Содержание к диссертации
Введение
2 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРИМЕНЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ДОБАВОК В МАСЛО ПРИ ПРОВЕДЕНИИ
ОБКАТКИ 43
2.1 Разработка модели расчета оптимальной шероховатости поверхности пары трения кольцо - гильза цилиндра двигателя Д-240 44
2.2 Определение оптимального времени холодной обкатки 51
3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1 Моделирование процессов приработки деталей цилиндропоршневои группы на стенде 55
3.2 Условия и режимы проведения лабораторных исследований на смоделированном стенде 58
3.2.1 Способ закрепления и установка гильзы цилиндров и поршня 59
3.2.2 Установка приспособления для замера давления сжатия 60
3.2.3 Измерение температуры в момент проведения лабораторных исследований 61
3.2.4 Механические потери на трение, способ измерения 61
3.3 Методика проведения холодной обкатки пары трения кольцо - гильза цилиндра двигателя Д-240 на смоделированном стенде 62
3.3.1 Составление композиций моторного масла М10-Г2 и антифрикционных добавок 62
3.3.2 Обеспечение условий смазывания пары трения кольцо - гильза цилиндра Д-240 при обкатке на стенде 63
3.3.3 Выбор числа оборотов маховика разработанного стенда 63
3.3.4 Порядок проведения лабораторных исследований и время контроля данных 64
3.3.5 Определение температурного режима холодной обкатки 65
3.3.6 Определение концентрации антифрикционной добавки 66
3.3.7 Определение необходимого времени холодной обкатки 66
3.3.8 Проверка влияния антифрикционной добавки на работу других сопряжений двигателя Д-240 66
3.4 Методика измерения параметров шероховатости 67
3.5 Методика холодной обкатки дизельного двигателя в условиях ремонтного предприятия 68
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБКАТКИ
НА МАСЛЕ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ 70
4.1 Влияние антифрикционных добавок на параметры процессов обкатки 71
4.1.1 Механические потери на трение 72
4.1.2 Температура в зоне трения 76
4.1.3 Давление сжатия 78
4.2 Влияние теплового режима на процесс обкатки 82
4.3 Влияние концентрации добавки в масле на процесс обкатки 86
4.3.1 Давление сжатия 87
4.3.2 Механические потери 88
4.4 Исследование микрогеометрии рабочих поверхностей 90
4.5 Исследование влияния добавки СУРМ KB на работу других пар трения дизельного двигателя Д-240 101
4.6. Исследование влияния добавки СУРМ KB на процесс обкатки капитально отремонтированного дизельного двигателя на ремонтном предприятии 102
5 ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ПРИМЕНЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ДОБАВОК 107
ВЫВОДЫ 109
ЛИТЕРАТУРА
- Разработка модели расчета оптимальной шероховатости поверхности пары трения кольцо - гильза цилиндра двигателя Д-240
- Моделирование процессов приработки деталей цилиндропоршневои группы на стенде
- Влияние антифрикционных добавок на параметры процессов обкатки
- ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ПРИМЕНЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ДОБАВОК
Введение к работе
Двигатели внутреннего сгорания принадлежат к наиболее распространенному и многочисленному классу тепловых двигателей, т. е. таких двигателей, в которых тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в полезную работу. Из основных причин, способствующих широкому распространению двигателей внутреннего сгорания в различных сферах транспорта, промышленности и сельского хозяйства, необходимо указать на следующие: 1) поршневой двигатель внутреннего сгорания прост в конструкторском исполнении, технологичен в производстве, не требует применения дорогостоящих материалов для изготовления; 2) благодаря цикличности рабочего процесса и высоким температурам (не достижимым для других энергоустановок) обеспечивает сравнительно низкие температуры рабочих деталей, чем достигаются высокая термическая эффективность цикла и надежность в эксплуатации [71].
Среди современных энергетических установок двигатель внутреннего сгорания имеет наибольшие термический и эффективный коэффициенты полезного действия [7, ] 5, 35, 66, 73].
Долговечность тракторных двигателей составляет 6000-8000 мото-ч., пробег автомобилей до первого капремонта - 250-300 тыс.км [59, 60, 61, 81].
Являясь достаточно сложным агрегатом, любой двигатель должен включать в себя достижения постоянно развивающихся различных направлений и отраслей науки: химии и физики, гидравлики и аэродинамики, теплотехники и электроники, металлургии и сопротивления материалов, математики и вычислительной техники и т.д.
Процесс сгорания - основной процесс рабочего цикла двигателя. На характер протекания процесса сгорания оказывает влияние большое число различных факторов: параметры процессов впуска и сжатия, качество распыли-вания топлива, частота вращения коленчатого вала двигателя и т.д. Зависимость параметров процесса сгорания от целого ряда факторов, а также физи- ко-химическая сущность процесса сгорания моторного топлива изучены недостаточно полно.
Нарушения или отказы в работе, связанные с износом, вызывают длительный простой оборудования, значительный расход запасных частей, усложняют эксплуатацию машин и их обслуживание. Статистический анализ показал, что 85-90% [61] машин выходит из строя в связи с износом трущихся соединений. В двигателях внутреннего сгорания - это, прежде всего, износ поршневых колец и гильз цилиндров, шатунных и коренных шеек коленчатых валов, вкладышей, кулачков распределительных валов, толкателей и других деталей. Двигатели внутреннего сгорания весьма часто выходят из строя в связи с задиром пар трения.
За последние годы получили развитие трибология - наука о трении и изнашивании, триботехника - техническое лрилонсение трибологии. Создана молекулярыо-механическая теория трения и усталостная теория износа твердых тел, получены расчетные формулы, которые уже сейчас позволяют инженерам на стадии проектирования оценивать и прогнозировать долговечность того или иного узла трения. Создана контактно-гидродинамическая теория смазки твердых тел.
Эффективные показатели двигателя тем лучше, чем выше теплоис-пользование и меньше механические потери. При работе двигателя в условиях разных нагрузок и скоростных режимов (при прочих равных условиях) снижение механических потерь обусловливает уменьшение количества теплоты, отдаваемой окружающей среде, и тепловой напряженности сопряженных деталей. Чем меньше потери на трение, тем меньше нужно отводить теплоты и затраты мощности на привод агрегатов системы охлаждения и смазочной системы снижаются. Конструктивные размеры агрегатов системы охлаждения при этом могут быть уменьшены. При малых потерях на трение снижается так же износ основных трущихся пар двигателя.
К наиболее эффективным мероприятиям по снижению потерь на трение следует отнести уменьшение площади контактных поверхностей, совер-
7 шенствование их формы и качества обработки, улучшение качества применяемых масел, оптимизацию теплового состояния двигателя и улучшение приработки сопряженных поверхностей в процессе обкатки.
В соответствии с требованиями ГОСТ 18523-79 [17] ремонтные предприятия обязаны при капитальном ремонте подвергать обкатке и приемосдаточным испытаниям каждый тракторный и комбайновый двигатель.
Обкатка, как заключительный этап в технологическом процессе, позволяет определить качество ремонта двигателя, состояние узлов и деталей. Своевременное устранение погрешностей ремонта во время обкатки гарантирует уменьшение отказов в период эксплуатации двигателей.
В настоящее время все изготавливаемые и ремонтируемые автомобильные, тракторные и комбайновые двигатели подвергают обкатке на различных режимах и с разной продолжительностью.
Ведущими факторами, влияющими на процесс приработки во время обкатки, следует считать температуру на поверхности трущихся деталей, скорость их относительного перемещения и нагрузку. Большое значение в процессе приработки имеет использование рациональных нагрузочно-скоростных и температурных режимов, которые определяют не только качество приработки, но и последующую долговечность двигателей. Очень сложен и до конца не решен вопрос по выбору этапов обкатки и их содержанию.
class1 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРИМЕНЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ДОБАВОК В МАСЛО ПРИ ПРОВЕДЕНИИ
ОБКАТКИ class1
Разработка модели расчета оптимальной шероховатости поверхности пары трения кольцо - гильза цилиндра двигателя Д-240
Современный поршневой двигатель внутреннего сгорания представляет собой сложный агрегат. Последовательное преобразование в нем тепловой энергии сгорающего топлива в механическую осуществляется благодаря четкому взаимодействию трех механизмов и пяти систем двигателя: кривошипно-шатунного механизма; механизма газораспределения; механизма регулирования подачи топлива; системы питания; системы зажигания; системы смазки; системы охлаждения; системы пуска. Возникновение и развитие горения, полнота сгорания топливовоздушиой смеси определяются особенностями и скоростями химических реакций, условиями тепло- и массообмена в зоне пламени, а также теплоотдачей в стенки цилиндра двигателя. Скорость распространения фронта пламени в процессе сгорания зависит от химических и физических факторов и в совокупности со скоростью химической реакции окисления молекул топлива влияет на продолжительность сгорания массы рабочей смеси в камере сгорания двигателя [7, 35, 66, 71, 73].
Цилиндропоршневая группа включает в себя цилиндр, поршень, поршневой палец, кольца и служит для передачи шатуну усилия от расширяющихся газов в камере сгорания, создания ее надежного уплотнения и предохранения от попадания излишков масла, а также для отвода теплоты от головки поршня в охлаждающую среду. В процессе работы детали цилиндропоршневой группы подвергаются действию механических и тепловых нагрузок. Гильза цилиндра является наиболее нагруженной деталью двигателя и во время работы испытывает воздействие давления газов, переменной температуры и бокового давления поршня. Основные требования, предъявляемые к конструкции гильзы следующие: достаточная жесткость и прочность стенок; высокая износостойкость; простота и технологичность [34]. Различают сухие и мокрые гильзы. Блоки цилиндров тракторных двигателей, как правило, имеют мокрые гильзы. Гильзы изготовляют из серых чугунов марок СЧ 25, СЧ 30 и из специальных чугунов с легирующими добавками. Для повышения износостойкости автотракторных гильз поверхность зеркала гильзы иногда подвергают ТВЧ до твердости HRC 40...50 на глубину не менее 1,5 мм [31, 60].
Большая скорость движения, высокие температуры и давления, затруднительность применения жидкостной смазки являются специфическими условиями, в которых работает поршень двигателя.
Высокая температура понижает механические качества металла, из которого изготовлен поршень. Кроме того, при изменении температуры поршня ощутимо изменяются его размеры, что может привести к нарушению установленных зазоров в сопряжениях поршень - цилиндр, поршень - поршневой палец и поршень - поршневое кольцо. Обеспечение нормальной работы поршня требует поддержания его температуры в заданных пределах, для чего необходимо обеспечить отвод теплоты от него. Так, максимально допустимая температура головки поршня из алюминиевых сплавов 300-350, чугунных - соответственно 500-550 и стальных - 600-650С [28, 52, 71]. При этом температура верхней канавки под поршневое кольцо не должна быть выше 180-200С при использовании обычных смазочных масел и 220-240С для масел с высокоэффективными моющими и антинагарными присадками [71]. Теплота, воспринимаемая головкой поршня от рабочего тела отводится в систему охлаждения через отдельные его элементы в следующем соотношении (%): в охлаждаемую стенку цилиндра через компрессионные кольца -60...70; через юбку поршня - 20...30; в систему смазки через внутреннюю поверхность днища поршня - 5... 10. Поршень также воспринимает часть теплоты, выделяющейся в результате трения между элементами поршневой группы и цилиндра [56, 60, 66]. Для форсированных ДВС применяют принудительное охлаждение поршня, как правило, масляное. Различают охлажде 10 ниє опрыскиванием, взбалтыванием масла в специальных камерах, которые расположены в поршне, и циркуляционное [15, 56, 60, 61, 71].
В процессе работы двигателя поршень воспринимает большую часть тепла сгорающего топлива и расширяется в большей мере, чем охлаждаемый окружающей средой цилиндр. Коэффициент линейного расширения поршней из алюминиевых сплавов в 1,5...2 раза превышает коэффициент линейного расширения стальной или чугунной гильзы цилиндра [56], поэтому диаметр поршня, особенно его верхняя наиболее нагреваемая часть, должен быть меньше диаметра цилиндра [60]. Между кольцами, цилиндром и поршнем в местах контакта должна обязательно сохраняться тонкая масляная пленка толщиной 0,003-0,012 мм, предотвращающая сухое трение деталей цилиндр опор шневой группы [43, 44, 60]. Кроме уплотнения камеры сгорания, поршневые кольца выполняют функции распределения смазки между трущимися частями цилиндропор шневой группы.
Моделирование процессов приработки деталей цилиндропоршневои группы на стенде
Для обкатки дизельных двигателей используется много способов обкатки. Одним из таких способов является обкатка дизелей с применением специальных добавок к моторным маслам. Рассматриваемым нами объектом обкатки является дизельный двигатель Д-240 и. его пара трения кольцо-гильза цилиндра. В настоящее время существует много различных добавок, предназначенных для улучшения обкатки двигателей, поэтому есть необходимость в их сравнительной характеристике и определении наиболее оптимальной. После проведения исследований возможно усовершенствование типовой технологии обкатки двигателя Д-240 после ремонта.
Для проведения исследований создан стенд для пары трения кольцо-гильза цилиндра дизельного двигателя Д-240.
Стенд (рисунок 3.1) состоит из станины 13, которая крепится болтами к раме из швеллеров 1. На станине установлен электродвигатель 2 со шкивами, от которых посредством ременной передачи приводится в действие маховик, находящийся в металлическом коробе 3. От маховика при помощи шатуна 5 приводится в действие нижняя платформа 6, движущаяся по направляющим 10, на которой находится приспособление для крепления поршня 7, а на верхней платформе 4 - приспособление 9 для крепления гильзы цилиндра 8. Механизм для регулировки натяжения ремня 11 и крепление электродвигателя 12 позволяет перемещать его для использования различных шкивов и тем самым изменять число оборотов кривошипа.
Рассмотрим приспособление для моделирования процесса приработки деталей цилиндропоршневой группы двигателя Д-240 (рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 Приспособление для моделирования процесса приработки Поршень 1 имеет специальную форму, не имеет юбки, крепится на винтовом стержне 2, который в свою очередь крепится во втулке 3, что по 57 зволяет поршню изменять положение в гильзе путем ввинчивания или вывинчивания стержня во втулке. В поршне выполнено специальное углубление для заливки масла, которое через отверстия 4 в поршне 1 осуществляет необходимую смазку в процессе приработки пары трения кольцо 5 гильза цилиндра 6.
Электрическая схема позволяет проводить эксперименты и получать некоторые из критериев оценки качества приработки трущейся пары при обкатке. В гильзе просверлены технологические отверстия, позволяющие крепить термопару и определять изменения температуры. Ниже приведены критерии оценки качества приработки, которые можно получить на разработанном стенде:
1. Потери мощности на трение. При прокрутке кривошипно-шатунного механизма стенда электродвигателем потери мощности на трение можно контролировать при помощи ваттметра, включенного в электросеть стенда. Этот критерий удобен тем, что позволяет не прерывать процесс обкатки. При стабилизации потерь на трение (при окончании формирования микрогеометрии трущихся деталей) развиваемая мощность становится постоянной, что свидетельствует об окончании приработки на данном этапе.
2. Температура. В процессе приработки температура поверхности трения повышается и, как следствие, повышается температура масла. По мере формирования оптимальной для данных условий микрогеометрии поверхностей трения пары трения кольцо-гильза цилиндра Д-240, приобретения ими необходимых физико-механических свойств, происходят стабилизация и уменьшение температуры на поверхностях трения. Динамика изменения температуры деталей и масла свидетельствует о процессах, происходящих в соединениях, и служит объективным критерием оценки качества приработки.
class3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБКАТКИ
НА МАСЛЕ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ class3
Влияние антифрикционных добавок на параметры процессов обкатки
Добавки выбранные для проведения экспериментов были исследованы в процессе холодной обкатки пары трения кольцо - гильза цилиндра дизельного двигателя Д-240 на стенде при проведении лабораторных испытаний. В процессе эксперимента контролировались следующие параметры; механические потери (кВт); температура в месте трения (С); давление в конце сжатия (МПа); вибрация. По контролируемым параметрам во время приработки, а также по определению параметров шероховатости поверхностей гильзы и поршневых колец до и после холодной обкатки, можно судить о качестве приработки поверхности, и, соответственно, об эффективности данной добавки для проведения холодной обкатки дизельного двигателя Д-240.
Экономический эффект от внедрения специальных добавок в смазочный материал, при проведении обкатки двигателей заключается в повышении долговечности двигателей внутреннего сгорания и может быть определена из следующих соображений,
Расчет выполним в расчете на 100 эксплуатируемых тракторов МТЗ 102, которым необходимо восстановление цилиндропоршневой группы (ЦПГ).
Себестоимость восстановления ЦПГ без применения антифрикционной добавки равна: Co N W C/Wecb (I) где N - количество эксплуатируемых машин, N = 100 шт; Wi - средняя плановая годовая наработка на один трактор, W[ = 1200 моточасов; W ci -ресурс без применения антифрикционной добавки, WBci= 5000 моточасов; С) - себестоимость восстановления цилиндропоршневой группы, без применения антифрикционной добавки, Q = 25000 рублей. С[ = Срк + Сз, где Срк - ремонтный комплект для восстановления ЦПГ, СРК = 7500 рублей; С3 - затраты для восстановления ЦПГ, С3 = 17500 рублей.
Тогда Сої = 600000 рублей. Себестоимость восстановления с применением антифрикционной добавки: C02 = N W2 C2/WBC2, (2) где W2 - средняя плановая годовая наработка на один трактор, W2 = 1200 моточасов; WBC2 - ресурс двигателя с применением антифрикционной добавки,WBc2 = 6000 моточасов; С2- себестоимость восстановления цилинд 108 ропоршиевой группы с применением антифрикционной добавки, Сг - 3000 рублей. Сг = Сдд + Сзд, где Сдд - стоимость антифрикционной добавки «Сурм ВК», Сдд = 1800 рублей; Сзд - затраты на применение антифрикционной добавки, С3д = 1200 рублей.
Тогда Со2 = 60000 рублей.
Экономия на восстановление от введения антифрикционных добавок на 100 тракторов в год составит: Эгв= Сої - С()2, (3) Эгв= 540000 рублей.
Уменьшение числа требуемых восстановлений цилиндропоршневой группы в расчете на 100 тракторов МТ3102:Ny=N W! / WRC, - N W21WBC2, (4)Тогда уменьшение количества требуемых восстановлений: Ny - 4%.
