховатость поверхности. R-max- средняя максимальная высота микронеровностей, г - средний радиус кривизны вершин микронеровностей, b - параметр опорной кривой поверхности. онтурной площади контакта
В формулу (7) входит большое число аргументов, часть из которых можно принять постоянными (для конкретных условий контакта), а часть являются случайными величинами. Поэтому, как и в случае расчета интенсивности в эксплуатационных условиях, расчетную модель целесообразно построить на основе статистического моделирования. Исходные данные для моделирования приняты следующими:
Модуль упругости гильзы, изготовленной из чугуна по справочным данным: Е = 1,1 105 - 1,2 -105МПа (принято Е = 1,15- 105 МПа) Для поршневого кольца из чугуна Е = 0,8-105-1,1 Ю5МПа(принятоЕ = 1 -105МПа)
Для поршневого кольца из чугуна с хромовым покрытием Е = 2,3 105-2,5-105 МПа (принято Е-2,4- 105 МПа) Коэффициент Пуассона для чугуна ц. = 0,22 - 0,25 (принято ц = 0,23) для хрома (і = 0,23- 0,27 (принято ц. = 0,25) Давление кольца на стенку цилиндра для современных двигателей находится в пределах 0,15 - 0,40 МПа (для повышенной мощности 0,3 - 0,6 МПа). Для рассматриваемого варианта принято распределение давления по закону Вейбулла (среднее значение 0,4 МПа)
Распределение показателей шероховатости принято по нормальному закону со средними значениями, взятыми из опубликованных источников для установившегося процесса изнашивания [44,70]:
Параметры фрикционной усталости материала гильзы взяты по данным [42,51,63] Для чугуна с0 = 700 - 1100 МПа t=5-7 Результаты моделирования приведены на рис.5.
Распределение интенсивности изнашивания гильзы соответствует распределению интенсивности по эксплуатационным данным и аппроксимируется распределением Вейбулла: ХД0" 1,85
Сравнение распределений, рассчитанных по эксплуатационным данным и по теоретической модели по критерию Фишера, не показало различия при уровне значимости 0,05. Это дает основание использовать принятую модель для теоретического анализа влияния добавок в смазочное масло на интенсивность изнашивания сопряжения кольцо - гильза.
Применение специальных добавок в смазочные масла позволяет изменить механизм изнашивания трущихся неровностей и снизить интенсивность. Как указано в разделе 1 введение добавок приводит, прежде всего, к изменению параметров шероховатости.
Заполнение впадин материалом добавки снижет максимальную высоту неровностей с R ax = 3-4 мкм до Rmaj{ = 0,01 мкм и ниже. [ 39, 40] При таких значениях величин шероховатости радиус кривизны вершин микронеровностей увеличивается до R = 1000 мкм. С образованием равновесной шероховатости изменяется характер опорной кривой профиля поверхности (параметры b и v). Кроме того, нанесение на поверхность деталей мягких материалов уменьшает коэффициент трения.
С целью исследования влияния добавок в масло на работу сопряжения кольца - гильза произведен расчет интенсивности изнашивания методом статистического моделирования по уравнению (7).
Условия и режимы проведения лабораторных испытаний
Выбор режима испытаний производится на основе расчета давления поршневого кольца на стенку цилиндра двигателя. Так, для двигателя с диаметром цилиндра 79 мм и ходом поршня 66 мм допускаемое напряжение при изгибе кольца - 350 МПа. Отношение диаметра цилиндра к толщине кольца -20, Высота кольца - 1,5 мм, зазор в замке кольца - 3,2 мм
В качестве базового масла при составлении смазочных композиций взято масло Лукойл 10W40 Лабораторные испытания проводились в следующем режиме: Число одновременно испытываемых образцов 5 Удельная нагрузка на образцы 1-8 кг / см Скорость перемещения кольца 0,2 м/с Температура стенок гильзы 20 С Расчет поршневого кольца производят в следующем порядке: 1. определение среднего давления кольца на стенку цилиндра, которое должно обеспечивать достаточную герметичность камеры сгорания и не должно резко увеличивать потери мощности двигателя на трение колец о стенки цилиндра; 2. построение эпюры давления кольца по окружности; 3. определение напряжений изгиба, возникающих в сечении, противоположном замку, при надевании кольца на поршень и в рабочем состоянии; 4. установление монтажных зазоров в замке кольца.
Выбор режима испытаний производится на основе расчета давления поршневого кольца на стенку цилиндра двигателя. Так, для двигателя с диаметром цилиндра 79 мм и ходом поршня 66 мм; допускаемое напряжение при изгибе кольца - 350 МПа. Отношение диаметра цилиндра к толщине кольца 2,0 мм. Высота кольца 1,5 мм; зазор в замке кольца 3,2 мкм.
Среднее давление кольца на стенку цилиндра определяется по формуле [13, 33, 51, 54] Рс„ = 5,5 ж-р -т D-(DISnK-\f-E-8 ср П.(П/Л -rf.E.tf (12) ПК где t m - средний радиус кольца, мм; р переменный радиус вектор, мм; &пк - толщина кольца, мм; D - диаметр цилиндра, мм, h = [ 0 - модуль упругости. Давление кольца на стенку в любой точке по высоте гильзы определяется по формуле (13): p9 =p -(l + 0942-cos2q -0,lS-cos3qji)t (13) где Ф - угловая координата поворота коленчатого вала относительно верхней мёртвой точки.
Как видно из рисунка 13, давление изменяется в диапазоне от 0,131 до 0,362 МПа. Напряжение изгиба кольца (МПа), возникающее в сечении кольца, противоположном замку: в рабочем состоянии 0изі=2,61 Pcp(D/ стпк -1)2 Монтажный зазор (мм) в прямом замке поршневого кольца в холодном состоянии Дх = Дх + TCD [Ох(Тх Т0) - аи(Тц- Т0)], где Дх — минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя (Дх=0,06/0,10 мм); ах и ац - коэффициенты линейного расширения материала кольца и гильзы цилиндра; Тх, Тц и Т0 - соответственно температура кольца, стенок цилиндра в рабочем состоянии и начальная температура Т0 = 293 К; при жидкостном охлаждении Тц= 383 - 388, Тх = 473-573 К; при воздушном Тц= 443 - 463, Тх= 523-723 К.
При снижении частоты вращения двигателя и увеличении диаметра цилиндра величина Рср должна иметь значение ближе к нижнему пределу для обеспечения хорошей приработки кольца и надежного уплотнения давления кольца на стенку цилиндра у замка должно быть повышенным при этом эпюра давления кольца на стенки цилиндра может иметь грушевидную форму. Эпюра для данного исследования приведена на рис. 14.
Определение износа производится взвешиванием образцов поршневого кольца и гильзы цилиндра. Для этого используются аналитические лабораторные весы ВЛА-200М ГОСТ 24104-80Е. Точность измерения до 0,001 г. Перед взвешиванием до и после испытания образцы промываются в растворителе и просушиваются.
Для более точной оценки износа было применено планирование эксперимента, предложенное проф. В.В. Налимовым и Т.И.Голиковым [48].
Сущность метода заключается в следующем. В начале делается холостое взвешивание, определяя нулевую точку весов, а затем по очереди взвешивается каждый из образцов. Масса каждого образца оценивается только по результатам двух опытов: того, на котором на весы был помещен изучаемый образец, и холостого опыта. Взвешивание производится по схеме матрицей планирования, которая приведена в таблице 7.
Результаты проведения стендовых испытаний
Влияние антифрикционных добавок в моторное масло на механические потери производилось в стендовых условиях на бензиновом двигателе объёмом 1,3 литра. [24]
Испытания проводились на стенде MS 2821-4. Перед испытаниями двигатель был подвергнут специальной подготовке.
Механические потери определялись методом прокручивания коленчатого вала двигателя балансирной электрической машиной (при ее работе в моторном режиме). Испытания производились при полном открытии дроссельной заслонки, выключенном зажигании и без подачи топлива.
Для составления полной картины влияния выбранной добавки на узлы трения двигателя испытания по снятию характеристики механических потерь производились по плану многофакторного эксперимента. Основными факторами, влияющими на величину коэффициента трения в двигателе при прочих равных условиях, являются температура масла в системе смазки и частота вращения коленчатого вала Эти два основных фактора и были взяты за основу при проведении многофакторного эксперимента.
Исходя из рекомендаций [62] при планировании эксперимента был выбран рототабельный ортогональный центрально-композиционный план второго порядка (РОЦКП) как план, позволяющий с достаточной точностью определить погрешность математической модели и судить о ее адекватности. РОЦКП позволяет сформулировать функцию отклика в виде полного квадратичного полинома, который содержит большее число членов, чем неполный квадратичный полином, сформированный по планам первого порядка, но требующий большего числа выполняемых опытов. Схема плана показана в табл. 11.
В качестве функции отклика принят момент прокручивания двигателя. Все расчеты и построения поверхностей функции отклика производились в специализированном программном продукте Statistica 6.0.
На рис.34 показана двумерная зависимость момента прокручивания от температуры масла и частоты прокручивания до введения антифрикционной добавки в моторное масло.
После снятия характеристик в моторное масло Лукойл 10W40 была введена добавка СУРМ БД, а в цилиндры двигателя антифрикционная добавка СУРМ ВК. Введение добавок производилось в соответствии с рекомендациями фирмы изготовителя. [50]
Выбор добавки СУРМ обусловлен результатами лабораторных исследований[72] влияния антифрикционных добавок в смазочное масло на износ сопряжений гильза-поршневое кольцо и подшипников коленчатого вала.
На рис.35 показана зависимость момента прокручивания двигателя от частоты вращения коленчатого вала и температуры масла после обработки двигателя антифрикционными добавками. Сравнение графиков на рисунках 34 и 35 показывает их существенное отличие как по величине момента прокручивания, так и по виду.
Таким образом, использование специальных добавок в смазочное масло позволяет значительно снизить механические потери на 10%. [49]
Зависимость показателей двигателя от числа оборотов при различных постоянных положениях дроссельной заслонки называют частичной скоростной характеристикой. По мере прикрытия дроссельной заслонки и снижения нагрузки максимум эффективной мощности смещается в сторону меньших чисел оборотов. Соответственно снижаются максимальные числа оборотов холостого хода, и при некоторых положениях заслонки они становятся ниже номинальных.
