Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1. Обзор методик расчета износа и прогнозирования ресурса цилиндро-поршневой группы дизелей 9
1.2. Выводы, цель работы и задачи исследования 24
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЕРХНЕГО КОМПРЕССИОННОЕО КОЛЬЦА И ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРА С УЧЕТОМ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СМАЗОЧНОГО СЛОЯ 27
2.1. Разработка алгоритма методики прогнозирования ресурса цилиндро-поршневой группы с учетом контактной гидродинамики 27
2.2. Расчет давления в смазочном слое между верхним компрессионным кольцом и гильзой цилиндра 30
2.3. Определение теплофизических характеристик смазочного слоя в микроконтактах и уточнение зон потери несущей способности 36
2.4. Исследование факторов влияющих на несущую способность смазочного слоя в микроконтактах шероховатых поверхностей верхнего компрессионного кольца и гильзы цилиндра. 44
2.5. Определение длин участков интенсивного изнашивания кольца и гильзы цилиндра двигателя ЯМЗ-23 8Б 49
Выводы 56
ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕРХНЕГО КОМПРЕССИОШ-ЮГО КОЛЬЦА И ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРА ПРИ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ 59
3.1. Основные соотношения, применяемые в расчетах напряженно- деформированного состояния деталей ЦПГ 59
3.2. Решение задачи взаимодействия верхнего компрессионного кольца с гильзой цилиндра и поршнем 65
3.2.1. Результаты вычислительных экспериментов плоской осесимметричной задачи по определению напряженно-деформированного состояния кольца и гильзы цилиндра 65
3.2.2. Результаты вычислительных экспериментов объемной задачи по определению напряженно-деформированного состояния кольца и гильзы цилиндра 73
Выводы 78
ГЛАВА 4. СРАВНЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДИЗЕЛЕЙ 79
4.1. Проведение экспериментальных исследований по определению износа гильзы цилиндра и верхнего компрессионного кольца 81
4.2 Расчет скорости изнашивания верхнего компрессионного кольца и гильзы цилиндра 83
4.3. Прогнозирование ресурса цилиндропоршневой группы дизелей и сравнение расчетных данных с экспериментальными 88
4.4. Расчет технико-экономической эффективности от внедрения результатов работы 93
Выводы 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 98
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ 100
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 112
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ИЗ
- Обзор методик расчета износа и прогнозирования ресурса цилиндро-поршневой группы дизелей
- Разработка алгоритма методики прогнозирования ресурса цилиндро-поршневой группы с учетом контактной гидродинамики
- Основные соотношения, применяемые в расчетах напряженно- деформированного состояния деталей ЦПГ
- Проведение экспериментальных исследований по определению износа гильзы цилиндра и верхнего компрессионного кольца
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в эксплуатации находится большое количество дизельных двигателей. В процессе их работы возникает необходимость прогнозирования ресурса цилиндропоршневой группы (ЦПГ) как пары трения, определяющей ресурс двигателя. Своевременное техническое обслуживание дизеля позволит сократить затраты, связанные с внезапным отказом двигателя по причине износа ЦПГ и перерасходом горюче-смазочных материалов.
Наиболее распространенным способом оценки ресурса ЦПГ является получение на основе опытных данных эмпирических зависимостей с их последующим уточнением по результатам стендовых и эксплуатационных испытаний. Одним из недостатков разработанных методик является пренебрежение теплофизическими свойствами смазывающей жидкости в сопряжении «верхнее компрессионное кольцо - гильза цилиндра». В одном случае гидродинамическим расчетом полностью пренебрегают, а в другом используют упрощенные алгоритмы, недостаточно полно учитывающие различные факторы, такие, как зависимость сдвиговой вязкости от давления и температуры в слое, а также сжимаемость и объемную вязкость. Гидродинамический расчет с учетом указанных факторов позволяет рассчитать несущую способность смазочного слоя и определить границы участков, где происходит интенсивное изнашивание кольца и гильзы цилиндра. При известных границах этих участков с использованием существующих зависимостей по определению интенсивности изнашивания можно спрогнозировать ресурс ЦПГ дизеля. Точное решение этой задачи позволяет скорректировать межремонтные сроки технического обслуживания и ремонта дизельных двигателей. Поэтому задача определения износа и прогнозирования ресурса ІДТІГ дизельных двигателей с учетом контактной гидродина-
5 мики представляет научный и практический интерес и является актуальной прикладной задачей в отрасли транспортной науки.
Диссертационная работа выполнена в рамках отраслевой программы №4407р от 31.12.2004 г. «Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 года».
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является прогнозирование ресурса ЦПГ дизелей с учетом контактной гидродинамики смазывающей жидкости.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи: разработать методику прогнозирования ресурса ЦПГ дизелей с учетом контактной гидродинамики смазывающей жидкости; разработать математическую модель взаимодействия верхнего компрессионного кольца и гильзы цилиндра с учетом температуры, давления и несущей способности смазочного слоя и влияния на эти характеристики вязких свойств рабочей жидкости (в том числе сжимаемости и объемной вязкости); исследовать влияние теплофизических характеристик рабочей жидкости на несущую способность смазочного слоя в микроконтактах шероховатых поверхностей кольца и гильзы цилиндра; провести анализ напряженно-деформированного состояния верхнего компрессионного кольца и гильзы цилиндра; выполнить экспериментальную проверку теоретических результатов и провести технико-экономическую оценку эффективности разработанной методики прогнозирования ресурса ЦПГ.
Объект и методы исследования. Исследования проводились на базе знаний, заложенных в трудах Асташкевича Б.М., Бабичева М,А., Байбородова
Ю.И., Брэдшоу Л., Громаковского Д.Г., Дё'мкина Н.Б., Добычина Н.Ы., Жиль-никова Е.П., Журкова С.Н., Коднира Д.С., Крагельского И.В., Кудюрова Л.В., Ларина Т.В., Лойцянского Л.Г., Маринина В.Б., Себиси Т., Суркина В.И., Сухарева И.П., Фалалеева СВ., Флетчера К., Хрущева М.М., Шахова В.Г. и других исследователей.
Объектом исследования является ЦПГ дизельного двигателя ЯМЗ-238. Основным математическим аппаратом при разработке моделей взаимодействия пар трения принята конечно-разностная аппроксимация дифференциальных уравнений в частных производных и метод конечных элементов. При моделировании использовались современные вычислительные средства MathCAD и программные продукты: ANSYS, Compaq Visual FORTRAN.
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем: разработана методика расчета температуры, давления, и несущей способности смазочного слоя с учетом влияния на эти характеристики вязких свойств рабочей жидкости (в том числе сжимаемости и объемной вязкости) и геометрии шероховатостей контактирующих поверхностей кольца и гильзы; предложен метод определения границ участков интенсивного изнашивания верхнего компрессионного кольца и гильзы цилиндра на базе гидродинамического расчета смазочного слоя на всем пути движения кольца; предложена методика прогнозирования ресурса ЦПГ дизельных двигателей с учетом контактной гидродинамики.
На защиту выносятся следующие положения: - математическая модель расчета теплофизических характеристик смазочного слоя в микроконтактах шероховатых поверхностей кольца и гильзы цилиндра; - метод определения границ участков интенсивного изнашивания верхнего компрессионного кольца и гильзы цилиндра с учетом изменения вязких свойств смазочного слоя; - методика расчета износа и прогнозирования ресурса ЦГТГ дизельных двигате лей с использованием методов гидродинамики смазочного слоя в микроконтак тах поверхностей верхнего компрессионного кольца и гильзы цилиндра.
Практическая ценность работы. Метод расчета износа и прогнозирования ресурса ЦГТГ дизелей с учетом контактной гидродинамики позволяет: определить интенсивность изнашивания и спрогнозировать ресурс ЦГТГ дизельных двигателей на стадии проектирования с применением новых более прочных и износостойких материалов верхнего компрессионного кольца и гильзы цилиндра, а также в процессе эксплуатации; обосновать целесообразность применения новых типов моторных масел; наряду с прямым использованием разработанная методика может быть эффективно применена и в других объектах, включающих пары трения, для узлов и агрегатов железнодорожного подвижного состава при решении задач, связанных с устойчивостью и безопасностью движения.
Реализация результатов исследования. Основные результаты работы (методика прогнозирования ресурса, экспериментальные исследования, теоретические результаты) используются: на Опытном заводе путевых машин Южно-Уральской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» (г. Челябинск) для определения ресурса капитально отремонтированных дизелей путевых машин; в учебном процессе по дисциплинам кафедры «Строительные, дорожные машины и технология машиностроения»;
Апробация работы. Основные положения докладывались и одобрены: на Региональной научно-практической конференции «Новейшие достижения науки и техники на железнодорожном транспорте» (г. Челябинск, 22-23 июля 2004); на V Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Сочи, 26 сентября - 3 октября 2004); на первой Международной на-
8 учно-лрактической конференции «Экономика. Управление. Логистика» (г. Самара, 2004); на XXXJV Уральском семинаре по механике и процессам управления (г. Миасс, декабрь 2004); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (г. Красноярск, 19-25 мая 2005); на VI Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Екатеринбург, 3-7 мая 2005); на научных конференциях студентов и аспирантов СамГАПС (г. Самара, 2004-2006).
Публикации. Результаты диссертации отражены в 11 научных работах (из них 3 - в перечне изданий, рекомендованных ВАК РФ): 6 статей, тезисы 4 докладов, 1 свидетельство об официальной регистрации интеллектуального продукта.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка и 2 приложений. Объем работы: 111 страниц машинописного текста, включая 28 рисунков, 7 таблиц. Список литературы состоит из 104 источников.
Обзор методик расчета износа и прогнозирования ресурса цилиндро-поршневой группы дизелей
Износ деталей цилиидропоршневой группы (ЦПГ) дизелей, в особенности, верхнего поршневого компрессионного кольца и гильзы цилиндра вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) остается предметом многочисленных споров и исследований как отечественных, так и зарубежных ученых, о чем свидетельствует большое количество работ, посвященных проблемам износа и ресурса ЦПГ и двигателя.
К настоящему времени разработаны различные варианты математических и динамических моделей, посвященных проблемам взаимодействия и изнашивания деталей ЦПГ. При этом не существует единого мнения об определении износа ЦПГ. Кроме того, во всех моделях присутствуют многочисленные допущения, которые сделаны в силу ограниченных технических возможностей и методов, применяемых исследователями. Этому способствует многообразие разных типов двигателей. Различные условия эксплуатации даже для однотипных двигателей порождают различные подходы к решению задачи о ресурсе ЦПГ. Многообразие применяемых материалов для изготовления цилиндровых втулок и поршневых колец, а также совершенствование применяемых смазочных материалов также затрудняют создание единого расчетного метода износа и прогнозирования ресурса. Рассмотрим применяемые методы исследования взаимодействия деталей ЦПГ и основные допущения, принятые при их разработке.
В работе [1] предложен метод определения величин износа колец, основанный на нахождении длин участков хода поршня, на которых толщина смазочного слоя между кольцом и гильзой цилиндра меньше предела толщины гидродинамического слоя смазки. На этих участках протекает интенсивный износ верхнего поршневого кольца. На основе этих представлений в работе проведен расчет полного пути изнашивания на прогнозируемый период, найдены интенсивности изнашивания кольца и гильзы цилиндра и определен радиальный износ поршневых колец двигателей 4410,5/12 (Д—144) и 44 13/14 (А-41). При этом, как и в работе [2], фактически полагалось, что давление сил упругости кольца, интенсивность изнашивания кольца и гильзы не меняются по мере изнашивания сопряжения кольцо-гильза. Найденные при этом допущении величины износа, после 1000 ч. работы верхних поршневых колец выше наблюдаемых в действительности [3].
Разработка алгоритма методики прогнозирования ресурса цилиндро-поршневой группы с учетом контактной гидродинамики
Для последовательного решения поставленных в настоящей работе задач целесообразно в общем виде разработать и представить общий алгоритм прогнозирования ресурса ЦПГ дизельных двигателей с учетом контактной гидродинамики [60] (рис. 2). Представленный алгоритм получен на основе существующих методик прогнозирования, с учетом отмеченных в них недостатков. Несмотря на то, что схема имеет довольно упрощенный вид, она показывает основную взаимосвязь и структурную последовательность решения задачи по предложенной методике.
Основным назначением предложенной методики является сведение к минимуму экспериментальной составляющей и повышение точности при прогнозировании ресурса ЦПГ дизельных двигателей. Тем не менее, по этой методике на данном этапе разработки не представляется возможным спрогнозировать ресурс ЦПГ для машин и механизмов, двигатели которых работают преимущественно на переходных режимах (например, городской автотранспорт). Это связано с тем, что переходные режимы недостаточно хорошо изучены и зачастую определение различных характеристик двигателя и некоторых закономерностей сводится к стохастической постанове задачи, с использованием методов теории вероятности.
Основные соотношения, применяемые в расчетах напряженно- деформированного состояния деталей ЦПГ
Основными задачами проведения исследования напряженно-деформированного состояния деталей ЦПГ являются:
1) Разработка плоской осесимметричной и объемной моделей взаимодействия верхнего компрессионного кольца, гильзы цилиндра и поршня двигателя ЯМЗ-238;
2) Обоснование полезности применения плоской осесимметричной расчетной модели;
3) Определение напряжений, возникающих на поверхностях кольца и гильзы цилиндра и обеспечение заданной точности расчетов.
Проведение в этой главе расчетов по определению напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей ЦПГ позволят определить износ контактирующих поверхностей верхнего поршневого кольца и гильзы цилиндра. Созданная модель поможет выявить влияние различных факторов на НДС (и, как следствие, на величину износа деталей ЦПГ), таких, как свойства материалов, применяемых для изготовления кольца и гильзы цилиндра, нагрузка на указанный узел в процессе работы, геометрическое расположение и кольца относительно гильзы и поршня. Кроме этого, разработанная модель частично позволяет обойтись без дорогостоящих экспериментов при оценке надежности ЦПГ при использовании других материалов или принципиально новой конструкции этого узла.
Все расчеты проводились с использованием программного комплекса инженерного анализа ANSYS. Средства ANSYS позволяют проводить статические и динамические расчеты НДС конструкций, включая геометрически и физически нелинейные задачи механики деформируемого твердого тела, Препроцессор программы позволяет создавать сложные геометрические модели исследуемых объектов. Постпроцессор дает возможность проведения сложных расчетов на основе полученных результатов конечно-элементного решения. Математической основой ANSYS является метод конечных элементов (МКЭ).
Рассмотрим основные математические соотношения, применяемые при проведении расчетов.
Проведение экспериментальных исследований по определению износа гильзы цилиндра и верхнего компрессионного кольца
Обеспечение точности измерений - одна из главных задач, решение которой позволяет обеспечить достоверность проведенных исследований [94]. Как известно, применение индикаторных средств измерения предполагает наличие дополнительной квалификации нормировщика, но даже в этом случае погрешности неизбежны. С целью исключения погрешностей, или их уменьшения должны применяться современные средства измерения, обеспечивающие заданную точность и позволяющие свести к минимуму ошибки нормировщика. Поэтому для проведения измерений выбраны следующие цифровые электронные приборы: для замера износа гильз цилиндров в верхнем поясе - цифровой нутромер фирмы Tesa (предел измерений 125-150 мм), а для измерения радиального износа верхних компрессионных колец -цифровой микрометр (предел измерений 0 25 мм).
Преимущества цифрового нутромера в следующем: три измерительные опоры, расположенные с интервалом 120", обеспечивают оптимальное самоцентрирование; линейный контакт трех измерительных опор позволяет инструменту устанавливаться параллельно контактным поверхностям; погрешность измерения составляет 6 мкм, цифровая индикация исключает ошибки оператора. Цифровой нутромер и микрометр показаны на рис.27.
Средства измерения внутреннего диаметра гильз цилиндров (а) и радиального износа верхних компрессионных колец (б).
Все эксперименты по определению износа деталей ЦПГ проводились на Опытном заводе путевых машин имени Виктора Харитоновича Балашен-ко, Южно-Уральской железной дороги - филиала ОАО «РЖД». Измерениям подвергались гильзы цилиндров и верхние компрессионные кольца двигателей ЯМЗ-238, вышедших из строя по причине износа ЦПГ.
