Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о проблеме износа сопряжений трения ДВС 8
1.1 Общие характеристики процесса изнашивания 9
1.2 Обзор методов определения износа 11
1.2.1 Усталостная теория износа 11
1.2.2 Метод расчета износа сопряжений по А. С. Проникову 13
1.2.3 Изнашивание с позиций термофлуктуационной теории прочности 16
1.2.4 Изнашивание с позиций энергетических теорий износа 18
1.2.5 Прогнозирование износа по методу «IBM» 20
1.2.6 Экспериментальные методы определения износа 23
1.2.7 Метод оценки ресурса деталей машин по статистическим данным об их изнашивании в условиях эксплуатации 28
1.3 Обобщения по обзору теорий и методов оценки износа 31
1.4 Выводы. Постановка задачи исследования 32
Глава 2. Математическое моделирование нагрузок и длин путей трения в подшипниковых узлах ДВС 34
2.1 Длина пути трения и нагрузка как ключевые параметры, определяющие скорость изнашивания 34
2.2 Газовая и инерционная нагрузка на шатунный и коренной подшипник коленчатого вала 35
2.3 Основные допущения модели круглого подшипника скольжения 40
2.4 Численная схема решения задачи о траектории движения центра вала 47
2.5 Обобщение модели работы подшипника на случай произвольно деформированных поверхностей трения 51
2.6 Температура масла в подшипнике 58
2.7 Выводы 59
Глава 3. Уточненная модель износа подшипниковых узлов скольжения поршневого ДВС 61
3.1 Предпосылки для построения модели изнашивания подшипниковых узлов скольжения ДВС 61
3.2 Особенности контактного взаимодействия поверхностей трения при изнашивании 63
3.3 Расчетно-экспериментальная методика оценки скорости износа радиальных подшипников скольжения KB ДВС 66
3.4 Пример расчетной оценки износа сопряжений подшипникового узла ДВС 74
3.5 Выводы 80
Глава 4. Методика экспериментального исследования скорости накопления продуктов износа в ДВС 81
4.1 Обоснование выбранного метода экспериментальной оценки скорости износов 81
4.2 Объекты исследований. Основные характеристики ДВС 84
4.3 Описание и выбор расчетных режимов стендовых испытаний для различных конструкций ДВС 85
4.4 Описание экспериментальных стендов, измерительной аппаратуры 88
4.4.1 Испытательный стенд для ДМ-1к 88
4.4.2 Испытательный стенд для двигателей ВАЗ-2108, ВАЗ-21083 и стенд для двигателя ЗМЗ-4021.10 91
4.4.3 Погрешности измерений 95
4.5 Методика спектрального анализа моторных масел 96
4.6 Результаты экспериментальных исследований скорости накопления продуктов износа 98
4.6.1 Двигатель ДМ-1к 99
4.6.2 Двигатель ЗМЗ-4021.10 101
4.6.3 Двигатель ВАЗ-21083 102
4.6.4 Двигатель ВАЗ-2108 103
4.7 Выводы 105
Глава 5. Расчетно-экспериментальное исследование процессов износа подшипников коленчатого вала различных поршневых ДВС 106
5.1 Постановка задачи расчетно-экспериментального исследования 106
5.2 Расчеты рабочих процессов ДВС 107
5.2.1 Цель, метод, исходные данные расчетов 107
5.2.2 Результаты расчетов ПО
5.3 Расчет динамики КШМ двигателя на режимах различных скоростных характеристик 111
5.3.1 Цель, метод, исходные данные расчетов 111
5.3.2 Результаты расчетов 112
5.4 Расчет подшипников скольжения коленчатого вала двигателя. 114
5.4.1 Цель, метод, исходные данные расчетов 114
5.4.2 Результаты расчетов 116
5.5 Расчетная оценка изнашивания подшипников и шеек KB ДВС 120
5.5.1 Цель, метод, исходные данные расчетов 120
5.5.2 Результаты расчетов 120
5.6 Сопоставление экспериментальных данных и результатов расчета 125
5.7 Выводы 128
Глава 6. Разработка мер по увеличению срока службы шатунного подшипникового узла двигателя ДМ-1к 129
6.1 Задачи расчетно-экспериментального исследования 129
6.2 Расчетное исследование влияния длины рабочей поверхности шатунного подшипника на характеристики его работы 130
6.3 Расчетное исследование влияния конструкции маслораспределительных устройств на характеристики работы удлиненного шатунного подшипника 132
6.4 Расчетное исследование влияния установочного зазора в шатунном подшипнике на характеристики его работы 135
6.5 Поиск оптимальных вариантов конструкции шатунного подшипника 137
6.6 Выводы 145
Заключение 146
Литература 149
Приложение
- Изнашивание с позиций термофлуктуационной теории прочности
- Газовая и инерционная нагрузка на шатунный и коренной подшипник коленчатого вала
- Особенности контактного взаимодействия поверхностей трения при изнашивании
- Описание и выбор расчетных режимов стендовых испытаний для различных конструкций ДВС
Введение к работе
Актуальность темы. При современном уровне двигателестроения на первый план вышла задача повышения ресурсных показателей двигателей внутреннего сгорания. Эта проблема неразрывно связана с решением задачи минимизации скорости изнашивания сопряжений трения двигателей, особенно подшипниковых узлов коленчатого вала (KB). В настоящее время в практике доводки двигателя данная задача, в основном, решается в ходе длительных испытаний либо с помощью специальных ускоренных испытаний, что зачастую является чрезвычайно затратным и не позволяет оперативно отслеживать влияние на ресурс двигателя тех или иных конструктивных или технологических мероприятий. Отсутствие в современной теории ДВС общепринятых достоверных представлений о механизме изнашивания, реализующемся в подшипниковых узлах ДВС, учитывающих специфические условия работы двигателя, таких как ограниченность условий смазывания, возможность работы в различных режимах трения, податливость и достаточно большой уровень деформируемости опор и т. д., предопределяет отсутствие универсальных методик расчетного прогнозирования ресурсных показателей двигателей по износу. Следовательно, актуальность создания эффективных расчетно-экспериментальных методов прогнозирования скоростей изнашивания его трибологических узлов, в частности подшипниковых узлов скольжения, широко применяемых в качестве опор KB в поршневых ДВС, очевидна.
Цель работы. Построение универсальной расчетно-экспериментальной модели оценки скоростей износа подшипниковых узлов скольжения KB ДВС, учитывающей основные особенности работы этих трибологических узлов двигателя на любом режиме его работы. Решение с помощью созданной методики задачи разработки конструкции шатунного подшипника быстроходного ДВС, обеспечивающего улучшенные ресурсные показатели.
Задачи исследования. В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследования:
Провести анализ современных представлений о проблеме износа трибосопряжений подшипниковых узлов KB поршневого ДВС;
Рассмотреть способы и возможности расчетного и экспериментального определения основных параметров, влияющих на скорость изнашивания пары трения «шейка-подшипник скольжения»;
(
НОС. НАЦИОНАЛ MU»J 1
еНБЛНОТЕКД I ClWftpffer <7уЛ
Разработать метод расчета зональных (локальных) интенсивностей изнашивания, путей трения, зональных и интегральных скоростей изнашивания рабочих сопряжений трения подшипников скольжения KB ДВС для условий их эксплуатационной работы;
Произвести расчетно-экспериментальное исследование процессов износа подшипников коленчатого вала и экспериментальное исследование скорости накопления продуктов износа в ДВС с целью проверки разработанной методики прогнозирования скоростей изнашивания опор скольжения KB ДВС.
Провести разработку конструктивных мероприятий по совершенствованию трибологических характеристик шатунного подшипника скольжения конкретного быстроходного ДВС.
Научная новизна определяется реализацией новых подходов к формированию модели изнашивания подшипниковых узлов ДВС, заложенных в основу разработанной расчетно-экспериментальной методики.
Практическая ценность полученных результатов состоит в возможности численного моделирования с помощью разработанной методики показателей динамики изнашивания и проведении сравнительного анализа влияния тех или иных конструктивных и технологических решений на процесс изнашивания подшипников скольжения произвольного ДВС на любом спектре эксплутационных режимов.
Достоверность обеспечена применением апробированных методов расчетного анализа и экспериментальных исследований, а также удовлетворительным согласованием результатов моделирования и эксперимента.
Практическая реализация Результаты работы были использованы при проведении научно-исследовательских работ на кафедре ДВС СПбГПУ по заказам предприятий отрасли, а также применяются в учебном процессе по специальности «Двигатели внутреннего сгорания».
Апробация работы. Результаты исследований, составляющих основу работы, докладывались на межвузовских научных конференциях: XXVIII Неделя науки СПбТТУ и XXX Неделя науки СПбГТУ.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных работах.
Структура и обьем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 78 наименований и 5 приложений. Содержит 168 страниц, в том числе: 30 рисунков, 46 таблиц, 4 фотоснимка и 148 страниц основного текста.
Изнашивание с позиций термофлуктуационной теории прочности
Рассматривая разрушение твердых тел как термоактивационный процесс [10], С. Н. Журков установил, что долговечность и прочность связаны соотношением: где т - долговечность (время, необходимое для разрушения материала); а -разрушающее напряжение; у- структурно-чувствительная константа; &-температура; R - универсальная газовая постоянная; ы0 - энергия активации процесса разрушения; то» 10 с. Уравнение (1.10) оказалось справедливым как для гетерогенных и поликристаллических материалов (поликристаллических металлов, сплавов и полимеров), так и для совершенных по своей структуре монокристаллов. Эти идеи нашли применение для описания изнашивания полимерных материалов в основном благодаря работам С. Б. Ратнера с сотрудниками. Полагая, что интенсивность изнашивания обратно пропорциональна долговечности, они предложили соотношение [3, с. 308]: Были проведены экспериментальные проверки уравнения (1.11) при истирании по металлической сетке эластичных пластмасс. Это позволило сделать вывод, что уравнение (1.11) качественно правильно описывает изнашивание полимеров. Анализ процесса микрорезания с позиций термоактивационного механизма разрушения показал, что к процессу микрорезания соотношение (1.11) неприменимо. С. Б. Ратнер называет микрорезание «безбарьерным» процессом, поскольку в этом случае реализуется атермический вид разрушения. На примере действия стабилизирующих добавок, улучшающих противоокислительные свойства полимеров, удалось показать, что они являются эффективным средством повышения износостойкости при усталостном механизме износа (истирание по сетке) и совсем не влияют на износостойкость при микрорезании. Таким образом, инженерные расчеты интенсивности изнашивания с позиций термофлуктуационной теории прочности затруднены вследствие нехватки точных математических зависимостей.
Энергетическая теория износа сформулирована Флайшером [11] и получила дальнейшее развитие в трудах его коллег [12]. Основная концепция ее состоит в том, что для отделения частицы износа необходимо, чтобы некоторый объем материала накопил определенный критический запас внутренней энергии. Известно, что большая часть работы сил трения рассеивается в виде тепла, однако малая ее доля: примерно (9-fl6)%, накапливается в материале в виде внутренней потенциальной энергии [3, с. 310]. Именно это обстоятельство имеет решающее значение в понимании причин поверхностного разрушения при трении. Авторы вводят понятие мнимой плотности энергии трения еТ в виде: где WT - работа трения; VmH - объем изношенного материала; f коэффициент трения; N— нагрузка; Lw - путь трения. Интенсивность изнашивания тогда: Ра - номинальное давление на контакте. Как видно, поиск и обоснование развернутого соотношения для мнимой плотности энергии трения ет - важнейшая задача энергетической теории износа. В результате развития теории (1.12) было приведено к виду: где етв - действительная плотность энергии разрушения при трении; пк -критическое число циклов воздействия (число циклов до разрушения); кт коэффициент превышения действительной плотности энергии разрыва над средней; ,г - коэффициент накопления энергии. Величина пк представляет собой критическое число импульсов энергии, которое зависит от характера и величины нагрузки, от аккумулирующей способности рабочего материала. Параметр кт отражает величину так называемого аккумулирующего объема в точке отдельного контакта, определяемую микрогеометрическими характеристиками. Тот факт, что не вся работа сил трения аккумулируется в виде внутренней энергии материала, учитывается коэффициентом t,T, его значение зависит от структуры, состава и типа рабочего материала. Точное аналитическое определение мнимой плотности энергии трения на основе уравнения (1.17) затруднено, так как не полностью выяснена взаимосвязь между отдельными расчетными величинами и заданными физико-механическими характеристиками рабочего материала. Для этого необходимы дополнительные исследования.
Энергетический подход к описанию процессов изнашивания получил свое развитие в трудах Л. И. Погодаева, предложившего структурно-энергетическую теорию изнашивания материалов [13], основанную на соотношении потока внешней энергии к предельной плотности мощности деформации. По замыслу автора теория призвана учитывать структуру изнашиваемых материалов, энергоемкость, критическую скорость нагружения, жесткость напряженного состояния, аккумуляционный период накопления повреждений, многомасштабность энергетических уровней изнашивания и соответствующих диссипативных структур, и наконец-закономерность перехода от одного масштабного уровня к изнашивания к другому.
Погодаевым Л. И. предложены расчетно-экспериментальные зависимости для кавитационного, различного типа абразивного и коррозионного изнашивания. Например, для условий изнашивания при трении скольжения шероховатых поверхностей предложено следующее уравнение для определения линейного износа // [13, с. 348]: где const- опытная константа, учитывающая жесткость напряженного состояния изнашиваемых поверхностей; Ает - среднестатистическое значение амплитуды пластической деформации; G- модуль сдвига; Ндеф-глубина упруго-пластически деформированного слоя материала, в пределах которого происходит накопление повреждений и образование продуктов изнашивания; v- скорость внешнего нагружения; N— число циклов нагружения; Eyd-vKp W кр— осредненная в изнашиваемых микрообъемах критическая плотность мощности деформации, равная произведению удельной энергоемкости Еуд на критическую скорость деформации vKp, состоящую из упругой и пластической составляющих.
Газовая и инерционная нагрузка на шатунный и коренной подшипник коленчатого вала
При изучении источников возникновения и расчетах нагрузок действующих на шейки и подшипники коленчатого вала двигателя необходимо обратиться к рассмотрению динамики кривошипно-шатунного механизма (КШМ) [27, 28]. В КШМ двигателя действуют силы давления газов, силы инерции движущихся масс, силы трения, гравитационные силы, а также реактивный момент, испытываемый двигателем со стороны потребителя мощности (момент сопротивления). Однако основную роль играют силы давления газов и силы инерции движущихся масс, по сравнению с ними все остальные перечисленные факторы являются несущественными.
Рассмотрим центральный КШМ (КШМ, где ось цилиндра проходит через ось вращения KB, также при этом считается, что ось любого шатуна проходит через ось шатунной шейки), у которого шатунная шейка сопряжена только с одним шатуном. Это наиболее распространенная и простая схема, однако расчет динамики более сложных типов КШМ базируется на приводимых ниже зависимостях. Поршень испытывает со стороны камеры сгорания (КС) действие абсолютного давления газов в цилиндре рг, а со стороны кривошипной камеры двигателя - давление, равное атмосферному PQ. Сила давления газов на поршень со стороны КС в зависимости от его хода или поворота коленчатого вала (ПКВ) может быть определена по индикаторной диаграмме по данным расчета рабочего процесса двигателя для номинального или иного режима его работы. Таким образом, результирующая сила от давления газов, действующая по оси цилиндра двигателя равна: где Fn - площадь днища поршня (площадь, воспринимающая давление газов), D - диаметр цилиндра.
Силы инерции, действующие в КШМ двигателя, принято разделять на: силу инерции возвратно-поступательно движущихся масс (ПДМ) Pj и центробежную силу инерции неуравновешенных вращающихся масс (НВМ) PR. ДЛЯ определения этих сил необходимо воспользоваться методом приведения масс к радиусу кривошипа (НВМ) и точке пересечения оси поршневого пальца с осью цилиндра (ПДМ) и использования динамически эквивалентной модели реального шатуна, совершающего сложное плоскопараллельное движение. Подобные упрощения наряду с использованием сосредоточенных сил не приведет к погрешности в расчете нагрузок на шейки и подшипники вала при следующих условиях. Во-первых, при учете всех движущихся масс (поршневого комплекта, шатуна, щек, шатунных шеек и других элементов); во-вторых, в случае точного определения центров масс этих движущихся частей КШМ; и, в-третьих, при условии их безошибочного приведения к точкам условного сосредоточения. Кроме того, неизбежно при дальнейших расчетах гидродинамики подшипниковых узлов преобразование нагрузок, приходящихся на единицу площади днища поршня, в нагрузки на единицу опорной поверхности подшипника. При правильном преобразовании сил в давления и наоборот рассмотрение на промежуточном этапе сосредоточенных сил не влечет появления погрешностей.
Особенности контактного взаимодействия поверхностей трения при изнашивании
Разработка расчетных и расчетно-экспериментальных методик изнашивания должна вестись с учетом ряда особенностей контактного взаимодействия твердых тел при трении, учет которых требует отказа от традиционных допущений, принятых в расчетах на прочность [3]. Во-первых, объем материала, воспринимающий нагрузку во фрикционном сочленении, не является постоянным, он меняется в зависимости от величины давления, шероховатости трущихся тел и возникающих на поверхностях трения пленок. - Во-вторых, реальный контакт твердых тел дискретен, деформируются микрообъемы материала, к которым, строго говоря, неприменима гипотеза об однородном изотропном теле, широко используемая в классической механике деформируемых тел. - В-третьих, в отличие от расчетов на прочность (условий неразрушения тел) в расчетах на износ по существу оцениваются характеристики самого процесса разрушения.
В-четвертых, свойства материалов, участвующих в трении, часто отличаются от свойств исходных материалов, они меняются в процессе трения и соответственно меняются и условия разрушения материалов [56]. В связи с этим особую важность приобретают физические, химические и физико-химические исследования, вскрывающие кинетику процессов изменения поверхностных слоев и характер их разрушения в процессе трения. Нельзя ограничиться теми характеристиками, которыми обычно оценивают объемные прочностные свойства твердых тел, нужны специфические характеристики материалов пары трения. Перечисленные соображения лежат в основе расчетно-экспериментальных зависимостей усталостной теории изнашивания. Основной порядок прогнозирования износа методом, основанным на усталостной теории, состоит в следующем [57]: 1. Рассчитывается номинальное давление ра (для криволинейных или волнистых поверхностей контурное давление рс) в натурном узле трения, что делается по известным зависимостям [26, 58]. Физико-механические свойства материалов пары трения при этом выбираются с учетом температуры окружающей среды, а в тех случаях, когда, например, из опыта эксплуатации ориентировочно известна температура в зоне трения, то с учетом последней. Под давлениями ра и рс понимаются давления, Рис. 3.2 Схема контактирования сопрягающихся поверхностей двух тел.
Площади контакта: Аг -фактическая; Ас -контурная; Аа -номинальная действующие соответственно на номинальной и контурной площадях контакта сопрягающихся поверхностей [59, с.5], показанных на рис.3.2. 2. Рассчитывается средняя температура в зоне трения натурного узла по известным зависимостям [26, 60]. Если окажется, что найденная температура существенно отличается от использованной при выборе физико-механических свойств материалов для расчета давлений (в пункте 1), то расчеты по п. 1 и 2 следует повторить с учетом физико-механических свойств, соответствующих рассчитанной температуре. 3. Необходимо определить ведущий вид контактного взаимодействия поверхностей трения в натурном узле с учетом физико-механических свойств, соответствующих рассчитанной по пункту №2 температуре. 4. По соответствующей найденному виду контактного взаимодействия зависимости определить интенсивность изнашивания элемента пары трения натурного узла по формуле: где Ф/ - фактор износа, включающий в себя комплекс физико-механических свойств изнашиваемого материала [57, 61]. 5.
Рассчитать путь трения LTP для изнашиваемого элемента, а искомую величину износа Н определить по формуле (2.1) и сравнить его с допустимым # [#]. Ресурс узла трения по износу при необходимости находится из: Однако эта формула справедлива для поверхностей трения, имеющих одинаковую интенсивность изнашивания при работе на всех режимах (либо работающих преимущественно только на одном режиме) и, кроме того, не изменяющуюся Ih за весь срок эксплуатации. Как отмечалось в начале данной главы, для подшипников скольжения ДВС оба этих условия не выполняются. Этот факт необходимо учесть при разработке расчетной методики.
Описание и выбор расчетных режимов стендовых испытаний для различных конструкций ДВС
Основание для формирования методики испытаний - ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний» [73], кроме того, необходимо руководствоваться положениями ряда стандартов [74, 75, 76]. Следует отметить, что особенности в выборе параметров испытаний ДВС [77] связаны с тем, что в дальнейшем проводились сравнительные испытания на различных смазочных композициях, данные же работы на чистом (стандартном) масле рассматривались как базовые. Основной интерес в настоящей работе представляют как раз результаты базовых испытаний. Программа проведения испытаний включает в себя следующие разделы. 1. Подготовительные работы: разборку, визуальный осмотр двигателя, обмер его основных деталей для фиксации степени износа; при необходимости капитальный ремонт двигателя; микрофотографирование и снятие микропрофилей характерных участков поверхностей деталей; установку ДВС на стенд, соединение с нагрузочным устройством, монтаж комплекса измерительной аппаратуры. 2. Испытания в два основных этапа: Этап 1. Предварительная обкатка и регулировка собранного двигателя. В состав работ на данном этапе входят: - обкатка проводится в течение 15 моточасов до стабилизации параметров по программе обкатки, рекомендованной Заводом-изготовителем; - снятие базовых характеристик двигателя: внешней скоростной характеристики; нагрузочных характеристик с замером основных показателей работы двигателя; - замер компрессии по цилиндрам. Этап 2. Снятие базовых характеристик двигателя при работе на штатном масле. В состав работ на данном этапе входят:
Стендовые испытания двигателя продолжительностью не менее 25 моточасов (соответствует суммарному эквиваленту пробега автомобиля 3,5 тысячи км, 100 циклов холодного пуска) по программе, приведенной в таблице 4.3, циклами продолжительностью 1 моточас. - Отбор пробы масла для спектрального и химического анализа производится через равное число циклов на протяжении всего срока испытаний (за исключением этапа предварительной обкатки ДВС). - Через каждые пять циклов - цикл испытаний по программе «Холодный пуск» с прокруткой двигателя с отключенным зажиганием и подачей топлива на пусковой частоте вращения KB в течение 20 минут (аналог 60 пусков); - По окончании цикла испытаний производится замер характеристик двигателя: внешней скоростной характеристики; нагрузочных характеристик с замером основных показателей работы двигателя; - Замер компрессии по цилиндрам; - Замер расхода масла методом «на слив». З. Завершающие работы, направленные главным образом на контроль состояния узлов трения двигателя после испытаний: снятие двигателя со стенда, его разборка, дефектация и обмер; микрофотографирование и снятие микропрофилей характерных участков поверхностей деталей; оценка и фотографирование вида повреждений поверхностей трения при их наличии. После получения результатов спектрального анализа приступают к рассмотрению полученных результатов.
В общем случае, оценка состояния и изменения состояния трибологических узлов двигателя производится по следующим параметрам: - изменению величины и степени равномерности компрессии по цилиндрам; - величине максимальной мощности и максимального крутящего момента в абсолютной величине и в процентном выражении; - оценочной величине скорости износа основных сопряжений трения, определяемой на основе данных спектрального анализа масла, замеров микропрофилей поверхностей деталей; - величинам расхода топлива на режимах холостого хода, удельному минимальному расходу топлива, удельному расходу топлива на номинальном режиме в абсолютном и процентном выражении в приведенных атмосферных условиях; - изменению токсичности отработавших газов по компонентам СО, СН; - по изменению величин эффективного и механического к.п.д. ДВС. Высокую актуальность анализ по всем перечисленным параметрам приобретает в случае испытания различных смазочных композиций, присадок и препаратов. В данной работе наибольший интерес представляют величины скоростей износов подшипниковых узлов ДВС, определяемых на основе данных спектрального анализа масла.
