Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса по обеспечению надёжности подшипников коленчатого вала 7
1.1. Анализ конструктивных схем подвода масла к подшипникам коленчатого вала 7
1.2. Анализ причин отказов подшипников коленчатого вала 18
1.3. Изменение технического состояния шатунных подшипников в процессе эксплуатации 32
1.4. Анализ способов и средств диагностирования шатунных подшипников 39
1.5. Выводы и задачи исследования 41
2. Методика и программа исследования 43
2.1. Общая методика и программа исследования 43
2.2. Методика аналитического исследования 46
2.3. Методика экспериментального исследования 47
2.3.1. Методика определения давления и расхода масла через каналы первого коренного подшипника 48
2.3.2. Методика определения неразрывности и постоянства подвода масла к шатунным подшипникам 51
2.3.3. Методика определения пределов регулирования индикаторов... 52
2.4. Методика эксплуатационных исследований 56
3. Аналитическое исследование условий смазки подшипников в процессе эксплуатации 57
3.1. Изнашивание деталей подшипников и элементов смазочной системы 57
3.2. Анализ условий подачи масла к шатунным подшипникам 60
3.3. Изменение условий смазки подшипников в процессе эксплуатации 65
3.4. Выводы 73
4. Анализ результатов экспериментальных исследований 74
4.1. Анализ подвода масла через каналы коренного подшипника 74
4.2. Анализ подвода масла к шатунным подшипникам 76
4.3. Определение пределов регулирования индикаторов диагностического устройства 83
4.4. Выводы 85 .
5. Практические рекомендации и технико экономическая оценка результатов исследования ... - 87
5.1. Соответствие диагностических параметров основным требованиям 87
5.1.1. Чувствительность 88
5.1.2. Однозначность 89
5.1.3. Стабильность 91
5.1.4. Информативность 94
5.2. Диагностические нормативы 94
5.3. Алгоритм и технология диагностирования смазочной системы 96
5.4. Технико-экономическая оценка результатов исследования 99
5.5. Выводы 102
Общие выводы по работе 103
Литература
- Анализ причин отказов подшипников коленчатого вала
- Методика аналитического исследования
- Анализ условий подачи масла к шатунным подшипникам
- Определение пределов регулирования индикаторов диагностического устройства
Введение к работе
Актуальность темы. Затраты на ремонт и техническое обслуживание одного автомобиля в нашей стране в 3-5 раз превышают его первоначальную стоимость, а в себестоимости сельскохозяйственной продукции доля транспортных издержек достигает 10-12% [2,6,7,89].
Особенно значительные затраты (до 65% от всех затрат на поддержание работоспособности автомобиля) приходятся на его ремонт [55]. Поэтому актуальной задачей остается повышение надежности автомобилей при конструировании, изготовлении и ремонте.
Простои автомобилей, в том числе и КамАЗ, в эксплуатации вызваны отказами двигателей, и в первую очередь, двух основных групп сопряжений: шатунно-кривошипной и цилиндропоршневой [8, 46, 89].
В процессе эксплуатации автомобилей, тракторов, комбайнов и других машин происходит изменение их технического состояния, основными причинами которого являются изнашивание, усталостное разрушение, пластическая деформация, коррозия. Пластическая деформация и разрушение являются следствием конструктивно-технологических недоработок или нарушения правил эксплуатации. Указанные явления вызывают проворачивание шатунных вкладышей, что является одной из основных причин ремонта автомобильных двигателей ЗИЛ, ЯМЗ, ГАЗ, КамАЗ [28, 38, 69, 72-74, 77,84, 101, 118, 135].
До 25% отказов двигателя КамАЗ-740, вызвано проворачиванием шатунных вкладышей коленчатого вала, при этом значительная часть дефектов приходится на третью шатунную шейку.
Эксплуатационные характеристики подшипников зависят, в основном, от таких факторов как минимальная толщина масляной пленки, величине температуры, наличие абразивных частиц, некорректное расположение элементов системы подачи масла.
Несмотря на большое количество работ, посвященных причинам проворачивания шатунных вкладышей [15, 17, 20, 22, 27, 28, 31, 32, 38, 45, 63, 69, 71-74, 79, 80, 167], проблема повышения надежности двигателя КамАЗ путем выявления и устранения причин проворачивания вкладышей является актуальной и полностью не решена до настоящего времени.
Работа выполнялась в соответствии с НИР и программой по основным научным направлениям Саратовского государственного технического университета 10В1 "Разработка научных основ эффективных технологий обеспечения надёжности автотранспортных средств".
Цель исследования. Повышение надёжности шатунных подшипников автотракторных двигателей путём совершенствования диагностирования состояния смазочной системы в процессе эксплуатации.
Объект исследования. Смазочная система двигателя КамАЗ.
Предмет исследования. Процесс подачи смазочного материала к шатунным подшипникам.
Научная новизна. Уточнена аналитическая зависимость давления масла от частоты вращения коленчатого вала, позволяющая определять условия, как неразрывности, так и разрыва масляного потока к шатунным подшипникам двигателя.
При использовании разработанного индикатора неразрывности потока жидкости были установлены границы критических режимов смазки в эксплуатации, при которых происходит разрыв потока масла и определены границы допустимых значений давления в смазочной системе.
Практическая ценность работы. Разработан способ и средство для контроля неразрывности потока масла к шатунным подшипникам в процессе эксплуатации (патент РФ на полезную модель № 70703).
Разработаны и внедрены практические рекомендации, нормативы и технология диагностирования смазочной системы двигателей КамАЗ-740. Это позволяет снизить в эксплуатации себестоимость перевозок на 1,36 %,
повысить производительность перевозок на 6,4 % и получить среднегодовой экономический эффект 17184 руб. на один двигатель.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в эксплуатационных и ремонтных предприятиях, при диагностике сопряжений в ОАО «КамАЗ -Дизель » при создании встроенных диагностических средств автотракторных двигателей.
Научные положения, выносимые на защиту:
Уточненная аналитическая зависимость давления масла в шатунных подшипниках коленчатого вала двигателя от конструктивных и режимных параметров и технического состояния.
Обоснование условий разрыва масляного потока к шатунным подшипникам.
Разработанный способ, средства, нормативы и технологию диагностирования смазочной системы, обеспечивающие повышение ресурса шатунных подшипников в эксплуатации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, получен патент на полезную модель, в том числе одна статья в издании, указанном в "Перечне... ВАК". Общий объем публикаций составляет 3,4 п. л., из которых 1,8 п.л. принадлежат лично соискателю.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 209 наименований, в том числе 9 источников на иностранных языках, и приложений. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 10 таблиц.
Анализ причин отказов подшипников коленчатого вала
Подшипники коленчатого вала являются одним из основных узлов, лимитирующих пробег двигателя до капитального ремонта. В наиболее тяжелых условиях работают шатунные подшипники современных двигателей. Проворачивание подшипников проявляется в том, что [5] фиксирующий выступ вкладышей срезается, вкладыш увлекается шейкой, повреждая постель; интенсивно увеличиваются зазоры в сопряжении шейка — вкладыш - постель, происходит ударная передача нагрузки - слышатся стуки при работе двигателя; резко повышается температура шейки и шатуна, масло на них быстро испаряется, стремительно возрастает расход картерных газов через сапун. В ряде случаев проворачивание вкладышей приводит к обрыву шатунных болтов или самого шатуна, что является самым тяжёлым последствием этого отказа. Перегрев шейки коленчатого вала при проворачивании вкладышей приводит к значительным тепловым напряжениям и деформациям, в результате которых на шейках образуются трещины, ось коленчатого вала изгибается, что как правило, приводит к поломке. Из-за значительных деформаций коленчатого вала, шатунов или их поломок может заклинить двигатель, срезать болты крепления маховика или повредить посадочные поверхности маховика и коленчатого вала.
Вкладыши коренных подшипников проворачиваются в 5 раз реже [6] чем шатунные. Причиной проворачивания коренных подшипников являются дефекты масляного насоса, выбивание заглушек в масляной системе, падение давление в системе смазки, большой абразивный износ шеек, вкладышей с разрушением антифрикционного слоя и ряд других причин.
Характер проворачивания шатунных вкладышей отличается от коренных. Как правило, причины проворачивания шатунных вкладышей не находят. Проворачивание происходит при исправно работающей системе смазки, при отсутствии износов в сопряжении (при полностью сохранившемся покрытии вкладыша), зачастую у относительно новых двигателей. Вероятность проворачивания шатунных вкладышей выше в начальный период эксплуатации двигателя, при малых износах подшипников [10]. Если проворачивание коренных подшипников является следствием каких, либо механических поломок, то проворачивание шатунных подшипников коленчатого вал является несовершенством конструкции двигателя.
При анализе причин проворачивания шатунных вкладышей в большинстве случаев самим вкладышем, как системе, отводится пассивная роль. В работах [20, 27, 28] считается, что условия смазки или абразив от начала и до конца определяют проворачивание шатунных вкладышей. При этом механика и физика процесса проворачивания до сих пор оставалась неясной. В некоторых работах [20, 31] отмечается, что происходит деформирование вкладышей в процессе эксплуатации, однако, в одном случае это явление объясняется биметаллическим эффектом, а в другом действием абразива.
В первом случае проворачивание вкладышей объясняется тем, что низкий предел текучести и большой коэффициент линейного расширения бронзовой заливки на вкладыше приводит к деформированию бронзового слоя в процессе работы, что вызывает формоизменение вкладыша в целом, образование прогиба по образующей, схватывание вкладыша с шейкой. Однако такая схема по двигателю КамАЗ-740 не подтверждается: проводились опыты [151] с удалением гальваническим способом бронзовой заливки вкладыша, в результате которых установлено, что формоизменения вкладыша сохраняется и без бронзовой заливки, то есть они обусловлены состоянием стальной основы вкладыша.
Во втором случае считается, что абразив, оставляя риски на вкладыше, вызывает местный разогрев, пластическую деформацию вкладыша, потерю натяга, ослабление посадки вкладыша и его проворачивание. В соответствие с этими представлениями намечаются и реализуются мероприятия по исключению случаев проворачивания шатунных вкладышей. Например, исходя из этой теории по дизелю КамАЗ-740, введена дополнительная втулка в сепарирующую полость, увеличен натяг в шатунных вкладышах в собранном состоянии, но это не только не исключило проворачивания шатунных вкладышей, но и вызвало рост числа случаев проворачивания вкладышей в эксплуатации в период гарантийного пробега [58, 90, 298]. Это обстоятельство требует тщательного анализа причин деформации вкладышей и выработки достоверной схемы их проворачивания в процессе работы двигателя.
Методика аналитического исследования
Рассмотрение процесса проворачивания вкладышей, позволяет выявить структурный параметр для диагностирования в предповоротный период и аналитически обосновать диагностические параметры.
Масло по каналам в блоке цилиндров подводится к коренным вкладышам. Из них попадает в коленчатый вал, при этом подача масла может быть пульсирующей или непрерывной. Пройдя по каналам, масло поступает в центробежную ловушку, из которой через отверстия масло поступает в шатунный подшипник одного и другого цилиндра. Для постоянного подвода масла в шатунный подшипник давление на входе в него незначительно отличается от давления в коренных подшипниках.
С увеличением частоты вращения коленчатого вала может происходить «динамическое запирание» канала в коренной шейке. И как следствие наступить разрыв потока масла в шатунный подшипник. Это приведет к появлению пульсаций. В этих условиях значительно ухудшается отвод тепла от шатунных подшипников, что повышает вероятность их проворачивания. Давление в элементах системы смазки двигателя является одним из значимых параметров, влияющий на расход масла по потребителям теплоотвода.
В процессе эксплуатации двигателя вследствие изнашивания трущихся поверхностей зазор в коренных подшипниках увеличивается, что повышает расход масла через них. Это повышает вероятность разрыва масляного потока к шатунным подшипникам. Условия притока, расхода масла и условие неразрывности дают возможность описать критические режимы по условиям подвода масла к шатунным подшипникам.
При сплошном потоке все каналы полностью заполнены и находятся под суммарным давлением от гидравлического и кинетического давления. При пульсирующем потоке подводящие каналы являются заполненными, но вследствие недостатка масла его притекает несколько меньше, чем расходуется через подшипник. При этом истечение в подшипники происходит только под действием кинетического давления и расход масла через подшипники меньше, чем при «сплошном» потоке.
При определенных условиях возникает режим «автоколебаний», обусловленный тем, что расход масла через шатунные подшипники в два соседних промежутка времени создается или только кинетическим давлением - или суммой кинетического и гидравлического. Эта причина явно существует и в первом случае расход через шатунные подшипники будет сниженным, нерасчетным.
Необходимо выполнение определенных условий по достаточности величины давления в масляной системе (чтобы масло входило в центробежную полость) требуется еще, чтобы величина расхода притекающего масла (притока) была выше вытекающего, что и выполнено при аналитическом исследовании.
Для экспериментальной проверки полученных аналитических зависимостей были разработаны методики: определения расхода масла через коренные и шатунные подшипники; определения неразрывности и постоянства масляного потока к шатунным подшипникам.
На основе результатов экспериментальных исследований разработаны практические рекомендации по совершенствованию диагностирования смазочной системы и ремонта основных элементов дизеля. По результатам внедрения практических рекомендаций дается технико-экономическая оценка результатов исследований.
В коленчатом вале двигателя просверлили дополнительное- отверстие, обеспечивающее подвод масла на подшипники 1-й шатунной шейки со 2-й коренной опоры, а в шатунный масляный канал подвода масла с 1-й коренной опоры установили заглушку - 1 (рисунок 2.2.).
К переднему фланцу коленчатого вала (рисунок 2.3.) через полумуфту -2 (рисунок 2.2.).крепится маслопровод, к которому прикреплен кран с манометром — 3 и счетчик расхода масла ШЖУ-25М-15 - 4. От расходомера по маслопроводу слив масла осуществляли в поддон двигателя, для чего маслопровод посредством штуцера крепили к поддону двигателя. Дифференциальный клапан масляного насоса также заблокирован, как и на предыдущем испытании. Перед сборкой двигателя проводили микрометраж 1-й шатунной и коренной шеек. Двигатель КамАЗ-7408 устанавливали на испытательный стенд фирмы «AVL» с гидротормозом фирмы «SCHENCK».
К переднему фланцу коленчатого вала через полумуфту - 2 крепится маслопровод, к которому прикреплен кран с манометром - 3 и счетчик расхода масла ШЖУ-25М-15 - 4. От расходомера по маслопроводу слив масла осуществляли в поддон двигателя, для чего маслопровод посредством штуцера крепили к поддону двигателя.
Анализ условий подачи масла к шатунным подшипникам
При фильтровании высококонцентрированных суспензий с малыми скоростями т9ф имеет место закон с образованием осадка, а при фильтровании мало концентрированных суспензий с высокими скоростями $ф промежуточный или стандартный законы. Закон с полной закупоркой пор наблюдается редко [165]. Для современных автотракторных дизелей характерен стандартный закон. Это значит, что в процессе эксплуатации сопротивление фильтра возрастает с повышающимся темпом. Поэтому особенно важна своевременная замена фильтрующих элементов. При соблюдении периодичности замены фильтрующих элементов и масла на протяжении эксплуатации двигателя, скорость фильтрования можно принять постоянной. При частотах вращения коленчатого вала (п 3000 мин-1) эффективность очистки масла в грязеуловителях коленчатого вала существенно снижается. Кроме этого, грязеуловители значительно снижают усталостную прочность коленчатого вала, из-за повышенных концентраций напряжений.
В смазочной системе двигателя применяются три вида клапанов:, редукционный, предохранительный, перепускной. В последних системах устанавливается дополнительно термоклапан. Редукционный клапан служит для обеспечения необходимого стабильного давления в системе на различных скоростных режимах и при различной степени изношенности двигателя. Предохранительный клапан работает при низкой температуре (холодный пуск) и отрегулирован на давление 0,95 -г- 1Д5 МПа [184]. Он обеспечивает сохранность привода масляного насоса и элементов системы смазки от разрушения в результате высокого давления. Перепускной клапан открывается при определенном перепаде давления на фильтре (0Д5 -г-0,22 МПа), обусловленном его засорением. При его открытии масло идет в систему, минуя фильтрующий элемент.
Клапаны системы смазки в большинстве случаев представляют собой подпружиненные поршеньки или шарики, закрывающие отверстия для перепускания масла. Момент открытия, закрытия клапана и характеристика его работы определяются свойствами установленной в него пружины, состоянием поверхностей клапанов, загрязненностью масла. В процессе эксплуатации вследствие циклических колебаний клапана может произойти ослабление пружины, это приведет к снижению давления в смазочной системе в начале эксплуатации, что снизит общее давление в системе смазки и ухудшит условия работы подшипников коленчатого вала и цилиндропоршневой группы.
Как показал процесс эксплуатации двигателей снижение давления масла в результате износа масляной системы не так существенно, как снижение давления из-за износа подшипников коленчатого вала (0,02 -т- 0,04 МПа за ресурс двигателя). Поскольку в клапанах используются цилиндрические пружины, имеющие линейную характеристику, то в процессе эксплуатации величина давления Р также будет снижаться линейно: Р = Р0-С-1, (з.з) где Р0 — давление в смазочной системе в начале эксплуатации; I - наработка; С - коэффициент пропорциональности.
Для улучшения работы смазочной системы в, процессе эксплуатации необходимо своевременно проводить диагностику двигателя. С последующим выполнением необходимых работ: регулировка клапанов, замена фильтрующих элементов, промывка и очистка элементов системы. Использование диагностических модулей на автомобиле с вынесение на панель приборов информационных индикаторов позволяет управлять работой смазочной системы и создавать стабильное жидкостное трение в подшипниках коленчатого вала и в цилиндропоршневой группе.
Теоретический анализ причин, недостатка смазки подшипников коленчатого вала, выявил конструктивное не совершенство смазочной системы двигателя КамАЗ — 740.
С точки зрения механики - проворачивание подшипников это обычный процесс нарушения между действующими усилиями и реакциями связи. К реакциям связи относится момент трения по наружной поверхности вкладыша между вкладышем и шатуном.
Определение пределов регулирования индикаторов диагностического устройства
Для обеспечения постоянного потока жидкости из трубки индикатора неразрывности потока, а, следовательно, наличия его в масляной ловушке, необходимо, чтобы разница между Р3 и Р2 была минимальной. Это первое условие разрыва потока жидкости.
Вторым условием разрыва потока является превышение расхода масла из шатунной шейки над притоком масла в шатунную шейку. Это условие зависит от зазора между шейкой коленчатого вала и шатунным вкладышем. Чем больше изношен шатунный вкладыш, тем больше зазор между шейкой и вкладышем, а, следовательно, больше расход масла через шатунный подшипник, вызывающий масляное голодание вкладышей.
Второе условие зависит также от степени изношенности шестерен масляного насоса двигателя. Чем больше износ шестерен, тем меньше давления масла обеспечивает масляный насос, а, следовательно, меньше приток масла в зазор шатунной шейки — шатунного вкладыша, при этом также возникает масляное голодание шатунных вкладышей.
Эти потери, а также центробежные силы внутри шатунной полости определяют режимы смазки шатунных подшипников. Первый критический режим — с давлением в системе смазки, при котором на определенной частоте вращения масло на смазку шатунных подшипников не поступает. Из приведенных в табл. 4.1 данных следует, что критическим давлением в системе смазки на номинальном режиме 2600 мин-1 является Р кр = ОДбМПа.
При несколько больших значениях давления масла обнаружены режимы пульсирующего подвода масла к шатунным подшипникам, причем для каждого установлена определенная цикличность. Например, при 2600 мин" , давлении в системе смазки Р"кр = 0,23 МПа, температуре масла 98С, при общей длительности цикла 115 с. В первые 55 с. наблюдалось истечение, а следующие 60 с. истечение отсутствовало. Эту цикличность можно объяснить следующим образом. При истечении с пульсациями устанавливается равенство расходов масла, поступающего в шатунную полость и вытекающего через подшипники. Цикличность объясняется действием своеобразного регулятора расхода через шатунные подшипники -изменением зазора в шатунных подшипниках из-за образовавшегося прогиба вкладышей.
В момент, когда полость опорожняется, к шатунным подшипникам подводится меньше масла, из-за ухудшения теплоотвода происходит разогрев шатунных вкладышей со стороны рабочей поверхности, и они приобретают прогиб. При этом уменьшается зазор в шатунном подшипнике, снижается и расход масла через него. Снижением расхода масла из шатунной полости приводит к ее заполнению за счет притока и масло на шатунный подшипник подается под суммарным давлением, складывающимся из статического и динамического. В этот момент расход масла через подшипник возрастает и одновременно возрастает отвод тепла от вкладыша, он принимает первоначальную форму - прогиб снижается.
Это приводит к увеличению зазора и расходу масла через подшипник. Полость вновь опорожняется, при этом масло в шатунные подшипники подается только под действием приращения от центробежных сил (динамического давления) и в меньшем количестве, поэтому цикл с образованием прогиба повторяется. Таков механизм влияния условий смазки на интенсивность процесса проворачивания шатунных вкладышей. Поэтому давление в системе смазки в процессе эксплуатации двигателей КамАЗ не должно снижаться ниже критического значения (при 2600 мин"1 Р"кр = 0,23 МПа). Это обеспечивается диагностирование смазочной системы с помощью разработанного индикатора (патент №70703 на полезную модель).
По результатам испытаний были построены характеристики изменения давления в системе смазки по оборотам коленчатого вала на холостом ходу (рис. 4.4): номинальные — 1; начало истечения — 2; отсутствие истечения — 3. Полученные характеристики (2 и 3) делят весь квадрант на три области: 1 -выше характеристики 2 (зеленый цвет индикатора) - допустимая область; 2 -между характеристиками 2 и 3 (желтый цвет индикатора) - критическая область; ниже характеристики 3 (красный цвет индикатора) — недопустимая область. Таким образом, диагностирование проводится на нагретом двигателе tM = 80 — 90 С, без нагрузки. Датчик диагностического устройства вворачивается через переходник в масляную магистраль. Двигатель доводится до номинальной частоты вращения коленчатого вала и по цвету индикатора дается диагноз.
Как следует из рисунка (рис. 4.4), пределы регулирования светодиодов следующие: для двигателей КамАЗ - 740,10: зеленый свыше 0,27 МПа; желтый 0,23 -г- 0,27 МПа; красный менее 0,23 МПа; для двигателей КамАЗ -740.30 (Euro): зеленый свыше 0,33 МПа; желтый 0,27 -г- 0,33 МПа; красный менее 0,27 МПа.
