Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор исследований теплового состояния и его влияния на показатели надежности ДВС 11
1.1. Проблема теплового состояния автомобильных двигателей 11
1.2. Аналитический обзор исследований теплового состояния двс при проектировании и доводке 16
1.2.1. Анализ существующих методов оценки температурного состояния и теплонапряженности деталей ДВС 16
1.2.2. Состояние вопроса определения граничных условий для моделирования теплового состояния поршней и оребренных цилиндров автомобильных двигателей 24
1.3. Анализ конструкционных способов улучшения температурного состояния и снижения теплонапряженности деталей двс 28
1.4. Состояние вопроса исследования безотказности и долговечности работы автомобилей в эксплуатации 31
1.5. Актуальность проблемы теплового состояния двигателей в эксплуатации 33
1.6. Постановка задач исследования 36
ГЛАВА 2. Расчетно-экспериментальные исследования и построение конечно-элементных моделей теплового состояния базовых конструкций деталей двигателей 37
2.1. Объекты исследований 37
2.2. Разработка экспериментально-теоретического метода точечной оценки температур деталей автомобильных двигателей 43
2.2.1. Особенности базы для термоэлектрических экспериментов. Методика термометрирования поршней ДВС с контактным токосъемом и им-пульсно-аналоговым преобразователем 43
2.2.2. Разработка регрессионных моделей температур теплонагружен-ных деталей двигателей 53
2.3. Обоснование выбора характерных сечений деталей и расчётных режимов для моделирования 71
2.4. Особенности конечно-элементных моделей температурного и термоупругого состояний исследуемых деталей 75
2.5. Разработка расчетно-экспериментальнои (итерационной) методики определения граничных условий 3-рода для поршней ДВС 78
2.6. Разработка расчетно-экспериментальнои методики определения граничных условий 3-рода для цилиндров двс с воздушным охлаждением 89
2.7. Построение конечно-элементных моделей теплового состояния базовых конструкций поршней и оребренных цилиндров двигателей
2.7.1. Определение граничных условий 3-рода и анализ методом конечных элементов температурного состояния поршней 94
2.7.2. Тепловой баланс поршней с определенными ГУ 3-рода 103
2.7.3. Построение моделей термоупругого состояния поршней двигателей ЗМЗ-402.10иЗМЗ-4052.10 105
2.7.4. Определение граничных условий 3-рода и построение моделей
температурного состояния цилиндров двигателей ГАЗ-542.10 107
2.8. Выводы по главе 2 112
ГЛАВА 3. Расчетно-экспериментальные исследования теплового состояния перспективных конструкций деталей двигателей 113
3.1. Разработка конструкционных способов улучшения температурного состояния поршней двигателей газ 113
3.1.1. Исследования температурного состояния поршня с противоизносной вставкой в канавке верхнего компрессионного кольца 115
3.1.2. Численные исследования температурного состояния поршня с тепловой защитой зоны кромки камеры сгорания 120
3.1.3. Анализ температурного состояния поршней с различными видами принудительного масляного охлаждения 123
3.2. Разработка конструкционных способов улучшения температурного состояния оребренных цилиндров двигателей путем изменения характеристик оребрения 127
3.2.1. Численные исследования влияния высоты, толщины и количества ребер охлаждения цилиндра на его температурное состояние 127
3.2.2. Температурное состояние цилиндров дизельных двигателей с принятым к производству количеством ребер охлаждения 133
3.3. Разработка биметаллической конструкции оребренного цилиндра двигателя газ 136
3.3.1. Теоретический анализ целесообразности применения алюминиевого оребрения цилиндра для улучшения его температурного состояния 136
3.3.2. Обеспечение надежности контакта чугуна и алюминиевого сплава по линии сопряжения 139
3.3.3. Экспериментальное подтверждение работоспособности биметалли ческих цилиндров 142
3.4. Исследования на моделях перспективных конструкций поршней двигателей ЗМЗ-402.10 147
3.5. Разработка методики и профилирование головок поршней двигателей ЗМЗ 149
3.5.1. Обоснование необходимости и последовательность профилирования головок поршней ДВС 149
3.5.2. Профилирование головок поршней двигателей ЗМЗ-402.10 151
3.5.3. Профилирование головок поршней двигателей ЗМЗ-4052.10 153
3.6. Выводы по главе 3 157
ГЛАВА 4. Улучшение теплового состояния и обеспечение работоспособности автомобильных двигателей в эксплуатации 159
4.1. Анализ процессов образования отложений на деталях Двигателей ЗМЗ 160
4.1.1. Процессы старения моторных масел при работе ДВС 160
4.1.2. Взаимосвязь температур поверхностей деталей двигателей ЗМЗ и процессов образования отложений 162
4.1.3. Управление тепловым состоянием и повышение работоспособности двигателей ЗМЗ-402.10 в эксплуатации 172
4.2. Разработка методического обеспечения для статистического моделирования эксплуатационной надежности автомобильных двигателей 176
4.2.1. Организация сбора информации по эксплуатационной надежности автотранспортных средств 176
4.2.2. Разработка классификатора отказов и неисправностей двигателей автобусов 179
4.2.3. Программный комплекс для построения статистических моделей показателей надежности машин 182
4.3. Исследование безотказности и работоспособности поршней двигателей газ с нирезистовыми вставка 185
4.4. Исследование безотказности и работоспособности биметаллических оребрённых цилиндров двигателей газ 188
4.5. Построение статистических моделей надежности автобусов паз, лиаз, газель и двигателей при движении на равнинных маршрутах 192
4.5.1. Обоснование объема испытаний 192
4.5.2. Анализ надежности городских автобусов и двигателей при эксплуатации на равнинных маршрутах 195
4.6. Разработка конструкционных и эксплуатационных способов повышения надежности двигателей городских автобусов 207
4.6.1. Особенности эксплуатации городских автобусов на маршрутах с подъемами 207
4.6.2. Улучшение температурного состояния двигателей автобусов в эксплуатации конструкционными способами 210
4.6.3. Корректирование периодичности технических воздействий на двигатели автобусов в зависимости от подъемов на маршруте 213
4.7. Выводы по главе 4 224
Общие выводы и результаты 226
Список использованных источников
- Анализ существующих методов оценки температурного состояния и теплонапряженности деталей ДВС
- Разработка экспериментально-теоретического метода точечной оценки температур деталей автомобильных двигателей
- Исследования температурного состояния поршня с противоизносной вставкой в канавке верхнего компрессионного кольца
- Организация сбора информации по эксплуатационной надежности автотранспортных средств
Введение к работе
Актуальность темы. Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и в начале третьего тысячелетия сохраняют лидирующее положение среди других типов тепловых двигателей, как наиболее эффективные динамические преобразователи энергии для средств автомобильного, наземного, водного транспорта и малой стационарной энергетики.
Проблема оптимизации теплового состояния ДВС, обеспечения работоспособности их теплонагруженных деталей находится в центре внимания ученых в России и за рубежом.
Определяющее влияние на тепловое состояние ДВС, обеспечение работоспособности наиболее теплонагруженных деталей (поршней, цилиндров) оказывают их конструкции. В настоящее время при разработке и доводке деталей двигателей не достаточно изучены вопросы применения высокоэффективных конструкторских и технологических решений. Например, введение в конструкции теплонагруженных деталей вставок из жаростойких, износостойких материалов позволяет необходимым образом перераспределять тепловые потоки и температурные деформации деталей, что во многих случаях практически снимает проблемы безотказности, долговечности работы деталей и двигателей в целом. Высокоэффективным конструкторским решением по улучшению теплового состояния поршней автомобильных дизельных двигателей является их принудительное масляное охлаждения. Изучение и совершенствование этих процессов для конкретных двигателей - отдельный актуальный вопрос.
Проблема, как правило, завышенного теплового состояния деталей цилинд-ропоршневой группы (ЦПГ) ДВС с воздушным охлаждением и обеспечения их работоспособности практически полностью может быть решена путем использования для изготовления рубашки охлаждения оребренных цилиндров металлов с высокой теплопроводностью. Однако остается не решенным вопрос долговечной работы контакта металлов подобных цилиндров. Достаточно большой эффект в этом отношении также может быть достигнут путем управления характеристиками оребрения цилиндров - количеством, толщиной и высотой ребер охлаждения. Данный вопрос также остается открытым в виду практического отсутствия работ в этом направлении с использованием методов моделирования.
От теплонапряженности деталей ЦПГ ДВС напрямую зависят величины зазоров между поршнями и зеркалами цилиндров, в первую очередь, между головками поршней и цилиндрами. Задача оптимизации указанных зазоров весьма актуальна. При неоправданно больших их значениях наблюдается высокий расход моторных масел, заниженная компрессия (следовательно, эффективная мощность) и долговечность работы двигателей. При опасно малых значениях - могут происходить задиры сопряженных деталей ЦПГ, полная потеря их подвижности. В настоящее время эффективная методология по выбору зазоров между головками поршней и цилиндрами автомобильных ДВС отсутствует.
Сроки проектирования и доводки ДВС существенно ускоряются при внедрении в практику их конструирования математических методов и использования ЭВМ. Это позволяет решать задачи оптимизации теплового состояния деталей и двигателей путем численных исследований на математических моделях.
В настоящее время накоплен богатый опыт и достигнуты значительные успехи в области анализа теплового состояния деталей ДВС и, прежде всего, деталей ЦПГ, испытывающих наибольшие тепловые нагрузки. Однако преобладающая часть исследований проведена на примере судовых двигателей и силовых установок тяжелых транспортных средств. Вместе с тем, в связи с бурным развитием техники, необходимостью производства ДВС различного назначения, обнаруживается недостаточное обобщение полученных результатов, не универсальность имеющихся теоретических разработок и методических подходов. Они требуют значительных дополнений и корректировок при исследованиях деталей быстроходных автомобильных двигателей. Прежде всего, речь идет о состоянии вопроса определения научно-обоснованных граничных условий (ГУ) для моделирования температурного состояния и теплонапряженности деталей автомобильных ДВС. Изложенное определяет актуальность теоретических и экспериментальных работ в этом направлении.
С тепловым состоянием ДВС тесно связана проблема образования нагаров на поверхностях деталей камеры сгорания (КС), лаков и осадков - на деталях, контактирующих с моторным маслом. Отложения существенно нарушают нормальную работу двигателей. Анализ существующих исследований процессов их образования на поверхностях деталей ДВС и продолжение этих работ на примере автомобильных двигателей, обобщение и систематизация результатов - весьма актуальная задача.
Правильность конструкторских и технологических решений при разработке и производстве ДВС должна оцениваться по результатам подконтрольной и реальной их эксплуатации в составе автотранспортных средств (АТС). В этой связи эффект по улучшению теплового состояния деталей двигателей, полученный на этапах моделирования и при стендовых испытаниях, может с пробегом АТС исчезнуть или даже привести к отрицательному результату.
Зачастую АТС эксплуатируются при условиях, когда тепловое состояние деталей двигателей становится выше критического уровня, что также приводит к их отказам и потере работоспособности. Например, это происходит при перегрузке АТС и движении их на маршрутах с крутыми затяжными подъемами. Безусловно, такие случаи представляют собой нарушения расчетных условий эксплуатации, но, однако, бывают неизбежными. Ярким примером этого являются городские перевозки в переполненных автобусах на маршрутах с крутыми подъемами в жаркое время года. Подобные явления должны быть учтены при разработке двигателей АТС по рекомендациям автотранспортных предприятий (АТП). Это, к сожалению, не всегда берется в расчет. В результате в двигателях происходит закоксовы-вание поршневых колец, прогары прокладок головок цилиндров и прочие отказы, связанные с тепловым состоянием двигателей. Актуальность указанной проблемы не вызывает сомнений.
Данная работа выполнялась в соответствии с Тематическим планом госбюджетных НИР НГТУ с Минобразованием РФ и хозяйственными договорами с ОАО «Заволжский моторный завод», ОАО «Горьковский автомобильный завод» и предприятиями автомобильного транспорта Нижегородского региона.
Цель работы - разработка экспериментально-теоретической методологии оценки и улучшения теплового состояния теплонагруженных деталей автомобильных двигателей на этапе доводки и повышение показателей их надежности в составе автотранспортных средств.
Объекты исследования - на разных стадиях работы в качестве объектов исследований использовались: бензиновые карбюраторные двигатели ЗМЗ-402.10, ЗМЗ-5234.10, бензиновые с впрыском топлива ЗМЗ-4052.10 и дизельные двигатели ГАЗ-542.10 с воздушным охлаждением.
Методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы математического моделирования, численные методы решения систем дифференциальных уравнений и нелинейных алгебраических уравнений (пакеты программ I-DEAS, COSMOS/M расчета методом конечных элементов(МКЭ)), методы теории оптимизации, теории упругости и пластичности, методы теории планирования эксперимента и регрессионного моделирования, методы математической статистики, теории надежности, теории вероятности и стохастического программирования, прикладного анализа случайных данных.
Экспериментальные исследования проводились на натурных образцах двигателей с базовыми и измененными конструкциями деталей на стендах УКЭР ОАО «ГАЗ», НТЦ ОАО «ЗМЗ» с использованием термоэлектрического метода оценки температур деталей ДВС, применением специально изготовленного испытательного оборудования и сертифицированных измерительных приборов; на натурных образцах двигателей при дорожных испытаниях в составе автотранспортных средств на автополигоне ОАО «ГАЗ» и в автопредприятиях г. Н.Новгорода.
Научную новизну составляют:
Экспериментально-теоретический метод точечной оценки температур деталей автомобильных двигателей с использованием термоэлектрических измерений, планирования экспериментов и регрессионного моделирования;
Методология разработки осесимметричных конечно-элементных моделей теплового состояния поршней и оребренных цилиндров автомобильных ДВС с универсальными методиками определения ГУ 3-го рода;
Конечно-элементные модели теплового состояния базовых и перспективных конструкций поршней двигателей ЗМЗ, ГАЗ и цилиндров двигателей ГАЗ с воздушным охлаждением;
Универсальная расчетно-экспериментальная методика профилирования головок поршней ДВС на основе метода конечных элементов;
Методика профилирования линии сопряжения металлов в биметаллическом цилиндре ДВС с воздушным охлаждением;
Методологический подход по введению упреждающего технического обслуживания двигателей АТС, работающих на повышенных тепловых режимах.
Основные положения, выносимые на защиту.
Из теоретических разработок - методология разработки конечно-элементных моделей теплового состояния деталей автомобильных двигателей с универсальными расчетно-экспериментальными методиками определения ГУ 3-рода: для поршней - на базе итерационных принципов, для цилиндров - с использованием законов теплопередачи Фурье и Ньютона; методология разработки регрессионных
моделей температур для деталей ДВС в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и степени открытия топливорегулирующего органа; методика профилирования головок поршней ДВС; методика профилирования линии сопряжения металлов в биметаллических оребренных цилиндрах ДВС.
Из научно-методических разработок - методологические основы совершенствования конструкций деталей ЦПГ автомобильных двигателей с применением системного подхода в использовании расчетных и экспериментальных методов оценки теплового состояния моделей и образцов на этапах доводки и эксплуатации двигателей; методологический подход по корректированию технических воздействий на двигатели АТС, работающих на повышенных тепловых режимах.
Из научно-технических разработок - результаты исследований теплового состояния теплонагруженных деталей автомобильных ДВС, новых конструкций поршней и цилиндров двигателей; практические рекомендации, направленные на улучшение теплового состояния автомобильных двигателей при их доводке и эксплуатации.
Достоверность результатов. Проведенный комплекс экспериментальных исследований температурного состояния деталей ДВС на стендах и оценка их надежности при подконтрольных испытаниях подтвердили основные теоретические положения, методы и средства совершенствования конструкций поршней и оребренных цилиндров ДВС; методологические подходы по улучшению теплового состояния двигателей в эксплуатации подтверждены повышением их работоспособности в составе АТС.
Практическая ценность работы заключается в разработке и совершенствовании методологии полномасштабного анализа теплового состояния деталей ДВС, начиная от экспериментальной оценки температур в отдельных точках и заканчивая построением полей температур в объемах деталей на базе МКЭ с высоким соответствием расчетных и экспериментальных значений. Регрессионные модели при минимизации эксперимента позволяют рассчитывать температуры в точках деталей во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателей. Предложен и внедрен в производство (после апробации на стендах и подконтрольных испытаний) комплекс конструкторских решений по улучшению теплового состояния, повышению показателей надежности поршней и цилиндров двигателей ГАЗ с воздушным охлаждением (поршни со вставками в канавке ВКК, с циркуляционным масляным охлаждением; цилиндры с измененным количеством ребер, с рубашкой охлаждения из алюминиевых сплавов). Произведено профилирование боковых поверхностей головок поршней двигателей ЗМЗ для снижения расходов масел «на угар» и повышения эффективных показателей двигателей. Получены зависимости отложений нагаров и лаков на поршнях, а также осадков на других деталях бензиновых двигателей ЗМЗ от их температурного состояния. С использованием статистического моделирования выполнен анализ эксплуатационной надежности бензиновых двигателей городских автобусов ПАЗ, ЛиАЗ, ГАЗ в реальной эксплуатации при различном тепловом нагружении. Произведена корректировка технических обслуживании (ТО) бензиновых двигателей автобусов ПАЗ и ЛиАЗ ГП НО «Нижегородпассажиравтотранс», работающих на маршрутах с крутыми подъемами, для минимизации отказов, обусловленных завышенным тепловым состоянием двигателей.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены:
в ОАО «Горьковский автомобильный завод» при экономическом эффекте от внедрения методик конструкторской доводки - 3580 руб., от внедрения конструкторских решений - 168 руб. на один автомобиль в год (в ценах 1989-1991 г.г.);
в ОАО "Заволжский моторный завод", где используются при оптимизации теплового состояния вновь создаваемых и совершенствовании существующих конструкций ДВС;
в автопредприятиях ГП НО "Нижегородпассажиравтотранс" для корректирования нормативов технической эксплуатации городских автобусов (экономический эффект - 4400 руб./год на один автобус);
в Департаменте транспорта и дорожного хозяйства Нижегородской области для разработки руководящих документов по организации и контролю качества технических обслуживании, ремонтов и эксплуатации автобусов юридических лиц.
используются при подготовке инженеров автомобильных специальностей на кафедрах «Автомобильный транспорт», «Энергетические установки и тепловые двигатели», «Строительные и дорожные машины» НГТУ, на кафедре «Тракторы и автомобили» НГСХА;
включены в учебные пособия под авторством диссертанта - «Процессы и закономерности изменения технического состояния автомобилей в эксплуатации» (2002 г.); «Нормативы и основные показатели технической эксплуатации автомобилей» (2004 г.); «Основы теории надежности и диагностики» (2006 г.); «Техническая эксплуатация автомобилей. Часть 1» (2006 г.).
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на Всесоюзных научно-технических конференциях: «Проблемы снижения материалоемкости силовых конструкций» (г. Горький, ГГУ, 1984 г.); «Теория и расчет мобильных машин и ДВС» (г. Тбилиси, 1985 г.); «Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах» (г. Москва, МВТУ, 1987 г.); «Повышение эффективности сельскохозяйственного производства» (г. Казань, КСХИ, 1987 г.); «Повышение надежности и экологических показателей автомобильных двигателей» (г. Горький, ННПИ, 1990 г.); Всесоюзных семинарах: «Тепловыделение, теплообмен в ДВС и теплонапряженность их деталей» (г. Ленинград, ЛПИ, 1983-85 гг.); «Исследование двигателей сельскохозяйственных машин в динамических (неустановившихся) режимах» (г. Казань, КСХИ, 1983 г.); на Международных научно-технических конференциях НГТУ по автомобильной тематике (г. Н. Новгород, 1994, 1997, 1998, 2000, 2002, 2003, 2004, 2005 г.г.); «Совершенствование мощно-стных, экономических и экологических показателей ДВС» (г. Владимир, ВлГУ, 2001 г.); «Улучшение технико-эксплуатационных показателей мобильной техники» (г. Н. Новгород, НГСХА, 2003 г.); «Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств» (г. Владимир, ВлГУ,
2006 г.); на Российских научно-технических конференциях: «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (г. Оренбург, ОГУ, 2002 г.); «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (г. Тольятти, ТГУ, 2004 г.); «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (г. Екатеринбург, УГТИ-УПИ, 2005 г.); на региональных научно-технических конференциях (г. Горький, ГПИ, ГГПИ, ГСХА, 1982-88 гг., 1996 г., 2003 г.). Все положения, вошедшие в работу, рассматривались на заседаниях кафедр "Двигатели внутреннего сгорания" и "Автомобильный транспорт" НГТУ (1979-2006 г.г).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в 80 научных публикациях, в их числе 7 статей в центральных журналах (рекомендованных ВАК РФ), 4 учебных пособия, 67 статей в сборниках материалов (трудов) Международных, Всесоюзных, Российских и региональных научных конференций и т.д.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и результатов, списка использованных источников из 412 наименований и 14 приложений. Общий объем диссертационной работы составляет 335 страниц текста. Основной текст работы без приложений изложен на 258 страницах.
Автор выражает большую благодарность к.т.н., доцентам НГТУ |Линден-
бауму М.Б.|, Рамсу Э.Э., Зеленцову В.В., Уткину Ю.С. за помощь в проведении
экспериментальных исследований; к.т.н., с.н.с. НИИ механики ННГУ Повеликину В.П. - за участие в теоретических исследованиях.
Анализ существующих методов оценки температурного состояния и теплонапряженности деталей ДВС
В настоящее время накоплен богатый опыт и достигнуты значительные успехи в области анализа температурного состояния и теплонапряженности деталей ДВС, прежде всего, входящих в состав ЦІ 11 , как наиболее теплонагруженных деталей двигателей. Широко известны работы П.И. Бажана, М.М. Бурина, О.А. Геращенко, А.Н. Германова, Б.Я. Гинцбурга, И.Б. Гурвича, И.В. Демьянушко, Н.Х. Дьяченко, Г.Н. Злотина, Н.А. Иващенко, Р.З. Кавтарадзе, А.К. Костина, А.В. Кострова, М.Г. Круглова, С.С. Кутателадзе, В.В. Ларионова, М.Р. Петриченко, P.M. Петриченко, В.П. Повеликина, М.А. Попова, Г.Б. Розенблита, Б.С. Стефановско-го, М.В. Страд омского, М.К. Овсянникова, А.С. Орлина, Н.Д. Чайнова, А. А. Чиркова, А.Ю. Шабанова, Н.Н. Шаброва, А.Ф. Шеховцова, В.В. Эфроса и др. - в нашей стране; Г. Вошни, Т. Огури, В. Пфляума, Г. Шиткеи, К. Эккерта, К. Эльзера, В. Энненда и др. - за рубежом. До сих пор не теряют научной и практической ценности академические труды Н.Р. Бриллинга, В. Нуссельта, Г. Эйхельберга по анализу процессов переноса тепла в поршневых двигателях.
Развитие современной техники вынуждает инженеров, конструкторов и проектировщиков разрабатывать новые, наиболее эффективные и совершенствовать существующие методы анализа и способы оптимизации теплового состояния деталей и двигателей в целом.
Существует большое количество методов оценки температурного состояния и теплонапряженности деталей двигателей. К их числу относятся экспериментальные исследования [2,47,57,64,99,124,232,248,305,307,312,339,345,392 и др.], аналитические расчеты [125,139,145,154,241,249,285,317 и др.], математическое моделирование [15,39,84,111,114,117,126,149,153,172,242,251,269,345,364, 370,371,372,376,396,397,398 и др.], методы, основанные на физических аналогиях [49,84,103,107,109,276,288,324,334,345,396 и др.].
Каждый метод имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Например, экспериментальные исследования не дают возможности прогнозирования теплового состояния двигателей на этапе проектирования, а также, даже при высокой точности, не позволяют получать полную картину изучаемых явлений. По строение полей температур и напряжений с использованием критериев тепловой напряженности возможно лишь для определенных классов конструкций двигателей, на примере которых разрабатывались данные критерии. Аналитические методы пригодны только для несложных конструкций деталей и процессов теплопередачи. Методы математического моделирования лишены вышеуказанных недостатков, но могут дать большие отклонения от истинных значений температур, деформаций и напряжений в случае построения неадекватной модели, чаще всего при не совсем обосновано задаваемых ГУ.
Умелое использование положительных качеств перечисленных методов анализа теплового состояния на различных этапах создания двигателей и для различных их классов позволяет существенно сократить сроки и материальные затраты на проектирование и доводку ДВС.
До недавнего времени при разработке двигателей наиболее распространенным был путь, основанный на экспериментальном поиске оптимальных форм теп-лонагруженных деталей, организации движения охлаждающего реагента, типов систем охлаждения и пр., т.е. всего того, что прямо или косвенно влияет на уровень температурного состояния и теплонапряженности деталей ДВС. При таком подходе эффективность проводимых исследований в немалой степени зависит от опыта, интуиции исследователя, наличия статистических данных и в некоторых случаях бывает довольно высока [24,30,135,145,153,248,310,362,385,395]. Экспериментальные методы исследования температурного состояния и теплонапряженности деталей ДВС являются наиболее надежными, но в то же время и наиболее трудоемкими. Эксперимент возможен лишь при наличии опытных образцов или уже выпускаемых двигателей и связан с большими затратами времени и средств, а также с трудностями измерений в условиях сложного характера движения деталей во время их работы. В наибольшей степени эти трудности проявляются при исследованиях относительно небольших и высокооборотных автомобильных двигателей [50,59,62,106,125,127,145,152,163,246,306,307,312,339,372,376,396,399,412].
Разработка экспериментально-теоретического метода точечной оценки температур деталей автомобильных двигателей
Назначение преобладающей части экспериментальных исследований работы заключалось в получении информации о значениях температур поршней и цилиндров дизельных двигателей ГАЗ-542.10, карбюраторных двигателей ЗМЗ-402.10, ЗМЗ-5234.10 и поршней двигателей с распределенным впрыском топлива ЗМЗ-4052.10 во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов их работы. Одновременно производилась оценка основных эффективных показателей двигателей.
В основу экспериментальных исследований положены лабораторно-стендовые испытания двигателей в соответствии с ГОСТ 14846-81 [56].
При определении ГУ для разработки КЭМ температурного состояния поршней и цилиндров дизельного двигателя ГАЗ-542.10, температурного и термоупругого состояний поршней двигателей ЗМЗ-402.10, ЗМЗ-5234.10, ЗМЗ-4052.10 по разработанным и представленным ниже методикам необходимой исходной информацией является распределение температур по поверхностям деталей на выбранных расчетных режимах. Из всех перечисленных выше (см. разд. 1.2) методов термометрирования деталей ДВС для целей выбора опасных (расчетных) режимов работы двигателей при их свободном изменении и одновременной регистрации температур наиболее эффективным является термоэлектрический метод. К основным преимуществам термоэлектрических методов как раз и относится возможность анализа температур деталей во всем диапазоне режимов работы двигателей; при этом эксперимент не ограничивается только корпусными деталями [153,172,305,372,392 и т.д.].
Экспериментальная база и методология термометрирования деталей ЦПГ двигателей ГАЗ и ЗМЗ на моторных стендах разработана на кафедре ДВС НГТУ к.т.н., доцентом (М.Б. Линденбаумом, к.т.н., доцентом Э.Э. Рамсом и автором представленной работы [127,175,210 и др.].
Термометрирование, при этом, проводилось традиционными средствами с применением хромель-копелевых термопар с диаметром проволоки металлов 0,2 мм и размером их спая 0,4 мм. Для обеспечения надежности работы электрической схемы снятия термосигналов с термодатчиков применялась тройная изоляция проводов термопар - органо-силикатная обмазка, обмотка хлопчатобумажной ниткой (виток к витку) и пропитка бакелитовым лаком. Для изготовления термодатчиков поршней термопары монтировались в пробках-капсулах диаметром 2,0 мм, изготовленных из материалов поршней. Капсулы калибровались, полученные таким образом термодатчики тарировались в масляных ваннах и размещались в специально подготовленных гнездах - предварительно просверленных для этого отверстиях в объемах поршней диаметром 2 мм. Конструкция термодатчика для поршней представлена на рис. 2.6. Расстояние термопарных спаев от исследуемых поверхностей поршней во всех экспериментах составляло 0,4...0,5 мм.
Конструкция термодатчиков для других деталей двигателей отличалась от термодатчиков для поршней отсутствием пробок-капсул. Термодатчики на поверхностях (или вблизи к ним) цилиндров, клапанных крышек, картеров исследуемых двигателей приваривались термопарным спаем к металлу детали конденсаторной сваркой.
При экспериментальном определении температур поршней автомобильных двигателей возникают большие трудности, связанные с относительно малыми их размерами, значительной быстроходностью, чрезвычайной компактностью картеров данного класса двигателей, загроможденностью их внутренних полостей различными движущимися деталями КШМ и сравнительно небольшими размерами картерных пространств. Все это ограничивает число токосъемных пар и, в конечном счете, количество замерных точек.
При термометрировании для снятия сигналов с термодатчиков, установленных в поршнях исследуемых двигателей, использовался специально разработанный, унифицированный для всех имеющихся конструкций поршней быстроходных автомобильных двигателей ГАЗ и ЗМЗ вильчатый токосъемник с периодическим включением при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ). Плоские штыри токосъемника устанавливались на специальных текстолитовых колодках, крепящихся к поршням, а контактные пружины-скобы - на кронштейне, крепящемся в нижней части цилиндра (у двигателей ГАЗ-542.10) или на колодке, крепящейся к поверхности полости блока цилиндров (у двигателей ЗМЗ). Для увеличения времени считывания термосигнала и учета разрыва электрической цепи в период разъединения контакта штырей в токосъемнике в измерительную цепь параллельно термопарам включались накопительные конденсаторы большой емкости [127,175,191,210].
Разработана методика термометрирования поршней ДВС с контактным токосъемом, основанная на периодической коммутации измерительных цепей термопар с применением конденсаторного импульсно-аналогового преобразователя (ИАП), когда термо-ЭДС при отсутствии контакта в токосъемнике снимается с накопительного конденсатора. Применение периодического токосъема ограничено неизбежной погрешностью измерительного канала. В основе методики - определение действительного значения термо-эдс по результатам подбора параметров импульсного процесса с погрешностью д: Е = Ucp /(1 - 8), где Ucp - усредненное значение термо-эдс. В схеме снятия сигнала учитываются величины: Т = 60/« - период вращения коленчатого вала (KB); р - угол замкнутого состоянии контактов; у = (р / 360 - скважность (доля замкнутого состояния контактов от полного оборота KB); Тр = Rex-Сн - постоянная времени разряда (Rex - входное сопротивление на измерительном приборе, Сн - емкость накопительного конденсатора); Тз = [(RmnRex) I (Rmn + Rex)\Cn - постоянная времени заряда (Rmn - сопротивление термопарных проводов); m = Rex I (Rmn + Rex) - отношение сопротивления зарядной и разрядной цепи; Тз = m-Rmn-Сн;/?з = 77 7з и рр = ТI Тр-относительные постоянные времени заряда и разряда.;0о = /Ззу + /3р( 1-у)-обобщенная постоянная времени. Этапы методики и расчет погрешности S, обусловленной наличием ИАП, подробно представлены в приложении 1 [191].
При проведенных термоэлектрических экспериментах с имеющимися характеристиками оборудования и приборного оснащения погрешность 3 составляла 1,4%.
Конструктивные особенности поршней исследуемых двигателей и необходимость обеспечения надежности работы термоэлектрической схемы не позволили изготовлять более 16 контактных пар токосъемника. Таким образом, была обеспечена возможность одновременного снятия сигнала только с 8 термодатчиков при проведении экспериментов по оценке температур базовых конструкций поршней и перспективных опытных их модификаций у всех двигателей - объектов настоящего исследования.
На двигателях ЗМЗ-402.10 и ЗМЗ-5234.10 термоэлектрические исследования по поршням проводились для их радиальных сечений, направленных на выпускные клапаны головок цилиндров. Величины температур именно в этих сечениях поршней в соответствующих точках являются наибольшими, что подтвердили предварительные экспериментальные исследования, подробно описанные в разд. 2.4. Схема размещения термодатчиков в указанных сечениях поршней исследуемых карбюраторных двигателей ЗМЗ с некоторыми монтажными размерами представлены на рис.2.7.
Исследования температурного состояния поршня с противоизносной вставкой в канавке верхнего компрессионного кольца
В силу различия величин коэффициентов теплопроводности поршневых алюминиевых сплавов и материалов вставок в канавках компрессионных колец происходит изменение температурного состояния поршней со вставками, в сравнении с цельнолитыми их конструкциями. В литературе, однако, имеются противоречивые сведения о данных изменениях на примере различных конструкций поршней. Так, в работах [73,131] указано, что заливка вставки для ВКК способствует снижению температур поверхности канавки. Это обоснованно объясняется меньшей теплопроводностью материала вставки в сравнении с поршневым сплавом. В ряде исследований [128,270], однако, при подобном конструкторском решении получено повышение температур поверхности поршня в зоне ВКК. Объяснений данному эффекту не приводится.
Выбор формы противоизносной вставки из нирезистового чугуна для поршня исследуемого дизельного двигателя ГАЗ-542.10 в предлагаемой работе производился численным моделированием с использованием базовой КЭМ температурного состояния поршня без вставки (рис. 2.33). Моделирование различных форм вставок заключалось в замене физико-механических свойств основного поршневого материала свойствами нирезистового чугуна у соответствующих элементов базовой КЭМ поршня, определяющих размеры вставок. В дальнейшем производилась оценка температурного состояния поршня с использованием полученных таким образом КЭМ новых проектов поршней.
Моделированию подвергались несколько различных вариантов нирези-стовых вставок. В результате выявлен ряд закономерностей, которые прослеживаются при анализе рис. 3.1 с наиболее характерными вариантами вставок и табл. 3.1 со значениями температур в контрольных точках поршня.
Увеличение объема вставки (вариант С), что равнозначно увеличению процентного содержания нирезистового чугуна выше заведомо оптимального проекта, практически не влияет на значение температуры в точке 2, но вызывает существенное увеличение температуры в контрольной точке 1, в сравнении с цельнолитым поршнем. Уменьшение размера вставки (вариант В) приводит к возрастанию температуры в точке 2 с одновременным, но относительно небольшим, возрастанием температуры в точке 1. При этом выявлено, что существует некий критический размер вставки в канавке ВКК поршня ДВС (близкий к варианту С у данного поршня), при котором достигается равенство температур поршня со вставкой и без нее в контрольной точке 2. При уменьшении вставки температура в данной точке становится больше, чем у поршня без вставки, при увеличении -меньше. Встречающиеся в технической документации и литературе описания различных получаемых эффектов по влиянию вставок на температуры поверхностей канавок ВКК объясняются именно тем, что в одних случаях их размеры были больше Рис. 3.1. Варианты вставок в критических для исследуемых типо- канавке ВКК поршня: размеров поршней, в других - меньше 1, 2, 3, 4 - контрольные точки [73,128,131,270].
Кажущийся парадокс - увеличение температуры в точке 2 при размещении на пути градиента температур менее теплопроводного материала, чем материал поршня, объясняется появлением подпора тепла на пути градиента температур в данных зонах. Подпор тепла преобладает над уменьшением теплопроводности материала. При этом наблюдается существенное снижение температур нижней поверхности канавки ВКК, т.е. происходит деформация температурного поля поршня. Значения температур для различных вариантов вставок в контрольной точке 4, принадлежащей нижней поверхности канавки ВКК, также приведены в табл. 3.1. При наличии вставки больше критического размера снижение теплопроводности материала на пути градиента температур преобладает над увеличением подпора тепла и происходит снижение температур всей поверхности канавки ВКК.
Следует отметить, однако, что способ снижения температур поверхности канавки ВКК увеличением размера противоизносной вставки нельзя считать пригодным для большинства ДВС, так как при этом происходит существенное повышение температуры в зоне кромки КС (точка 1). Так, данным численным экспериментом установлено, что уже с критическим размером вставки, при практическом равенстве температур в точке 2, значение температуры в точке 1 возрастает на 16С, по сравнению с поршнем без вставки. При увеличении размера вставки также негативным последствием является увеличение массы поршня.
Анализ численных исследований позволил сделать вывод о том, что решающее влияние на температуры в зонах кромки КС и поверхности канавки ВКК оказывает количество материала вставки на пути градиента температур, направленного на точку 2. В результате была смоделирована вставка, условно названная "каплевидной", с асимметричным размещением преобладающей части материала вставки на пути градиента температур - вариант Д (рис. 3.1). Линии уровней температур КЭМ температурного состояния перспективного проекта поршня с "каплевидной" вставкой представлены на рис. 3.2.
Следует заметить, что при одном и том же количестве нирезистового чугуна как у поршня со вставкой по варианту А, в конструкции с "каплевидной" вставкой практически не увеличивается температура в точке 2, в сравнении с поршнем без вставки (табл. 3.1). Также при этом получено меньшее возрастание температуры в точке 1.
Таким образом, в целом отмечается незначительное влияние формы противоизносной вставки в канавке ВКК на температурное состояние поршня. Для решения вопроса по выбору оптимальной формы вставки следует производить асимметричное размещение преобладающей части ее материала на пути градиента температур, направленного к верхним поверхностям канавки ВКК.
Организация сбора информации по эксплуатационной надежности автотранспортных средств
Для построения адекватных статистических моделей безотказности и долговечности выпускаемых заводами-изготовителями технических объектов необходима первичная информация по результатам их испытаний или специально организованной подконтрольной эксплуатации. При этом завод-изготовитель либо организует испытания выпускаемой продукции самостоятельно, либо передает изделия на подконтрольную эксплуатацию в одно из опорных автопредприятий. Информация по надежности изделий, полученная таким образом является наиболее полной, объективной и пригодной для построения любых статистических моделей показателей эксплуатационной надежности объектов исследования. Однако организовать испытания или подконтрольную эксплуатацию выпускаемых изделий в настоящее время трудно из-за достаточно больших материальных затрат. Вместе с тем, интерес к подобного рода исследованиям присутствует как со стороны изготовителей, так и со стороны предприятий, эксплуатирующих данные технические изделия.
В существующей экономической ситуации, наиболее доступной является информация по надежности работы АТС и их составляющих элементов из реальной эксплуатации. Однако, это требует разработки специальной методики по сбору и комплектованию информации для последующего построения статистических моделей надежности.
В данной работе сбор первичной информации по эксплуатационной надежности дизельных двигателей ГАЗ в составе автомобилей при подконтрольной эксплуатации осуществлялся по соответствующей методике УКЭР ГАЗ [367]. Эта методика позволяет в полном объеме получить информацию об отказах и неисправностях любых элементов автомобилей. Схема оборота информации при подконтрольной эксплуатации автомобилей представлена на рис. 4.10.
По данной схеме был реализован сбор информации для анализа и построения статистических моделей показателей эксплуатационной надежности (безотказности и долговечности) АТС в целом, отдельных их агрегатов, систем, деталей, в том числе разработанных автором и принятых к производству конструкций теплонагруженных деталей дизельных двигатели ГАЗ с воздушным охлаждением (поршень с нирезистовой вставкой в канавке ВКК, цилиндр с 27 ребрами охлаждения, биметаллический цилиндр с рубашкой охлаждения из алюминиевого сплава).
При разработке схемы оборота и накопления информации об отказах и неисправностях агрегатов, систем, узлов и деталей в реальной эксплуатации автомобилей (в данном исследовании двигателей городских автобусов) учитывалось требование ее пригодности как для использования на автопредприятиях, так и для формирования выборок первичной информации по надежности для построения статистических моделей. При этом оборот информации об отказах (неисправностях) и способах их устранения осуществляется по схеме «механик ОТК - диспетчер центра управления производством (ЦУП)» в условиях АТП, как показано на рис. 4.11.
Необходимо отметить, что информация об отказах автомобилей и их подсистем, полученная из реальной эксплуатации, объективно не может отвечать всем требованиям, предъявляемым к ней [161,299,349,350,367]. К числу этих требований относятся: достоверность, полнота, однородность и объемность.
Достоверность информации означает, что она должна собираться квалифицированными специалистами. Полнота информации означает, что должны быть собраны все сведения об отказах в полном объеме. Только при этих условиях, в последствие, на основании полученной информации могут приниматься объективные решения. Должны быть собраны сведения о характере отказа, его причине, способах и времени устранения отказа, о дорожных и природно-климатических условиях, в которых произошел отказ и т.д. Полнота означает и то, что должен быть учтен каждый отказ. Однородность означает, что должна быть собрана информация, относящаяся к однородным объектам, эксплуатирующимся в одинаковых условиях. Это значит, что исследованиям следует подвергать АТС одной марки, модели, модификации, года выпуска, работающие в сравнительно одинаковых условиях эксплуатации, при близком уровне квалификации водителей. Объемность означает, что должно быть собрано достаточное количество информации для её обработки и проведения последующего объективного анализа.
Объем собираемой информации существенно зависит от продолжительности сбора. В особенности это относится к первым двум вышеуказанным требованиям. Причем, если достоверность информации можно принять с некоторой долей погрешности, то полнотой информации из эксплуатации обладать сложно, т.к. часть отказов нередко просто не фиксируется в первичной документации АТП. Причи
ной этому могут быть разные обстоятельства - водитель устранил неисправность самостоятельно, неисправность оказалась незначительной или была устранена ремонтным рабочим без оформления заявки на ремонт и т.д.
При данных исследованиях для разработки статистических моделей показателей надежности деталей дизельных двигателей ГАЗ использовался стандартизованный классификатор отказов и неисправностей УКЭР ГАЗ, а при разработке аналогичных моделей двигателей городских автобусов использовался новый разработанный классификатор, который, однако, базировался на вышеуказанном классификаторе УКЭР [149,179].
