Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 6
1.1. Актуальность проблемы повышения работоспособности подшипников коленчатого вала ДВС 6
1.2, Долговечность подшипников скольжения ДВС и методы ее повышения 8
1.3, Виды и характеристики добавок в систему смазки ДВС 21
1.4. Выводы и задачи исследования 31
2. Расчетно-теоретический анализ эффективности применения добавок в смазочное масло 32
2.1. Расчет параметров изнашивания подшипников коленчатого вала в условиях рядовой эксплуатации 32
2.2. Исследование влияния добавок в смазочное масло на работу подшипников 42
3. Методика проведения исследований 58
3.1. Анализ применяемости масел и добавок в систему смазки автотракторных ДВС 58
3.2. Методика проведения лабораторных исследований 62
3.2.1. Общие условия проведения лабораторных испытаний на машине трения 62
3.2.2. Методика проведения лабораторных испытаний на машине трения по оценке антифрикционных свойств добавок 66
3.2.3. Методика планирования и проведения многофакторного эксперимента на машине трения 67
3.3. Методика стендовых испытаний 71
3.3.1. Общие условия проведения стендовых испытаний 71
3.3.2. Методика снятия внешней скоростной характеристики ДВС 75
3.3.3. Методика снятия нагрузочной характеристики ДВС 76
3.3.4. Методика снятия характеристики механических потерь ДВС 77
4. Результаты исследований 80
4.1. Результаты лабораторных исследований на машине трения 80
4.2. Результаты лабораторных экспериментов по многофакторному планированию 93
4.3. Результаты стендовых испытаний 96
4.4. Результаты исследований при многофакторном эксперименте 101
5. Расчет счет экономической эффективности от применения добавки СУРМ 104
Основные результаты и выводы 105
Литература
- Долговечность подшипников скольжения ДВС и методы ее повышения
- Исследование влияния добавок в смазочное масло на работу подшипников
- Методика планирования и проведения многофакторного эксперимента на машине трения
- Результаты лабораторных экспериментов по многофакторному планированию
Введение к работе
Повышение надежности и долговечности машин является одной из главных проблем современного машиностроения. Экономическое значение этой проблемы очевидно. Как показал статистический анализ, главной причиной выхода из строя машин является не их поломка, а износ подвижных сопряжений и рабочих органов под влиянием сил трения. При трении происходят коренные изменения приповерхностного объема материала соприкасающихся подвижных сопряжений. Эти изменения и определяют процесс износа и величину самой силы трения. Вынужденные простои машин при ремонте подвижных сопряжений приводят к большим потерям. Во многих отраслях промышленности каждый пятый рабочий -ремонтник. Нуждами ремонта занят большой парк металлообрабатывающих станков. Попытки применения традиционных методов науки о прочности твердых тел к задачам трения и износа оказались неэффективными.
Современный этап экономического развития России характеризуется резким количеством транспортных средств с большими сроками службы и пробегом, как отечественных, так и импортных. Эта проблема стала особенно актуальной в связи с огромным увеличением подержанной автотракторной техники, в основном не удовлетворяющей современным техническим и экологическим требованиям, что требует нетрадиционного подхода к решению данной проблемы.
Эксплуатация подержанной автотракторной техники приводит к значительному увеличению затрат на ее содержание: повышению расхода то плив о-смазочных материалов и запасных частей, увеличению частоты ремонтных и регулировочных работ и т.д. Попадание вредных веществ в окружающую среду происходит непосредственно с выхлопом, при утечке смазочных материалов в период эксплуатации и проведения сервисных работ и т.д. По мере увеличения пробега, износа деталей и соединений количество вредных выбросов растет в геометрической прогрессии.
С недавнего времени для решения данных проблем предлагается относительно новый способ - применение антифрикционных добавок для повышения работоспособности и продления срока службы узлов и агрегатов автотракторных двигателей. Добавки позволяют не только существенно снизить величину износа в парах трения, но и произвести частичное восстановление изношенных в процессе работы поверхностей трибологических соединений.
Данный способ решения проблем, связанных с повышением работоспособности и уменьшением интенсивности износа пар трения, применяется на практике уже не один год. Производством антифрикционных добавок занимается большое количество фирм и предприятий. На данный момент список добавок в масло различного спектра действия содержит более 30 наименований и постоянно пополняется новыми препаратами. Однако, лишь 10 - 15% добавок из этого списка оказывают в той или иной степени положительное влияние на рабочие поверхности пар трения двигателей внутреннего сгорания. Остальные препараты или вообще не оказывают какого-либо влияния на узлы сопряжений или, что еще хуже, отрицательно влияют на рабочие показатели триботехнических соединений и всего двигателя в целом.
По объективным причинам до сих пор не предложена ни методика оценки эффективности применения антифрикционных добавок в смазочное масло автотракторных двигателей, ни методика оценки процессов изнашивания, происходящих в трибологических соединениях при работе двигателей внутреннего сгорания.
В данной работе сделана попытка оценить процессы изнашивания рабочих поверхностей пар трения и их изменение при применении антифрикционных добавок в смазочное масло на примере трибологической пары «шейка-вкладыш» коленчатого вала автотракторных двигателей в аспекте повышения работоспособности рассматриваемого сопряжения.
Долговечность подшипников скольжения ДВС и методы ее повышения
Подшипники коленчатого вала двигателя работают в основном при гидродинамическом режиме смазки. В правильно спроектированном и изготовленном подшипнике нарушение этого режима может происходить только в процессе пуска, мгновенных перегрузок, при понижении вязкости масла, нарушении его подачи и т.д. При нормальной работе тракторного дизеля средней напряженности минимальное значение толщины масляного слоя равно 7-8 мкм. В форсированных моделях ДВС толщина гидродинамической пленки уменьшается до 4 мкм [12, 14, 44, 70]. Такая толщина является предельной, так как возможны местные нарушения гидродинамического режима, вызванные попаданием в зазор абразивных частиц, размеры которых превышают величину зазора. Отсюда не следует, что в процессе нормальной работы подшипника, когда поверхности трения разделены слоем масла, изнашивание исключено. Может происходить пластическая деформация, вызванная высокими гидродинамическими давлениями, развиваемыми масляным слоем. Максимальная величина гидродинамического давления в 2,5 - 3 раза превышает среднее давление внешних сил, действующих на подшипник. Контактная поляризация, термоэлектрические явления на поверхностях трения, разделенных жидкой пленкой, являются причиной действия электростатической составляющей износа [15]. Весьма важным фактором является также коррозия антифрикционного слоя.
Задачу по повышению долговечности подшипника скольжения ДВС нельзя рассматривать только с позиции совершенствования конструкции и улучшения физико-химических свойств подшипника скольжения. При решении данной задачи необходимо принимать во внимание и вторую составляющую исследуемой пары трения — поверхность шейки коленчатого вала и сам коленчатый вал в целом. Только при таком подходе к решению задачи по повышению долговечности подшипников скольжения ДВС можно добиться положительных результатов.
Современная наука и техника располагают многочисленными технологическими средствами для повышения износостойкости подшипников скольжения ДВС. Все технологические и организационные мероприятия по повышению долговечности машин и механизмов можно разделить на три основных этапа:
1. Этап проектирования. Совершенствование методики расчета и конструкции узлов трения и агрегатов в целом;
2. Этап изготовления. Создание прочных материалов для различных условий эксплуатации машин и получения из них заготовок высокого качества. Применение современных технологических приемов, обеспечивающих изготовление деталей заданной точности и стабильности как по размерам, так и по физико-механическим свойствам. Применение современных методов контроля качества материала, заготовок и готового изделия по соответствующим показателям надежности. Применение процессов упрочняющей обработки для получения требуемого качества рабочих поверхностей деталей машин с высоким сопротивлением изнашиванию и поломкам в различных условиях эксплуатации;
3. Этап эксплуатации. Разработка современной системы эксплуатации и технического обслуживания автотранспортных средств. Разработка и применение современных смазочных материалов в зависимости от условий эксплуатации. Разработка методики точной оценки (диагностирования) состояния автотракторной техники.
Этап проектирования. На данном этапе закладываются основные параметры работы каждого узла или агрегата. Исходя их условий и режимов работы, конструктор определяет основы конструкции узла, выбирает материал и технологию изготовления деталей, и производит соответствующие проектировочные расчеты. На этом же этапе окончательно определяются режимы и условия эксплуатации проектируемого изделия: определяет типы технологических жидкостей, применяемых при эксплуатации; частота и продолжительность циклов эксплуатации; основные параметры, определяющие состояния объекта и их предельные значения, указывающие на недопустимость его дальнейшего использования.
Основными факторами при проектировании и изготовлении вкладыша скольжения ДВС, является его конструкция (вкладыши могут быть толстостенными и тонкостенными) и свойство его антифрикционного покрытия. Первоначально требование обеспечения высокой жесткости вкладыша удовлетворялось путем применения толстостенных вкладышей, имеющих толщину 4-6 мм и выше. Однако такие вкладыши не обеспечивали хорошего контакта с постелью подшипника, чем затруднялся отвод тепла и снижалась усталостная прочность [5, 55]. Кроме того, толстый антифрикционный слой подвержен выдавливанию при нагружении. В современных быстроходных двигателях все в большей степени находят применение тонкостенные вкладыши. Это гибкие конструкции, но вследствие их плотного прилегания к постели жесткость обеспечивается подшипником в целом. При этом тепло очень хорошо отводится в массу двигателя и снижает температуру масляной пленки. Тонкостенные вкладыши очень технологичны при массовом производстве, так как штампуются из ленты, но требуют высокой точности и соосности опорных узлов.
Исследование влияния добавок в смазочное масло на работу подшипников
Анализ влияния антифрикционных добавок в смазочное масло на работу подшипников скольжения произведен по величине интенсивности изнашивания, рассчитанной по методике Расчет интенсивности изнашивания шейки коленчатого вала производится по формуле: В формуле (9) ряд параметров можно считать постоянными для конкретных условий трения. Для различных Крагельского И.В. [8,21, 34, 36, 48]. марок двигателей они имеют следующие значения:
1. Нагрузка (Р) в подшипниковых узлах автотракторных двигателей по данным [35] находится в диапазоне: для бензиновых двигателей Р = 4 - 12 МПа; для дизельных двигателей 7-20 МПа.
2. Параметры опорной кривой профиля рабочей поверхности (6, и) могут принимать значения 1,2 — 2,5 в зависимости от вида технологической обработки и среды в зоне трения.
3. Максимальная высота микронеровностей на рабочей поверхности {Rmax) находится в пределах 1,1 - 2,5 мкм, а средний радиус кривизны микровыступов R = 500 — 1000 мкм.
4. Характеристики упругости материала трущихся поверхностей приняты по справочным данным: для коленчатого вала, изготовленного из стали марок Ст.45, Ст 45Х: модуль упругости Е = 2,0- 105 - 2,1 105 МПа; коэффициент Пуассона ц = 0,25 - 0,33; для рабочей поверхности вкладышей: модуль упругости Е = 0,48- 105 - 0,62-105 МПа; коэффициент Пуассона у. =0,18-0,22; 5. Характеристики фрикционной усталости материалов трущихся поверхностей по данным [52] приняты в следующих пределах: /,=5-6, о-0 =0,32-104-0,35-Ю4А//7«,
Большинство аргументов функции (9) являются случайными величинами, имеющими различные функции распределения. Решение уравнения (9) в общем виде не представляется возможным. Расчет в этом случае целесообразно производить методом статистического моделирования.
На начальном этапе для сравнения результатов расчета с эксплутационными проведено статистическое моделирование при значении аргументов функции в диапазоне эксплутационных на примере бензинового двигателя объемом 1,3 (применительно к анализу, приведенному в разделе 2.1). Моделирование производилось при следующих распределениях переменных: f(RmJ = 2.66e о , [R-SOOf /( ) = 0.008/ 5l0 , ( -и) f(b) = 4e 02 , (-1.)2 f(v) = 4e 02 , ДР) = 0.275-(--0,5 1 -eU } , Значения остальных переменных приняты скалярными в пределах, указанных выше.
Результаты расчетов представлены на рис. 9 в виде гистограммы интенсивности изнашивания.
Совмещение двух гистограмм и сравнение законов распределения показывает их полное соответствие, что дает основание использовать принятую расчетную модель для оценки эффективности применения антифрикционных добавок в масло.
По справочным данным [46] е0 = 0,34 ft, =2 к; = ат + 2fT НВ рт-2/тНВ (И) где JT- предел текучести (принято (Тг= 30 МПа), ЫВ - твердость по Бринеллю (НВ = 35), /т- коэффициент трения. Остальные аргументы функции (10) соответствуют уравнению (9). Моделирование интенсивности изнашивания вкладыша применительно к эксплутационным режимам производилось при следующих распределениях переменных:
Результаты расчетов представлены на рис.10.
Сопоставление полученных результатов с результатами расчетов по эксплуатационным данным показывает их полную идентичность, что дает основание использовать параметры статистической модели для исследования влияния добавок в масло на интенсивность изнашивания вкладышей.
Проведенные ранее другими исследователями работы [67, 68, 69] показывают, что применение антифрикционных добавок в смазочное масло приводит к следующим изменениям процесса изнашивания: - максимальная высота микронеровностей поверхности Rmax = 0,01 — 1600 мкм (до применения добавки); Rmax = 0,5 мкм (после применения добавки); - средний радиус кривизны неровностей: /2=1 — 1000 мкм (до применения добавки); R = 200 мкм (после применения добавки); - коэффициент трения: /= 0,002 — 0,3 (до применения добавки); /= 0,005 (после применения добавки);
На основании этих данных проведем расчет интенсивности изнашивания шейки коленчатого вала и рабочей поверхности вкладыша при введении в смазочное масло специальных добавок. Расчеты выполнены методом статистического моделирования по формулам (9) и (10) в следующих диапазонах распределения изменяющихся при введении добавок параметров.
Методика планирования и проведения многофакторного эксперимента на машине трения
Основная цель данных испытаний заключалась в сравнении антифрикционных свойств выбранных для испытаний препаратов для отбора добавки, показавшей оптимальные результаты в процессе испытаний. Основные условия проведения испытаний согласно п. 3.2.1.
Нагружение образцов в процессе испытаний производилось ступенчато через 20 Н до начало процесса схватывания поверхностей. Замер показаний на каждой ступени нагрузки производился в течение 16 мин, затем нагрузка увеличивалась. Данное значение интервала было определено в процессе предварительных испытаний на машине трения и отражает значение временного интервала, на котором происходит стабилизация температуры и момента трения в зоне контакта после изменения нагрузки. Первые два значения показателей в первоначальный момент времени после изменения нагрузки, когда изменения замеряемых параметров в зоне трения характеризуются их высокой скоростью, фиксировались в интервале, равном одной минуте, последующие - в интервале, равном 2 минутам (рис. 21).
Частота вращения нижнего вала с роликом соответствовала значению п = 1000 мин 1 и была выбрана исходя из математических расчетов п. 2.1.
Окончание эксперимента определялось началом процессов схватывания поверхностей (резкое повышение температуры и коэффициента трения в зоне контакта). p, II t,C температура / нагрузка Тз=2 Гй=2 , мин 7J= / 7W 7-/=/ Т4=1 Т7=1 7Wtf Тд=16 Рис. 21. Схема нагружения образцов. Ti T6- интервалы промежуточных замеров; Т7 - интервал увеличения нагрузки; Ts, Т9 — интервал замеров при постоянной нагрузке.
Цель планирования эксперимента - нахождение таких условий и правил проведения опытов при которых удается получить надежную и достоверную информацию об объекте исследования с наименьшими затратами труда а также представить эту информацию в компактной и удобной форме с количественной оценкой точности.
Пусть интересующее нас свойство (Y) зависит от нескольких (п) независимых переменных (Хи Хг, ...XfJ и мы хотим выяснить характер этой зависимости — Y = F(X{, Х2, ...ЛУ о которой мы имеем общее представление.
Величина Y — называется «отклик», а сама зависимость Y = F(X}f Х2, ...Xfl) -«функция отклика». Отклик должен быть определен количественно. Независимые переменные Х\, Х2, ...Хп - иначе факторы, также должны иметь количественную оценку. В качестве факторов выбираются только независимые переменные, т.е. только те которые можно изменять, не затрагивая другие факторы.
Основными факторами, влияющими на величину коэффициента трения при прочих равных условиях, являются нагрузка на подшипник скольжения от действия силы давления газов в камере сгорания (Xj) и частота вращения коленчатого вала (). Эти два основных фактора и были взяты за основу при проведении многофакторного эксперимента на машине трения. При выборе диапазонов изменения факторов учитывалась их совместимость, т.е. контролировалось, чтобы в этих диапазонах любое сочетание было бы реализуемо и не приводило бы к абсурду. Для каждого из факторов указывались граничные значения.
Исходя из рекомендаций [49, 50, 57] 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.
Результаты лабораторных экспериментов по многофакторному планированию
Стендовые испытания проводились в соответствии с разработанной методикой п. 3.3. Антифрикционный препарат СУРМ ВД для обработки двигателя был выбран по результатам лабораторных испытаний п. 4.1.
Основным показателем, характеризующим влияние добавки на сопряжение «шейка-вкладыш» коленчатого вала и двигатель в целом был выбран момент трения, замеряемый при снятии характеристик механических потерь. Результаты эксперимента представлены на рис. 40.
Из представленных графиков видно, что применение добавки в смазочное масло двигателя внутреннего сгорания начало оказывать влияние уже через 10 часов работы двигателя на антифрикционном препарате. Л через 15 — 20 часов работы двигателя под нагрузкой мы получили следующие результаты: уменьшение момента трения на частоте вращения коленчатого вала п = 1000 мин" составило 34%, на частоте вращения коленчатого вала n = 2000 мин 1 — на 30%. Это дает все основания для заключения, что антифрикционные добавки снижают коэффициент трения в сопряжениях двигателя внутреннего сгорания, а следовательно - повышают работоспособность сопряжения «шейка-вкладыш» коленчатого вала.
Для составления полной картины влияния выбранной добавки на узлы трения двигателя испытания по снятию характеристики механических потерь производились по плану много факторно го эксперимента, разработанного в п. 3.3.4. Результаты эксперимента представлены на рис. 41 и рис. 42 в виде распределения значения момента прокручивания.
Снятие характеристик производилось периодически — через несколько часов работы двигателя до обработки и после обработки препаратом СУРМ. Математические уравнения зависимостей имеют вид (х — частота вращения вала, у — температура масла).
Из представленных графиков видно, что использование специальных добавок в смазочное масло позволяет значительно снизить механические потери и тем самым повысить мощность двигателя.
Также, в процессе проведения стендовых испытаний было отмечено уменьшение расхода масла через главную магистраль системы смазки двигателя внутреннего сгорания, что указывает на образование на поверхности сопряжений защитного слоя, формируемого и мягкого металла, содержащегося в рассматриваемой добавке.
Для изучения действия антифрикционной добавки на всех режимах работы двигателя, был также проведен многофакторный эксперимент согласно методике п. 3.3.4. Результаты эксперимента представлены в таблице 10 и нарис. 44, 45.
Расчет экономической эффективности проводился па примере применения добавки СУРМ ВД. Расчетный период - 200 000 км пробега Объект - двигатель внутреннего сгорания объемом 1,3 л. Эф = Эк - Зп Эф - экономический эффект, руб.; Эк - экономия, руб.; Зп - затраты на приобретение, руб. Эк = Эт + Эм + Экр Эт - показатель экономии топлива, руб.; Эм - показатель экономии смазочных материалов, руб.; Экр - показатель экономии при капремонт, руб.; Расход топлива - Юл/ЮОкм. Экономия топлива при применении антифрикционной добавки - 6% при стоимости топлива 20 руб/л. Эт = 24000 руб. Экономия масла на угар - 40% при угаре 1 л/1000 км. Стоимость масла - 400 руб. (4 л). Эм = 8000 руб. Экономия затрат на капремонт - 10000 при увеличении ресурса двигателя в 2 раза. Экр- 15000 руб. Стоимость антифрикционной добавки — 400 руб. (100 мл. добавки на 4 л. масла). Устойчивый эффект-25000 км.
