Исследование режима диагностирования кривошипно-шатунной группы дизельных двигателей по толщине масляного слоя

НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

УДК 629.621.018.66

А.С. Денисов, И.К. Данилов

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КРИВОШИПНО-ШАТУННОЙ ГРУППЫ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПО ТОЛЩИНЕ МАСЛЯНОГО СЛОЯ

Рассматриваются вопросы влияния теплового и скоростного режимов ДВС на толщину масляного слоя в шатунных подшипниках. Приведены расчет и обоснование режимов диагностирования кривошипно-шатунного механизма на примере двигателя КамАЗ-740.

A.S. Denisov, I.K. Danilov

MODEL DIAGNOSTING RESEARCH OF DIESEL ENGINE CVARK GROUPS

ON THICKNESS OF AN OIL LAYER

The article describes questions of influence of heat and velocity regimes of internal combustion engine on the width of oil slice in connecting rod rolling. The calculation and substantiation of the diagnostics regime of crank mechanisms on the example of the engine of automobile KamAZ-740 is given in this work.

При исследовании скоростного режима ДВС и выборе оптимальной частоты вращения коленчатого вала для диагностирования кривошипно-шатунной группы (КШГ) необходимо:

- выяснить характер изменения толщины масляного слоя (ТМС) в шатунных подшипниках на различных скоростном и тепловом режимах работы ДВС;

- определить условия существования режимов движения поршня относительно шатуна с выборкой зазора в области ВМТ;

- оценить влияние температуры на тепловое расширение деталей двигателя.

Расчет проводился для цилиндра работающего ДВС, в который вместо форсунки планируется установить диагностическое устройство, способное герметизировать и разгерметизировать при необходимости камеру сгорания.

Для вывода формулы изменения минимальной ТМС в шатунном подшипнике при снятой форсунке воспользуемся методом кинетостатики. Согласно принципу Даламбера:

P1 + P2 + f + F = 0

Pj + Pj + 1М .П. + 1 гидр. °.

Здесь P1 =-mю2 rcosф - сила инерции 1-го порядка; Pj =-mю2 rXcos2ф - сила инерции

2-го

порядка;

F =^^ldФ -

гидр. ^ 2 p

сила

гидравлического

слоя

смазки;

10 п DH

I - сила механических потерь на трение поршня

V v ^ J)

и колец о гильзу цилиндра, для дизеля с вихревыми камерами сгорания получена эмпирически [1,2], где у - коэффициент, характеризующий посадку шейка-вкладыш; m - масса поршневого комплекта; ю - частота вращения коленчатого вала; r - радиус кривошипа; ф - угол поворота коленчатого вала; ^ - динамическая вязкость масла; l - длина шатунного вкладыша; d - диаметр шатунного вкладыша; D - диаметр гильзы; H - высота поверхности трения гильзы; X - относительный эксцентриситет; Фр - коэффициент нагруженности.

Тогда:

mю2 r

V V 2 )) ¥

откуда коэффициент нагруженности, являющийся безразмерной функцией положения шатунной шейки коленчатого вала в подшипнике и границ зоны несущего смазывающего слоя:

( Г —

¥

Ф p =

mю r(cos ф + Xcos 2ф)-10пDH 0,8 + 0,17юrI sinф + ^т2ф

цю Ы

Согласно литературным данным, между коэффициентом нагруженности Фр и относительным эксцентриситетом X имеется эмпирическая связь. С помощью ЭВМ нами была подобрана наиболее достоверная взаимосвязь двух параметров (коэффициент корреляции 0,86), представляющая степенную зависимость:

Х = А Фвр = 0,6 -Ф0/8 .

С другой стороны, известно аналитическое выражение, связывающее относительный эксцентриситет и минимальное значение ТМС в шатунных подшипниках [3]:

кшп = 5

где 5 - зазор в шатунных подшипниках.

Тогда ТМС в шатунных подшипниках:

h™„ = б

1 - 0,6

¥

(

mю r(cosф + Xcos2ф)-10пDH 0,8 + 0,17югI sinф + — sin2ф

к

ц ю ld

.

В верхней мертвой точке при ф=0: hm

б

2

1 - 0,6

¥ [mю r(1 + X)-8пDH]

0,18 Л

цю їй

Условия, соответствующие движению поршня относительно шатуна с выборкой зазора в области ВМТ, исходя из общего уравнения динамики поршня, базируются на втором за-

коне Ньютона. Взяв начало координат на оси коленчатого вала, «+» - направление вращения по часовой стрелке, а движение «-» - от нижней мертвой точки к верхней, получим:

т • 5 = ^ ;

S = -гю

Р = Я - Р

где т, Б - масса и ускорение поршня; Р - результирующая сила, действующая на поршень;

ЛБ - ускорение поршня относительно верхней головки шатуна; Я - сила, действующая на поршень со стороны верхней головки шатуна; Рп - результирующая сила сопротивления движению поршня, равная силе трения в сопряжениях поршневых колец с гильзой цилиндра и поршневого пальца с верхней головкой шатуна.

Анализируя (7)-(9) с учетом кинематики КШГ, можно отметить, что прямая выборка зазоров при подходе поршня к ВМТ имеет место при Л Б =0, то есть тогда, когда движение поршня предопределяется только перемещением шатуна. Это условие выполняется в определенном диапазоне частот:

0 < Ю < Юотах ,

где ю0тах - максимальная частота, соответствующая переходу поршня в ВМТ от несвободного движения к свободному. Частоту ю0тах определим из (7)-(9) при одновременном выполнении условий несвободного (ЛБ =0) и свободного (Я=0) движения поршня в ВМТ. При этом в ВМТ модуль переносного ускорения достигает максимума:

Б = г ю2 (1 + Я), а искомая частота:

«0max

А

F

n

mr

V v 2

При использовании (10) с учетом Fn = 10пDH 0,8 + 0,17юг| sinф + —8т2ф | при ф=0: Fn=8nDH. Окончательно:

«0

8nDH

0тах л ,л л .

тг

Так, для двигателей КамАЗ-740 зазоры в КШГ следует измерять при частоте вращения коленчатого вала 800...850 мин-1. Это подтверждается и результатами проведенного эксперимента на прогретом двигателе. При увеличении частоты вращения коленчатого вала выше указанного значения зазоры в КШГ не увеличиваются, то есть выбираются полностью, о чем свидетельствуют горизонтальные отрезки кривых на рисунке.

Оценим теперь влияние температурного режима работы ДВС на утолщение и удлинение шатунных вкладышей при разогретом двигателе. Согласно [3] тепловыделение в подшипнике:

л ф л

2 = IРг ю- = Рг ю- ,

где I - коэффициент трения в подшипнике; Фтр - характеристика трения, представляющая собой безразмерную функцию положения шейки вала в подшипнике, границ несущего масляного слоя и отношения 1; Фр - коэффициент нагруженности, являющийся безразмерной

й

функцией положения шейки вала в подшипнике и границ зоны несущего смазывающего

слоя, зависящего от отношения 1; Рг - несущая сила масляного слоя; й - внутренний диа-

й

метр вкладыша; ^ - коэффициент, определяющий посадку подшипника скольжения.

мм

О 550 650 750 850 950 и, мин'1

Зависимость перемещения поршня 5 в ВМТ от частоты вращения коленчатого вала при температуре масла в картере 1 - 30°С; 2 - 60°С;3 - 90°С

Теплота, переносимая маслом из узла трения:

Ql = од

где о - объемная теплоемкость масла; д - расход масла; г1 и г2 - температуры масла на входе и выходе из подшипника.

Теплота, отводимая корпусом подшипника во внешнюю среду:

Q2 = кА•

где к - коэффициент теплопередачи; А - площадь поверхности подшипника, омываемой маслом; гм - средняя температура масла в нагруженной зоне; гср - температура окружающего масла.

Согласно уравнению теплового баланса при установившемся режиме работы подшипника: Q=Ql+Q2, откуда: Ql=Q-Q2.

Из формулы (13) расход масла: д = —Ql------

С

Подсчитаем удлинение вкладыша по окружности Л1 и по ширине ЛЬ:

ЛI = I-а-Лг , ЛЬ = Ь-а-Лг ,

где I - длина вкладыша; а - температурный коэффициент расширения; Лг - перепад температур; Ь - ширина вкладыша.

Согласно [4] Л/=0,094 мм, ЛЬ=0,035 мм, а ЛН=Н-а-Лг=2,46-12-10-50=0,00148 мм.

Таким образом, утолщение вкладыша при работе двигателя на диагностируемой частоте вращения не превышает 2% диагностического параметра, то есть не влияет на результаты диагностирования, о чем и свидетельствуют эксперименты на холодном и прогретом ДВС.

ЛИТЕРАТУРА

1. Автомобильные и тракторные двигатели: В 2 ч. Конструкция и расчет двигателей / Под ред. И.М. Ленина. М.: Высшая школа, 1976. 280 с.

2. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1980. 400 с.

3. Кузьмин А.В. Расчеты деталей машин: Справ. пособие. 3-е изд. Минск: Высшая школа, 1980. 395 с.

4. Кулаков А.Т. Разработка способа диагностирования шатунных подшипников двигателей и практических рекомендаций для снижения их отказов в процессе эксплуатации: Дис. ... канд. техн. наук., Саратов, 1986. 173 с.

Денисов Александр Сергеевич -

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство»

Саратовского государственного технического университета

Данилов Игорь Кеворкович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Организация перевозок на транспорте» Саратовского государственного технического университета