Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ исследований по прогнозированию работоспособности деталей двигателей внутреннего сгорания 14
1.1 Некоторые существующие методы расчетов параметров изнашивания и работоспособности деталей ДВС 14
1.2. Факторы, влияющие на износ деталей ДВС ...33^
1.3. Условия работы и основные виды изнашивания деталей ДВС 47
1.4 Влияние отклонений формы поверхности трения втулки цилиндра при сборке СДВС на работоспособность дизелей 52
1.5. Выводы 56
1.6. Цель и задачи исследования 57
Глава 2. Исследования закономерностей изнашивания деталей вусловиях эксплуатации СДВС 58
2.1. Методы обработки результатов измерений износов 58
2.2. Обработка данных по изнашиванию втулок цилиндров методом корреляционного анализа 66
2.3. Количественный анализ изнашивания деталей СДВС 73
2.4.3акономерности изнашивания деталей СДВС 83
2.5. Исследование закономерностей изнашивания шеек коленчатых валов 86
2.6. Исследование закономерностей изнашивания поршневых пальцев СДВС 92
2.7. Закономерности изнашивания подшипников СДВС 96
2.8. Выводы по главе 99
Глава 3. Разработка методологии прогнозирования износов СДВС 101
3.1. Получение уравнения для определения величин износов втулок цилиндров в зависимости от значащих факторов рабочего процесса и определение коэффициента трения поршневого кольца по стенке втулки цилиндра 101
3.2.Исследование изнашивания втулок цилиндров по высоте 19
3.3. Получение уравнения для расчета величин износов коленчатых валов в зависимости от различных факторов и коэффициента трения между шейкой вала и подшипником 126
3.4. Прогнозирование износа поршневых пальцев судовых дизелей 134
3.5.Влияние на изнашивание цилиндровых втулок, шеек коленчатых валов и поршневых пальцев различных сортах топлива и масла 142
3.6.Прогнозирование износа деталей в узлах трения с учетом различных условий технической эксплуатации двигателей 160
3.7.Влияние пусков и реверсов на ресурс двигателя 166
3.8.Прогнозирование износа деталей в узлах трения с учетом переменных режимов работы дизелей 169
3.9.Обоснование выбора наиболее значащих факторов рабочего процесса СДВС на износ деталей в узлах трения 176
3.10. Определение интенсивности изнашивания деталей в узлах трения СДВС 182
3.11.Выводы по третьей главе 192
Глава IV. Разработка методов прогнозирования и уменьшения искажений формы поверхностей трения втулок цилиндров при сборке СДВС 4
4.1. Исследования деформаций деталей ЦПГ, возникающих в процессе сборки СДВС и их влияние на искажения поверхности трения втулок цилиндров 194
4.2. Экспериментальное определение деформаций деталей СДВС при сборке 196
4.3. Расчетное прогнозирование деформаций втулок цилиндров при сборке СДВС 198
4.4. Разработка методики прогнозирования искажений формы поверхностей трения цилиндров СДВС при сборке с использованием метода конечных элементов 207
4.5.Выводы 208
Глава V. Методология прогнозирования работоспособности СДВС по износу деталей в узлах трения ...210
5.1. Прогнозирование ресурсов.деталей СДВС на основе статистической обработки результатов измерения износов 210
5.2. Расчетное прогнозирование работоспособности СДВС на основе полученных уравнений изнашивания деталей 215
5.3. Прогнозирование износа деталей сравниваемого или проектируемого двигателя 220
5.4. Периодичность, схемы и виды ремонтов 222
5.5.Анализ надежности СДВС 227
5.6. Выводы по главе 232
Глава VI. Разработка практических рекомендаций повышения работоспособности СДВС 234
6.1. Практические рекомендации повышения надежности и долговечности СДВС с учетом конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов 234
6.2. Оценка экономической эффективности рекомендаций по повышению износостойкости и долговечности СДВС 241
Основные выводы по диссертации 246
Литература 1251
Приложение 265
- Влияние отклонений формы поверхности трения втулки цилиндра при сборке СДВС на работоспособность дизелей
- Обработка данных по изнашиванию втулок цилиндров методом корреляционного анализа
- Получение уравнения для расчета величин износов коленчатых валов в зависимости от различных факторов и коэффициента трения между шейкой вала и подшипником
- Расчетное прогнозирование работоспособности СДВС на основе полученных уравнений изнашивания деталей
Введение к работе
Поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие на природном углеводородном топливе, в прогнозируемой перспективе, будут оставаться основными источниками механической работы, используемыми в различных энергетических установках (ЭУ). По оценочным данным, в мире, только для стационарных ЭУ малой мощности в передовых странах ежегодно выпускается около 25 млн. двигателей.
Основным потребителем судовых дизелей (в дальнейшем именуются СДВС) различной мощности и размеров является водный транспорт, где дизели используются в качестве главных и вспомогательных ЭУ. В настоящее время принимаются активные меры по выводу отечественного водного транспорта из тяжелого экономического состояния, вызванного жесткими объективными обстоятельствами происходящих в стране реформ. Основные этапы выживания отрасли связаны с решением следующих проблем:
1.Использование, восстановление и ремонт имеющегося парка судовых дизелей. В этих целях необходимо разрабатывать и внедрять малозатратные технологические процессы восстановления судовых дизелей и изготовления сменно-запасных деталей.
2. Установление оптимальных (щадящих) условий и режимов эксплуатации судовых дизелей пониженной надежности, используемых на стадии исчерпания ресурса ведущих деталей, а также после ремонта.
З, Проектирование, строительство и эксплуатация новых конструкций двигателей третьего тысячелетия с учетом обобщенного опыта эксплуатации прототипов и с использованием расчетных методов оценки надежности наиболее нагруженных механизмов, узлов и отдельных деталей.
Большинство промысловых судов оснащено силовыми установками на основе дизелей отечественной и зарубежной постройки, которые будут эксплуатироваться в обозримом будущем до кардинальной перестройки дизелестроительной отрасли и ее ремонтной базы.
Широкое использование СДВС требует их рациональной эксплуатации, умения оценивать износы деталей двигателей, своевременно производить ремонт и принимать меры, предотвращающие как эксплуатационные, так и аварийные отказы. Для этого необходимо правильно прогнозировать работоспособность деталей, лимитирующих ресурс СДВС, т.к. по статистическим данным до 30% действительного годового фонда времени работы уходит на их ремонт.
Научно-технический прогресс требует интенсифицировать рабочий процесс и повысить рабочие параметры дизелей, что неизбежно усиливает общую напряженность режимов работы узлов и деталей и усложняет проблему обеспечения надежности и повышения сроков службы. Вместе с тем, принципы трения, изнашивания и смазки в основных ресурсоопределяющих узлах трения судовых дизелей остаются прежними. Поэтому надежность, а следовательно и эффективность судовой техники недалекого будущего будет в значительной степени зависеть от того, насколько реально мы сможем учитывать негативные последствия разномасштабного внешнего воздействия на материалы и узлы машин интенсивных разнородных нагрузок и с учетом воздействия на процесс изнашивания максимального количества значащих факторов в широком диапазоне эксплуатации.
Опыт эксплуатации промысловых судов показывает, что срок службы их дизелей в среднем в 1,5-2 раза меньше нормативного из-за перегрузок и
большого количества переходных и пусковых режимов. Преждевременный износ деталей недопустим, так как в этом случае снижается работоспособность дизеля, что, в свою очередь, может вызвать его аварию и создать чрезвычайные обстоятельства для судна, находящегося в автономном плавании.
Увеличение моторесурса СДВС представляет собой важную проблему,
которая неразрывно связана с необходимостью определения износов узлов и
деталей. Научно-исследовательские организации и предприятия (Центральный
научно-исследовательский дизельный институт (ЦНИДИ), Санкт-
Петербургский государственный технический университет водных
коммуникаций (С.-П ГТУВК), Санкт-Петербургский государственный
морской технический университет (С-П. ГМТУ), Институт машиноведения
РАН им, А.А. Благонравова (г. Москва), Институт проблем машиноведения
РАН (г.Санкт-Петербург), МГТУ им. Н.Э. Баумана, Военно-морскоая академия
(ВМА) им. Н.Г. Кузнецова (г. Санкт-Петербург), дизелестроительные заводы,
эксплуатационные и другие организации), занимающиеся изучением износов,;
деталей СДВС, разрабатывают мероприятия, позволяющие увеличить сроки
службы отдельных деталей и узлов конструкторе ко-технологическими
методами. Вместе с тем, разрозненность и направленность этих исследований "
на решение конкретных задач, а также переменный характер большинства
факторов, влияющих на процесс изнашивания, в значительной мере зависящих
от специфики эксплуатации, затрудняют устанавливать общие
закономерности износов деталей, намечать оптимальные режимы эксплуатации и межремонтные периоды. В каждый момент износ деталей является функцией многих переменных факторов, таких, как неполная однородность по качеству материалов одних и тех же марок, неодинаковые исходные действительные размеры деталей, колебания зазоров в пределах полей допусков и т.д.
Отмечая достижения в области изучения теории и практики изнашивания, разработанные эффективные способы уменьшения трения и
8 износа и необходимость продолжения работ по их развитию с одной стороны, следует сказать о недостаточном развитии методов научного прогнозирования работоспособности деталей по износу в узлах трения, которые позволят внести существенный вклад в решение важной народнохозяйственной проблемы - повысить надежность и эффективность работы СДВС.
Ограничиваясь судовыми дизелями различных размерностей и конструкций, надежность которых явно недостаточна, становится очевидной актуальность моделирования процессов изнашивания, выявления общих закономерностей, свойственных различным видам изнашивания деталей и необходимость разработки с единых теоретических позиций методик расчетного прогнозирования долговечности и износостойкости дизелей и способов повышения их надежности.
Актуальность исследований возрастает в связи с ужесточением режимов
эксплуатации современных высокофорсированных двигателей, а также
отсутствием во многих случаях простых и эффективных расчетных методов;
исследования параметров изнашивания деталей с учетом основных
параметров и показателей работы двигателей (давление, скорость, тактность, размеры деталей, технологию изготовления, режимы эксплуатации, свойств смазки, различных присадок к маслам, топлива и т.п.).
Тема диссертационной работы посвящена решению важной научной и народнохозяйственной проблемы - исследованию и разработке методологии прогнозирования работоспособности судовых СДВС по износу деталей в узлах трения.
Решение данной проблемы позволяет:
усовершенствовать теоретические основы прогнозирования работоспособности деталей СДВС;
получить зависимости влияния основных рабочих параметров, конструкционных и технологических факторов, качества масла, топлива, материала и технической эксплуатации на износ деталей;
разработать методологию, позволяющей эффективно прогнозировать износ деталей судовых дизелей на стадиях проектирования и в период эксплуатации;
увеличить срок службы двигателей между ремонтами и уменьшить затраты на ремонт и эксплуатацию СДВС, что обеспечивает значительный экономический эффект.
Работа основана на материалах исследований, проведенных автором в 1978-2002 гг. Для повышения представительности статистических выборок по фактическому износу СДВС различных типов были использованы данные практических измерений износов деталей в узлах трения, полученных из формуляров и таблиц обмеров деталей различных двигателей во время ремонта и стоянок судов на судоверфях и судоремонтных заводах. Также были проанализированы и частично использованы материалы различных научно-исследовательских и проектных организаций по изнашиванию; двигателей. Для обобщения применен метод теории подобия. На основе анализа материалов, приведенных в научных работах, посвященных изучению механотермохимических явлений в контакте трущихся пар, получены новые расчетные зависимости, позволяющие учесть значительное многообразие факторов, влияющих на работоспособность СДВС.
Цель работы.
В качестве стержневой задачи и целевой установки в диссертации
предполагается: в начале подробно исследовать условия работы и
основные виды изнашивания деталей судовых дизелей, научно обосновать
максимальное количество значащих факторов, влияющих на износ деталей в
узлах трения, исследовать закономерности изнашивания
ресурсоопределяющих деталей и разработать методологию моделирования и расчетного прогнозирования износостойкости и долговечности, адаптированную к конкретным условиям внешнего нагружения деталей в узлах трения. На основе установленных закономерностей изнашивания
10 ' конкретных трибосопряжений разработать и предложить практические способы повышения ресурса судовых дизелей.
Общая проблема потребовала решения частных задач.
Раскрыть физическую сущность процессов изнашивания узлов трения судовых дизелей на основе современных теоретических подходов, используемых при решении задач повреждаемости, усталостной прочности, долговечности и износостойкости материалов.
Исследовать вероятностный характер важных для практики кинетических кривых изнашивания деталей ресурсоопределяющих соединений судовых дизелей в результате всестороннего анализа обширного банка статистических данных и тщательной обработки экспериментальных данных о закономерностях изнашивания деталей, полученных в натурных условиях и при стендовых испытаниях современных высокофорсированных дизелей.
Разработать универсальную методологию прогнозирования . работоспособности судовых дизелей по износу
. трибосопряжений и наее основе получить расчетные уравнения
для качественного и количественного анализа изнашивания деталей в трибосопряжениях различных типов судовых дизелей, и которую можно было бы рекомендовать для количественной оценки интенсивности изнашивания деталей в трибосопряжениях более широкого круга машин и механизмов.
4. Разработать новые адаптивные расчетные модели для
прогнозирования долговечности и износостойкости деталей при
граничной смазке в широком диапазоне изменения условий
эксплуатации (с учетом переменных режимов работы
двигателей) и предложить практические способы повышения
ресурса судовых дизелей.
Исследовать закономерности деформаций втулок цилиндров, возникающих при сборке дизелей и оценить влияние их неравномерности на изнашивание деталей сопряжения.
Разработать методику расчетного прогнозирования искажений поверхностей трения деталей при сборке и способы их уменьшения,
Внедрить полученные результаты в практику эксплуатации судовых дизелей.
Методы решения поставленных задач. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, а также испытания в натурных условиях.
Обработка параметров изнашивания деталей в узлах трения производилась с использованием методов математической статистики: метода модальных интервалов; метода наименьших квадратов и средних, квадратичных ошибок, а также метода корреляционного анализа.
Для получения расчетных моделей изнашивания втулок цилиндров, поршневых колец, шеек коленчатых валов, поршневых пальцев и подшипников скольжения использованы математические методы теории подобия и моделирования, методы решения систем уравнений (система определителей, метод конечных разностей сумм, метод матриц, способ итераций, алгоритм Гаусса).
В процессе исследования и разработки расчетной методики прогнозирования отклонений точности формы зеркала цилиндра, возникающих при сборке дизелей, использованы положения классической теории упругости и метод конечных элементов.
Экспериментальными методами, с использованием современных контактных и бесконтактных технических средств измерения размеров деталей, деформаций и напряжений, проверена адекватность предложенных математических и физических моделей. Эксперименты выполнены в
12 лаборатории, на дизелестроительных и судоремонтных заводах, а также в реальных условиях эксплуатации дизельных установок на судах.
Личное участие автора состоит в получении научных результатов, отраженных в опубликованных работах (в том числе и в соавторстве); в установлении и научном обосновании принципов изнашивания ресурсоопределягощих деталей судовых дизелей; в установлении важных для практики закономерностей изнашивания деталей, в разработке новой методологии прогнозирования работоспособности двигателей; в получении новых расчетных зависимостей изнашивания от основных параметров и показателей дизелей в широком диапазоне изменения эксплуатационных режимов работы и с учетом большинства сопутствующих факторов, разработке алгоритма и методики получения расчетных зависимостей износа основных деталей дизелей; разработке расчетно-экспериментальных методов исследования и прогнозирования искажений формы поверхностей трения, во внедрении результатов в производство.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов,.; содержащихся в диссертации, подтверждается:
корректным использованием: фундаментальных законов природы; апробированных теорий и концепций изнашивания материалов и деталей трибосопряжений; современных компьютерных средств обработки экспериментальных данных, проверенных методов и технических средств измерения и приборов;
представительностью использованного статистического материала по износу деталей судовых дизелей;
сопоставлением выполненных исследований с имеющимися научными и практическими результатами в этой области;
удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных данных.
Научная новизна В результате проведенных исследований были установлены и научно обоснованы основные закономерности изнашивания
із деталей, образующих узлы трения судовых дизелей. Разработана и апробирована, отличная от известных, методология прогнозирования работоспособности судовых дизелей по износу их деталей. Получены новые зависимости по определению параметров изнашивания в функции максимального количества значащих факторов.
Исследования позволили уточнить механизмы изнашивания деталей в узлах трения дизелей, получить новые уравнения расчета износа и скорости изнашивания, а также решить задачи управления процессами трения и износа деталей. Научно доказана целесообразность применения метода наименьших квадратов и алгоритма Гаусса для получения расчетных зависимостей износа от основных показателей рабочего процесса. Установлена роль сборочной погрешности формы детали в формировании условий трения и определено ее влияние на износ. Разработан новый метод расчета и прогнозирования искажений формы поверхности трения втулок цилиндров, как фактора, влияющего на износ. Разработан и апробирован новый метод прогнозирования работоспособности судовых дизелей по износу деталей в узлах трения, позволяющая определить срок их службы, прогнозировать износ деталей в период эксплуатации и определять периодичность, схемы и виды ремонта Новый подход к решению поставленных задач представляется дальнейшим развитием теории трения и износа в машинах в применении к судовому дизелестроению.
На защиту выносятся
физическая модель изнашивания и потери работоспособности цилиндровых втулок (природа, механизм, условия и причины интенсивных процессов изнашивания поверхностей трения);
метод количественного анализа износа деталей двигателей внутреннего сгорания на основе теории трения скольжения при граничной смазке твердых тел;
результаты моделирования процессов изнашивания материалов и расчета износа деталей в узлах трения;
методология получения расчетных уравнений износа основных деталей в узлах трения различных двигателей на основе составления и решения систем линейных уравнений;
основные зависимости изнашивания, учитывающие переменные режимы работы двигателя, условия эксплуатации, смазки, механические свойства материалов, отклонение профиля поверхности, удельное давление, размеры деталей, температурные условия и другие факторы рабочего процесса;
методика и результаты расчетно-экспериментального исследования и прогнозирования погрешностей формы поверхностей трения и способы уменьшения этих погрешностей;
результаты практической реализации методов прогнозирования работоспособности по износу деталей в узлах трения дизелей в период эксплуатации, а также при сравнении существующих и проектировании новых конструкций дизелей
Практическая ценность Настоящая диссертационная работа направлена на решение важной проблемы прогнозирования работоспособности судовых дизелей, повышения их ресурса за счет роста износостойкости деталей основных соединений. Работа позволяет:
Выполнить расчет износа деталей в узлах трения двигателей по полученным в работе зависимостям и установить момент начала катастрофического износа, что в свою очередь позволит избежать аварии двигателя и предотвратить неизбежно связанные с этим материальные затраты;
Получить достоверные результаты при расчетной оценке интенсивности изнашивания сокращает время и снизить расходы на проведение
15 дорогостоящих экспериментальных исследований износостойкости и долговечности деталей судовых дизелей;
Количественно оценить работоспособность двигателей и на этой основе ', наметить мероприятия по продлению срока службы деталей.
Внедрение результатов выполненных исследований в производство позволяет уменьшить скорости изнашивания в 1,5-2 раза и увеличить сроки службы деталей двигателя в среднем на 35%;
Использовать на практике новую методологию прогнозирования работоспособности деталей в узлах трения и модернизировать схемы ремонтов двигателей, увеличить продолжительность эксплуатации и уменьшить междурейсовые стоянки в порту.
Реализация результатов работы. Разработанные научные и практические
рекомендации опробованы и внедрены со значительным экономическим
эффектом на дизелестроительных заводах ОАО «Звезда» ( С-Петербург),
ОАО «Дагдизель» (Каспийск), холдинговой рыбопромысловой компании
ОАО «Каспрыбхолодфлот» г, Астрахань, ЗАО «Махачкалинский
судоремонтный завод» г. Махачкала. Научно-методические материалы по
методологии прогнозирования износов деталей ДВС внедрены в учебный
процесс Дагестанского государственного технического университета, (г.
Махачкала) и Астраханского государственного технического университета (г.
Астрахань) в виде учебных пособий, рекомендованных соответствующими
УМО и министерством образования РФ. Материалы используются при
чтении лекций, а так же в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались и обсуждались на Международных, Всесоюзных, Всероссийских
и республиканских симпозиумах и конференциях, а также на отраслевых
специализированных семинарах: - (Всесоюзные конференции: «Прогрессивные
технологические процессы в механосборочном производстве, направленные на
повышение производительности и качества изготовления изделий», 1977 г.,
«Динамика, прочность и надежность двигателей внутреннего сгорания», 1978г.)
(г.Ленинград); -Всесоюзная конференция: «Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства подвижных сопряжений машин», (г. Рыбинск) (1979г.); - Всероссийская НТК «Пути повышения эффективности производства, качества выпускаемой продукции»,(г.Махачкала)1981г.; - Семинары НТО им. Академика А.Н.Крылова, 1977-1985г.г; - Научно-технические конференции ЛКИ в 1977-1985г.г. (г.Санкт-Петербург); - Всесоюзная НТК . «Совершенствование методов ППД», (г. Брянск), 1986 г.; - Научная сессия Дагестанского филиала АН СССР, посвященная итогам фундаментальных и прикладных исследований, (г. Махачкала), 1988 г.; - Всесоюзный симпозиум «Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии», (г. Житомир) 1989 г.; - Научно-техническом семинаре «Управление качеством изделий и технологических процессов в машиностроении» (г. Каспийск) 1989, 1991 г.г.; - Межрегиональном научном семинаре «Повышение технического уровня, надежности и безопасности систем корабельной энергетики»(г. Астрахань), 2000-2002 г.г,; - Международная научная конференция «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (г. Астрахань) 2002г, ; -Республиканские и межвузовские НТК, (г. Махачкала), 1982 - 2002г.г.. Публикации.
Всего по теме диссертации опубликовано 26 работ в научных изданиях, соответствующих списку, утвержденному ВАК Российской Федерации, отдельные разделы диссертации рассмотрены дополнительно в 11 публикациях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и заключения, изложенных на 295 страницах машинописного текста, содержит 75 таблиц, 51 рисунок, список литературы из 23Й наименований, 30 приложений.
Влияние отклонений формы поверхности трения втулки цилиндра при сборке СДВС на работоспособность дизелей
Всесоюзная конференция: «Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства подвижных сопряжений машин», (г. Рыбинск) (1979г.); - Всероссийская НТК «Пути повышения эффективности производства, качества выпускаемой продукции»,(г.Махачкала)1981г.; - Семинары НТО им. Академика А.Н.Крылова, 1977-1985г.г; - Научно-технические конференции ЛКИ в 1977-1985г.г. (г.Санкт-Петербург); - Всесоюзная НТК . «Совершенствование методов ППД», (г. Брянск), 1986 г.; - Научная сессия Дагестанского филиала АН СССР, посвященная итогам фундаментальных и прикладных исследований, (г. Махачкала), 1988 г.; - Всесоюзный симпозиум «Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии», (г. Житомир) 1989 г.; - Научно-техническом семинаре «Управление качеством изделий и технологических процессов в машиностроении» (г. Каспийск) 1989, 1991 г.г.; - Межрегиональном научном семинаре «Повышение технического уровня, надежности и безопасности систем корабельной энергетики»(г. Астрахань), 2000-2002 г.г,; - Международная научная конференция «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (г. Астрахань) 2002г, ; -Республиканские и межвузовские НТК, (г. Махачкала), 1982 - 2002г.г.. Публикации.
Всего по теме диссертации опубликовано 26 работ в научных изданиях, соответствующих списку, утвержденному ВАК Российской Федерации, отдельные разделы диссертации рассмотрены дополнительно в 11 публикациях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и заключения, изложенных на 295 страницах машинописного текста, содержит 75 таблиц, 51 рисунок, список литературы из 23Й наименований, 30 приложений.
Создание теоретических научных методов расчета износа деталей машин имеет большое значение для практики, т.к. это позволит уже на ранних стадиях разработки СДВС устанавливать причины и закономерности изнашивания деталей, обеспечивать минимальные скорости и равномерность изнашивания, сравнивать различные конструкции с точки зрения износостойкости, определять предельно допустимые износы, оптимальные межремонтные периоды и разрабатывать конструкторско-технологические методы, повышающие работоспособность деталей машин.
Данные вопросы для деталей машин различного назначения нашли отражение в теоретических и экспериментальных работах А.Ю. Ишлинского, А.С. Проникова, М.М. Хрущева, И.В. Крагельского, Б.Е. Костецкого, Э.В.Рыжова, В.Н.Виноградова, Г.М.Сорокина, Н.М.Михина, Ю.Н.Дроздова, ЛИ. Погадаева, С.В.Пинегина, М.М.Тененбаума, Н.А.Буше, И.Г. Горячевой, А,А.Силина, М.Н., Добычина, В.Н. Кащеева, В.С.Комбалова, Х.Б.Кордонского, Ю.Г.Шнейдера и многих других.
Трудами этих и других ученых отечественная научная школа трения и изнашивания превратилась в одну из ведущих в мире. Исследования в области триботехнологии создают научную базу для управления процессами изнашивания сопрягаемых деталей, что весьма ; важно для повышения срока службы и надежности машин. Применительно к судовым дизелям прикладной аспект достижений науки трения и износа сохраняет свою актуальность и требует дальнейшего развития. Важное значение для обеспечения износостойкости и долговечности деталей дизелей имеют работы: П.А. Истомина, Л.И. Погодаева, В.А. Сомова, Ш.М. Билика, А.Г. Рохлина, Ю.В. Сумеркина, В.П. Булатова, Б.В. Васильева, Н.В. Запольского, Д.Г. Точильникова, Б.Я. Гинцбурга, Ф.Н. Авдонькина, И.А. Мишина, В.В. Щагина, B.C. Семенова, И.Б, Тартаковского и многих других. В этих работах рассматриваются вопросы моделирования и прогнозирования износа деталей, совершенствования технологических процессов механообработки и сборки, диагностирования технического состояния ДВС и другие, которые являются базой для обоснования правильности выбранного направления исследований по прогнозированию износа деталей и повышению надежности и долговечность дизелей. За рубежом известны работы в области износа деталей машин Г.Фляйшера, Д. Мура, H.IL Лиса, (Дания), Н. Наута, Пауне, Иоахима, К. Танаки (Япония), А. Сода, Г. Сосада, Г.Г. Розена (США), Ф.Т. Барвела, (Чехия), Р. Лаваля, Е. Котти, Г. Симонетти, Т. Томаса (Англия), Ф.Р. Боудена, Д. Тейбора, Г. Польцера. Ф. Майснера, К. Джонсона, Д. Брозе и других. Большинство работ посвящено исследованиям изнашивания деталей цилиндпо-поршневой группы (ЦПГ), которые главным образом определяют ресурс двигателя. Ю.Н. Дроздов [60-62] , В.Ф. Замковец [68] , Г.М. Сорокин [152] и др. относят к числу первоочередных мероприятий разработку методов испытаний материалов на износ, определение критериев износостойкости материалов, разработку аналитических методов расчета на износостойкость деталей машин и инструмента. Г.М. Сорокин [153] утверждает, что к числу наиболее эффективных средств повышения износостойкости оборудования следует отнести различные методы поверхностного упрочнения, обеспечивающие значительное снижение износа поверхностных слоев в узлах трения. В.Н. Половинкин [127] показал, что фуллерены в составе конструкционных материалов существенно (в несколько раз) повышают износостойкость материалов. Ю. Г. Шнейдер [181, 182] считает, что наиболее просто и надежно проблема обеспечения оптимального качества поверхности деталей машин осуществляется добавлением к обработке их резанием, холодной обработки давлением с образованием на поверхности деталей регулярных микрорельефов.
Таким образом, при создании оборудования для сложных условий ".-: эксплуатации решена прежде всего проблема прочности, что в свою очередь обуславливает соответствующий подход к выбору конструкционных материалов и режимов их термической, химико-термической и механической обработки. Это привело к тому, что проблема обеспечения прочности стала первичной, а проблема обеспечения износостойкости, как следствие условий работы машины -вторичной,
О связи величин износа цилиндрических поверхностей деталей машин с их исходной макро - и микрогеометрии говорится в работах В. П. Булатова [22], Ш. М. Билика [8]; Д.Г. Точильникова [162];М.Г. Дубровина[65], И.Б. Гурвича [55,56], Тихомирова В.П. [161] и др.
Обработка данных по изнашиванию втулок цилиндров методом корреляционного анализа
Детали ЦПГ относятся к наиболее напряженным и ответственным деталям дизеля. Втулка цилиндра и поршневое кольцо находятся в наиболее тяжелых условиях эксплуатации и являются наименее работоспособными из основных деталей двигателя [20, 21, 38, 40, 89, 189]. На процесс износашивания втулок цилиндров, поршней, поршневых колец и пальцев оказывает влияние большое количество различных факторов, зависящих от типа двигателя, конструктивных особенностей, технологии изготовления и сборки, уровня форсирования, применяемого топлива и масла, подготовки обслуживающего персонала, климатической зоны использования и многое другое.
Увеличение степени наддува приводит к росту давлений сгорания и трения между поршневыми кольцами и цилиндровой втулкой. Повышение удельной мощности двигателя путем наддува приводит к возрастанию количества тепла, выделяющегося в цилиндре, и росту его теплонапряженности. Возросшее количество тепла, отводимого через кольца, влечет за собой повышение температуры кольца и рабочей поверхности втулки. У лучших современных дизелей максимальное давление сгорания достигает 13,0 - 16,0 МПа и температура рабочей поверхности в зоне ВМТ первого компрессионного кольца - 180-220С [171].
Форсирование двигателей по частоте вращения приводит к пропорциональному увеличению изнашивания деталей ЦПГ.
Многие авторы отмечают, что втулка цилиндра одновременно подвергается коррозионно-механическому и абразивному изнашиванию (ГОСТ 27674-88). Как отмечено в работе [53] изнашивание при заедании наиболее вероятно в верхней части цилиндра, где вследствие недостаточной смазки, малой скорости поршня, высоких температур и давлений нарушается непрерывность масляной пленки и в отдельных точках возникает схватывание поверхностей трущихся пар. С другой стороны, высокие температуры поверхности втулки, разрыв масляной пленки и тепловое излучение процесса сгорания топлива способствует интенсивному образованию окисных и лаковых пленок, которые препятствуют соприкосновению поверхностей и тем самым устраняет вероятность схватывания поверхностей трущихся пар [89].
Коррозионно-механическое изнашивание втулок цилиндров происходит при механическом воздействии, сопровождаемом взаимодействием металла с газообразными и жидкими продуктами сгорания топлива, окисления масла и воды и состоит обычно из двух фаз: фазы воздействия агрессивного вещества на металл и образования окисной пленки и фазы удаления этой пленки с поверхности трения. Считается, что для цилиндровых втулок двигателей большое значение имеет окислительное изнашивание, являющаяся результатом взаимодействия с металлом слабых кислот, растворенных в воде и сконденсировавшихся на стенках цилиндров.
Большое количество работ [72, 151,158, 174, 175 и др.] посвящено вопросу изучения абразивного изнашивания деталей машин, и в частности, цилиндровых втулок двигателей. Абразивное изнашивание деталей ЦПГ вызывается, в основном, частицами минерального происхождения, проникающими в цилиндр вместе с воздухом. Максимальный износ наблюдается в верхней части втулки. Абразивное изнашивание возникает в результате режущего или царапающего действия твердых абразивных частиц, их интенсивного дробления между поршнем и стенкой цилиндра.
В работе [53] подробно рассмотрен процесс абразивного изнашивания цилиндровых втулок автомобильных двигателей в зависимости от концентрации пыли, ее грануляции на процесс износа цилиндров, приведены расчетные формулы износа цилиндра по образующей, показан механизм измельчения частичек пыли между цилиндром и поршнем при его движении. При попадании пыли в масло, максимальный износ наблюдается в нижней и средней частях цилиндра.
Следует отметить, что в зависимости от условий трения и от материала трущейся пары имеет место тот или иной вид изнашивания. Выявление для каждого конкретного типа дизелей и конкретных условий их эксплуатации преобладающего вида изнашивания деталей пары трения позволит намного сократить объем и продолжительность исследований по повышению работоспособности деталей трения. Нельзя забывать и о взаимосвязи между всеми видами изнашивания, а также то обстоятельство, что коррозия, несомненно, является фактором, интенсифицирующим процесс износа.
Исследование авторами [165] цилиндровых втулок среднеоборотных судовых дизелей показало, что у большинства из них имеются зоны (в верхних поясах втулок), температура которых ниже точки росы водяных паров. Вместе с этим, нельзя отвергать гипотезу о резком возрастании абразивного изнашивания деталей при работе на сернистом топливе, так как образующийся нагар вследствие вулканизирующего действия серы имеет большую плотность. Поэтому, значительное увеличение скоростей изнашивания трущихся поверхностей связано с интенсификацией как электрохимической коррозии, так и абразивного воздействия продуктов сгорания и старения масла.
Скорости и факторы абразивного изнашивания деталей дизелей изучены исследователями [67, 175 и др.], большинство которых приходит к мнению об особой агрессивности частиц размером более 5 мкм. Однако размер самых маленьких частиц механических примесей в масле превышает толщину граничных масляных слоев и, следовательно, частицы размером менее 5 мкм также влияют на износ деталей цилиндро-поршневой группы..
Абразивное изнашивание рассматриваемых деталей не является ведущим видом износа. Но это не уменьшает важности снижения абразивной составляющей в решении общей проблемы увеличения срока службы двигателей, тем более что все другие виды изнашивания способствуют интенсификации абразивного изнашивания.
СВ. Венцель [34] отмечает, что в дизелях, которые работают на сернистых топливах, коррозионно-механическая составляющая изнашивания деталей имеет преимущественное значение. Многолетние стендовые и натурные испытания, которые проводили авторы [171] на судовых среднеоборотных двигателях показало, что это утверждение справедливо при работе дизелей на сернистых топливах и маслах со слабыми нейтрализующими свойствами (с малоэффективными присадками).
Применение масел с высокоэффективными присадками [93,124, 171] значительно уменьшает воздействие агрессивной среды на поверхность трения и ослабляет роль коррозионно-механического изнашивания. Об этом можно судить, например, по состоянию поверхностей трения втулок цилиндров и поршневых колец. При работе дизелей на топливе с содержанием серы до 1 % и использовании масла марки ДСп -И следы коррозионно-механического изнашивания на поверхности трения проявлялись в виде большого количества размытых каверн глубиной 2-5 мкм.
Получение уравнения для расчета величин износов коленчатых валов в зависимости от различных факторов и коэффициента трения между шейкой вала и подшипником
Выполненный анализ работ по проблеме изнашивания деталей СДВС, проведенных как в Российской Федерации, так и за рубежом, позволяют сделать следующие выводы:
Исследования по прогнозированию работоспособности дизелей по износу деталей в узлах трения во многих случаях выполнялись для решения конкретных задач и имеют узкую направленность. Переменный характер во времени большинства факторов, влияющих на износ, в значительной мере зависящих от специфики эксплуатации, усложняет проблему определения общих закономерностей износов деталей дизелей в межремонтные периоды. Существующие формулы износа деталей, из-за сложности определения влияния многих значащих факторов на изнашивание, определяют износ в зависимости только от отдельных факторов рабочего процесса двигателей и времени эксплуатации, и часто оценивают лишь качественную сторону явления. Данные, характеризующие долговечность двигателей в эксплуатации, содержат мало сведений о влиянии на износ деталей основных рабочих параметров и показателей: давления, скорости, тактаости, размеров, технологии изготовления, режимов эксплуатации, свойств смазки, марки топлива, качества материала деталей и т. п.
Для многих судовых двигателей скорости изнашивания деталей определяются по линейной зависимости, путем деления полного износа на время работы, что не всегда соответствует фактическим данным, свидетельствующим о более сложном характере процесса изнашивания.
Известные методы решения контактных задач термоупругости при одновременном изнашивании тел и действии источников тепла по условиям трения рабочих поверхностей судовых дизелей применимы для получения расчетных зависимостей прогнозирования работоспособности деталей по износу в узлах трения. 4. Используемые в инженерной практике расчетные зависимости не учитывают влияние переменных режимов работы двигателя, пусков и реверсов на износ деталей в узлах трения двигателей. 5. Для большей объективности, при решении проблемы прогнозирования работоспособности деталей по износу деталей в узлах трения судовых дизелей необходимо использовать в качестве исходных параметров результаты статистического анализа величин износов деталей, измеренных на многих однотипных двигателях в течение длительного периода эксплуатации. В качестве стержневой задачи и целевой установки в диссертации предполагается: в начале подробно исследовать условия работы и основные виды изнашивания деталей судовых дизелей, научно обосновать максимальное количество значащих факторов, влияющих на износ деталей в узлах трения, исследовать закономерности изнашивания ресурсоопределяющих деталей и разработать методологию моделирования и расчетного прогнозирования износостойкости и долговечности, адаптированную к конкретным условиям внешнего нагружения деталей в узлах трения. На основе установленных закономерностей изнашивания конкретных трибосопряжений разработать и предложить практические способы повышения ресурса судовых дизелей. Общая проблема потребовала решения частных задач, 1. Раскрыть физическую сущность процессов изнашивания узлов трения судовых дизелей на основе современных теоретических подходов, используемых при решении задач повреждаемости, усталостной прочности, долговечности и износостойкости материалов. Исследовать вероятностный характер важных для практики кинетических кривых изнашивания деталей ресурсоопределяющих соединений судовых дизелей в результате всестороннего анализа обширного банка статистических данных и тщательной обработки экспериментальных данных о закономерностях изнашивания деталей, полученных в натурных условиях и при стендовых испытаниях современных высокофорсированных дизелей. Разработать универсальную методологию прогнозирования работоспособности судовых дизелей по износу трибосопряжений и наее основе получить расчетные уравнения для качественного и количественного анализа изнашивания деталей в трибосопряжениях различных типов судовых дизелей, и которую можно было бы рекомендовать для количественной оценки интенсивности изнашивания деталей в трибосопряжениях более широкого круга машин и механизмов. Разработать новые адаптивные расчетные модели для прогнозирования долговечности и износостойкости деталей при граничной смазке в широком диапазоне изменения условий эксплуатации (с учетом переменных режимов работы двигателей) и предложить практические способы повышения ресурса судовых дизелей.
Исследовать закономерности деформаций втулок цилиндров, возникающих при сборке дизелей и оценить влияние их неравномерности на изнашивание деталей сопряжения. Разработать методику расчетного прогнозирования искажений поверхностей трения деталей при сборке и способы их уменьшения.
Для определения закономерностей изнашиваня ресурсоопределяющих деталей были использованы данные из журналов освидетельствований главных и вспомогательных судовых дизелей при ремонте во время стоянок судов и в межремонтный период, а также данные, полученные в НИПКИ «Гипрорыбфлот», ГМТУ СПб., ГТУВК СПб., ЦНИДИ, на заводах «Русский дизель», ОАО «Дагдизель», ОАО «Махачкалинский судоремонтный завод», ОАО «Каспрыбхолодфлот» и других организациях (некоторые данные приведены в, приложении 1).
Материалы по износам деталей использованы для дизелей судов Каспийского, Балтийского, Мурманского и Черноморского бассейнов. Замеры деталей произведены по специальной методике [75], Наименование обследованных двигателей и деталей, а также их число приведены в таблице 2.1, а основные параметры двигателей - таблице 2.2. Обработка замеров производилась методами модальных интервалов, наименьших квадратов и средних квадратичных ошибок, использовались другие методы математической статистики.
Для примера приводим результаты обработки данных наибольшего износа по диаметру цилиндровых втулок в верхней части для двигателя NVD-36 после 19 тыс. часов работы (табл. 2.3).
Расчетное прогнозирование работоспособности СДВС на основе полученных уравнений изнашивания деталей
Для проверки эффективности предложенной методики расчета износа по уравнению (3.1), сравним ее с известным уравнением износа, приведенным в работе [66].
Износ втулки цилиндра в районе верхнего поршневого кольца при положении поршня в вблизи верхней мертвой точки можно рассматривать как результат действия силы трения между верхним поршневым кольцом и втулкой, вызывающей тем больший износ, чем выше температура трущихся поверхностей, ниже качество материалов, из которых изготовлена втулка и хуже условия смазки.
Износ цилиндровой втулки за некоторое время работы двигателя t при известных числах оборотов п в первом приближении определяется по зависимости подведенной и отведенной теплоты через втулку, что качественно также совпадает с критерием, пропорциональным приращению объемной температуры Тф Отметим также, что авторы [66] износ деталей принимают линейно зависящим от времени работы трибосопряжения. Однако, фактический установившийся износ, после уточненных исследований результатов экспериментальных наблюдений, оказался ближе к зависимости, пропорциональной корню квадратному из времени работы двигателя, что подтверждается и расчетом.
Таким образом, структура полученного автором уравнения относительного износа цилиндровых втулок в критериальном виде качественно совпадает с приближенным уравнением авторов [66]. Как указывалось выше, большой интерес для изучения изнашивания различных деталей СДВС представляет определение влияния на него таких факторов, как максимальное давление газов при сгорании и удельное давление на поверхности трения деталей, относительная скорость движения сопряженных деталей (трущихся пар), размеры деталей и способ осуществления рабочего цикла (тактность). Для получения зависимости изнашивания от этих факторов рассмотрим их влияние на износ различных деталей СДВС. Наибольший интерес для исследования представлягот втулки цилиндров и поршневые кольца СДВС, подвергающиеся высоким механическим и тепловым нагрузкам, а также испытывающие значительную работу трения. Выбор наиболее значащих на износ втулки цилиндра параметров и показателей работы двигателей, обусловлен приведенными ниже соображениями качественного характера. Максимальное давление сгорания, имеющее место при нахождении поршня в ВМТ приводит к более интенсивному изнашиванию в верхней части цилиндровой втулки. Результаты замеров показывают, что наименьший значения износ втулки имеет в ее нижней части, где действуют меньшие удельные давления. Таким образом, давление следует учитывать при расчете втулок цилиндров на износ. Средняя скорость поршня является основным классификационным параметром двигателей. По средней скорости поршня двигатели разделяют на тихоходные и быстроходные. Статистика свидетельствует, что интенсивность изнашивания деталей тихоходных двигателей меньше, чем быстроходных, поэтому учет средней скорости поршня при расчете износов цилиндровых втулок является обоснованным. Диаметр цилиндра характеризует конструктивную особенность того или иного двигателя. Допустимые значения износов втулок цилиндров с большим диаметром значительно больше, чем у втулок с малым диаметром. От величины износа втулки цилиндра зависит зазор между поршнем и цилиндром, который лимитирует работу двигателя. Поэтому диаметр цилиндра должен также учитываться при расчете износов цилиндровых втулок, как важный масштабный фактор. Тактность двигателя определяет способ осуществления рабочего цикла. Число рабочих ходов в двухтактном двигателе больше в два раза, чем в четырехтактном. Теплонапряженность выше также в двухтактном двигателе, отсюда предположение, что износ цилиндровых втулок двухтактных двигателей будет больше, чем четырехтактных двигателей. Поэтому при расчете износов втулок следует учитывать тактность двигателя. Далее будут учтены и другие факторы, влияющие на изнашивание цилиндровых втулок и других деталей: износостойкость материала, качество смазки и топлива, условия технической эксплуатации и другие факторы. Коэффициент пропорциональности, который в дальнейшем именуется коэффициентом износа К, входящий в выражение (2.1) представим в виде функции где: Р2 — максимальное давление сгорания, МПа; Ст - средняя скорость поршня, м/с; D — диаметр цилиндра, м., Ks - коэффициент, учитывающий износостойкость материала, условия эксплуатации и другие неучтенные факторы; т — коэффициент тактности (т=\ для двухтактных двигателей, т = Vi для четырехтактных двигателей).
Располагая найденными ранее (глава 2) значениями коэффициентов К для цилиндровых втулок, а также зная максимальное давление при сгорании, средние скорости поршней, диаметры цилиндров, коэффициенты тактности различных двигателей, приведенных в табл. 3.2, составляем систему уравнений, позволяющих определить показатели степеней x,y,z,f и коэффициент К в уравнении 3.2)
