Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 13
1.1. Распределение механических потерь в ДВС и способы их уменьшения...13
1.2 Анализ факторов, влияющих на работоспособность цилиндропоршневой группы (гильза-поршень-поршневые кольца) 16
1.3 Анализ существующих способов восстановления цилиндропоршневой группы 30
1.4 Анализ способов повышения работоспособности цилиндропоршневой группы .42
1.5 Обоснование цели и задачи исследования 46
2 Расчетно-теоретическое обоснование показателей двигателя и эксплуатационных показателей автомобиля, оснащенных металлизированными гильзами цилиндров и поршнями с оксидированными днищами .48
2.1 Выбор материала для металлизации гильз цилиндров .48
2.2 Определение коэффициента трения в паре «поршневое кольцо - гильза цилиндра» 52
2.3 Обоснование геометрических размеров канавок, нарезаемых для металлизации гильзы цилиндра.. 55
2.4 Теоретическое обоснование влияния металлизации гильз цилиндров и микродугового оксидирования днищ поршней на показатели двигателя и топливную экономичность автомобиля 64
Выводы 79
3 Технологический процесс изготовления металлизированных гильз цилиндров с синусоидальными и эллиптическими замкнутыми канавками и поршней с оксидированным днищем .81
3.1 Конструкция экспериментальной ЦПГ и работа пары трения «поршневое кольцо-гильза цилиндров» 81
3.1.1 Технологический процесс изготовления металлизированной медью гильзы цилиндров .83
3.1.2 Микродуговое оксидирование днища поршня .88
Выводы .89
4 Программа и методика экспериментальных исследований
4.1 Программа экспериментальных исследований 90
4.2 Методика лабораторных исследований
4.2.1 Методика определения элементного состава поверхности трения типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором Х-МЕТ 5100 .90
4.2.2 Методика определения площади покрытия медью рабочей поверхности типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором БАРС- 3 92
4.2.3 Методика определения свариваемости меди и чугуна методом цветной дефектоскопии 94
4.2.4 Методика определения износа гильз цилиндров методом микрометража 95
4.2.5 Методика исследования гильз цилиндров на прочность на специализированном стенде НП-150 .98
4.2.6 Методика определения шероховатости рабочей поверхности металлизированной гильзы цилиндров 100
4.2.7 Методика определения износа гильз цилиндров весовым методом .101
4.3 Методика сравнительных стендовых исследований 102
4.3.1 Оборудование и приборное обеспечение .102
4.3.2 Методика стендовых исследований бензинового двигателя при работе с типовой и экспериментальной ЦПГ 108
4.3.3 Методика измерения токсичности отработавших газов бензинового двигателя .110
4.3.4 Методика определения мощности механических потерь двигателя 112
4.3.5 Обработка результатов стендовых исследований .11
4.4 Методика эксплуатационных исследований автомобилей, оснащённых двигателями с типовой и экспериментальной ЦПГ 113 Выводы .115
5 Результаты экспериментальных исследований . 117
5.1 Результаты лабораторных исследований .117
5.1.1 Результаты определения элементного состава поверхности трения типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором Х-МЕТ 5100 117
5.1.2 Результаты определения площади покрытия медью рабочей поверхности типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором БАРС-3 118
5.1.3 Результаты определения свариваемости меди и чугуна методом цветной дефектоскопии 120
5.1.4 Результаты микрометража гильз цилиндров .121
5.1.5 Результаты исследования гильз цилиндров на прочность на специализированном стенде НП-150 .121
5.1.6 Результаты определения шероховатости рабочей поверхности трения гильз цилиндров 122
5.1.7 Результаты определения износа гильз цилиндров весовым методом и методом микрометража 1 5.2 Результаты сравнительных стендовых исследований двигателя УМЗ-417 оснащенного с типовой и экспериментальной ЦПГ.. 126
5.3 Результаты эксплуатационных исследований автомобилей УАЗ-3303, оснащённых двигателями в штатной и экспериментальной комплектациях 132
Выводы 135
6 Оценка экономической эффективности использования на автомобиле цпг с металлизированными гильзами цилиндров и поршнями с оксидированными днищами 13
6.1 Расчет изготовления экспериментальной ЦПГ 137
6.2 Расчет экономической эффективности от применения экспериментальной ЦПГ 142
Выводы .145
Общие выводы 146
Список литературы
- Анализ существующих способов восстановления цилиндропоршневой группы
- Теоретическое обоснование влияния металлизации гильз цилиндров и микродугового оксидирования днищ поршней на показатели двигателя и топливную экономичность автомобиля
- Микродуговое оксидирование днища поршня
- Методика определения площади покрытия медью рабочей поверхности типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором БАРС-
Введение к работе
Актуальность темы. Повышение энергоэффективности автомобилей с.-х. назначения предполагает улучшение мощностных и топливно-экономических показателей двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Анализ непроизводительных потерь мощности в автомобильных двигателях показывает, что эффективность работы ДВС напрямую зависит от снижения механических потерь и, главным образом, потерь на трение. По данным российских и зарубежных исследователей на трение расходуется 30-40 % всей вырабатываемой в мире энергии, а потери средств вследствие трения и сопутствующего износа механизмов и машин составляют более 4-5 % национального дохода.
По различным оценкам механические потери на номинальном режиме работы ДВС составляют от 15 до 25 %, т.е. около четверти теплоты, полученной в результате сгорания топлива, теряется на преодоление сил трения, что приводит к ухудшению топливной экономичности и тягово-скоростных свойств автомобилей. При этом наибольшая доля механических потерь (до 80 %) приходится на потери трения в сопряжениях пилиндропоршневой группы (ЦПГ). Таким образом, за счет снижения потерь на трение в сопряжениях ЦПГ можно улучшить не только показатели двигателя, но и топливную экономичность автомобиля.
Обобщение результатов исследований по снижению мощности механических потерь в ДВС и эксплуатационного расхода топлива автомобилей показывает, что одним из решений этой проблемы является нанесение упрочняющих, антифрикционных и защитных покрытий на детали ЦПГ двигателя.
Поэтому улучшение топливной экономичности автомобиля путем снижения потерь на трение в ДВС за счет нанесения упрочняющих и антифрикционных покрытий на детали ЦПГ (например, методом микродугового оксидирования и металлизации) является актуальной задачей, имеющей важное значение для экономики и АПК страны.
Степень разработанности темы. Нанесение различных покрытий на поверхность деталей ЦПГ, как один из способов улучшения физико-механических свойств, широко известно в России и за рубежом.
Нанесение покрытий осуществляется закалкой током высокой частоты, лужением, фосфатированием, анодированием, микродуговым оксидированием, металлизацией и др. Микродуговое оксидирование (МДО) известно как способ улучшения теплоизоляционных свойств поршня, что способствует снижению температуры подогрева свежего заряда на впуске, повышению коэффициента наполнения и, как следствие -улучшению индикаторных и эффективных показателей двигателя. Металлизация медью рабочей поверхности гильзы цилиндра (ГЦ) является более предпочтительной с точки зрения улучшения трибологических свойств поверхности. Данный способ заключается в нарезании на рабочей поверхности гильзы канавок и их последующем заполнении антифрикционным материалом (например, медью). При этом поршневые кольца, совершая при работе двигателя возвратно-поступательное движение, за счет пластической деформации снимают часть антифрикционного материала с канавок и «размазывают» его по рабочей поверхности гильзы. За счет уменьшения коэффициента трения между поршневыми кольцами и рабочей поверхностью ГЦ происходит снижение механических потерь, что способствует повышению механического и эффективного КПД двигателя и улучшению показателей топливной экономичности автомобиля.
Основным препятствием к массовому использованию металлизированных ГЦ в ДВС является отсутствие технических решений, обеспечивающих равномерное распределение антифрикционного материала по рабочей поверхности ГЦ и его поступление в места наибольшего износа (вблизи мертвых точек поршня). Решением данной проблемы может являться обоснование конструктивных параметров канавок, нарезаемых на рабочей поверхности гильзы и заполняемых антифрикционным материалом. Однако этот во-
прос исследован не в полном объеме и требует дальнейшего развития. Кроме того, теоретически не обосновано влияние металлизации ГЦ на снижение мощности механических потерь и улучшение показателей топливной экономичности ДВС. Отсутствуют результаты исследований совместного влияния МДО днищ поршней и металлизации ГЦ на показатели ДВС и показатели топливной экономичности автомобиля. Поэтому данные вопросы требуют дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.
Работа выполнена по плану научно-исследовательских работ ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА, тема «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго-и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства» (номер государственной регистрации № 01.200.600147).
Цель исследований - улучшение топливной экономичности автомобиля сельскохозяйственного назначения путем металлизации рабочих поверхностей гильз цилиндров и оксидирования днищ поршней двигателя.
Задачи исследований:
-
Выполнить расчетно-теоретическое обоснование показателей бензинового двигателя и топливной экономичности автомобиля, оснащенных металлизированными гильзами цилиндров и поршнями с оксидированными днищами.
-
Разработать технологический процесс изготовления металлизированных гильз цилиндров с синусоидальными и эллиптическими замкнутыми канавками на рабочей поверхности трения, заполненных медью.
-
Провести лабораторные исследования физико-механических и технологических свойств типовых и металлизированных гильз цилиндров, стендовые исследования бензинового двигателя в штатной (типовые гильзы цилиндров и поршни) и экспериментальной (металлизированные гильзы цилиндров и поршни с оксидированными днищами) комплектациях.
-
Провести эксплуатационные исследования автомобилей, оснащённых двигателями в штатной и экспериментальной комплектациях, оценить экономическую эффективность от использования металлизированных гильз цилиндров и поршней с оксидированными днищами.
Объект исследований - процесс работы автомобильного двигателя, оснащенного ЦПГ с металлизированными медью гильзами цилиндров и поршнями с оксидированными днищами.
Предмет исследований - механические потери, индикаторные и эффективные показатели двигателя УМЗ-417, показатели топливной экономичности автомобиля УАЗ-3303, оснащенных экспериментальной ЦПГ с металлизированными медью гильзами цилиндров и поршнями с оксидированными днищами.
Научная новизна работы:
методика расчета механических потерь двигателя, оснащенного ЦПГ с металлизированными гильзами цилиндров и поршнями с оксидированными днищами;
теоретически и экспериментально обоснованные геометрические размеры и соотношения площадей синусоидальных и эллиптических замкнутых канавок, заполненных медью, к площади рабочей поверхности трения гильзы цилиндров;
конструкция металлизированной гильзы цилиндров с синусоидальными и эллиптическими замкнутыми канавками на рабочей поверхности трения;
численные значения мощностных, топливно-экономических и экологических показателей двигателя и показатели топливной экономичности автомобиля, оснащенных ЦПГ с металлизированными гильзами цилиндров и поршнями с оксидированными днищами.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ на изобретение № 2508463 «Цилиндропоршневая группа», № 2534327 «Цилиндропоршневая группа» и патентом на полезную модель № 130003 «Поршень двигателя внутреннего сгорания».
Практическая значимость работы. Разработанный технологический процесс изготовления металлизированных гильз цилиндров позволяет выполнить на рабочей поверхности две эллиптические и четыре синусоидальные канавки и заполнить их медью.
Использование металлизированных медью гильз цилиндров в совокупности с поршнями, имеющими оксидированное покрытие днища, позволяет снизить механические потери в двигателе на 11,9 %, повысить эффективную мощность на 10,8 %, уменьшить часовой и удельный расходы топлива соответственно на 14 % и 6,3 %, по сравнению с двигателем, укомплектованным штатной ЦПГ (без нанесения покрытий). В эксплуатационных условиях путевой расход топлива автомобиля, оснащенного двигателем с экспериментальной ЦПГ, снижается на 4 % по сравнению с автомобилем, оснащенным штатной ЦПГ.
Реализация результатов исследований. Технологический процесс изготовления металлизированных гильз цилиндров прошел производственную проверку в условиях ООО «Легато» Ульяновской области. Сравнительные стендовые исследования двигателей в штатной и экспериментальной комплектациях проводились в лаборатории испытаний ДВС Ульяновской ГСХА, эксплуатационные исследования автомобилей осуществлялись в производственных условиях СПК им. Н.К. Крупской Ульяновской области и 000 «ЛиКаТРАНС» Московской области.
Методология и методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории трибологических процессов пар трения, теории двигателей внутреннего сгорания, методов математической статистики и сравнения результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных методик. За метод исследования принят метод сравнительных исследований двигателя и автомобиля, оснащенных в штатной и экспериментальной комплектациях. Обработка экспериментальных данных выполнена с применением прикладных программ Statistica 6.1, Microsoft Excel, Math-Type 6.7 и др.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
методика расчета механических потерь двигателя и путевого расхода топлива автомобиля, оснащенными металлизированными гильзами цилиндров и поршнями с оксидированным днищем;
обоснование геометрических параметров и количества синусоидальных и эллиптических замкнутых канавок на рабочей поверхности металлизированной гильзы цилиндров;
технологический процесс изготовления металлизированной медью гильзы цилиндров с синусоидальными и эллиптическими замкнутыми канавками на рабочей поверхности трения;
количественные оценки индикаторных, эффективных, экологических показателей двигателя и топливно-экономические показатели автомобиля, оснащенных экспериментальной ЦПГ.
Степень достоверности и апробация результатов. Степень достоверности подтверждается результатами лабораторных исследований физико-механических и технологических свойств металлизированной медью гильзы цилиндров, а так же сравнительными стендовыми исследованиями двигателя и эксплуатационными исследованиями автомобиля с двигателями, оснащенными штатной и экспериментальной ЦПГ.
Основные результаты исследований опубликованы в открытой печати и доложены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ» (2012 г.), ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» (2012 г.), ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2012г.), ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА» (2012 г.), ТИ-филиал ФГБОУ ВПО УГСХА (г. Димитровград, 2012 г.), IX international research and practice conference «Modern Scientific Achievements» (г. Прага, 2013 г.), НП «Сибирская АК» (г. Новосибирск, 2013 г.), Ill international research and practice conference «Science and Education»
(г. Мюнхен, 2013 г.), Ill international research and practice conference «Science, Technology and Higher Education» (г. Вествуд, 2013 г.). Технические решения и результаты исследований представлялись на конкурсах «У.М.Н.И.К.» (2012 г., Ульяновск), Минобр-науки (Москва, 2012 г.), МФТИ (Москва, 2012 г.), РФФИ (Москва, 2012 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 19 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях, 3 статьи в зарубежных изданиях, получено 2 патента РФ на изобретение и 1 патент РФ на полезную модель. Общий объём публикаций составляет 5,88 п.л., из них 1,96 п.л. принадлежит автору.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы из 192 наименований и приложения на 52 с. Общий объем диссертации составляет 220 с, содержит 94 рис. и 12 табл.
Анализ существующих способов восстановления цилиндропоршневой группы
В настоящие время все современные автомобили, сельскохозяйственные машины комплектуются форсированными двигателями с высокой удельной мощностью. При этом они работают в различных скоростных и нагрузочных режимах, климатических условиях.
Состояние цилиндропоршневой группы - это один из самых важных факторов, влияющих на работоспособность двигателя. Правильный (селективный) подбор цилиндропоршневой группы – это индивидуальный подбор деталей в моторкомплекте, который обеспечивает оптимальный зазор, гарантирует хорошую приработку в процессе обкатки, низкий расход масла, бензина, надежность и безопасность в эксплуатации [4-7, 25-28].
Не маловажное воздействие на цилиндропоршневую группу оказывает влияние температуры, состояние и тип смазки, запыленность воздуха, конструкция деталей. Все это неблаготворно сказывается на работе ДВС, что в итоге приводит к повышенному износу и ремонту. Основной задачей ремонтно-восстановительного производства является снижение себестоимости проводимых ремонтных работ и повышение их качества.
За весь период работы двигатели автотракторной техники могут подвергаться капитальному ремонту до 5 раз. После ремонта их ресурс составляет 35...40 % от ресурса новых двигателей. Таким образом, долговечность и эффективность работы двигателей определяется износостойкостью деталей цилиндропоршневой группы [29-35].
Вопросами снижения механических потерь, улучшения индикаторных и эффективных показателей ДВС, топливной экономичности автомобиля за 17 нимались Баширов Р.М., Ждановский Н.С., Комаров В.А., Николаенко А.В., Рыблов М.В., Суркин В.И., Тимохин С.В., Уханов А.П. Способы снижения износа и повышения износостойкости деталей автотракторной техники описаны в работах Гаркунова Д.Н., Крагельского И.В., Салахутдинова И.Р., Симдянкина А.А. Исследованиям по нанесению покрытий на детали машин посвящены работы Батищева А.Н., Гордиенко П.С., Казанцева И.А., Малышева В.Н., Новикова А.Н., Степанова В.А., Суминова И.В., Федорова В.А., Черненко В.И., Эпельфельда А.В. и др.[20,36-76].
Износ деталей поршневой группы приводит к тому, что ухудшаются показатели работы двигателя: повышается расход топливно-смазочных материалов, возрастает вероятность отказов, существенно снижается мощность двигателя и повышается уровень загрязнения окружающей среды. Наиболее часто встречающимся дефектом цилиндропоршневой группы является перегрев днища поршня, который впоследствии вызывает отпуск материала и ухудшает его механические свойства. После чего во время работы двигателя воздействие сил давления газов и перегрев вызывает образование трещин, в результате чего происходит прогорание поршня. Чаще всего трещины возникают в районе бобышек из-за износа отверстия под поршневой палец. Трещины можно разделить на 2 основные группы: трещины, сходящиеся к центру (радиальные), и трещины, возникающие от оси поршня на каком-то расстоянии (концентричные) [77-81].
В дополнение к вкладу по износу двигателя, вносимого серой, содержащейся в топливе, существенное влияние оказывает неправильно выбранное масло по вязкостно-температурной характеристике. С одной стороны, при увеличении вязкости используемого масла выше рекомендуемого, увеличивается толщина масляной пленки в зоне трения поршневых колец, что казалось бы, благоприятно сказывается на защитных функциях масла. Однако, вследствие применения высоковязких масел, резко возрастает расход топлива и возникает масляное голодание цилиндропоршневой группы, которое можно снизить, как правило, за счет масляного тумана и разбрызгивания. При использовании маловязких масел (с вязкостью обеспечивающей минимально допустимую толщину масляной пленки) существует вероятность возникновения отказа за счет разжижения масла низкокачественным бензином или дизельным топливом при неисправной системе питания, либо при перегреве и критических нагрузках. Износ, возникающий на маслах с вязкостью меньше, нежели требуется конструктивно, более заметен, так как его следствием являются прихваты поршней и заклинивания КШМ.
Увеличение срока службы двигателя является важной задачей двигате-лестроения. Данную задачу можно решить путем усовершенствования конструкционных материалов, технических решений, а так же смазочных материалов. Эти изменения значительно продлевают ресурс двигателей, что, в свою очередь, увеличило интервалы между капремонтами в 4-х тактных двигателях, которые проводились главным образом из-за увеличения расхода масла. Разработка новых двигателей и смазочных материалов позволила увеличить интервалы обслуживания в последних моделях автомобилей Audi до 50000 км, а грузовых Mersedes до 160 000 км [82].
Таким образом, основными факторами влияющие на износ цилиндро-поршневой группы являются: - конструкционные и физико-химические свойства материалов деталей ЦПГ; - эксплуатационные режимы работы двигателя; - состояние окружающей среды; - показатели эксплуатационных материалов и др. Сила трения поршневых колец бензиновых двигателей неодинакова, ее наибольшее значение приходится на первое поршневое кольцо - 60%, на второе поршневое кольцо - 30% , и наименьшее - 10% на третье поршневое кольцо [7,83-86]. Сила трения нижних поршневых колец всегда меньше, чем верхнего. Это объясняется тем, что во время работы они находятся в более оптимальных условиях смазки, и на них воздействуют более низкие давления газов в лабиринтном уплотнении.
К наиболее подверженным износу деталям ЦПГ относятся поршневые кольца. Наиболее распространенные дефекты: абразив нагара, который из 19 нашивает кольцо в радиальном и осевом направлении, химическая коррозия, износ, коробление, потеря упругости [87,88].
Зеркальная поверхность цилиндра не задерживает масло, создавая условия работы верхних колец в сухом трении, поэтому она является восприимчивой к задиранию из-за отсутствия способности сохранять масло на поверхности трения. Полировка увеличивает расход масла, износ колец и задирает кольца с цилиндрами. В результате увеличиваются зазоры в замке кольца и в канавке поршня. Быстрому изнашиванию подвергается верхнее компрессионное кольцо. Наличие феррита и крупного графита в структуре кольца, является одной из причин их повышенного износа. Из-за недостаточного зазора или повышенного количества в верхнем поясе поршня моторного масла, по причине разности давлений по окружности кольца и возникающих при этом зазорах. Под действием высоких температур, продукты окисления масла накапливаются в поршневых канавках и снижают подвижность колец. Это сопровождается увеличение зазора между поверхностью гильзы цилиндра и поршнем, при этом теплоотдача колец снижается, в силу недостаточного контакта с гильзой, что приводит к их перегреву (рис. 1.2).
Теоретическое обоснование влияния металлизации гильз цилиндров и микродугового оксидирования днищ поршней на показатели двигателя и топливную экономичность автомобиля
Анализ приведенных математических зависимостей (п. 2.4) показывает, что улучшение топливно-энергетических показателей двигателя возможно за счет снижения механических потерь. Механические потери в двигателе обусловлены определенным значением коэффициента трения. В ЦПГ наибольшее значение на мощность механических потерь будет оказывать коэффициент трения в контакте поршневое кольцо - гильза цилиндров. В соответствии с теорией трения при упругом деформировании, наблюдаемом в рассматриваемом сопряжении, коэффициент трения, может быть определен следующим образом с учетом реального давления в трибоузле [77,136-146]: / где т0 - сопротивление на срез, МПа; р - реальное давление, МПа. Поскольку реальное давление в трибоузле зависит от нагрузки следующим образом [77,136-146]: р w+i где PN - нормальная сила давления от сил газов, Н; Ас - контурная площадь касания, мм2; v и Ь - параметр кривой опорной поверхности; К\ - постоянная интегрирования, зависящая от микрогеометрии поверхности трения v; /2max - высота максимального выступа, мм; оТ - предел текучести материала, МПа; и - коэффициент Пуассона материала гильзы. Подставив величину реального давления в контакте в формулу (2.3), получим [77,136-146]:
Как видно из представленной формулы снижение коэффициента трения может быть достигнуто за счет повышения чистоты обработки трущихся поверхностей и модуля упругости материала поверхности. В первом случае это может быть осуществлено за счет повышения качества обработки поверхности гильзы и поршневого кольца. Во втором случае – нанесением на трущуюся по верхность материала с более низким напряжением сопротивления сдвигу. Это может быть осуществлено методом металлизации гильзы цилиндров медью.
Металлизация рабочей поверхности гильзы цилиндров материалом с более низким напряжением сдвигу обеспечивающим снижение коэффициента трения позволит снизить износ трущихся поверхностей. В этом случае линейный износ трущихся поверхностей поршневое кольцо – гильза цилиндров будет определяться [60,77,136-146]: 0,247vSjf/} (Ex + E2 )з [lb (l - fi\ )]3 Р I, = = u (2.7) где Sк - площадь опорной поверхности, мм2; ух и у2 - коэффициенты, характеризующие материалы гильзы и поршневых колец; Еj - модуль упругости материала гильзы, МПа; Е2 - модуль упругости материала поршневого кольца, МПа; Рн - нормальное давление в контакте, МПа; 5Н - номинальная площадь контакта, мм2; пЦ - количество циклов, приводящих к отделению с поверхности трения материала; L - путь трения колец, мм.
Используя, метод металлизации рабочей поверхности гильзы цилиндров медью, определим коэффициенты трения для типовой и металлизированной гильз цилиндров, и поршневого кольца.
Отношение контурной площади к фактической площади контакта определяется безразмерной величиной [44-47]: где є - относительное сближение трущихся поверхностей, выраженное в долях максимальной высоты неровностей. Контурная площадь будет определяться как [44-47]: Ac=Ar(b-ev), (2.10) Для поршневого кольца Ac = 578 (8 О,З3) = 416,16мм2.
В результате проведенных расчетов (таблица 2.1), при металлизации рабочей поверхности гильзы цилиндров медью, коэффициент трения в паре трения «поршневое кольцо - гильза цилиндров» снижается на 55 % и составляет 0,064. В соответствии с формулой (2.51), снижение коэффициента трения приведет к уменьшению механических потерь (таблица 2.3).
Для реализации процесса металлизации рабочей поверхности гильзы цилиндров, в теле детали должны быть изготовлены вставки, нанесены слои, или канавки и пазы, либо что-то другое, из материала с отличными физико-механическими свойствами, причем в плоскости, перпендикулярной направлению движения и плоскости трения деталей (рис. 2.1).
Для достижения наибольшей износостойкости вставки должны быть расположены, таким образом, чтобы они по возможности, находились в зоне максимального износа, но не в зоне высоких температур, и при этом не влияли на прочность стенок гильзы цилиндров. Угол подъема эллиптических канавок должен находиться в пределах 15…20 градусов к вертикальной плоскости сечения гильзы цилиндров [77,136-146]. Такое исполнение позволяет реализовать следующий процесс. При работе ДВС поршневые кольца, перемещаясь по внутренней рабочей поверхности гильзы цилиндров, в процессе пластического деформирования удаляют часть металла вставки с канавок и «намазывают» его на рабочую внутреннюю поверхность гильзы цилиндров между Н.М.Т. и В.М.Т. Процесс нанесения металла осуществляется непрерывно в процессе всех тактов работы двигателя. Причем отделение металла вставок происходит лишь до момента образования на рабочей поверхности слоя определенной толщины.
Образование такого слоя приведет к снижению коэффициента трения рабочих поверхностей поршневых колец и гильзы цилиндров снижается, и процесс нанесения слоя прекратится.
При уменьшении толщины нанесенного слоя цветного металла на поверхности гильзы цилиндров, коэффициент трения увеличивается, соответственно возобновится процесс отделения металла со вставок. Слой металла вставки, в процессе работы естественным образом удаляется с маслом, поэтому его необходимо пополнять. Это будет осуществляться за счет вставок в теле гильзы. таким образом, восстановление слоя на рабочей поверхности будет осуществляться в процессе всей эксплуатации двигателя. На основании многочисленных исследований [77,136-146] установлено, что толщина наносимого слоя металла вставки составляет около 2…3 мкм.
Для обеспечения избирательного переноса меди на поверхность трения гильзы цилиндров выполним в местах наибольшего износа, соответствующих положениям поршня ВМТ и НМТ, встречные замкнутые синусоидальные канавки, а в средней части гильзы цилиндров - встречные эллиптические канавки. Для определения параметров нарезаемых канавок в зависимости от радиуса гильзы цилиндров и угла их наклона к горизонтали, рассмотрим следующее. Известно, что синусоида - плоская кривая, задаваемая в прямоугольных координатах, описываемая функцией (рис. 2.2) [147]: y = asm(kt+ p\ щ где а - амплитуда (максимальное смещение по оси Y), мм; к - частота колебаний (количество периодов на внутренней длине окружности цилиндра); t - аргумент (координата по оси Х); р- начальная фаза колебаний (сдвиг графика по оси х).
Микродуговое оксидирование днища поршня
Программа экспериментальных исследований включала следующие этапы: сравнительные лабораторные исследования типовых и металлизированных гильз цилиндров по показателям элементного состава, свариваемости чугуна и меди, износа, прочности и шероховатости; сравнительные стендовые исследования двигателя УМЗ-417 в штатной (типовые гильзы цилиндров и поршни) и экспериментальной (модернизированной ЦПГ) комплектациях, по показателям износа гильз цилиндров, мощностным, топливно-экономическим и экологическим показателям на различных нагрузочно-скоростных режимах; сравнительные эксплуатационные исследования автомобилей марки УАЗ-3303, с двигателями в штатной (типовые гильзы цилиндров и поршни) и экспериментальной (металлизированные медью гильзы цилиндров и поршни с оксидированными днищами) комплектациях по топливно-энергетическим показателям.
Методика определения элементного состава поверхности трения типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором Х-МЕТ 5100
Для подтверждения процесса переноса меди из зоны канавок на рабочую поверхность гильзы цилиндров и формировании медного слоя между канавками, проводили лабораторные исследования оценки поверхности трения по её элементному составу, согласно руководству по эксплуатации рент-гено-флуоресцентным анализатором Х-МЕТ 5100 [166]. Рентгено-флуоресцентный анализатор X-MET 5100 (рис. 4.1в) является переносным прибором, предназначенный для проведения оперативного химического анализа сталей и сплавов цветных металлов [166].
Предварительно подготовленные (сухие, чистые и не имеющие заусенцев) исследуемые образцы (рис.4.1б), изготовленные из металлизированной гильзы цилиндров (с 35 часовой наработкой двигателя УМЗ-417) разрезанной на фрезерном станке мод. 67 по высоте (рис. 4.1а).
Измерения выполняли следующим образом: включали прибор (нажимали и удерживали кнопку питания, пока не загорится индикатор зеленого цвета) и загружали программное обеспечение Х-МЕТ, после чего переднюю часть прибора («нос») прижимали к образцу (рис. 4.2), и на анализаторе нажимали пусковое устройство (триггер). Триггер удерживали нажатым в течение всего времени измерения. Анализатор располагали под прямым углом к образцу, чтобы минимизировать рассеяние излучения (рис. 4.2).
Методика определения плотности покрытия медью рабочей поверхности типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором БАРС-3 Оценка поверхности трения опытных образцов по элементному составу, проводили согласно инструкции по эксплуатации бездифракционным анализатором рентгеновским спектральным БАРС-3 (рис. 4.3) [167].
Принцип работы прибора БАРС-3 заключается в том, что происходит считывание металлов при прохождении через специальные фильтры ионов (количество импульсов), образующихся при , , излучении поверхности образцов.
Для того чтобы определить количество содержания Fe и Cu образцы, типовой и металлизированной гильзы цилиндров, помещали в камеру, где и происходило считывание количества импульсов.
Для начала подготавливали прибор БАРС-3 к работе. После чего устанавливали образец в камеру, выбирали канал Fe и начинали снимать показания, то же самое проделывали по каналу Cu (для каждого опыта проводили 5 замеров).
Данные исследования проводились для определения и подтверждения количества перенесенного металла из канавки на поверхность трения фрагментов. По результатам проведенных исследований установлено процентное содержание Cu наносимое на поверхность трения исследуемого образца.
Перед началом проведения исследований осуществлялась тарировка прибора соответствия количества импульсов определенному весу исследуемого металла. Результаты тарировок представлены в приложении 2.2. 4.2.3 Методика определения свариваемости меди и чугуна методом цветной дефектоскопии
Для определения оценки свариваемости меди и чугуна была проведена цветная дефектоскопия поверхности металлизированной гильзы цилиндров по ГОСТ 18442-80 и ОСТ 26-5-99 [168,169], которая основана на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей по слепым и сквозным капиллярам исследуемого материала с последующим визуальном осмотре и фиксации индикаторных следов. Данный метод позволяет контролировать объекты любых конфигураций и размеров, изготовленных как из черных так и цветных металлов и их сплавов. Для этого использовали целевой набор (совместимые дефектоскопические материалы), представленные на рисунке 4.4.
Последовательность проведения цветной дефектоскопии: 1) подготовка образца к контролю – очистка контролируемой поверхности от всевозможных загрязнений, моющих составов, удаление заусенцев (если они есть), обезжиривание этиловым спиртом, промывание дистиллированной водой и сушка поверхности; 2) обработка контролируемой поверхности дефектоскопическими материалами - нанесение индикаторного пенетранта DP-55 и сушка поверхности в течение 5 минут, обработка поверхности очистителем DR-60 для удаления индикаторного пенетранта и сушка поверхности в течение 5 минут, нанесении проявителя D-100 и сушка поверхности в течение 5 минут;
Свариваемость металлов считается качественной, если на контролируемой поверхности не обнаружено индикаторных следов малинового цвета, что свидетельствует об отсутствии в местах наплавки пор, непроваров, подрезов, трещин, шлаковых включений.
Методика определения площади покрытия медью рабочей поверхности типовой и металлизированной гильз цилиндров прибором БАРС-
Для определения стоимости экспериментальной ЦПГ необходимо рассчитать все затраты на ее изготовление, сборку и разборку ЦПГ. Затраты на изготовление одной металлизированной гильзы цилиндров будут равны: где КНАКЛ - коэффициент, учитывающий накладные расходы (КНАКЛ = 1,10); СЗАР - заработная плата исполнителей, руб.; СШТ - издержки на расходные материалы, руб. Издержки на заработную плату исполнителей при металлизации гильзы цилиндров: ЗАР = ч v-под + Чок + НАЛ +хон) + д + СТРЛ- \Р-) где Сч - часовая тарифная ставка рабочих 4 разряда (Сч = 44,14), руб; іпоц - норма времени на подготовительные работы, ч; tToK - норма времени токарных работ, ч (нарезание эллиптических и синусоидальных канавок на рабочей поверхности трения); tHAn - норма времени наплавки металла, ч (наплавка меди в канавки); tXOH - норма времени расточно-шлифовальных работ, ч (зачистка, расточка, шлифование, хонингование рабочей поверхности трения); Сд - дополнительная зарплата рабочих, руб; ССТр.п - страховые взносы, руб. Таблица где КНАШ - коэффициент учитывающий накладные расходы {КНАКЛ = 1,10); СЗАР - затраты на зарплату рабочим, руб.; СМАТ - затраты на расходные материалы, руб. Затраты на заработную плату исполнителей при оксидировании днищ поршней: ЗАР = ч vtпод + tКРП + hn + tm) + д + СТР.П- v"--5/ где Сч- часовая тарифная ставка рабочих 4 разряда (Сч = 44,14), руб; Ьоц -норма времени на подготовительные работы, ч (приготовление раствора электролита); tKPu - норма времени на крепёжные работы, ч (крепление поршней в державке); tm - норма времени на технологический процесс МДО, ч (оксидирование мотор - комплекта поршней); tjm - норма времени на заключительные работы технологического процесса МДО, ч (промывка в проточной воде и сушка 140 поршней); СД – дополнительная заработная плата, руб.; ССТР.П – начисления на выплату страховых платежей, руб. Таблица 6.2 – Нормы времени
Затраты на заработную плату исполнителей: СЗАР = 44,14 (0,16 + 0,07 + 0,51 + 0,29) = 45,5руб., С учетом величины дополнительных доплат, составляющих 30 % от суммы заработной платы исполнителей: СД =0,3-45,5 = 13,65 руб., С учетом страховых взносов, составляющих 34 % от суммы заработной платы исполнителей: ССТРП =0,34-45,5 = 15,41 руб., Общие затраты на заработную плату исполнителей при оксидировании днищ поршней: СЗАР =45,5 + 13,65 + 15,47 = 74,62руб. Затраты на расходные материалы складываются из расходов на электроэнергию и приобретение электролита. Расчет затрат на электроэнергию определяется по потребляемой мощности оборудования, используемого при модернизации, стоимости киловатт/час по данным 2014г. - расход электроэнергии, ВЭ , кВт-ч. Таблица 6.3 - Расчет затрат на электроэнергию.
Стоимость нового двигателя УМЗ-417 в штатной комплектации (по ценам 2014г.) равна - Бj = 68500 руб. Цена двигателя оснащенного экспериментальной ЦПГ складывается из дополнительных расходов на изготовление металлизированных гильз цилиндров, оксидированных поршней и монтаж на двигатель.
Затраты на установку экспериментальной ЦПГ в двигатель УМЗ-417 составят: где С; - расходы на замену цилиндропоршневой группы, руб. (С7 = 5150). С2=5150 + 754 = 5904руб. Стоимость двигателя УМЗ-417 укомплектованного экспериментальной ЦПГ составит: Б2=Б1+С2= 68500 + 5904 = 74404руб. 142 6.2 Расчёт экономической эффективности от применения экспериментальной ЦПГ Для определения экономического эффекта от применения экспериментальной ЦПГ необходимо рассчитать эксплуатационные издержки за год: ЭГ=ГЭИТ-ГЭИО, (6.9) где ГЭИТ величина эксплуатационных издержек в год при работе двигателя УМЗ-417 в типовой комплектации, руб.; ГЭИМОД - величина эксплуатационных издержек в год при работе двигателя, оснащенного экспериментальной ЦПГ, руб. Эксплуатационные издержки в год составят: Г = Т + А + Р + П, (6.10) где Т - затраты на израсходованное топливо, руб.; А - затраты на полное восстановление основных средств в виде амортизационных отчислений, руб.; Р - затраты на поддержание автомобилей в работоспособном состоянии (ремонт и техническое обслуживание), руб.; П - прямые прочие затраты (хранение, эксплуатационные материалы, и др.), руб.
Затраты на израсходованное моторное топливо пошедшее на выполнение транспортных работ составит: Т = ЖГ-ЦБ, (6.11) где WГ - объем израсходованного моторного топлива за год, л; ЦБ - стоимость единицы моторного топлива, руб./л. (по ценам 2014 года - 27,3 руб./л). Годовой объем израсходованного моторного топлива WГ=qЕ Р-КР Д, (6.12) где qЕ.Р. -расход топлива в течении смены, л; КР Д - количество отработанных рабочих дней (300 дней). q -Е рUL (6.13) ЧЕ.Р. 100 где ЬЕ -пробег автомобиля за смену, км; рР.Т.{Т) - путевой расход топлива 16,2 л./ 100 км. 143 По данным эксплуатационных исследований (гл. 5 п. 5.3) автомобиля УАЗ 3303 оснащенного двигателем УМЗ-417 укомплектованного экспериментальной ЦПГ получены результаты снижения расхода топлива на 5,7 % и составляющие рР.ТБ) - 14,8 л./ 100 км. L = Г , (6.14) КР.Д где LГ - годовой пробег автомобиля, км, (LГ = 45000 км). Тогда затраты на моторное топливо для осуществления транспортной работы в год составят:
Результаты расчетов показывают, что при использовании металлизированных гильз цилиндров с двумя эллиптическими и четырьмя синусоидальными канавками коэффициент трения в паре «поршневое кольцо-гильза цилиндров» снижается в 1,8 раза по сравнению с типовой гильзой. В результате мощность механических потерь двигателя снижается на 11,6%, а механический КПД повышается на 5,9 %. В совокупности от использования металлизированных гильз и поршней с оксидированными днищами эффективная мощность повышается на 10 %, эффективный КПД - на 13,6 % по сравнению с работой двигателя с типовой ЦПГ. При этом удельный эффективный расход топлива на режиме максимальной мощности снижается с 367,7 г/кВтч до 323,6 г/кВтч (на 12 %). Расчетный путевой расход топлива автомобиля, оснащенного двигателем с экспериментальной цилиндропоршневой группой, в зависимости от его скорости, снижается на 5,1…7,4 %.