Содержание к диссертации
Стр.
Введение. 7
Глава 1. Анализ расчетных моделей оценки интенсивности тепловыделения в подшипниках скольжения с жидкостным трением.
1.1 Расчетные модели оценки тепловыделения в смазку
подшипников скольжения.
1.2 Теплоотвод от подшипников скольжения с жидкостным
трением.
Выводы. 19
Глава 2. Математическое моделирование, расчет тепловыделения и потоков смазки в подшипниках с жидкостным трением.
Тепловыделение в смазочный слой нестационарно нагруженного подшипника.
Формирование траектории центра вала в нестационарно нагруженном подшипнике скольжения.
Расчет потоков смазки через элементы подшипника скольжения.
2.4 Построение структуры, взаимодействие элементов и
возможности программы теплового и гидродинамического расчетов
подшипников скольжения ДВС.
Выводы.
Глава 3. Установки для экспериментальных исследований, методы, оценка точности измерений, и сходимости опытных и теоретических результатов.
3.1 Установка для экспериментальной оценки тепловыделения
в поток смазки подшипника.
3.2 Оценка результирующей погрешности измерений
тепловыделения в смазку шатунного подшипника.
3.3 Анализ опытных и теоретических результатов оценки
тепловыделения, их сходимость для условий жидкостного трения.
3.4 Дополнительные установки и устройства для
экспериментальных исследований.
Выводы. 71
Глава 4. Анализ и оценка результатов расчетов, экспериментов, конструкторских решений.
4.1 Повреждения поверхностей шатунных вкладышей опытного
дизеля.
4.2 Анализ характеристик тепловыделения, полученных
расчетами и экспериментами,
4.3 Модернизация конструкции элементов шатуна двигателей с
увеличенным давлением газов в цилиндре.
Выводы. 96
Заключение. 97
Список использованных источников. 101
Приложение А (обязательное). Структура и программное обеспечение
расчетов, установки для экспериментальных исследований, результаты
расчетов и экспериментов, 116
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ВСХ - внешняя скоростная характеристика;
ГРМ - газораспределительный механизм;
ДВС - двигатель внутреннего сгорания;
ДК - прокрутка вала ДВС с включенной декомпрессией;
КШМ - кривошипно-шатунньтй механизм;
П9 - прокрутка вала ДВС со степенью сжатия 9;
П23 - прокрутка вала ДВС со степенью сжатия 23;
ПКВ - поворот коленчатого вала;
РПД - роторно-поршневой двигатель;
ТУ - технические условия;
JT - относительное тепловыделение в смазку (отношение опытного тепловыделения к расчетному);
I, d - длина и диаметр подшипника, соответственно;
Мт }Т , f , , — приведенные к вращению вала с частотой (О, момент
трения, усилие трения, коэффициент трения и коэффициент сопротивления вращению, соответственно;
п - частота вращения вала;
N[co0 ) - тепловыделение в смазку по относительной скорости;
№\в>э) - тепловыделение в смазку по эквивалентной скорости;
Nт - тепловыделение как суперпозиция компонентов воздействия на смазку;
NT[, Nt2, Л^гз " составляющие тепловыделения как компоненты, формирующие поле касательных напряжений в слое смазки (растягивающая компонента, течение жидкости под действием градиента давления и компонента, обусловленная радиальным перемещением вала, соответственно);
*
P - нагрузка на подшипник;
Ре =0 % - работа ДВС в режиме холостого хода;
Ре = 50 % - работа ДВС с частичной, пятидесятипроцентной нагрузкой;
Ре — 100 % - работа ДВС с полной нагрузкой;
Ру - реакция слоя, обусловленная перемещением вала в подшипнике по линии центров;
Рт - реакция слоя, обусловленная вращением элементов подшипникового узла;
Q - поток смазки через подшипник;
Q\, 0.г > О^ъ , Q$ - составляющие потока смазки через нагруженную зону, ненагружеішую зону, маслопроводящие элементы и как результат перемещения вала вдоль линии центров, соответственно;
S0 и S0 - безразмерные реакции вращения и перемещения по линии центров, соответственно;
V - линейная скорость поверхности шейки вала; VL - линейная скорость поверхности подшипника; V0 - относительная скорость поверхностей; а - угол поворота коленчатого вала; /?- угол положения вектора Ра ; X - относительный эксцентриситет;
8 - угол положения линии центров;
е - эксцентриситет;
у- угол приложения нагрузки;
fJ- - динамическая вязкость смазки;
(D - угловая частота вращения вала;
ооі - угловая частота вращения подшипника;
Q)0 - относительная угловая частота вращения вала и подшипника; о)э- эквивалентная частота вращения элементов подшипникового узла;
Ц* — относительный зазор; А - диаметральный зазор;
АТ - приращение температуры смазки при её прокачке через элементы подшипникового узла;
О. - угловая частота вращения линии центров.
Введение к работе
Подшипниковые узлы скольжения, работающие в режиме жидкостного трения, считаются высокоресурсными элементами конструкции машин и применяются в обрабатывающих станках, турбинах, двигателях внутреннего сгорания, других механических устройствах. Успехи гидродинамической теории смазки, ее практическое использование обусловлены теоретическими и экспериментальными исследованиями О. Рейнольдса, II. П. Петрова, Э. Фальца, М. В. Коровчинского, Н. В. Крагельского, Д. Холланда, Ф. Мартина, И. С. Захарова, В. Ф. Эрдмана, В. А. Воскресенского, В. И. Дьякова, А. Д. Изотова, Я. И. Драбкиыа и других. Созданные подшипники работают в тяжелых условиях нестационарного нагружения, тем не менее, в расчетных моделях остается проблемным учет влияния закономерностей нагружения, силовых и тепловых деформаций, взаимного расположения постелей, биения шеек многоопорных валов, жесткости опор, шероховатости взаимодействующих поверхностей.
Несбалансированный выбор одного из указанных факторов приводит к снижению работоспособности, то есть наработки подшипникового узла до предельного состояния, оцениваемого по максимально допустимому диаметральному зазору в соответствии с техническими условиями завода. Так, в ходе стендовых испытаний в опытной комплектации элементов конструкции дизеля 44 7,6/8 установлено, что в шатунных подшипниках выделяется повышенное количество теплоты в поток смазки. При выходе на номинальный режим работы температура масла в поддоне достигает 130С за малый промежуток времени, наработка до предельного состояния вкладышей снижается от 3 до 5,5 раз, хотя, в целом, максимальная нагрузка на антифрикционный слой не превышает допустимого значения.
В процессе разработки мероприятий по увеличению работоспособности высоконагруженных подшипниковых узлов и принятия конструкторских решений необходим синтез результатов расчетных и экспериментальных
методов. При этом интенсивность тепловыделения в поток смазки определяется экспериментально, а доля жидкостного трения оценивается с достаточной степенью точности расчетным путем.
Анализ показывает, что в существующих исследованиях недостаточно полно разработаны физические и математические модели процессов формирования потоков смазки через элементы подшипникового узла скольжения и тепловыделения для нестационарных условий нагружения, что является актуальной научно-технической задачей.
Повышение работоспособности подшипников скольжения ДВС на основе предложенных конструкторских решений по сбалансированным между собой количественным показателям оценки тепловыделения и потока прокачиваемой смазки, полученных по математической модели и найденных из экспериментов, является целью настоящей работы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
получить на основе математического моделирования функциональные зависимости расчета потоков и тепловыделения в смазку, прокачиваемую через подшипник скольжения для условий нестационарных режимов нагружения, наиболее полно согласующихся с результатами экспериментов;
разработать методики и программное обеспечение теплового и гидродинамического расчетов нестационарно нагруженного подшипника скольжения жидкостного трения с учетом его внешнего теплового баланса;
спроектировать и изготовить установку, оснастить ее датчиками, измерительной аппаратурой для экспериментальных исследований процессов формирования потоков и тепловыделения в жидкостный слой между поверхностями скольжения шатунных подшипников, выполнить исследования по специально разработанной методике;
получить экспериментальным путем соотношения между параметрами, влияющими на уровень работоспособности (наработку до предельного состояния) подшипников при увеличении максимального давления в цилиндре ДВС;
обосновать конструкторские решения элементов подшипниковых узлов ДВС, обеспечивающих повышенный уровень их работоспособности;
внедрить результаты исследований в практику конструкторской деятельности УПД, СКБ РПД НТЦ ДТР ОАО «АВТОВАЗ».
Методы исследования базируются на применении теории формирования несущей способности и поля касательных напряжений (трения) для гидродинамического, ламинарного, тонкого слоя вязкой (ньютоновской) жидкости; математическом и физическом моделировании, экспериментальной оценке тепловыделения в поток смазки.
Научная новизна работы заключается в обосновании технических решений повышения работоспособности подшипников скольжения ДВС на основе выбора комплекса их характеристик, полученных расчетным и экспериментальным путем. В работе получены следующие новые научные результаты:
теоретически установлены и экспериментально подтверждены наиболее полно согласующиеся функциональные зависимости, устанавливающие сбалансированные взаимосвязи между параметрами потока и тепловыделения в смазочный слой подшипников скольжения при нестационарном режиме натрушення;
разработаны методика и программное обеспечение теплового и гидродинамического расчетов нестационарно нагруженных подшипников скольжения жидкостного трения с учетом внешнего теплового баланса;
-в математических моделях нестационарно нагруженных подшипников предлагается использовать приведенные параметры: усилие трения, коэффициент сопротивления вращению, коэффициент трения.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
предложена конструкция модернизированного шатуна с увеличенной жесткостью кривошипной головки в условиях ограниченного оперативного пространства, рекомендовано увеличение момента инерции сечений относительно оси изгиба, что обеспечивает более высокую наработку до предельного состояния шатунного подшипника при увеличении максимального давления в цилиндре ДВС, причем результат достигается без роста материалоемкости на эти цели;
разработано и доведено до практического применения токосъемное устройство РПД, защищенное двумя авторскими свидетельствами;
внедрена в практику конструкторской деятельности подразделений УПД НТЦ ДТР ОАО «АВТОВАЗ» методика экспериментального определения тепловыделения в смазочный слой шатунного подшипника коленчатого вала ДВС, переданы экспериментальные результаты по температурному состоянию элементов коренных и роторного подшипников и действующий образец токо-съемного устройства РПД для СКБ РПД НТЦ ДТР ОАО «АВТОВАЗ».
Достоверность результатов обосновывается использованием математических зависимостей, доказанных в гидродинамической теории смазки; применением проверенных средств измерений (термометрирование, измерение потоков жидкости); в условиях стендовых испытаний - безусловное выполнение процедуры выхода на точку измерений, где режим работы двигателя характеризуется как стационарный, установившийся, равновесный в течение достаточно длительного времени.
На защиту выносятся
1 Математические модели оценки тепловыделения и потоков смазки, основанные на физических представлениях формирования несущей способности и поля касательных напряжений (жидкостного трения) в слое смазки нестационарно нагруженных подшипников скольжения.
Методика и программное обеспечение теплового и гидродинамического расчетов нестационарно нагруженных подшипников жидкостного трения с учетом внешнего теплового баланса.
Комплекс параметров, характеризующих интенсивность тепловыделения в смазочный слой, в условиях нестационарного нагружения, приведенных к одному, конкретному, перемещению элемента подшипникового узла: вращению вала, или - подшипника, или — линии центров (приведенные: усилие трения, коэффициент сопротивления вращению, коэффициент трения).
Взаимосвязи между параметрами, влияющими на уровень работоспособности подшипников ДВС, установленные экспериментальным путем.
Конструкторские решения по кривошипной головке шатуна, способствующие увеличению наработки шатунного подшипника до предельного состояния в несколько раз при росте максимального давления в цилиндре ДВС.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка из 132 наименований, изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 1 приложение.
