На правах рукописи

Альмеев Руслан Игоревич

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДШИПНИКОВ

КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ПУТЁМ ПРИМЕНЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОЙ ПРЕДПУСКОВОЙ

СМАЗОЧНОЙ СИСТЕМЫ

05.22.10 – «Эксплуатация автомобильного транспорта»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград – 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Денисов Александр Сергеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Славуцкий Виктор Михайлович;

доктор технических наук, доцент Данилов Игорь Кеворкович.

Ведущая организация Камская государственная инженерно– экономическая академия.

Защита диссертации состоится «2 5 » ноября 2011 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр.

Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_» октября 2011 г.

Ученый секретарь Ожогин В.А.

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В Российской Федерации около 80% грузовых автомобилей и другой техники эксплуатируется в зонах с довольно продолжительным холодным периодом. Так, в районах Крайнего Севера России продолжительность зимнего периода превышает 300 дней в год, а температура воздуха опускается до минус 60оС. В районах умеренного климата отрицательные температуры воздуха наблюдаются полгода. В этих условиях, как правило, хранение техники безгаражное. Такие условия эксплуатации предъявляют высокие требования к надежности подвижного состава автомобильного транспорта, к качеству эксплуатационных материалов и технологическому оборудованию по предпусковой подготовке. Особенно актуальна эта проблема для двигателей, на которые приходится основная часть отказов, особенно в зимнее время.

В связи с этим, повышение пусковых качеств двигателей транспортных средств и создание эффективных способов предпусковой подготовки, представляет собой актуальную и многоплановую задачу. Другой актуальной задачей, связанной с низкотемпературной эксплуатацией, является снижение пусковых износов деталей двигателя. При пуске и прогреве холодного двигателя штатный масляный насос не обеспечивает необходимого давления в масляной магистрали, сопряжения двигателя работают в режиме граничного трения, что приводит к значительной интенсификации их изнашивания.

В диссертационном исследовании рассматриваются вопросы повышения долговечности двигателей путем обеспечения оптимальных параметров смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала на режиме пуска.

Данная работа выполнена в соответствии с планом НИР и программой по основным научным направлениям Саратовского государственного технического университета 12В.01 «Разработка научных основ технологий обеспечения работоспособности автотранспортных средств».

Цель исследования – повышение ресурса подшипников коленчатого вала двигателя применением системы принудительной подачи масла на режиме пуска.

Объект исследования – подшипники коленчатого вала двигателя.

Предмет исследования – смазочный процесс подшипников коленчатого вала на переходных режимах работы двигателя.

Научная новизна:

1. Получены аналитические зависимости толщины масляного слоя и вероятности контактирования от режимных и конструктивно-технологических параметров, позволяющие оценить ресурс сопряжения.

2. На основе полученных аналитических зависимостей разработана управляемая предпусковая смазочная система.

3. Выполнена оценка влияния конструктивных и режимных параметров работы управляемой предпусковой смазочной системы на её эффективность.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитические зависимости параметров смазочного процесса (коэффициент критичности режима работы, толщина масляного слоя, вероятность контактирования) от режимных и конструктивно-технологических параметров (температура масла, скорость вращения вала, нагрузка, зазор в подшипнике).

2. Схема управления предпусковой смазочной системой и схема её включения в систему смазки двигателя.

3. Результаты оценки влияния конструктивных и режимных параметров работы управляемой предпусковой смазочной системы на её эффективность.

Практическая ценность работы. Разработано устройство для повышения приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска путем оптимизации параметров смазочного процесса (патент РФ на полезную модель № 88737). Разработаны схема включения устройства и мероприятия по внесению необходимых изменений в систему смазки.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при конструировании вновь создаваемых двигателей, модификации уже существующих, а также для модернизации любых автомобильных двигателей, уже находящихся в эксплуатации. Опытные устройства прошли стендовые испытания в ОАО «КАМАЗ-ДИЗЕЛЬ»; проходят эксплуатационные испытания в условиях ООО «ГрузТрансАвто», НТЦ «Механик-Т» и автохозяйства СГТУ на автомобилях «КамАЗ».

Апробация. Основные материалы диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку на:

– XXII – XXIII Межгосударственных постоянно действующих научнотехнических семинарах «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (г.Саратов, 2009-2010 гг.);

– Международной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин»

(г.Тюмень, 2009 г.);

– Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы инновационного развития транспортного комплекса» (г.Орел, 2011 г.).

– IV – VI всероссийских научно-технических конференциях-семинарах с международным участием «Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы» (г.Самара, 2009-2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, указанных в «Перечне… ВАК», получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 171 наименование, в том числе 9 источников на иностранных языках, и 7 приложений. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста и содержит 53 рисунка, 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, представлена общая характеристика работы и определены основные направления исследования.

В первой главе «Анализ состояния вопроса по надёжности ДВС на режимах пуска и прогрева» представлен анализ причин отказов подшипников коленчатого вала, их взаимосвязь с конструктивно-технологическими и эксплуатационными факторами. Проведен анализ и рассмотрены основные факторы воздействия низких температур на надёжность пуска и ресурс двигателя.

Изучению закономерностей изнашивания сопряжений двигателя в условиях низкотемпературных пусков посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых: М.А. Григорьева, А.А. Гуреева, Д.П. Великанова, Д.И. Высотского, Л.А. Демьянова, В. А. Долецкого, О.В. Дыбова, М. Калиновского, В.В. Карницкого, Ю.М. Копылова, Р.В. Кугеля, Г.С. Лосавио, Д.М. Левина, Ю.В. Микулина, В.Я. Моисеева, Р. Нейдля, А.И. Нисневича, А.Н. Покровского, Н.Н. Пономарёва, С.Ф. Рубинштейна, Г.В. Рутенбурга, Е.Г. Семенидо, Н.В. Семёнова, М.С. Смирнова, Л.А. Сорокина, Г.И. Суранова, А.И. Туркевича, Е.А. Чудакова, Б.А. Энглина и др.

Условия работы автомобильных двигателей в период пуска-прогрева значительно отличаются от условий работы на номинальных нагрузочных и скоростных режимах и оказывают существенное влияние на долговечность и безотказность основных деталей.

Особенно это актуально при эксплуатации двигателя в условиях низких температур, когда происходит значительное увеличение вязкости масла, снижение эффективности работы масляного насоса и фильтрующих элементов. В таких условиях время поступления смазочного материала к узлам трения возрастает в несколько раз.

Разработана классификация основных факторов воздействия низких температур на изнашивание деталей при пуске. Основное влияние на изнашивание деталей оказывает изменение характеристик эксплуатационных материалов.

Рассмотренные исследования показывают, что для каждого сопряжения двигателя существует своя оптимальная температура масла в картере, при которой наблюдается минимальный износ. Отклонение параметров теплового режима работы двигателя от оптимальных значений при пуске и прогреве приводит к значительному увеличению износа его сопряжений. Анализ экспериментальных данных показывает, что пробег, эквивалентный одному холодному пуску по износу (потеря ресурса), при снижении температуры от +30оС до –30оС возрастает в шесть раз. Снижение пусковых износов возможно за счёт поддержания оптимального теплового режима двигателя и нормальной работы его систем во время пуска и прогрева.

Решение этих задач возможно посредством использования дополнительных устройств, направленных на увеличение ресурса (функционального тюнинга). Одним из таких устройств является управляемая предпусковая смазочная система, дополняющая штатную систему смазки двигателя.

В соответствии с целью диссертационной работы были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Получить аналитические зависимости толщины масляного слоя, и вероятности контактирования от режимных и конструктивно-технологических параметров, позволяющие оценить работоспособность подшипникового узла при пуске.

2. Разработать схему управления системой предпусковой смазки и схему её включения в существующие конструкции смазочных систем.

3. Проверить полученные аналитические зависимости экспериментальными исследованиями влияния режимов работы двигателя на параметры смазочного процесса подшипников коленчатого вала.

4. Обосновать значения основных конструктивных и режимных параметров предложенной системы. Дать технико-экономическую оценку результатов исследования и практические рекомендации.

Во второй главе «Программа и методика экспериментального исследования» приведены общая программа и методика исследования. Рассмотрены методики аналитического и экспериментального исследований смазочного процесса шатунных подшипников коленчатого вала на переходных режимах работы; методики стендовых и эксплуатационных исследований эффективности работы предложенного устройства.

С целью повышения долговечности двигателя предложена управляемая предпусковая смазочная система (рис. 1), способствующая оптимизации параметров смазочного процесса на режимах пуска и прогрева (патент РФ на полезную модель № 88 737). Основной целью модернизации системы смазки путем установки устройства предпусковой смазки является сокращение времени поступления моторного масла к деталям после пуска двигателя.

Таким образом, обеспечивается сокращение времени работы подшипников коленчатого вала и турбокомпрессоров на неблагоприятных режимах.

Предложенная система имеет следующие особенности:

– использование штатных отверстий в блоке двигателя для монтажа, что позволяет устанавливать устройство предпусковой смазки без внесения изменений в конструкцию штатной системы смазки двигателя;

– с целью повышения эффективности предпусковой подготовки двигателя при низких температурах, предусмотрена возможность подключения подогревателя масла;

– автоматическое управление приводом насоса, с учетом конкретных условий эксплуатации и технического состояния двигателя, позволяющее обеспечить наибольшую эффективность работы системы смазки.

Перед пуском двигателя с помощью блока управления включают нагревательный элемент, после его прогрева с помощью реле времени происходит включение электропривода насоса, чем обеспечивается заполнение магистрали маслом из картера ДВС.

Реле температуры масла позволяет запускать прогретый двигатель без предварительной прокачки. Закачка масла в магистраль заканчивается по истечении минимально установленного времени и по достижении минимально необходимого давления масла в системе смазки.

Изготовлен опытный образец устройства для оптимизации параметров смазочного процесса и проведены экспериментальные испытания. Цель испытаний – оценка эффективности предложенной системы предпусковой смазки при различных температурах масла.

При проведении испытаний в ОАО «КАМАЗ-ДИЗЕЛЬ» использовали двигатель КамАЗ 740.62-280 (заводской № А2552529), установленный на стенде фирмы «AVL» (заводской № Б133, инвентарный №399623) с гидротормозом фирмы «SCHENCK». Испытательный стенд укомплектован необходимым оборудованием и приборами, точность которых соответствует требованиям ГОСТ 14846-81. Во время испытаний двигатель работал на дизельном топливе марки «Л-02-40» ГОСТ 305-82. В системе смазки применялось масло марки «ЛУКОЙЛ-Супер» 15W-40, в качестве охлаждающей жидкости использовалась вода.

Испытания с имитацией пониженного теплового режима работы проводили на двигателях КамАЗ 740.10 (заводской № 338625) и ЗМЗ-4062.10.

В процессе испытаний проведен сравнительный анализ рабочих и оценочных параметров на двигателе со штатной системой смазки и двигателе с установленной системой предпусковой смазки. Для этого измеряли давление и температуру масла, а также время поступления масла к узлам трения при пуске холодного, а также предварительно прогретого двигателя при использовании системы предпусковой смазки и при штатном пуске двигателя.

В третьей главе «Аналитическое исследование смазочного процесса подшипников коленчатого вала на переходных режимах работы» представлены результаты проведенного анализа смазочного процесса подшипников на переходных режимах работы двигателя. Исследованы основные факторы, влияющие на надёжность работы подшипников. По результатам математического моделирования и расчёта, разработаны теоретические предпосылки применения устройства предпусковой смазки для оптимизации параметров смазочного процесса на режиме пуска.

Для определения влияния пусковой температуры на режим работы сопряжений и интенсивность их изнашивания, рассматривали аналитические зависимости, описывающие влияние вязкости масла на параметры системы смазки (производительность масляного насоса, время поступления масла к деталям двигателя при пуске, расход масла через сопряжения двигателя и др.). Для определения нагрузок, действующих на подшипники коленчатого вала, выполняли тепловой и динамический расчеты для базовых двигателей КАМАЗ-740.11 ЕВРО-1 мощностью 240л.с. и форсированных двигателей КАМАЗ-740.63 ЕВРО-3 мощностью 400л.с. по типовым методикам. Влияние переходных режимов пуска учитывалось принятием более высоких значений степени повышения давления при сгорании z.

При значительном времени запаздывания ЗАП поступления масла, температуры поверхностей трения могут достигать критических значений ТКР.

Это приводит к нарушению равновесия между адсорбцией и десорбцией молекул граничных слоёв. В результате граничная смазочная плёнка разрушается. Происходит рост доли металлического контакта, схватывание обнажившихся участков металла, ведущее к резкому увеличению коэффициента трения и интенсивному адгезионному изнашиванию.

Критическая температура ТКР определяется режимом работы конкретного сопряжения двигателя и свойствами граничных плёнок смазочного материала. Исходя из сказанного, надёжная работа сопряжения будет обеспечена при выполнении следующего условия:

где Т0 – начальная температура поверхности; TП / – увеличение температуры поверхности за единицу времени.

Изменение температуры поверхности прямо пропорционально изменению количества теплоты q при трении в единицу времени на единице поверхности и обратно пропорционально теплоёмкости трущихся тел СТР:

Количество теплоты, выделяющееся при трении в единицу времени на единице поверхности прямо пропорционально мощности трения NТР, обусловленной давлением P, скоростью скольжения v и коэффициентом трения где C – коэффициент пропорциональности, характеризующий степень перехода работы сил трения в теплоту.

Теплоотвод от поверхности трения в окружающую среду определяется выражением:

где – коэффициент теплоотдачи; Т П – текущее значение температуры поверхности; ТС – температура окружающей среды.

С учетом того, что q q ТР q F, получим:

Тогда условие надёжной работы сопряжения запишется в следующем виде:

где C1 С / СТР и C2 / СТР – постоянные коэффициенты, характеризующие свойства материалов поверхностей и особенности работы сопряжения.

Для получения рабочих характеристиках подшипника, выполняли расчёт минимальной толщины масляного слоя в зависимости от зазоров, температуры и давления масла на входе в подшипник (значения получены для режима прогрева двигателя на холостом ходу). На рис. 2 приведены зависимости минимальной толщины масляного слоя в шатунных подшипниках от угла поворота коленчатого вала при различных тепловых режимах работы. На рис. 3 показаны зависимости среднециклового значения минимальной толщины масляного слоя в подшипниках от температуры масла в зоне трения.

Рисунок 2. Зависимости минимальной толщи- Рисунок 3. Зависимости минимальной ны масляного слоя hmin в шатунных подшипни- толщины hmin масляного слоя от темпеках от угла поворота коленчатого вала при ратуры масла в зоне трения tтр и различной температуре масла в подшипнике tтр диаметрального зазора в подшипнике :

(форсированный двигатель; =94 мкм;) 1 – =94 мкм; 2 –=200 мкм Режим смазки подшипника оценивали по отношению минимальной толщины смазочного слоя hmin к критической hкр :

Из рис. 2 видно, что минимальная толщина масляного слоя принимает значения меньше критической (3 мкм). При этом доля смешанного