Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы снижения механических потерь и износа в ДВС 10
1.1 Распределение механических потерь по узлам и агрегатам ДВС. 10
1.2 Способы снижения механических потерь 13
1.3 Обзор конструкций и технологий, обеспечивающих снижение трения деталей ЦПГ ДВС 1.3.1 Конструкция 14
1.3.2 Топография трущихся поверхностей 22
1.3.3 Материалы и покрытия
1.4 Анализ конструкции и резервов минимизации трения деталей ЦПГ дизелей семейства ТМЗ 36
1.5 Описание расчетных средств и программ
1.5.1 Известные программы численного моделирования процессов динамики, гидродинамики и трибологии в основных сопряжениях ДВС 44
1.5.2 Расчетная программа PISTON-DHT 46
1.5.3 Расчетная программа HOT- COOL 48
1.5.4 Расчетная программа RING 48
1.6 Выводы по первой главе, постановка цели и задач исследования 49
ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки к выбору способов снижения механических потерь в ЦПГ 52
2.1 Оценка влияния основных показателей конструкции и режима работы поршневого двигателя на общие механические потери .
2.2 Применение общего принципа рационального конструирования к деталям ЦПГ дизеля 1Ч 8,5/8,0 59
2.2.1 Сущность и ряд примеров применения принципа согласования при проектировании деталей ЦПГ 59
2.2.2 Применение принципа согласования к профилированию юбки поршня и поршневого компрессионного кольца дизеля 1Ч 8,5/8,0 63
2.2.3 Применение принципа согласования к конструкции цилиндра 70
2.3 Анализ влияния деформации юбки поршня на ее гидродинамическую несущую способность 78
2.4 Выводы по второй главе 86
ГЛАВА 3. Расчетное исследование возможностей снижения механических потерь в ЦПГ ДВС 87
3.1 Результаты моделирования деформации юбки поршня 87
3.2 Уменьшение искажений геометрии внутренней поверхности цилиндра 97
3.3 Расчетная оценка эффективности опытных конструкций поршней и поршневых колец 108
3.4 Выводы по третьей главе 112
ГЛАВА 4. Экспериментальная проверка эффективности применения опытного поршня и условий маслоснабжения цпг дизеля 1Ч 8,5/8,0 114
4.1 Проверка эффективности применения опытного поршня 114
4.1.1 Цель испытаний 114
4.1.2 Задачи испытаний 114
4.1.3 Объект испытаний 115
4.1.4 Средство испытаний 117 Стр.
4.1.5 Оборудование и приборы 120
4.1.6 Оценка погрешности измерений контрольных величин 123
4.1.7 Программа и методика проведения испытаний 126
4.1.8 Результаты испытаний 127
4.2 Проверка условий маслоснабжения ЦПГ дизеля 1Ч 8,5/8,0 133
4.2.1 Цель испытаний 133
4.2.2 Задачи испытаний 134
4.2.3 Метод и его техническая реализация 134
4.2.4 Методика проведения испытаний 139
4.2.5 Результаты испытаний 140
4.3 Выводы по четвертой главе 143
Общие выводы и заключение 145
Список литературы .
- Анализ конструкции и резервов минимизации трения деталей ЦПГ дизелей семейства ТМЗ
- Применение общего принципа рационального конструирования к деталям ЦПГ дизеля 1Ч 8,5/8,0
- Уменьшение искажений геометрии внутренней поверхности цилиндра
- Методика проведения испытаний
Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что цилиндропоршневая группа (ЦПГ) практически во всех типах двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является средоточием потерь на трение и изнашивание деталей. Однако особое место в этом ряду занимают быстроходные дизели с воздушным охлаждением, у которых проблема повышенных механических потерь и изнашивания деталей вообще, а деталей ЦПГ, в особенности, проявляется в наибольшей степени.
Это обусловлено как спецификой крепления оребренных цилиндров на блоке, так и условиями их охлаждения. В работах известных исследователей конструкций ДВС обращалось внимание на высокий уровень деформаций цилиндра и поршня в ДВС с воздушным охлаждением, вызываемых монтажными, температурными и динамическими факторами.
Анализ конструкции и опыта эксплуатации универсальных малоразмерных быстроходных дизелей с воздушным охлаждением производства ОАО АК «Туламашзавод» (далее то тексту - ТМЗ) показал, что эти силовые агрегаты имеют резервы снижения механических потерь и износа.
Устранение отставания в уровне конструкционного совершенства и повышение за счет этого конкурентноспособности указанных выше изделий отечественного двигателестроения обусловили актуальность темы данной работы.
Цель исследования состоит в разработке и проверке эффективности применения ряда рациональных с точки зрения снижения механических потерь технических решений для основных деталей ЦПГ быстроходного дизеля с воздушным охлаждением.
Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:
-
Анализ тенденций конструирования деталей ЦПГ современных быстроходных ДВС и оценка соответствия этим тенденциям конструкций соответствующих деталей дизелей ТМЗ.
-
Процедура применения принципа согласования для получения численных значений параметров трибологически рациональных профилей для юбки поршня, поршневых колец и цилиндра двигателя-объекта исследования.
-
Расчетно-аналитическая оценка влияния типичных искажений профиля юбки поршня на гидродинамическую несущую способность юбки (ГНС).
-
Моделирование деформации юбки поршня и цилиндра при нагру-жении юбки гидродинамической реакцией со стороны масляного слоя, а цилиндра усилиями анкерных связей.
-
Разработка новых технических решений для поршня, поршневого кольца и цилиндра на уровне изобретений, конструкторской документации и
(выборочно) опытных образцов с последующей сравнительной расчетной и экспериментальной проверками эффективности их применения с точки зрения снижения механических потерь.
Положения, содержащие научную новизну:
-
Процедура и результаты применения принципа согласования для конструкционной модернизации поршня, верхнего компрессионного поршневого кольца и цилиндра для обеспечения снижения механических потерь в ЦПГ двигателя-объекта исследования.
-
Метод и результаты расчетно-аналитической оценки влияния типичных искажений бочкообразного профиля юбки поршня на ее ГНС.
-
Постановка и результаты численного моделирования деформации юбки поршня и цилиндра при нагружении поршня гидродинамической реакцией со стороны масляного слоя, а цилиндра - сжимающими силами анкерных связей.
Методы исследования:
-
расчетно-теоретический анализ ГНС бочкообразного профиля юбки поршня;
-
численное моделирование деформации, а также динамики, гидродинамики и трибологии поршня, цилиндра и поршневого кольца;
-
эксперимент на макетной установке, выполненной на базе двигателя-объекта исследования.
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы обусловлены применением классической теории гидродинамической смазки и граничного трения; использованием апробированных расчетных средств; подтверждением результатов расчета в ходе экспериментов, выполненных на типовом, метрологически аттестованном оборудовании с учетом погрешностей измерений контрольных показателей при обработке и сопоставлении результатов.
Практическая ценность результатов работы состоит в:
-
Технических эскизах, рабочих чертежах и выполненных в металле образцах энергосберегающих деталей ЦПГ для двигателя-объекта исследования.
-
Процедуре применения принципа согласования для проектирования деталей ЦПГ с пониженным трением.
-
Устройствах и методиках экспериментальной оценки малых изменений механических потерь и условий маслоснабжения сопряжения «цилиндр-поршень» .
Работа выполнена на кафедре поршневых двигателей Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Эксперименты проведены в лаборатории двигателей кафедры тепловых двигателей и энергетических установок Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. Полученные в результате исследования технические рекомендации и объекты, в том числе защищенные соответствующими па-
тентами на полезные модели и изобретения детали ЦПГ быстроходного двигателя-объекта исследования - дизеля с воздушным охлаждением 1Ч 8,5/8,0 (ТМЗ-450Д), расчетные модели и результаты их применения используются в учебном процессе кафедры поршневых двигателей МГТУ им.Н.Э. Баумана и отделе дизелей ТМЗ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на НТК: «Студенческая весна» МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2012-2013 г.); МНТК «Актуальные проблемы автомобильного транспорта» (г. Владимир, 2013 г.), ВНТК «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2013 г.); МНПК «Актуальные проблемы эксплуатации автотранспортных средств» (г. Владимир, 2015-2016 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 7 в изданиях по списку ВАК РФ; получено два патента на полезные модели; в стадии оформления положительного решения экспертизы находится заявка на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Она включает 146 страницы основного текста, содержащего 15 таблиц и 77 рисунков, а также 15 страниц списка литературы из 158 наименований и 16 страниц приложения.
Анализ конструкции и резервов минимизации трения деталей ЦПГ дизелей семейства ТМЗ
Первая группа методов предполагает воздействие на конструкцию, а именно: видоизменение кинематической схемы для уменьшения нагрузок на КШМ, оптимизацию формы, размеров, микро- и макропрофиля трущихся поверхностей деталей. Вдобавок к этому, рассматривается влияние на реологические свойства моторного масла и согласование его показателей с конструкцией смазываемых деталей. Последнее подразумевает, что смазочный материал является неотъемлемой частью группы трения «тело – смазочный материал - контртело».
Вторая группа в большей мере относится к материалу и параметрами поверхности детали, а также к обоюдному влиянию свойств поверхностей трения на свойства материала смазки.
Третья - включает как управление режимами работы ДВС в целом, так и отдельных узловых единиц с целью снижения общих механических потерь. Типичным примером реализации данного подхода может служить отключение цилиндров при работе многоцилиндрового двигателя.
Сравнение эффективности вышеприведенных методов, представленное в работе [65], дает основание выбрать конструкторский подход и входящее в него профилирование (как макро-, так и микро-) наиболее лучшими соответственно подходом и способом с точки зрения уменьшения механических потерь на современном этапе совершенствования ДВС. 1.3 Обзор конструкций и технологий, обеспечивающих снижение трения деталей ЦПГ ДВС
В работе [68] поршни классифицируют по ряду конструкционных признаком, связанных, главным образом, с надежностью отдельных элементов данной детали (Рисунок 1.3):
Поршни фирмы KOLBENSCHMIDT: а – поршень с неразрезной юбкой, литой; б – поршень с терморегулирующей кольцевой вставкой; в – поршень с охлаждающими каналами и со втулкой поршневого пальца; г – поршень с упрочняющей вставкой для кольца с каналом для охлаждения; д – терморегулируемый поршень с сегментной упрочняющей вставкой для кольца Литые поршни из алюминия обладают меньшим весом при отличной теплопроводности, располагают, в зависимости от назначения, влитыми укрепляющими деталями, такими как упрочняющая вставка для кольца из чугуна, стальные детали для заданного теплового расширения или керамические детали с усилением волокном из оксида алюминия. Твердо-анодированные кольцевые канавки предотвращают износ и микросваривание при использовании поршней для дизельных двигателей [69-71].
Кроме того, широко распространено применение противоизносных и антикоррозионных нитридных покрытий, которые наносятся на трущиеся поверхности колечных канавок поршня путем плазменного азотирования или электролитно-плазменной нитроцементации в среде инертных газов [72].
Широкое распространение получили кованые поршни со сплошной юбкой, запатентованных конструкций AutoThermik и HydroThermik [73, 74]. Первые из названных находят применение преимущественно в двигателях гоночных автомобилей и серийных двигателях, допускающих высокие нагрузки. Благодаря специальной технологии производства данная модель поршня обладает высокой прочностью, что позволяет нанесение небольших пропилов на стенках для снижения веса конструкции. Вторые - используются преимущественно в допускающих высокие нагрузки бензиновых и дизельных двигателях для легковых автомобилей. Такие поршни имеют влитые стальные вставки и шлицы между поясом поршневых колец и юбкой.
Постоянно увеличивающаяся удельная мощность ДВС значительно усложняет работу поршней, которые должны как можно дольше выдерживать значительно возросшие механические и термические нагрузки, отличаясь при этом максимальной легкой конструкцией и работая с минимальными потерями на трение. Для того чтобы справиться с такими жесткими требованиями, разработаны новые технологии производства алюминиевых и стальных поршней [75-77]. Особенность запатентованной конструкции Evotec SC (Рисунок 1.4, а) заключается в интегрированном канале охлаждения, который способствует снижению температуры в районе первой колечной канавки на величину до 25 оС.
На основе технологического принципа создания поршней Evotec обнаружен потенциал экономии веса конструкции, как результат – появление поршня Evolite с новым дизайном (Рисунок 1.4, б), что привело к снижению веса поршня на 5%. Кроме того, как в ходе испытаний, так и в условиях нормальной эксплуатации подтверждены значительные сокращения потерь на трение. Рисунок 1.4. Поршни фирмы Mahle: а – Mahle Evotec SC; б – Mahle Evolite; в – Mahle MonoGuide
Стальные поршни выдерживают более высокие значения температур и давлений, чем алюминиевые, и вдобавок к этому отличаются меньшими потерями на трение. Во-первых, это объясняется более низким температурным расширением стали, а во-вторых, повышенной жесткостью и прочностью, которые достигаются благодаря снижению высоты поршня при одновременном сохранении его массы. Запатентованные конструкции поршней Monotherm и MonoGuide отлично зарекомендовали себя в дизелях для легковых автомобилей (Рисунок 1.4, в).
Переходя от поршней к поршневым кольцам для быстроходных форсированных ДВС, следует отметить, что выбор количества, расположения, формы и материала поршневых колец в значительной мере влияет на механические потери, износ и расход масла в двигателе. В соответствии с все возрастающей быстроходностью проектируемых двигателей, количество поршневых колец должно выбираться из принципа минимальной достаточности. Лучшие мировые аналоги проектируемого автомобильного дизеля сегодня используют вариант 2+1 (два компрессионных, одно маслосъемное кольцо), при этом первое (верхнее) компрессионное кольцо имеет весьма близкое расположение к днищу поршня, голова которого в этом случае получает низкий огневой пояс.
Идеальным кольцом, удовлетворяющим имеющимся требованиям обеспечения маслораспределительных функций, является также кольцо, которое при прямом ходе поршня (от ВМТ к НМТ) осуществляет съем излишков масла с поверхности цилиндра, а на обратном ходе поршня (от НМТ к ВМТ) всплывает на масляной пленке, обеспечивая в зоне малых скоростей движения надежный контакт с поверхностью цилиндра, т.е. хорошие уплотнение и теплоотвод. Для комплектов поршневых колец форсированных быстроходных ДВС наиболее применимы прямоугольная, трапецеидальная и прямоугольная с торсионной выточкой формы поперечного сечения компрессионных колец, имеющих соответственно бочкообразный, слабоконический («минутный») и/или сильноконический (около 10) профиль рабочей поверхности (Рисунок 1.5):
Применение общего принципа рационального конструирования к деталям ЦПГ дизеля 1Ч 8,5/8,0
Хорошо известно, что успеха при разработке нового сложного продукта в жестких временных рамках можно добиться только при принятии правильного решения на стадии концептуального проектирования. На этой ранней стадии стоимость изменения конструкции несоизмеримо меньше, чем при изготовлении прототипа. Для увеличения доли исследований на ранних этапах разработки различные компании и научные центры создают свои собственные программные обеспечения.
Так, AVL Group - признанный лидер среди создания расчетных комплексов для анализа двигателей внутреннего сгорания - имеет в своем арсенале расчетную программу EXCITE/ PISTON & RINGS, позиционируемую как инструмент для конструирования деталей ЦПГ [127]. Результаты расчета по этой программе включают вторичные перемещения поршня, контактные нагрузки и энергию для анализа шума и трения. Программа учитывает влияние на конечные показатели шероховатости поверхности, профиля юбки поршня, эксцентриситета поршневого пальца, а также скручивания поршневых колец в канавке. Абсолютные значения давлений между поршневыми кольцами, перемещения колец и утечки могут быть определены с помощью комплекта поршневых колец. Более того, программа предоставляет возможность прогнозирования расхода масла в системе смазки. Результаты расчета широко используются для оптимизации конструкций деталей ЦПГ и могут интегрироваться в испытательные стенды для измерений показателей ДВС в режиме реального времени. Однако внутри программы применяются очень упрощенные одномерные и нульмерные модели, а также содержится большое число эмпирических моделей. В частности, для расчета гидродинамики поршня используется уравнение Рейнольдса в одномерной постановке. Компания RICARDO имеет в своем распоряжении программу PISDYN [128] - передовой на сегодняшний момент пакет трехмерного моделирования для прогнозирования динамики поршня, которая позволяет оптимизировать геометрию этой детали и сводит к минимуму необходимость в дорогостоящих и трудоемких тестированиях. На основе современной модели контактирования и смазки в сопряжении «поршень-цилиндр», а рамках этого расчетного средства может выполняться оптимизация различных параметров конструкции, чтобы свести к минимуму износ, потери на трение, перекладку поршня и вероятность появления задира на его поверхности. Программа включает эффекты граничного и гидродинамического трения, учитывает упругость юбки поршня и гильзы цилиндра, изменение вязкости моторного масла, зависимость свойств материала поршня от температуры. Для расчета используется метод конечных элементов.
Эта же фирма располагает расчетным комплексом RINGPAK – пакетом двухмерного моделирования для исследования динамики поршневых колец и их смазки. Программа имеет возможность прогнозирования расхода масла на угар, износа рабочей поверхности кольца и его трения, а также может вычислять массовый расход прорвавшихся в картер отработавших газов.
К недостатку применения данной программы можно отнести: - недостаточно высокий уровень применяемых моделей трибологии сопряжений, включая расчет сил трения и износа в сопряжениях «поршень-цилиндр»; - необходимость задания очень большого числа входных данных (как единичных, так и массивов значений), получение которых в ряде случает составляет серьезную проблему. Из отечественных программ компьютерного моделирования динамики поршня в слое смазочного материала следует отметить комплекс «ОРБИТА-ПОРШЕНЬ» [129], разработанной на кафедре «Автомобильный транспорт» ЮУрГу. Этот пакет прикладных программ ориентирован на анализ сопряжения «поршень-цилиндр» ДВС и имеет возможность расчета индикаторной диаграммы двигателя по методу Вибе, действующих на поршень сил и гидродинамики. Пакет содержит основной модуль Porshen.exe , в который загружаются из внешнего файла входные данные, для корректировки которых необходимо открывать и править исходный файл, что не очень удобно. Помимо основного модуля, в котором и происходит процесс расчета, имеются два отдельных модуля Graphics.exe и PGraph2.exe, которые при отдельном запуске строят одномерные и двухмерные графики зависимостей: 1. Действующей на поршень боковой силы от угла поворота коленчатого вала (УПКВ); 2. Опрокидывающего момента, действующего на поршень, от УПКВ; 3. Давления в слое смазочного материала от УПКВ; 4. Потерь мощности на трение от УПКВ; 5. Эксцентриситета поршневого пальца от хода поршня; 6. Эксцентриситета верхней части юбки поршня от его хода; 7. Эксцентриситета нижней части юбки поршня от его хода; Как итог, данный расчетный пакет неплохо себя зарекомендовал и имеет хорошую апробацию, но ему не хватает целостностной работы входящих в него модулей, удобного для использования и редактирования рабочего интерфейса, а также вывода результирующих выходных данных в удобных для последующей обработке форматах (Microsoft Word, Exсel).
Уменьшение искажений геометрии внутренней поверхности цилиндра
Учитывая показанную в предыдущих исследованиях (см. Главу 1 данной работы) определяющую роль профиля юбки поршня в трибологии ЦПГ и подверженность этого профиля деформациям, научный интерес представляет решение недостаточно изученного вопроса о влиянии искажений заданного чертежом профиля на механические потери. Если в отношении профиля юбки поршня в поперечном сечении накоплен определенный теоретический и экспериментальный материал по влиянию искажений заданного овала на показатели работы сопряжения «юбка поршня - цилиндр» [46, 65, 97, 98, 116, 139 и др.], то применительно к продольному профилю образующей юбки поршня таких сведений явно недостаточно.
Например, до сих пор неясно: каков знак влияния (положительный или отрицательный) типичных, отмеченных на практике искажений продольного профиля юбки на ее гидродинамические показатели? Ведь в отличие от поперечного профиля, формирующего гидродинамическую несущую способность (ГНС) слоя смазки только за счет течения Куэтта, определяемого незначительной по величине скоростью сжатия масляной пленки, достигаемой максимума в узких зонах мертвых точек КШМ (т.е. при перекладках), продольный профиль отвечает за главную компоненту ГНС, формируемую скоростью осевого движения, которая минимум на порядок превышает упомянутую выше скорость поперечного движения и которая действует на гораздо более (на три порядка) протяженном участке хода поршня.
Отмеченные выше в Главе 1 искажения профиля юбки в поперечном сечении типа «провал- вспучивание» обусловливают появление ряда типичных искажений продольного бочкообразного профиля, существенным образом влияющих на формирование ГНС в зоне передачи боковой силы, т.е. в плоскости качания шатуна. При этом, в связи с реверсивным характером движения поршня, наперед неизвестно, приводят эти искажения к падению или росту ГНС. Исходя из принципа согласования, для рационального проектирования поршня требуется знать характер влияния на ГНС изменений профиля юбки, вызванных в рассматривае мом случае деформационными искажениями, в привязке к направлению движения поршня.
Поскольку в ходе расчетного моделирования условий смазки и трения поршня выявить влияние профиля смазываемой поверхности юбки на ГНС, которая не является конечной целевой функцией расчета, а лишь важной, но вместе с тем промежуточной расчетной величиной, весьма затруднительно, интерес представляло выполнение расчетно-аналитического исследования, свободного от привязки к математическому ядру той или иной известной расчетной программы.
Типичные формы искажений профиля, зафиксированные при моделировании НДС в работе [146] было решено использовать в качестве основы при разработке математических моделей для гидродинамического анализа.
Целью этого расчетно-аналитического исследования являлось установление влияния искажений исходного бочкообразного профиля юбки поршня в плоскости качания шатуна, сопровождающихся локальным увеличением толщины масляного слоя в зазоре, на ГНС слоя масла в зазоре «юбка поршня – цилиндр» [147]. Анализ основывали на получении и сравнении значений ГНС неискаженного и деформированных бочкообразных профилей.
В общей постановке решение этой задачи на аналитическом уровне является весьма сложным, поэтому для выполнения исследования был принят ряд упрощений, а именно: - для поиска распределения гидродинамического давления и, как следствие, ГНС используется уравнение Рейнольдса в одномерной квазистационарной постановке; - справедливы классические для теории гидродинамической смазки допущения (нулевые граничные условия по давлению масла, постоянство его вязкости, скорости, принятие масла ньютоновской и несжимаемой жидкостью и др.); - кусочно-линейная аппроксимацию бочкообразного профиля юбки поршня (Рисунок 2.13); - целочисленное (кратное единице) задание значений шаго-высотных параметров профиля юбки поршня. После двойного интегрирования уравнения Рейнольдса в одномерной квазистационарной постановке (2.14): ддр\ , dh h3 (2.14) v & & дх где х - координата по длине зазора; h= h(х) - профиль зазора; р=р(х) - гидродинамическое давление смазочного материала; // - динамическая вязкость смазки; v -скорость движения вдоль оси х профиля, получили выражение (2.15), описывающее распределение гидродинамического давления масла по длине зазора:
Для каждой модели выполняли расчет погонной ГНС (ГНС, отнесенной к единице ширины юбки поршня и имеющей таким образом размерность Н/м), обозначаемой далее по тексту ПГНС, осуществляемый как для прямого (на Рисунке 2.13 - в направлении оси Х), так и для обратного ходов поршня: P=jp(x)dx. (2 16) После этого оба значения ПГНС суммировали. Такой, ранее не применявшийся, подход позволил оценить не только частичную, но и полную картину работы профиля юбки на обоих ходах поршня.
Ниже приведен порядок вычисления значения ПГНС для модели 0 (Рисунок 2.13), т.е. для модели исходного, недеформированного бочкообразного профиля юбки поршня с целочисленными шаго-высотными параметрами (Рисунок 2.14).
Методика проведения испытаний
Исходя из ограниченных возможностей изготовления в металле, экспери ментальной проверки и доводки в рамках одной диссертационной работы всех предложенных выше в гл.3 восьми опытных энергосберегающих объектов для ди зелей ТМЗ, было принято решение о проведении проверочных испытаний только для объекта - лидера, а именно: поршня с ребрами жесткости юбки, отличитель ные признаки конструкции которого, кроме всего прочего, были защищены пра вами на интеллектуальную собственность. С учетом вышесказанного цель испытаний состояла в пробной проверке эффективности применения одного из ряда предложенных выше технических решений - поршня с ребрами жесткости юбки согласно Патенту на полезную модель № 159529.
В основные, подлежащие решению для достижения поставленной цели, задачи входило следующее: -обоснование, разработка и создание эффективного средства испытаний; -разработка методики испытаний; -проведение испытаний объекта и анализ полученных результатов. Из всех возможных вариантов конструкционного исполнения поршня в рамках отличительной части формулы полезной модели [151] после предварительных расчетов и сравнительной оценки уровня технологической сложности изготовления выбор был остановлен на варианте 4, предполагающем изготовление ребер как единой части с бобышками поршня: рабочий чертеж этого варианта технического решения дан в Приложении Б.
Как было отмечено в работе [152], изготовление пробного экземпляра опытного поршня с внутренними, выполненными как одно целое с поршнем, ребрами жесткости юбки, по существующей технологии изотермической штамповки, которая применяется в настоящее время при производстве поршней для дизелей ТМЗ [153], натолкнулись на трудно разрешимую проблему отсутствия нужной матрицы для штампа. Поскольку изготовление весьма дорогостоящей матрицы становится экономически оправданным только при условии серийного производства, получение единичного экземпляра опытного поршня для экспериментальной проверки было решено осуществить путем модернизации серийного поршня.
В рамках этого решения четыре ребра жесткости были изготовлены как отдельные детали по шаблонам, точно повторяющим контур внутренней полости юбки серийного поршня дизеля 1Ч 8,5/8,0, из полосы алюминиевого сплава (силумина), равной по толщине средней толщине стенки юбки, а именно: 3,5 мм (Рисунок 4.1).
Профилированные ребра жесткости из тонкостенной силуминовой пластины для юбки опытного поршня дизеля 1Ч 8,5/8,0 Затем ребра жесткости механически фиксировали в требуемом положении относительно стенки юбки и бобышек серийного поршня. После чего ребра приваривали алюминием к поверхностям прилегания, причем во время процесса сварки были приняты специальные меры для недопущения перегрева и, соответственно, термической деформации («увода») размеров посадочных отверстий, проточек и профиля юбки поршня.
Для сравнительных испытаний были подготовлены серийный поршень и его опытный аналог, имеющий отличия согласно вышеуказанному Патенту на полезную модель № 159529, отличающийся наличием установленных внутри юбки при помощи сварки алюминием четырех алюминиевых ребер жесткости и составляющих после монтажа одно целое с бобышками и стенкой юбки (Рисунок 4.2).
Сравниваемые серийный и опытный поршни предполагалось последовательно устанавливать в цилиндр с одним и тем же комплектом чугунных поршневых колец производства Goetze Werke (Германия), включающим два компрессионных и одно маслосъемное кольца.
Смазочный материал, используемый при испытаниях - рекомендованное заводом-изготовителем дизелей ТМЗ минеральное моторное масло М-10Г2К (SAE 30 API CC) производства компании Ойлрайт (Россия).
В ранее выполненных исследованиях (в том числе - с участием автора) [154-156] было показано, что для экспериментальной оценки малых изменений механических потерь в ЦПГ, вызванных, например, влиянием конструкционных модернизаций поршня, цилиндра или применением антифрикционных конструкционных и смазочных материалов, наиболее эффективным является использование калориметрического метода, заключающегося в измерении температур стенки цилиндра, обусловленных исключительно работой сил трения в ЦПГ, а не сжатием и сгоранием в цилиндре.
Для обеспечения нагрева цилиндра только теплотой трения, сжатие и сгорание рабочей смеси в цилиндре, равно как и охлаждение последнего, должны быть устранены, что и было реализовано в конструкции макетной установки путем: -демонтажа (удаления) с головы цилиндра всех герметизирующих деталей конструкции: клапанов, форсунки, предпусковой свечи подогрева; -отключения привода топливного насоса высокого давления (ТНВД) и газораспределительного механизма (ГРМ) - это было сделано с дополнительной целью устранить вклад их трения в сопротивление прокручиванию коленчатого вала; -перекрытия доступа потока охлаждающего воздуха от расположенного на маховике вентилятора к оребренным поверхностям цилиндра и головы. Таким образом, используемая в качестве средства испытаний макетная установка представляла собой специально доработанный для целей исследования «безмоторный» вариант исполнения дизеля 1Ч 8,5/8,0, предназначенный для проведения измерений выходных контрольных величин в режиме прокручивания коленчатого вала от постороннего источника - балансирной машины (Рисунок 4.3 и Рисунок 4.4). В качестве упомянутых выше выходных контрольных величин были приняты: - момент сопротивления прокручиванию коленчатого вала Мс; -температура моторного масла tм; -температура стенки цилиндра tц; -давление моторного масла pм. Задаваемой входной контрольной величиной являлась частота вращения коленчатого вала n.