Разработка рациональной структуры эксплуатационно-ремонтного цикла дизелей Д-12 Войнов Денис Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ состояния вопроса по структурам ЭРЦ и методам их формирования . 11

1.1. Изменение технического состояния двигателей в процессе эксплуатации 11

1.2. Особенности сложившейся структуры эксплуатационно- ремонтного цикла дизелей 30

1.3. Выводы и задачи исследования 38

Глава 2. Аналитическое исследование изменения технического состояния основных элементов дизеля в процессе эксплуатации 40

2.1. Конструктивные особенности и режимы работы дизеля 40

2.2. Цилиндро-поршневая группа 43

2.2.1. Сопряжение кольцо - гильза 43

2.2.2. Сопряжение торец поршневого кольца - канавка поршня 44

2.3. Подшипники коленчатого вала 45

2.3.1. Коренные подшипники 45

2.3.2. Шатунные подшипники 54

2.4. Технико-экономическая методика определения ресурса элементов двигателя 55

2.5. Выводы 66

Глава 3. Методика проведения работы 68

3.1. Общая методика и программа исследования 68

3.2. Методика аналитического исследования 68

3.3. Методика экспериментального исследования 70

3.3.1. Методика сбора и обработки данных о надежности элементов дизеля Д-12 71

3.3.2. Методика измерения износа и макрогеометрии деталей 72

3.3.3. Методика измерения диагностических параметров 77

Глава 4. Анализ результатов экспериментального исследования 79

4.1. Изменение технического состояния цилиндро-поршневой группы двигателей Д-12 в процессе эксплуатации 79

4.2. Изменение технического состояния подшипников коленчатого вала двигателей Д-12 в процессе эксплуатации 81

4.3. Выводы 88

Глава 5. Разработка структуры эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей Д-12 89

5.1. Обоснование сроков и объемов проведения предупредительного ремонта двигателей 89

5.1.1. Определение наработки до ремонта двигателей 89

5.2. Формирование структуры эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей Д-12 97

5.3. Технико-экономическая оценка эффективности совершенствования структуры и нормативов ЭРЦ двигателей 100

5.4. Выводы 102

Общие выводы 103

Список использованной литературы 105

Приложения 118

• Особенности сложившейся структуры эксплуатационно- ремонтного цикла дизелей
• Технико-экономическая методика определения ресурса элементов двигателя
• Методика аналитического исследования
• Изменение технического состояния подшипников коленчатого вала двигателей Д-12 в процессе эксплуатации

Введение к работе

Дизели типа Д-12 широко применяются во всех отраслях экономики страны, в том числе и на предприятиях агропромышленного комплекса. Такие дизели используются на передвижных электростанциях (ДГ-200- Т/400А (У96А)), насосных станциях (ДНУ 300/180), буровых установках (БРДИ, БУ-80), автомобилях-самосвалах (БелАЗ-540), тягачах (МАЗ-5Э8, КЗКТ-5Э8), в составе дизель-генераторов ДГФ2А-200/1500М, АДГФ- 200/1500м, ДГ-200-Т/400(Р), АДВЭ-200-Т/400М, АСДА-0200, У96А, У96Н и на других машинах.

Применение автономных источников в качестве резервных или аварийных необходимо в производствах с непрерывным технологическим циклом, где длительный перерыв в питании приводит к авариям или убыткам. Достаточно сказать, что перерывы в подаче электроэнергии на птицефабриках в течение 15 мин. приводят к гибели птицы. Во время аварии на подстанции «Чагино» 24 мая 2005 г. прямые потери на подмосковной Петелинской птицефабрике составили 14 млн руб. - погибло 278,5 тыс. гол. птицы. Большое количество дизель-генераторов используется в качестве мобильных источников электроэнергии в местах временного пребывания (отгонные пастбища, участки леспромхозов) [7].

В связи с серьезными количественными и качественными изменениями сельскохозяйственных потребителей электроэнергии значительно возросла актуальность задачи обеспечения надежного электроснабжения. Это связано с появлением сельскохозяйственных предприятий промышленного типа, в первую очередь животноводческих комплексов [12].

В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) все электроприемники делят на три категории по обеспечению надежности электроснабжения (табл. В.1) [12].

Таблица В.1

Нагрузка электроприемников сельскохозяйственных предприятий, подлежащая резервированию от автономных источников (потребители первой категории)

Определение ущерба сельскохозяйственному производству от перерывов в электроснабжении является достаточно сложной задачей, требующей учета большого количества различных факторов (табл. В.2) [148].

По данным ОАО ХК «Барнаултрансмаш», выпуск дизелей Д-12 для сельского хозяйства составляет 8 % и 15 % запасных частей от выпускаемой продукции без учета оборонного заказа.

Из 17 наименований дизель-генераторов (ДГ) 14 (80 %) мощностью 200 кВт выпускают на базе двигателя Д-12. Кроме того, из 20 наименований ДГ мощностью 100 кВт 12 (60%) выпускаются с дизелем Д-6, имеющим высокую унификацию по цилиндро-поршневой группе и подшипникам коленчатого вала с двигателем Д-12.

Таблица В.2

Составляющие ущерба от перерывов в электроснабжении сельского хозяйства

В процессе эксплуатации затраты на обеспечение работоспособности дизелей за весь срок службы в 6-8 раз превышают затраты на их изготовление. Основными причинами этого являются высокие затраты труда, времени и средств на обеспечение работоспособности двигателей вследствие невысокого уровня технического обслуживания и ремонта. Особенно актуально это для двигателей, работающих в сельском хозяйстве, где условия работы технического сервиса тяжелее, чем на городских предприятиях из-за несовершенства производственно-технической базы.

Значительная доля затрат и простоев в ремонте приходится на цилиндро-поршневую группу и подшипники коленчатого вала (до 77 %). Одна из основных причин - сложившаяся структура эксплуатационно- ремонтного цикла двигателей, при которой затраты на устранение отказов в среднем в 10-12 раз выше, чем на их предупреждение. О преобладании стратегии устранения отказов при ремонте двигателей свидетельствуют высокие значения коэффициента вариации наработки до ремонта и износа деталей. Для снижения коэффициента вариации и затрат на ремонт целесообразна профилактическая стратегия.

Таким образом, задача повышения надежности двигателя Д-12 путем совершенствования структуры эксплуатационно-ремонтного цикла является актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с планом развития Саратовской области по направлению 1.2.9 - Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в агропромышленном" комплексе Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 года, комплексной темой № 5 НИР СГАУ им. Н.И. Вавилова «Повышение надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве».

Цель работы - разработка ресурсосберегающей структуры эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей на основе анализа изменения технического состояния в процессе эксплуатации.

Предмет исследования - двигатель Д-12.

Объект исследования - процессы изменения технического состояния подшипников коленчатого вала (ПКВ) и цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) в условиях эксплуатации.

Научная новизна. Впервые аналитически обоснованы зависимости овальности коренных опор блока цилиндров и нижней головки шатуна от наработки с учетом конструктивных особенностей и действующих нагрузок.

Предложено выражение для определения рациональной наработки до ремонта элементов двигателя на основе взаимного влияния их технического состояния. Сформулировано условие целесообразности одновременного ремонта ПКВ и ЦПГ.

Практическая ценность. Разработанная структура эксплуатационно- ремонтного цикла двигателя с использованием обоснованных технологий предупредительного ремонта и восстановления деталей меняет структуру эксплуатационно-ремонтного цикла и снижает затраты труда, времени и средств на поддержание их в работоспособном состоянии в процессе эксплуатации не менее чем в два раза.

Научные положения и результаты работы, выносимые на защиту: теоретическое обоснование зависимостей овальности коренных опор и нижней головки шатуна от наработки; обоснование взаимного влияния технического состояния и отказов элементов двигателя с учетом его конструктивных особенностей; обоснование структуры эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей по результатам эксплуатационных исследований; обоснование размерного износа при дефектации основных деталей в технологии предупредительного ремонта и их восстановления.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработанное устройство (патент № 59234), рекомендации по повышению ресурса использованы в эксплуатационном и ремонтном производстве НТЦ «Механик-Т», ОАО «Саратовское речное транспортное предприятие», ООО «ТехСнабИнвест» при дефектации деталей в технологиях восстановления деталей двигателей.

Апробация. Основные материалы диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку: на межгосударственных постоянно действующих научно- технических' семинарах «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (г. Саратов, СГАУ, 2007, 2008, 2009 гг.); на научно-технических конференциях СГТУ в 2004-2009 гг.; на юбилейной научно-практической конференции, посвященной 75- летию кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» СГТУ (г. Саратов, 2005 г.); на Международной научно-технической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения предприятий» (СГТУ, г. Саратов, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе одна статья в издании, включенном в Перечень ВАК РФ, получен патент на полезную модель. Общий объем публикаций составляет 2,68 печ. л., 0,5 печ. л. принадлежит лично соискателю.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО СТРУКТУРАМ ЭРЦ И МЕТОДАМ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Изменение технического состояния двигателей в процессе эксплуатации

На сроки технического обслуживания и ремонта влияет большое число факторов. Производственная база ограничивает возможности осуществления определенных видов работ. Характер использования объекта установки дизеля предопределяет возможность выполнения обслуживания и ремонта в период эксплуатации. Сроки технического обслуживания зависят также от требований к надежности и показателям качества функционирования объекта установки дизеля. Однако основной фактор, определяющий срок технического обслуживания, - это изменение технического состояния дизеля, его узлов и деталей, восстановление которых является целью технического обслуживания и ремонта.

Техническое состояние отдельной детали определяется комплексом характеристик ее геометрических размеров, материала, состояния поверхностей. Узел, сборочная единица или дизель в целом имеют определенное функциональное назначение. Поэтому их техническое состояние более удобно характеризовать комплексом обобщенных показателей, которые отражают качество выполнения заданных функций и указывают на возникновение процессов, препятствующих функционированию.

Сначала рассмотрим изменение технического состояния деталей. Его причинами являются усталость металлов, старение, остаточные деформации, коррозия и износ.

Усталость вызывает возникновение и постепенное развитие в металле трещин в результате многократного воздействия переменных нагрузок.

Наиболее часто усталостным разрушениям подвергаются коленчатые валы, шатунные и коренные подшипники, поршни.

Старение изделий из неметаллических материалов состоит в изменении во времени их физико-механических свойств под влиянием окружающей среды и условий эксплуатации. Старение характерно для резинотехнических изделий (уплотнений гильз, цилиндров, насосов и т.п.).

Остаточные деформации возникают при больших давлениях на поверхности детали или при воздействии нагрузок, вызывающих напряжение за пределом упругости, а также при релаксации внутренних напряжений. Вследствие деформаций часто происходит нарушение работоспособности таких деталей, как клапаны газораспределения, шатуны, валики привода механизмов, базовые детали (блоки, головки блока цилиндров и др.) [5, 40, 46, 62, 75, 76, 126].

Коррозии подвержено большое количество деталей дизелей, соприкасающихся с агрессивными средами, газами и охлаждающими жидкостями. Интенсивность коррозии определяется материалом деталей и свойствами среды.

Главной причиной изменения технического состояния деталей дизелей являются различные виды изнашивания: механическое, молекулярно- механическое (изнашивание при заедании), коррозионно-механическое, в том числе эрозионное и кавитационное. Периоды изнашивания деталей дизелей характеризуются начальной приработкой, периодом стабильного эксплуатационного и прогрессирующего предельного изнашивания [19, 20, 23, 109, 114]. Несмотря на различие причин, можно отметить общий монотонный характер изменения технического состояния деталей дизелей, который вполне удовлетворительно описывается полиномом п-й степени или степенной функцией (табл. 1.1, 1.2) [19].

Все эти процессы происходят с различной интенсивностью, что характеризуется различием в коэффициентах вариации (табл. 1.3) [19].

Таблица 1.1

Характер изменения технического состояния [19]

Таблица 1.2

Показатели качества функционирования дизеля [19]

Совокупность деталей, составляющих узел, группу, агрегат или даже дизель в целом, является сложной системой. Ее характерная особенность состоит в том, что предельное состояние одной из входящих в совокупность деталей еще не означает нарушения ее работоспособности. Работоспособность дизеля сохраняется, так как основные параметры его функционирования (мощность, возможность управления) остаются стабильными. Однако работоспособность ограничена по времени из-за прогрессирующего ухудшения технического состояния, которое в конечном итоге может привести к повреждению дизеля. Поэтому техническое состояние дизеля в целом следует характеризовать не только параметрами его функционирования, но и потоком отказов.

Коэффициенты вариации технического состояния отдельных деталей [19]

Таблица 1.3

Показатели качества функционирования дизеля описываются в функции наработки так же, как и показатели технического состояния деталей (см. табл. 1.1). Однако возникновение отказа является дискретным процессом, и поэтому изменение технического состояния дизеля как непрерывная функция наработки может быть представлена только в вероятностном аспекте.

Обозначая вероятность состояния неисправности Р_н, отказа - Q₀, получим Р_н0 = Р_н — Q₀) [19]. Все вероятности рассматриваются как функции времени (рис. 1.1), Р₀ — вероятность безотказной работы.

Цель технического обслуживания - предотвращение отказов, т. е. устранение неисправностей. Проводить техническое обслуживание желательно тогда, когда удается в наибольшей степени разредить поток отказов, возникающий вследствие перехода неисправностей в отказы. При малой величине Р_н0 восстановление технического состояния, устранение неисправностей будет малоэффективным, так как детали и узлы дизелей еще не достигли состояния неисправности и, следовательно, не могут быть восстановлены. Удельное количество отказов, которые могут быть предотвращены устранением неисправностей, пропорционально параметру Р„₀ //. Он характеризует эффективность технического обслуживания как средства восстановления безотказности дизеля. Наибольшая эффективность соответствует максимуму этого параметра. Таким образом, и при дискретном характере изменения технического состояния удается построить модель, позволяющую представить изменение технического состояния как непрерывную функцию наработки. Это дает возможность устанавливать ограничения на сроки технического обслуживания и ремонта [19].

Рис. 1.1. Вероятные состояния дизеля в процессе эксплуатации [19]

При планировании эксплуатационного обслуживания ограничения сроков технического обслуживания и ремонта определяются необходимостью обеспечения [19]: снижения устранения отказов; контроля технического состояния для снижения ущерба от ухудшения параметров; минимального ущерба от аварийного повреждения дизеля вследствие отказа; максимальной эффективности проведения технического обслуживания и ремонта.

Рассмотрим влияние режима работы двигателя на износ пары кольцо - гильза. В процессе длительной эксплуатации пары трения наблюдаются три периода износа: начальный, установившийся и усиленный [109]. В начальный период скорость изнашивания достигает очень больших значений. По мере приработки поверхностей трения она постепенно падает, устанавливается режим с постоянной скоростью изнашивания. В начале приработки, как показывают исследования, скорость изнашивания в 60-80 раз больше, чем в установившийся период [109]. После длительной эксплуатации происходит значительный износ сопряженных поверхностей, что изменяет условия смазки, динамику узлов, геометрию и в конечном итоге приводит к резкому увеличению скорости изнашивания. Так обычно объясняется классическая схема периодов изнашивания.

Следует заметить, что в области износа ЦПГ эта схема может быть проиллюстрирована только в двух первых периодах. Это, конечно, не означает, что в износе ЦПГ отсутствует третий период, но его начало, по- видимому, относится к столь длительной эксплуатации, которой не достигают втулки из-за установленных предельных норм износа. Как правило, гильзы, проработавшие много лет и достигшие предельных норм износа, имеют вполне умеренные скорости изнашивания, соответствующие установившемуся периоду. Таким образом, третий период изнашивания в эксплуатации ЦПГ не представляет практического интереса [109].

Важным периодом является первый - приработка пары кольцо - гильза, от рациональности которого зависят безаварийный ввод двигателя в эксплуатацию, долговечность пары и, как полагают многие исследователи, даже скорость изнашивания в установившийся период.

Типичные процессы приработки ЦПГ, наблюдающиеся в практике эксплуатации ДВС, могут быть подразделены на три группы (рис. 1.2).

В первом случае неправильный режим нагружения приводит с первых часов работы двигателя к высокой скорости изнашивания гильзы и колец (кривая 1). Снижение нагрузки после выявления большого износа не приводит к его стабилизации, и скорость изнашивания на протяжении 1000-3000 ч остается очень высокой. Обычно такие гильзы меняют, так как на них расходуется много поршневых колец. В принципе, при сниженной нагрузке такой процесс приработки в конце концов должен стабилизироваться, как показано пунктирной линией, но это может произойти уже при значительном износе втулки, близком к предельно допустимому [109].

Предельный износ

Рис. 1.2. Виды процессов приработки гильз дизелей [109]

Во втором случае происходит кажущаяся начальная приработка, наступает кратковременный установившийся период, после которого возрастает интенсивность изнашивания (кривая 2), продолжающаяся от 1000 до 3000 ч.' К концу периода скорость износа падает, достигается окончательная приработка и пара вступает в фазу установившегося износа. Причины такого неправильного процесса приработки заключаются также в нерациональном режиме ввода двигателя в эксплуатацию.

Нормальный режим приработки соответствует кривой 3.

Анализ показывает, что в пределах разброса опытных данных пока не удается установить существенного различия в величинах скоростей изнашивания гильз во втором периоде, прошедших разные процессы приработки (кривые 1, 2, 3 на рис. 1.2).

Возможно, более детальными исследованиями и удастся в дальнейшем установить влияние приработки на износостойкость пары кольцо - гильза в установившемся периоде, однако роль приработки в износостойкости пары должна быть значительно меньшей, чем роль сорта масла, способа его подвода на поверхность трения, качества материала пары, технологии ее изготовления.

Если влияние режимов приработки на износостойкость гильз и колец дизелей в установившийся период проблематично, то на долговечность этих деталей приработка оказывает однозначное влияние - чем меньше износ в период приработки, тем больше срок службы гильзы и колец, тем больше их долговечность (см. рис. 1.2).

При неправильной приработке на дизелях нередки замень1 гильз через несколько тысяч часов, а если их не меняют, то к моменту установившегося режима достигается износ, чаще всего составляющий до 50 % предельно допустимого. Таким образом, неправильная приработка может привести к уменьшению долговечности гильз в 2 раза [109].

Новая пара кольцо - гильза имеет микро- и макронеровности после механической обработки, которые определяются шероховатостью поверхностей, неточностью формы деталей в пределах допуска (эллиптичность и конусность втулок, неперпендикулярность посадочных поясов оси втулки, просветы колец) и неточностью сборки.

Вследствие указанных причин первоначально пара трения имеет малую фактическую площадь контакта, и приложение эксплуатационных нагрузок к деталям при таком контактировании привело бы к высоким износам, схватыванию и заеданию. Поэтому любая машина, как новая, так и отремонтированная, должна проходить обкатку и приработку, которая подготавливает ее к безопасному восприятию эксплутационных нагрузок.

Во время приработки реализуются два процесса [109]: износ поверхностей на вершинах волн шероховатости и на участках, где исходные технологические неточности, дефекты - монтажного происхождения, силовые и тепловые деформации препятствуют распространению пятна контакта до проектного; ликвидация исходной шероховатости поверхности и формирование новой с определенными параметрами и направленностью, характерными для каждой поверхности трения при работе машины на эксплуатационном режиме наибольшей длительности.

Первый процесс - макрогеометрический, второй - микрогеометрический. На данном пятне касания макрогеометрическому процессу приработки, естественно, предшествует микрогеометрический, в течение которого снимаются следы обработки, направление шероховатости меняется на 90. В этом процессе устранение микронеровностей происходит за счет пластического деформирования выступов, микрорезания, скалывания выступов и последующего абразивного воздействия продуктов износа на поверхность. В результате на втулке и кольцах появляется много пятен контакта, площадь опорной поверхности увеличивается, скорость изнашивания падает и наступает сглаживание макронеровностей. Конечно, и в дальнейшем, по мере приближения фактической площади касания к проектной, на новых контактах приработка будет начинаться с микрогеометрической, так как на втулке и кольцах еще длительное время остаются места со следами обработки, но основная площадь поверхности довольно быстро проходит приработку и именно микрогеометрическую.

Второй этап приработки - макрогеометрический — наиболее важен, особенно для двигателей внутреннего сгорания, так как, во-первых, макрогеометрия втулки изменяется в соответствии с каждым новым режимом нагружения из-за температурных деформаций и, во-вторых, потому, что в этот период на площадях, получивших нормальную микрогеометрию, происходит формирование вторичных тонких структур приповерхностного слоя.

Эти структуры обладают высокой износостойкостью, хорошей способностью адсорбировать смазку, изолирующими свойствами, препятствующими контакту чистых металлов, и восстанавливаются при трении [109].

Возникновение тонких структур, отличающихся микротвердостыо, содержанием углерода и легирующих примесей от основного материала, происходит за счет значительных деформаций поверхностного слоя, которые в нем локализуются из-за малых скоростей их распространения, высоких локальных температур трения, их градиентов и, наконец, химических воздействий окружающей среды (смазки, продуктов сгорания, воздуха).

Микротвердость тонких структур в 1,5-2,0 раза превышает микротвердость основного металла, и упрочненный слой распространяется на глубину 10-15 мкм от поверхности. От условий приработки зависит быстрейшее образование первого упрочненного слоя, и в этом ее основное назначение.

Наличие упрочненного слоя на поверхностях трения подтверждается исследованиями многих авторов [35, 63, 107] на различных металлах, хотя следует заметить, что И.А. Мишин [76] отрицает существование упрочненного слоя на обследованных им гильзах автотракторных дизелей.

Критериями приработки являются: внешний вид поверхности гильзы и колец - все поверхности должны иметь ровный серебристо-серый цвет без пропусков и блестящих пятен; достижение минимума мощности, потребной на холостой ход двигателя; стабилизация температуры поверхности трения на данном режиме приработки; переход на прямолинейный участок кривой износа (последнее может быть установлено по содержанию железа в отработанном масле).

Все эти критерии действительны только в совокупности; каждый в отдельности, кроме последнего, полученного по результатам длительных испытаний, не может быть признаком окончания приработки.

Исследования, проведенные на автотракторных дизелях с помощью радиоактивных изотопов [8, 9], показали, что обкатка двигателя (приработка в режиме вращения коленчатого вала от постороннего источника на холостом ходу) продолжается сравнительно недолго, от 10 до 35 ч, после чего кривая износа переходит в прямолинейный участок. Считают, что первичная приработка (обкатка) в основном представляет собой микрогеометрическую приработку.

После обкатки следует приработка на рабочих режимах. Нагружение двигателя отклоняет кривую износа от прямой линии и начинается новый этап приработки, значительно большей длительности, чем первый, который, по одним данным, завершается через 50-60 ч [70], по другим - только через несколько сотен часов [130].

Таким образом, общая длительность приработки автотракторного двигателя, зафиксированная методом радиоактивных изотопов, составляет не менее 90 ч [109].

Испытанные двигатели имеют мокрый картер и смазку ЦПГ разбрызгиванием. В этом случае в масле накапливаются продукты износа, окисления и наблюдается стабилизация условий трения.

Таким образом, опытные данные [52, 70, 130] по времени первичной, а тем более окончательной приработки можно принимать только в качестве самого минимального предела. Длительность окончательной приработки может быть установлена, по нашему мнению, только по результатам длительных наблюдений, исчисляемых сотнями и даже тысячами часов, в течение которых двигатель многократно останавливался и пускался.

На рис. 1.3 приведены осредненные кривые износов гильз двух дизелей: одного современного мощного дизеля, а данные по другому, относящиеся к прошлому, заимствованы из [147]. Как видно, стабилизация износа, а следовательно, и окончание приработки происходят после 800-1200 ч работы двигателя. Этот период, совпадающий со средним периодом наблюдающихся приработочных задиров, и следует считать реальным периодом приработки двигателя.

Рис. 1.3. Динамика износа гильз цилиидров двигателей [109, 147]: а -ДКР 62/1000; б-84УТ2ВР180

Относительно вязкости масла для приработки в настоящее время существует установившееся мнение, основанное на многих экспериментальных исследованиях: для приработки наиболее рациональны маловязкие сорта масел, обладающие лучшими охлаждающей способностью, смачивающими свойствами, что особенно важно для обкатки, когда поверхности трения имеют низкие температуры, и трудность распределения вязких масел по всей поверхности очевидна.

Большой вклад в развитие теории и практики трения и изнашивания деталей машин сделали такие ученые, как А.К. Зайцев, В.Д. Кузнецов,

Б.В. Дерягин, Б.И. Костецкий, И.В. Крагельский, H.A. Буше, М.А. Григорьев, И.Б. Гурвич, В.Е. Канарчук, М.М. Хрущев, Ф.Н. Авдонькин, В.И. Казарцев, В.А. Ванштейд, A.C. Проников, Г.П. Шаронов, В.И. Цыпцын, В.В. Сафонов и др. Результатами их исследований явились основные закономерности трения и изнашивания, классификация видов трения и изнашивания, в конечном итоге - значительное повышение надежности машин.

В большинстве сопряжений основных элементов двигателя наблюдаются трение скольжения (подшипники коленчатого вала, цилиндро- поршневая группа, газораспределительный механизм) и трение качения (зубчатые передачи, подшипники качения). Эти сопряжения чаще всего в нормальных условиях работают со смазочным материалом и подвержены механическому и коррозионно-механическому видам изнашивания.

Для этих видов изнашивания различными авторами предложены несколько типов зависимостей износа деталей от пути трения или времени работы (кривых изнашивания). В работах [40-42] на основании обработки большого количества экспериментальных данных по износу при ускоренных испытаниях и при эксплуатации автомобильных двигателей была предложена модель в виде полинома третьей степени: S = а₀ + й]Т + а₂т~ + а₂т , (1.1) где а₀, а и а₂, аз {а₂ < 0) — параметры, определяемые по экспериментальным данным методом наименьших квадратов; S - износ деталей, мкм; г - путь трения (пробег) или время работы, ч.

Эта зависимость обоснована наличием двух точек перегиба, первая из которых характеризует окончание периода приработки деталей, в ходе которого интенсивность (скорость) изнашивания снижается, а вторая - начало прогрессирующего (аварийного) изнашивания, при котором интенсивность изнашивания резко возрастает. Данный тип зависимости, по мнению И.Б. Гурвича [40-42], распространяется на все виды сопряжений деталей. Удобство этой формы зависимости заключается в простоте обработки экспериментальных данных с помощью стандартных программ. Однако она является лишь аппроксимирующей и не отражает физического смысла процессов трения и изнашивания. Вследствие этого трудно объяснить наличие отличного от нуля свободного члена уравнения (ао) и тем более тех случаев, когда < О [40^42].

В ряде исследований [54, 77, 78, 91] зависимость износа деталей от наработки предложено описывать степенным выражением:

5 = 5о + сот", (1.2) где ^о - износ детали в конце приработки, приведенный к началу эксплуатации; со - угловой коэффициент, характеризующий интенсивность изнашивания; п - показатель степени (при п > 1 интенсивность изнашивания возрастает в процессе эксплуатации, при п < 1 - снижается, при п = 1 она постоянна), т - наработка, ч.

Этот тип зависимости является более универсальным, так как справедлив для сопряжений и с повышающейся, и с понижающейся, и с постоянной в процессе эксплуатации интенсивностью (скоростью) изнашивания. Однако он тоже может быть аппроксимирующим, так как не отражает физической сущности процессов трения и изнашивания.

В работе [123] в качестве модели зависимости износа от наработки / предложена показательная зависимость:

5 = (5, + А)-10 ^л — И, (1.3) где - средний износ, мкм, после периода проработки А — коэффициент долговечности; к — смещение кривой износа.

Однако данная зависимость распространяется авторами на все детали независимо от условий их работы, что является необоснованным утверждением, не учитывающим физических процессов трения и изнашивания.

Наиболее обоснованными являются полученные профессором Ф.Н. Авдонькиным экспоненциальные зависимости износа от наработки [1-6]. Все типы подвижных сопряжений деталей им разделены на три вида: динамически нагруженные, саморазгружающиеся и с неизменным давлением в зоне трения с износом деталей. Для динамически нагруженных сопряжений, кроме действия основных нагрузок, из-за наличия зазоров в сопряжениях появляются дополнительные динамические нагрузки, обусловленные ускоренным относительным перемещением деталей в пределах зазора.

Ф.Н. Авдонькин получил прямо пропорциональную зависимость скорости изнашивания а от износа А^ [2]: а = ао + М, (1.4) где ССо — скорость изнашивания в конце периода приработки, мкм/тыс. ч; Ъ - изменение а на единицу износа, 1/тыс. ч. Поскольку а = сЫс!т, (1.5) то, интегрируя уравнение (1.4), он получил экспоненциальную зависимость скорости изнашивания а и износа 5 деталей от наработки (рис. 1.4): а = а₀е , (1.6)

5 = (1.7) где ССо, 5о — соответственно скорость изнашивания и износ в конце приработки, приведенные к началу эксплуатации (т = 0); Ь — изменение скорости изнашивания на единицу износа деталей.

Для саморазгружающихся сопряжений также получены экспоненциальные зависимости [1-6] (см. рис. 1.4): ос = а₀ё ; (1.8) S = S₀ + S₀(l (1.9)

Для сопряжений с давлением в зоне трения, не зависящим от износа при установившихся условиях трения, получены соответствующие зависимости (см. рис. 1.4): a = a₀=const, (1-Ю) S = S₀ + ax. (1.11)

Рис. 1.4. Зависимость интенсивности изнашивания а и общего износа Б от износа ДО после приработки (а) и наработки 1 (б, в) для различных типов сопряжений: 1 - динамически нагруженные; 2 - саморазгружающиеся; 3-е неизменным в процессе изнашивания давлением в зоне трения [1-6]

Зависимости (1.5)—(1.11) справедливы при установившихся (неизменных) условиях трения: материал деталей, состав масла, давление в зоне трения, скорость относительного перемещения, концентрация и дисперсность абразивных частиц в зоне трения, шероховатость поверхности. В процессе эксплуатации автомобиля все указанные условия трения изменяются в допустимых пределах, поэтому параметры приведенных зависимостей носят стохастический характер. В отдельных случаях в процессе эксплуатации изменяются и условия трения.

Так, в зависимостях (1.6)-(1.11) учтено, что износ деталей сопряжений вызывает изменения давления в зоне трения, что и обусловливает их нелинейный характер в зависимости от наработки. В процессе эксплуатации и изнашивания деталей сопряжений чаще всего изменяются состав смазочного материала, концентрация и дисперсность абразивных частиц в зоне трения. При периодичности замены смазочного материала, гораздо меньшей ресурса деталей, при прогнозировании износа деталей изменением состояния масла можно пренебречь и считать его в среднем неизменным. Если же периодичность замены масла соизмерима с ресурсом деталей, то изменением его состояния в процессе эксплуатации при прогнозировании износа пренебрегать уже нецелесообразно.

В связи с тенденцией увеличения периодичности замены современных масел следует учитывать их состояние в процессе эксплуатации. Особенно это относится к концентрации абразивных частиц в виде пыли и продуктов изнашивания и окисления. В условиях повышенной запыленности воздуха и некачественной очистки воздуха и масла, что характерно для двигателей и других агрегатов при работе в условиях сельского хозяйства, для прогнозирования износа деталей необходимо учитывать изменение концентрации абразивных частиц в зоне трения.

В цилиндро-поршневой группе в сопряжении кольца с гильзой снижение упругости колец вследствие изнашивания их и гильз приводит к уменьшению давления в зоне трения. При отсутствии или малой концентрации абразивных частиц в масле это вызывает сокращение скорости изнашивания с ростом износа колец и гильз. Однако при повышенной концентрации абразивных частиц снижение давления в зоне трения способствует увеличению количества проникающих в зону трения абразивных частиц, вызывающих повышение скорости изнашивания деталей. Для такого типа сопряжений зависимость скорости изнашивания а деталей от их износа Д принята в работах [1-6] линейной: а = а ₀-ЬАЯ, (1.12) где Ь - снижение интенсивности изнашивания на единицу износа.

Однако при повышенной концентрации абразивных частиц в силу указанных причин уравнение (1.12) точнее записать в виде: а = а₀ -6М + СМ = а₀ -(б-ОДО, (1.13) где С - увеличение скорости изнашивания на единицу износа из-за повышения концентрации абразивных частиц в зоне трения при снизившемся давлении.

Уравнение (1.13) свидетельствует о различном характере кривых изнашивания деталей саморазгружающихся сопряжений. Если Ъ > С, что справедливо при малой концентрации абразивных частиц (КАЧ), то скорость изнашивания в процессе эксплуатации снижается (1.8), а износ возрастает по затухающей экспоненциальной зависимости (1.9). Если Ъ — С при средней КАЧ, то скорость изнашивания в процессе эксплуатации постоянна, а износ в зависимости от наработки возрастает линейно (1.11). Если Ь < С, что характерно для повышенной КАЧ, то скорость изнашивания в процессе эксплуатации увеличивается (1.5); и износ в зависимости от наработки возрастает экспоненциально (1.7). О наличии всех трех случаев для саморазгружающихся сопряжений свидетельствуют и экспериментальные данные, как наши, так и полученные другими исследователями [1-4, 37, 40-42,46,47] (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Зависимости среднего износа гильз цилиндров в зоне остановки верхнего компрессионного кольца в плоскости качания шатуна от наработки двигателей: а - ЗИЛ-130; б - КамАЗ-740; в - ЯМЗ-2Э8НБ [46]

В условиях малой запыленности у двигателей ЗИЛ-130 (хорошая очистка воздуха) наблюдается снижение интенсивности изнашивания гильз цилиндров в процессе эксплуатации (Ъ < С). При средней запыленности из- за недостатков очистки воздуха во впускном тракте двигателей КамАЗ-740 [46] имеет место постоянная интенсивность изнашивания в процессе эксплуатации (Ъ = С). У тракторных двигателей ЯМЗ-238НБ, работающих в основном в условиях повышенной запыленности, скорость изнашивания вырастает (Ъ < С). О повышении скорости изнашивания гильз цилиндров в процессе работы свидетельствуют и экспериментальные данные [40—42], полученные по результатам ускоренных стендовых испытаний за счет повышения концентрации абразивных частиц (рис. 1.6).

По динамически нагруженным сопряжениям повышение скорости изнашивания с ростом зазора в сопряжении (износа) Ф.Н. Авдонькиным объяснялось увеличением работы удара деталей. Однако при нормальной работе таких сопряжений (например, подшипники коленчатого вала), соударение поверхностей крайне редко. Увеличение скорости изнашивания с ростом зазора в сопряжении в этом случае можно объяснить более динамичным (переменным) режимом работы сопряжения с прямо пропорциональным увеличением амплитуды напряжения с учетом вероятностного характера контактирования и соответствующим ростом скорости изнашивания по степенной зависимости [46]. Кроме того, скорость изнашивания возрастает еще вследствие большего количества абразивных частиц, попадающих в зону трения из-за увеличения зазора в сопряжениях.

5, мкм

Рис. 1.6. Зависимость максимального износа гильз цилиндров двигателей 3м3-53 от времени ускоренных стендовых испытаний [40-42]

1.2. Особенности сложившейся структуры эксплуатационно-ремонтного цикла дизелей

Техническое обслуживание - это комплекс работ для поддержания исправности или только работоспособности дизеля при подготовке и использовании его по назначению, при хранении или транспортировании.

Ремонт - комплекс работ для восстановления и поддержания исправности или работоспособности дизеля. Техническое обслуживание и ремонт выполняются для обеспечения безопасности и технико- экономических показателей дизелей, предусмотренных в нормативно- технической документации.

Целями технического обслуживания и ремонта дизелей являются: обеспечение постоянной готовности к длительной эксплуатации; предупреждение преждевременных износов деталей, способных привести к поломкам и аварии; своевременное выявление неисправностей дизелей и их устранение; контроль, а в случае необходимости и регулировка дизелей для получения паспортных данных по мощности, тепловому режиму, расходу топлива и масла и т.п.; накопление и анализ материалов, характеризующих износ и надежность отдельных элементов.

Техническое обслуживание, в отличие от ремонта, характеризуется выполнением работ по восстановлению дизеля, как правило, без снятия его с машины и без использования станочного оборудования, т. е. выполнением проточки, расточки, шлифовки и других операций по восстановлению изношенных или поврежденных деталей.

Виды технического обслуживания и ремонта дизелей различаются в зависимости от исполнителей работ, объема и номенклатуры работ и времени выполнения [19]. В результате рассмотрения систем ТО и ремонта по нескольким отраслям [19, 46] обобщенная схема видов ТО и ремонта приведена на рис. 1.7.

Техническое обслуживание и ремонт, предусмотренные в нормативно- технической документации, осуществляемые в плановом порядке, называются плановыми. Если вид технического обслуживания и ремонта предусмотрен в документации, но выполняется в неплановом порядке, он называется неплановым. Плановые технические обслуживания проводят в процессе использования дизеля по назначению, его хранения и транспортирования.

Ежедневное обслуживание включает в себя комплекс работ по внешнему осмотру дизеля, проверке показаний контрольно-измерительных приборов, проверке и подготовке к введению в действие или остановке обслуживающих дизель систем воздуха, топлива, масла и воды, выборочной проверке отдельных элементов системы управления дизелем, топливоподготовки и автоматики. При длительной стоянке (более 24 ч) производят проворачивание коленчатого вала, пробный пуск и прослушивание дизеля.

При подготовке к использованию

При хранении и транспортировании

Технический контроль

-а н о О к Е Е сЗ сз П. и о и а. эк 2 н к с га Ы о С о а

Выполняемые мотористом

Рис. 1.7. Виды технического обслуживания и ремонта дизелей [19, 4, 49]

Необходимость этой работы связана с возможными попаданиями воды в цилиндры дизеля при появлении трещин в головках блока цилиндров и моноблоках. Конкретный комплекс работ ежедневного технического обслуживания определяется особенностями двигателя и характером эксплуатации. Оно обеспечивает подготовку дизеля к использованию по прямому назначению.

Виды очередного планового технического обслуживания обозначаются порядковыми номерами (по мере возрастания сложности и объема работ), причем каждый последующий вид включает в себя обязательное выполнение предыдущего.

ТО-1 минимально по объему и соответствует наработке на отказ дизеля - минимальному периоду между техническими обслуживаниями, требующими остановки дизелей. Период между ТО, как правило, для современных конструкций дизелей ограничен работоспособностью распылителей форсунок [19,4, 49].

Приведенный в табл. 1.4 объем технического обслуживания по наработке остается практически неизменным, поэтому при оптимизации эксплуатационно-ремонтного цикла может не учитываться.

Номенклатура работ технического обслуживания [19, 4, 49]

Таблица 1.4

Окончание табл. 1.4

При увеличении наработки дизелей с начала эксплуатации объем переборки возрастает, а при определенной наработке переборка в объеме текущего ремонта (только подъем поршней) оказывается недостаточной для восстановления эксплуатационных характеристик дизеля: расхода топлива и масла, ресурса непрерывной работы и ресурса до переборки и т.д. В этом случае выполняют средний или капитальный ремонт дизеля.

Средний ремонт осуществляется ремонтным предприятием для восстановления эксплуатационных характеристик дизеля до очередного среднего или капитального ремонта. При среднем ремонте производят разборку дизеля, дефектацию, ремонт или частичную замену деталей ЦПГ и подшипников коленчатого вала, последующую сборку и регулировку. Характерными для среднего ремонта дизелей являются работы по восстановлению посадочных поясов гильз в блоках цилиндров, замене поршней или проточке поршневых канавок для установки ремонтных колец, выборочная замена шатунных и коренных подшипников коленчатого вала.

Капитальный ремонт осуществляется специализированным ремонтным предприятием с целью восстановления исправности и полного или близкого к полному -восстановлению ресурса дизеля. При капитальном ремонте производят полную разборку и дефектацию дизеля с заменой или восстановлением любых его частей, включая базовые. Капитальный ремонт может быть обезличенным. В этом случае восстановительные операции выполняют без учета принадлежности восстанавливаемых деталей и сборочных единиц к определенному экземпляру данного типа двигателя. При обезличенном ремонте стремятся все же сохранить комплектацию базовых деталей, т. е. картера, блока, коленчатого вала, шатунов, привода газораспределения и насосов.

Важным элементом системы технического обслуживания и ремонта дизелей является надзор за их техническим состоянием и содержанием. По существу это специфический вид технического обслуживания, так как характеризуется вполне определенным комплексом работ и исполнителей. Технический контроль заключается в проверке содержания и технического состояния дизелей в процессе эксплуатации и хранения, соблюдения требований нормативно-технической документации по техническому обслуживанию и ремонту, правил и требований контролирующих организаций, анализе данных проверок и материалов, характеризующих износ и надежность дизелей, для разработки мероприятий по совершенствованию системы технического обслуживания и ремонта. Технический контроль осуществляется в процессе выполнения теплотехнических обследований и теплодинамических испытаний (контрольных, контрольно-наладочных, паспортных и специальных) и инспекторских осмотров.

Собранные нами статистические данные по наработке дизелей Д-12 до ремонта и основным причинам снятия в ремонт показали, что основная доля отказов приходится на подшипники коленчатого вала и цилиндро- поршневую группу (табл. 1.5).

Средняя наработка дизелей Д-12 до текущего ремонта составляет 4750 ч при коэффициенте вариации 0,424 (рис. 1.8), что свидетельствует о близости распределения наработки закону Вейбулла по минимуму критерия X Пирсона или логарифмически нормальному, которые свидетельствуют о наличии преимущественно внезапных отказов [57, 58].

Таблица 1.5

Причины снятия дизелей Д-12 в ремонт

Частость, %

1 234 567 8 9 Г, ШЫС. Ч

Рис. 1.8. Распределение наработки дизелей Д-12 до ремонта

Обработка статистических данных по проводимым заменам деталей при ремонте дизелей Д-12 позволила определить типичные работы по устранению их отказов (табл. 1.6).

Таблица 1.6

Типичные работы по устранению отказов двигателя Д-12

Упорядочение этих данных по наработке позволило установить сложившуюся структуру эксплуатационно-ремонтного цикла (ЭРЦ) дизелей Д-12 (табл. 1.7).

Таблица 1.7

Характерная сложившаяся структура ЭРЦ двигателя Д-12

Сложившаяся структура ЭРЦ обусловливает большие затраты на обеспечение .работоспособности дизелей Д-12, которые в 6-8 раз превышают затраты на их изготовление.

1.3. Выводы и задачи исследования

Проведенный анализ состояния вопроса по обеспечению работоспособности дизелей в процессе эксплуатации позволяет сделать следующие выводы.

В процессе эксплуатации дизелей происходит закономерное изменение технического состояния их основных элементов вследствие изнашивания, усталости, коррозии, остаточных деформаций.

Обоснованы экспоненциальные уравнения кривых изнашивания деталей динамически нагруженных и саморазгружающихся сопряжений двигателя.

Недостаточно исследованы процессы фреттинг-изнашивания в неподвижных сопряжениях коренных опор (картер - крышка, опора - коренной вкладыш), шатунных подшипников (нижняя головка шатуна - шатунный вкладыш).

Основная доля отказов и затрат труда, времени и средств на их устранение приходится на подшипники коленчатого вала и цилиндро- поршневую группу.

Сложившаяся структура эксплуатационно-ремонтного цикла дизелей Д-12 содержит различные виды технического обслуживания, а также текущий и капитальный ремонты, которые проводятся в основном по стратегии устранения отказа. Это обусловливает значительные затраты на обеспечение работоспособности дизелей в процессе эксплуатации, которые в 6-8 раз превышают затраты на их изготовление.

В связи с этим целью настоящей работы является разработка ресурсосберегающей структуры эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей на основе анализа изменения технического состояния в процессе эксплуатации.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования.

Теоретически обосновать зависимости овальности коренных опор и нижней головки шатуна от наработки.

Разработать методику определения наработки до ремонта двигателей с учетом обоснования взаимного влияния технического состояния и отказов основных элементов с учетом конструктивных особенностей.

Экспериментально проверить аналитические зависимости показателей технического состояния двигателей от наработки в условиях эксплуатации.

Разработать структуру эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей и технологию их предупредительного ремонта.

Дать технико-экономическую оценку результатов исследования и практические рекомендации.

2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДИЗЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Изменение технического состояния цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и подшипников коленчатого вала (ПКВ) в процессе эксплуатации дизелей обусловлено изнашиванием деталей, изменением их геометрической формы, усталостью, коррозией. Вследствие этих процессов изменяются и диагностические параметры, по которым можно уточнять наработку до ремонта. Рассмотрим эти элементы дизеля подробнее.

2.1. Конструктивные особенности и режимы работы дизеля

Основным базовым элементом дизеля Д-12 (рис. 2.1) является блок-: картер, состоящий из трех частей: верхний и нижний картеры и блок цилиндров [123].

Картер является основанием для монтажа всех узлов и деталей дизеля (прил. Б). Положение верхней и нижней частей картера зафиксировано четырьмя призонными болтами. В семи коренных опорах картера на" подшипниках скольжения в виде разъемных вкладышей установлен коленчатый вал. Вкладыши залиты свинцовистой бронзой. Последний вкладыш (считая со стороны передачи) - упорный, с буртами, ограничивающими осевое перемещение коленчатого вала. На верхней части картера под углом 60 друг к другу установлены два блока цилиндров, закрепленные на картере стяжными шпильками. Положение блока зафиксировано двумя парами штифтов, запрессованных в картер. На специальных кронштейнах установлены масляный фильтр, топливный насос, зарядный генератор и стартер. На нижней части картера установлены топливоподкачивающий, водяной (циркуляционный) и масляный насосы.

Рис. 2.1. Поперечный разрез дизеля Д-12

Блок цилиндров состоит из рубашки цилиндров, шести стальных гильз цилиндров и головки блока с крышкой.

Для прохода стяжных шпилек в рубашке просверлено четырнадцать сквозных отверстий (колодцев), отделенных от охлаждающих полостей. В нижней рубашке имеются отверстия, соединенные с колодцами и предназначенные для контроля над отсутствием попадания жидкости и масла в колодцы.

Рубашка соединена с головкой сшивными шпильками. Положение головки относительно рубашки фиксируется двумя парами штифтов.

Коленчатый вал (прил. В) имеет семь коренных шеек и шесть кривошипов с шатунными шейками, расположенных попарно в трех плоскостях под углом 120 друг к другу. Шейки вала полые, полости соединены между собой каналами в шейках кривошипов. При работе дизеля масло подводится в полость хвостовика и далее через каналы и полости — к коренным и шатунным шейкам. Установленная на хвостовике шестерня предназначена для привода механизма передач вращения агрегатам дизеля.. На ободе маховика закреплен зубчатый венец, предназначенный для пуска дизеля стартером.

Отверстия для штифтов в маховике и во фланце коленчатого вала, а также поверхности маховика для крепления муфт обработаны совместно, поэтому перестановка маховика с одного вала на другой не допускается.

Главные и прицепные шатуны (прил. Г) соединенны пальцем. В головках прицепного шатуна и в верхней головке главного шатуна "запрессованы втулки. В нижней головке главного шатуна установлены стальные вкладыши, залитые свинцовистой бронзой. На полке шатуна указана его масса.

Поршни соединены с шатунами пальцами, осевое перемещение которых ограничено заглушками. В две верхние канавки поршня установлены уплотнительные кольца трапецеидального сечения, а в третью канавку - два маслосъемных кольца. Верхнее кольцо - двутаврового сечения с дренажными лунками на верхней поверхности.

Основные технические данные двигателя Д-12: мощность на фланце основного отбора мощности — 294 кВт; частота вращения коленчатого вала на полной мощности — 1600 мин^-1; максимальная частота холостого хода — 1800 мин^-1; частота вращения коленчатого вала при прогреве без нагрузки — 600-800 мин^-1; расход масла на угар на полной мощности - 7,5 г/кВт -ч; время работы при частоте вращения 1600 мин^-1 на 50—100 % мощности — 75-95 % всего времени работы двигателя.

Режим работы дизелей Д-12 в составе электростанции характеризуется преимущественно постоянной частотой вращения [10] коленчатого вала п= 1500 мин^-1 и постоянной нагрузкой в среднем 80% от номинальной, переходные режимы (пуск, разогрев) не превышают 1 % времени работы.

Таким образом, по классификации режимов работы [10] дизели Д-12 работают основную долю времени в установившемся постоянном режиме.

2.2. Цилиндро-поршневая группа

2.2.1. Сопряжение кольцо - гильза

Данное сопряжение является саморазгружающимся по классификации профессора Ф.Н. Авдонькина [1-4], т. е. по мере изнашивания гильз и колец скорость изнашивания ОС снижается: а = а₀-ЬА8, (2.1) где а о - скорость изнашивания в конце приработки, мкм/тыс. ч; Ь — изменение интенсивности изнашивания на единицу износа 1/тыс. ч.

Поскольку а = —, то интегрирование и преобразование дифференциального уравнения (2.1) позволяет получить зависимость скорости изнашивания и износа от наработки: а = ще^Ьх; (2.2) S = S₀ + S₀(l-e-^ln)_i ' (2.3) где Sq - износ, мкм; (Xo - скорость изнашивания в конце приработки, приведенные к началу эксплуатации, мкм/тыс. ч.

По результатам исследования профессора A.C. Денисова [46], вследствие неравномерности изнашивания и остаточной деформации в процессе эксплуатации возрастает овальность гильз цилиндров по зависимости (2.3), где вместо S присутствует - овальность (8q - овальность в конце приработки, приведенная к началу эксплуатации).

Поскольку уравнение (2.3) является приближенным, поэтому целесообразно использовать аппроксимирующую квадратичную зависимость: S = S₀+ ат- Ьт², (2.4) где а, b - экспериментальные параметры; т - наработка, ч.

По аналогичной зависимости изменяется и овальность гильз цилиндров.'

2.2.2. Сопряжение торец поршневого кольца - канавка поршня

Данное сопряжение относится, по классификации профессора Ф.Н. Авдонькина [4-5], к динамически нагруженным, в которых по мере изнашивания интенсивность (скорость) изнашивания возрастает: a = a₀+bAS, (2.5)

Интегрирование уравнения (2.5) позволяет получить зависимость а и S от наработки т: а = а₀е^ь\ (2.6) S = S_Qe^b\ (2.7)

Техническое состояние данного сопряжения определяет величину расхода масла на угар, который обусловлен насосным действием колец в канавках поршня. Производительность этого «насоса» прямо пропорциональна «ходу поршня», т. е. кольца в зазоре [4-5]. Поэтому зависимость расхода масла Q на угар после приработки в процессе эксплуатации возрастает также по экспоненциальной зависимости: Q = Q^^b\ (2.8) где Qo - расход масла на угар в конце периода приработки, приведенной к началу эксплуатации; b - параметр интенсификации, аналогичен параметру в зависимости (2.7)

2.3. Подшипники коленчатого вала 2.3.1. Коренные подшипники

Техническое состояние коренных подшипников характеризуется износом и овальностью коренных шеек коленчатого вала, износом вкладышей, геометрической формой коренной опоры картера (овальность), соосностью коренных шеек вала и коренных опор картера, а также зазорами в подшипниках.

Коренные подшипники относятся к динамически нагруженным сопряжениям. Для показателей износа, зазора в сопряжении профессором Ф.Н. Авдонькиным обоснована экспоненциальная зависимость от наработки, аналогичная (2.7) [1-6]. Для показателей макрогеометрии коленчатого вала профессором A.C. Денисовым обоснованы аналогичные экспоненциальные зависимости [46] (овальность шеек, прогиб (биение) коренных шеек). Для прогнозирования этих показателей необходима экспоненциальная зависимость в общем виде:

У = Уо*'^П, (2.9) где уо - значение показателя технического состояния в конце приработки, приведенное к началу эксплуатации; b - параметр интенсификации.

Вследствие повышения зазора в коренных подшипниках возрастает расход масла через него. Так как на долю коренных подшипников приходится 60-70 % расхода масла, давление в смазочной системе снижается. В соответствии с исследованиями профессора A.C. Денисова [46, 47], зависимость давления в смазочной системе на конкретном скоростном, тепловом, нагрузочном режиме от наработки - снижающаяся экспоненциальная: _ -Ь_? т

Р-Ро^е , (2.10) где ро - давление в конце приработки, приведенное к началу эксплуатации; Ь_р - параметр интенсификации.

При низком скоростном режиме двигателя давление в системе смазки снижается сразу же с начала эксплуатации, а при номинальном скоростном режиме, когда давление ограничивается редукционным клапаном, давление некоторое время после начала эксплуатации остается постоянным (согласно регулировке .редукционного клапана), а затем снижается по мере увеличения зазоров в подшипниках коленчатого вала. Геометрический смысл параметров ро и Ь_р показан на рис. 2.2.

fbj < Jb₃,f

Рис. 2.2. К понятию смысла параметров р₀ и Ь_р: р_р - давление, ограниченное редукционными клапанами [46]

Рис. 2.4.

Более сложные процессы происходят в коренных опорах верхнего картера (рис. 2.3, прил. Б). Здесь упругим деформациям подвергаются шпилька и крышка. Поскольку двигатель Д-12 У-образный (см. рис. 2.1), нагрузки на опору отклонены от вертикали в обе стороны на 60. Вследствие этого максимальные газовые нагрузки образуют эпюру давлений с двумя максимумами через 60 (рис. 2.4). Эти нагрузки являются циклическими и действуют с различными углами поворота коленчатого вала. Тем не менее равнодействующая этих сил () при нарушениях масляного слоя в коренных подшипниках передается от поршня через шатун и коленчатый вал к коренной опоре (рис. 2.5).

Рис. 2.3. Коренная опора двигателя Д-12

Эпюра газовых и инерционных нагрузок на коренную опору

Рис. 2.5. Схема действия равнодействующей газовых сил

Следствием действия этой силы являются: изгиб шпильки; износ шпильки по призонному поясу; растяжение шпильки вертикальной составляющей; нарушение резьб шпилек и картера; потеря неподвижного характера сопряжения верхнего картера и крышки коренной опоры (см. рис. 2.6). Горизонтальная составляющая равнодействующей силы ()_х: е,=есо8бо, (2.11) а вертикальная составляющая ()у\

2,= бет 60. (2.12)

Изгибающий момент достигает максимума в середине призонного пояса (рис. 2.6), где вызывает увеличение зазора и возникновение дополнительных динамических нагрузок. Аналогично и часть горизонтальной составляющей в:=вл- (2-13) (/ф - коэффициент трения) нагружает изгибающим моментом крышку коренной опоры (рис. 2.7). Здесь максимум изгибающего момента наступает на стыке картера и крышки (см. рис. 2.7). Изначально неподвижное это сопряжение [123] становится подвижным и вызывает дополнительные динамические нагрузки.

Рис. 2.6. Схема нагружения шпильки коренной опоры

Таким образом, действующие дополнительные динамические нагрузки в коренной опоре вызывают фреттинг-изнашивание в неподвижном сопряжении картера с крышкой, а также вследствие повышения амплитуды вибраций — в сопряжении вкладыш - крышка. Это обусловливает неравномерное изнашивание крышки коренной опоры. В результате она приобретает форму овала. Внешний вид коренных вкладышей с наружной стороны свидетельствует о том, что это неподвижное изначально сопряжение (натяг 0,03-0,06 мм [123]) в результате фреттинг-изнашивания становится подвижным. На вкладыше с внешней стороны, на коренной опоре и крышке после наработки появляются следы изнашивания (рис. 2.8). Особенно они заметны в средней части вкладыша, где наиболее сильное воздействие от затянутых шпилек.

Рис. 2.7. Схема нагружения крышки коренной опоры

Для оценки остаточных деформаций элементов опоры следует выполнить расчет напряжений и сравнить их с допустимыми значениями или с пределом текучести.

Рис. 2.8. Следы фреттинг-изнашивания на крышке коренной опоры, сопряженной с картером (а), с вкладышем (б), при проворачивании вкладышей (в), на тыльной стороне вкладыша (г)

Из приведенных на рис. 2.4-2.7 схем нагружения и действия сил видим, что на шпильку опоры действует вертикальная составляющая Ру/2 (2.12). Для расчетов можно принять, что по оси цилиндра действует газовая сила Р_г: тг>² = > (2-14) где р - максимальное давление в цилиндре, для дизелей р = 7 МПа [117]; > - диаметр поршня, м, О — 0,15 м.

Напряжение в самом узком сечении шпильки <т_ш: ^(2Л5) ш ""ш где - площадь поперечного сечения шпильки, м ; с1_ш - диаметр шпильки в самом узком сечении (/_ш = 0,02 м).

Расчеты по приведенным формулам (2.14) и (2.15) и значениям размеров деталей показывают, что а_ш = 98,4 МПа. Предел текучести для материала шпильки 40ХН2МА [117] составляет 800 МПа, а допустимое напряжение - 500 МПа при коэффициенте запаса прочности 1,6 [75].

Крышка коренной опоры подвергается в основном изгибающим нагрузкам. Напряжение при этом составляет:

М_и Рус — = —, (2.16) ^и } } где М_и - изгибающий момент, Н-м; г — плечо (целесообразно принять равное радиусу коренной опоры - 0,0525 м [123]); IV - момент сопротивления сечения на изгиб: — ; (2.17) _т аЪ² / = —-, (2.18) где 3- момент инерции сечения, м⁴; а - ширина сечения; Ъ - высота сечения.

Для данной конструкции картера а = 0,05 м; Ь — 0,095 м. Расчет по приведенным формулам и значениям размеров элементов картера показывает, что а_и = 12,3 МПа. Допустимое напряжение для материала картера (чугун СЧ 25) составляет 80 МПа [117].

Таким образом, проведенные расчеты показывают, что остаточные деформации элементов опоры маловероятны. С учетом цикличности нагружения ' возможно возникновение усталостных разрушений, т. е. деформации опоры, обусловлены в основном неравномерностью изнашивания из-за неравномерности эпюр нагружения.

Рассмотренные сопряжения коренной опоры являются динамически нагруженными. Следовательно, после потери натяга в них скорость изнашивания с износом возрастает. Возрастает при этом и скорость овализации, -что поясняется схемой на рис. 2.9. В неподвижном сопряжении- коренной опоры и коренных вкладышей' наибольшую жесткость имеют стыки вкладышей вследствие действия осевых сил от затяжки шпилек коренных опор. Поэтому здесь будут минимальная амплитуда вибраций и минимальная скорость изнашивания.

Рис. 2.9. Схема образования овальности коренной опоры вследствие фреттинг-изнашивания

В перпендикулярной плоскости жесткость вкладышей минимальна, так как усилие сюда передается через упругий вкладыш. Следовательно, здесь будут максимальная амплитуда вибраций и максимальная скорость изнашивания. Это подтверждается следами фреттинг-изнашивания на коренной опоре и на обратной стороне коренных вкладышей (см. рис. 2.8).

В соответствии с обоснованными профессором Ф.Н. Авдонькиным зависимостями скорости изнашивания от износа [1-6]: а! = а₀₁ + а₂=а₀₂ где а_ь а₂ - соответственно скорости изнашивания в вертикальной (первой) и горизонтальной (второй) плоскостях; аоь аог - скорости изнашивания в конце приработки; Ъ - изменение скорости изнашивания за единицу износа, 1/тыс. ч; 8г - износ, мкм.

Запишем выражение для скорости изнашивания Да:

Да = а, - а₂,

Да = а₀₁ - а₀₂ + - ЬБ₂. (2.19)

Для скорости овализации: а_Е = а_е0 +6е.

Учитывая, что скорость овализации а_с представляет собой производную от овальности по наработке (а_Е = с!е /с!т), определим зависимость овальности от наработки: х= = ./—^-— = -1-1 п(а_Е0+6в)+С_и или е^^Озо + Ье, (2.20) а_Е ос_е0 +8 Ь где С_и — постоянная интегрирования. Её смысл определяется из начальных условий: при т = 0 овальность в = 0, тогда е~^ьс" = сс_е0 .

С учетом этого и уравнения (2.19) после преобразования получим: а_Е=а_Е0е⁶\ (2.21) т. е. скорость овализации опор в процессе эксплуатации возрастает. Учитывая, что ав — производная от 8 по т, экспоненциальная зависимость справедлива и для е: = ₀?^6т, (2.22) где ₀ - овальность опоры в конце приработки, приведенная к началу эксплуатации, мкм.

Таким образом, в процессе эксплуатации вследствие потери натяга в сопряжениях крышки коренной опоры с картером и вкладыша с коренной опорой возрастает по экспоненциальной зависимости (2.22) овальность коренной опоры.

Особенности сложившейся структуры эксплуатационно- ремонтного цикла дизелей

Техническое обслуживание, в отличие от ремонта, характеризуется выполнением работ по восстановлению дизеля, как правило, без снятия его с машины и без использования станочного оборудования, т. е. выполнением проточки, расточки, шлифовки и других операций по восстановлению изношенных или поврежденных деталей.

Виды технического обслуживания и ремонта дизелей различаются в зависимости от исполнителей работ, объема и номенклатуры работ и времени выполнения [19]. В результате рассмотрения систем ТО и ремонта по нескольким отраслям [19, 46] обобщенная схема видов ТО и ремонта приведена на рис. 1.7.

Техническое обслуживание и ремонт, предусмотренные в нормативно- технической документации, осуществляемые в плановом порядке, называются плановыми. Если вид технического обслуживания и ремонта предусмотрен в документации, но выполняется в неплановом порядке, он называется неплановым. Плановые технические обслуживания проводят в процессе использования дизеля по назначению, его хранения и транспортирования.

Ежедневное обслуживание включает в себя комплекс работ по внешнему осмотру дизеля, проверке показаний контрольно-измерительных приборов, проверке и подготовке к введению в действие или остановке обслуживающих дизель систем воздуха, топлива, масла и воды, выборочной проверке отдельных элементов системы управления дизелем, топливоподготовки и автоматики. При длительной стоянке (более 24 ч) производят проворачивание коленчатого вала, пробный пуск и прослушивание дизеля.

Необходимость этой работы связана с возможными попаданиями воды в цилиндры дизеля при появлении трещин в головках блока цилиндров и моноблоках. Конкретный комплекс работ ежедневного технического обслуживания определяется особенностями двигателя и характером эксплуатации. Оно обеспечивает подготовку дизеля к использованию по прямому назначению.

Виды очередного планового технического обслуживания обозначаются порядковыми номерами (по мере возрастания сложности и объема работ), причем каждый последующий вид включает в себя обязательное выполнение предыдущего.

ТО-1 минимально по объему и соответствует наработке на отказ дизеля - минимальному периоду между техническими обслуживаниями, требующими остановки дизелей. Период между ТО, как правило, для современных конструкций дизелей ограничен работоспособностью распылителей форсунок [19,4, 49].

Приведенный в табл. 1.4 объем технического обслуживания по наработке остается практически неизменным, поэтому при оптимизации эксплуатационно-ремонтного цикла может не учитываться.

При увеличении наработки дизелей с начала эксплуатации объем переборки возрастает, а при определенной наработке переборка в объеме текущего ремонта (только подъем поршней) оказывается недостаточной для восстановления эксплуатационных характеристик дизеля: расхода топлива и масла, ресурса непрерывной работы и ресурса до переборки и т.д. В этом случае выполняют средний или капитальный ремонт дизеля.

Средний ремонт осуществляется ремонтным предприятием для восстановления эксплуатационных характеристик дизеля до очередного среднего или капитального ремонта. При среднем ремонте производят разборку дизеля, дефектацию, ремонт или частичную замену деталей ЦПГ и подшипников коленчатого вала, последующую сборку и регулировку. Характерными для среднего ремонта дизелей являются работы по восстановлению посадочных поясов гильз в блоках цилиндров, замене поршней или проточке поршневых канавок для установки ремонтных колец, выборочная замена шатунных и коренных подшипников коленчатого вала.

Капитальный ремонт осуществляется специализированным ремонтным предприятием с целью восстановления исправности и полного или близкого к полному -восстановлению ресурса дизеля. При капитальном ремонте производят полную разборку и дефектацию дизеля с заменой или восстановлением любых его частей, включая базовые. Капитальный ремонт может быть обезличенным. В этом случае восстановительные операции выполняют без учета принадлежности восстанавливаемых деталей и сборочных единиц к определенному экземпляру данного типа двигателя. При обезличенном ремонте стремятся все же сохранить комплектацию базовых деталей, т. е. картера, блока, коленчатого вала, шатунов, привода газораспределения и насосов.

Важным элементом системы технического обслуживания и ремонта дизелей является надзор за их техническим состоянием и содержанием. По существу это специфический вид технического обслуживания, так как характеризуется вполне определенным комплексом работ и исполнителей. Технический контроль заключается в проверке содержания и технического состояния дизелей в процессе эксплуатации и хранения, соблюдения требований нормативно-технической документации по техническому обслуживанию и ремонту, правил и требований контролирующих организаций, анализе данных проверок и материалов, характеризующих износ и надежность дизелей, для разработки мероприятий по совершенствованию системы технического обслуживания и ремонта. Технический контроль осуществляется в процессе выполнения теплотехнических обследований и теплодинамических испытаний (контрольных, контрольно-наладочных, паспортных и специальных) и инспекторских осмотров.

Собранные нами статистические данные по наработке дизелей Д-12 до ремонта и основным причинам снятия в ремонт показали, что основная доля отказов приходится на подшипники коленчатого вала и цилиндро- поршневую группу (табл. 1.5).

Технико-экономическая методика определения ресурса элементов двигателя

Для обоснования структуры эксплуатационно-ремонтного цикла (ЭРЦ) двигателя необходимы данные по ресурсу его элементов, т. е. по наработке до предельного состояния. При этом выполняется или предупредительный (ПР) или капитальный (КР) ремонт. Для разработки системы ПР элементов на основе закономерностей изменения технического состояния в процессе эксплуатации используем технико-экономическую методику обоснования ресурса элементов и объема ПР [46]. Взаимное влияние технического состояния элементов на уровне сопряжения свидетельствует об экономической целесообразности наиболее полного использования дорогостоящих элементов за счет своевременной замены дешевых, что является основой рациональной структуры обеспечения работоспособности сопряжений.

Рассмотрим методику использования экономического критерия для оценки предельного состояния и ресурса деталей основных сопряжений двигателя, для которого ПР является наиболее эффективным. Технический ресурс шеек коленчатого вала и гильз цилиндров более чем в два раза выше, чем соответственно вкладышей и поршневых колец, что свидетельствует о целесообразности технической замены вкладышей и поршневых колец без перешлифовывания шеек коленчатого вала и без замены гильз цилиндров и поршней.

Окончательно вопрос о целесообразности такой замены и о количестве таких замен должен решаться экономически. В данном случае экономический критерий - это минимум суммарных удельных затрат на приобретение дорогостоящих деталей (коленчатый вал, гильзы, поршни) и поддержание их работоспособности путем замены дешевых быстроизнашивающихся (вкладыши и поршневые кольца). Момент наступления этого минимума зависит от соотношения интенсивности изменения технического состояния деталей сопряжений до и после замены дешевых деталей.

Использование предельных значений показателей технического состояния, определенных в различных работах по техническим критериям [37, 38, 40, 41, 49], и зависимостей показателей технического состояния основных сопряжений двигателя от наработки позволяет оценить средний технический ресурс деталей, что может быть самым первым, предварительным этапом оценки ресурса деталей.

В основных сопряжениях, определяющих ресурс двигателя в целом, можно выделить две группы деталей, существенно различающихся стоимостью и ресурсом. Для подшипников коленчатого вала это коленчатый вал, с одной стороны, и вкладыши - с другой, а для цилиндро-поршневой группы - гильзы цилиндров и поршни, с одной стороны, и поршневые кольца - с другой. Вкладыши и поршневые кольца существенно дешевле коленчатого вала и гильз цилиндров с поршнями. Интенсивность изнашивания вкладышей в среднем в 3,5 раза выше, чем шеек коленчатого вала, а верхних компрессионных колец - в среднем в 4 раза выше, чем гильз цилиндров в верхнем поясе [46]. Это отражается и на средней величине технического ресурса, который для шеек коленчатого вала и гильз цилиндров в среднем в два раза выше, чем соответственно вкладышей и поршневых колец. Кроме того, значения технического ресурса деталей находятся в очень широких пределах, что затрудняет планирование ремонта двигателей.

Приведенные данные свидетельствуют о технической целесообразности замены вкладышей и поршневых колец без перешлифовывания шеек коленчатого вала и без замены гильз цилиндров и поршней.

Поскольку технический ресурс дешевых деталей имеет значительную вариацию по различным показателям технического состояния, рациональное значение наработки до замены дешевых деталей также целесообразно определять по экономическому критерию. В общем случае до капитального ремонта агрегата рациональная наработка до замены дешевых деталей определяется из условия минимума суммарных удельных затрат на дорогостоящие детали и замену дешевых, т. е.: где / — порядковый номер замены дешевых деталей; Слор - стоимость дорогостоящих деталей; С, - затраты, связанные с заменой (или установкой - С0) дешевых деталей; т,- - наработка до замены /-го комплекта дешевых деталей; п — количество замен.

Так как при определенном (рациональном) количестве замены дешевых деталей до капитального ремонта абсолютные затраты в числителе формулы (2.23) постоянны (практически не зависят от наработки), минимум целевой функции наступает при максимуме знаменателя, т. е.:

Для двигателей, как показано в ряде работ [3, 46, 47, 49], в период до капитального ремонта целесообразно проводить замену вкладышей и поршневых колец один раз. Поэтому условие (2.24) в этом случае упрощается для наработки до первой замены Т] и до второй т2: т. е. наработка до первой замены вкладышей и поршневых колец должна быть такой, чтобы общая наработка до капитального ремонта (до шлифования шеек коленчатого вала и до замены гильз и поршней) была наибольшей. В данном случае проявляется взаимное влияние технического состояния элементов на уровне деталей сопряжения. Как было показано в работах [46, 47], интенсивность изнашивания вкладышей и поршневых колец существенно зависит от макрогеометрических отклонений (овальности) соответственно шеек коленчатого вала и гильз цилиндров. Поэтому чем раньше производится замена вкладышей и поршневых колец, тем меньше будет овальность шеек коленчатого вала и гильз цилиндров и тем меньше интенсивность изнашивания второго комплекта вкладышей и поршневых колец, а следовательно, и больше их ресурс. Таким образом, сокращая ресурс первого комплекта дешевых деталей, продлеваем ресурс второго комплекта. При определенном значении наработки Т1 наступает максимум общей наработки (2.25).

Кроме возрастания овальности шеек коленчатого вала и гильз цилиндров на ресурс второго комплекта вкладышей и колец влияет и снижение давления в системе смазки вследствие повышенных зазоров в сопряжениях (особенно из-за износа шеек коленчатого вала). Это также повышает вероятность проворачивания вкладышей. Приведенные положения справедливы и для капитально отремонтированных двигателей, но с другими значениями рациональной наработки до замены, так как качество капитально отремонтированных двигателей существенно ниже, чем новых.

В цилиндро-поршневой группе двигателя кроме взаимного влияния технического состояния деталей сопряжений наблюдается влияние износа в основном сопряжении поршневых колец с канавками поршня на расход масла на угар, что влияет и на экономические условия работы двигателя. Как показано в работах [46, 47], расход масла на угар после окончания приработки возрастает по экспоненциальной зависимости (2.9). Аналогично будут расти и удельные затраты на масло для компенсации этих потерь. Сократить расход масла на угар можно путем замены поршневых колец. Однако наработка до замены должна быть такой, чтобы суммарные удельные затраты на приобретение поршневых колец и на компенсацию расхода масла на угар при этом были минимальными.

Методика аналитического исследования

При аналитическом исследовании в первую очередь требуется получить математические уравнения (модели), описывающие изменение параметров технического состояния основных элементов двигателя Д-12 в процессе эксплуатации, пригодные для практического прогнозирования ресурса данных элементов. Точность математической модели процесса необходимо повышать на ответственных операциях, важность которых следует выражать через экономические и технические показатели. Основные требования к математической модели: простота в обращении и использовании; представительность во всём диапазоне приложений; достаточная сложность, чтобы точно изобразить изучаемую систему [24].

Распространение полученных обобщений дальше определённых пределов повышает вероятностную ошибку. При моделировании кроме правильного определения целей исследования и критериев тщательно соблюдали методику.

Для получения математических моделей изменения параметров технического состояния элементов двигателя Д-12 в первую очередь были определены факторы, имеющие отношение к исследуемому сопряжению и влияющие на интенсивность его изменения в процессе эксплуатации.

В модель включены переменные величины, оказывающие основное влияние на исследуемый показатель, и опущены такие детали, которые не оказывают решающего влияния на окончательный результат. Данный вопрос решается с помощью ранжирования факторов на основе здравого смысла и личного опыта.

При математическом моделировании также учитывали условия работы рассматриваемого сопряжения (динамически нагруженное, саморазгружающееся, статическое) и на основе этого определяли вид зависимости изменения параметра технического состояния. При моделировании выводили специальные уравнения, описывающие рассматриваемую реальную систему, и не сводили уравнения обязательно к линейной зависимости. Для того, чтобы предсказать, как будет протекать исследуемый процесс, в системе поддерживали динамическое равновесие.

Математический аппарат для определения параметров аналитических зависимостей - регрессионный анализ с использованием способа наименьших квадратов. Погрешности параметров определяли по формулам теории вероятностей.

Полученные в результате аналитического исследования зависимости показателей технического состояния элементов двигателя Д-12 от наработки используются для определения ресурса сопряжения и предельного технического состояния.

Экспериментальное исследование состоит из двух частей: первая - сбор и обработка данных о надёжности основных элементов дизельного двигателя Д-12, основная цель - подробный анализ причин возникновения и сложности устранения отказов; вторая - получение данных по износам основных сопряжений для определения закономерностей изменения их технического состояния в процессе эксплуатации. Это позволит разработать нормативы предупредительного ремонта данных элементов и сформировать на основе этого оптимальную структуру эксплуатационно-ремонтного цикла (ЭРЦ) двигателей Д-12.

Как уже отмечалось, под влиянием условий эксплуатации, квалификации персонала, неоднородности состояния самих изделий, качества ТО- и ремонта и ряда других факторов интенсивность и характер изменения параметров технического состояния у разных двигателей будут различными. Поэтому если зафиксировать значение параметра, например, на уровне предельно допустимого Упд, то моменты достижения этого состояния (ресурса) тр будут различными - Ть Тг, Тз и т. д., т. е. наработка на отказ будет иметь вариацию (рассеивание).

Другими словами, момент достижения предельного состояния (наработка на отказ) дизеля Д-12 и его основных элементов является величиной случайной, носит вероятностный характер и может быть определен только непосредственным испытанием на надёжность и последующей математической обработкой результатов с использованием методов теории вероятностей и статистической обработки случайных величин.

Отказы в процессе эксплуатации двигателя возникают, как правило, в неопределённое время, образуя в течение достаточно длительного периода поток отказов. Вид потока отказов определяет свойства двигателя и критерии надёжности, аналитические зависимости между количественными характеристиками надёжности, а также методы её расчёта. Пробег (наработка) между лежащими рядом отказами в потоке является случайной величиной, которую можно определить с помощью методов теории вероятностей, но только в том случае, если известна функция распределения.

В теории надёжности наработка машины до отказа характеризуется дифференциальным законом распределения, который описывает интенсивность отказов по пробегу.

Для нахождения закона распределения случайных величин необходимо располагать достаточно широким статистическим материалом о надёжности агрегатов, узлов и систем.

Опорными пунктами для сбора информации об эксплуатационной надёжности дизельных двигателей Д-12 были взяты Саратовское и Энгельсское ремонтные предприятия. Сведения об отказах и неисправностях основных элементов дизеля получены в результате обработки ремонтных ведомостей. Всего за время исследования было проанализировано около 5 тыс. ремонтных ведомостей (в период с 2000 по 2008 год), что свидетельствует о высокой степени достоверности полученной информации и позволяет выяснить наиболее характерную (типичную) структуру ЭРЦ двигателей Д-12 в сложившихся условиях эксплуатации.

Ремонтные ведомости содержат: трудоемкость работ, наработку до отказов, отказы в эксплуатации, причины отказов, заменяемые детали в эксплуатации и ремонте, простои в ремонте, затраты на ремонт.

Методика обработки и анализа информации о надёжности сложных систем подробно рассмотрена в литературных источниках [4, 5, 56, 125] и сводится к тому, что составляется статистический ряд случайных величин (СВ) от 1 до п. Затем с использованием программного средства БТАИБИКА определяются статистические характеристики и критерии, расчетные формулы для которых приведены в прил. Д.

Согласно требованиям к методике экспериментального исследования, измерение износа деталей двигателей должно производиться с достаточно высокой степенью точности и таким образом, чтобы процесс измерения не оказывал влияния на изменение работоспособности в процессе эксплуатации.

Статистические данные по износу и изменению геометрической формы деталей дизельного двигателя Д-12 получали путём микрометрирования. Микрометражу подвергали рабочие поверхности деталей следующих элементов двигателя: цилиндры блока, поршневые кольца, шейки коленчатого вала, вкладыши.

Изменение технического состояния подшипников коленчатого вала двигателей Д-12 в процессе эксплуатации

Собранные по приведенной методике экспериментальные статистические данные по износу и макрогеометрии деталей ГПСВ двигателей Д-12 (30 двигателей) позволили построить кривые распределения и изнашивания и определить их параметры для оценки ресурса. На рис. 4.6 даны кривые распределения износа деталей ПКВ, а в табл. 4.3 - их параметры.

Судя по форме кривых и коэффициенту вариации, они редко описываются нормальным законом, характеризующим постепенные отказы.

Это свидетельствует о наличии внезапных отказов ПКВ в основном из- за нарушения правил технической эксплуатации дизелей Д-12.

Следовательно, для определения ресурса ПКВ дизеля целесообразно использовать закономерности изменения их технического состояния в процессе эксплуатации.

Кривые изнашивания и изменения макрогеометрии деталей ПКВ приведены на рис. 4.7, изменения зазоров в коренных и шатунных подшипниках — на рис. 4.8, давления в системе смазки — на рис. 4.9, а параметры их уравнений - Для повышения давления в системе смазки при наработке в среднем 4,5 тыс. ч обычно регулируют редукционный клапан, поэтому на рис. 4.9 приведены две кривые, параметры которых даны в табл. 4.4. т, тыс ч Т, тыс ч

Судя по параметру г2, экспериментальные данные с высокой степенью достоверности соответствуют аналитическим зависимостям.

1. Судя по форме кривых и параметрам распределения показателей технического состояния ЦПГ и ПКВ двигателей Д-12, они не всегда подчиняются нормальному закону распределения, характеризующему постепенные отказы. Часто возникают внезапные отказы, обусловленные нарушением правил эксплуатации.

2. Собранные экспериментальные данные с высокой степенью достоверности подтверждают полученные аналитические зависимости. Последние необходимы для определения ресурса двигателя при диагностировании, а также при дефектации во время проведения ремонта при обоснованной далее структуре эксплуатационно-ремонтного цикла двигателя.