Термовременной метод расчета на заедание деталей двигателей внутреннего згорания

УДК 620.179.112:621.43

ТЕРМОВРЕМЕННОЙ МЕТОД РАСЧЕТА НА ЗАЕДАНИЕ ДЕТАЛЕЙ ДВС

В. Г. Заренбин д. т. н., проф.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, поршневое кольцо, цилиндр, расчет заедания..

Проблема. Проблема задира с последующим катастрофическим износом узлов трения ряда машин, возникающая при постоянном стремлении к их высоким удельным массогабаритным показателям и интенсификации рабочих процессов, становится все более актуальной.

При проектировании, изготовлении и эксплуатации машин принимаются все меры к повышению сопротивляемости деталей к задиру путем правильного выбора материалов и методов их обработки, оптимизации конструкции, совершенствования приработки, создания гидродинамического режима смазки, улучшения ее противозадирных свойств. Всему этому способствует наличие достаточно надежных расчетно-теоретических методов оценки противозадирной стойкости деталей, обеспечивающих требуемую работоспособность узлов трения.

Общепризнанным направлением дальнейшего развития таких методов расчета является комплексный учет влияния механических, тепловых и кинематических факторов.

В работах [1; 2] приведены критериальные зависимости для оценки противозадирной стойкости трущихся тел, однако в них отсутствуют сведения по расчету параметров комплексов, применительно к условиям трения и режимам работы деталей двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Например, формулы по определению контактных температур, характеристик множественного контакта и т. д.

Цель работы. Предложить термовременной метод расчета на заедание деталей ДВС, учитывающий теплофизические и временные факторы в зоне контакта при неустановившемся характере трения.

Основной материал. Согласно современным представлениям [2; 3] реализация заедания при граничной смазке происходит в такой последовательности. В начале на части поверхности контакта трущихся тел разрушается граничный слой с образованием адгезионных связей между контактирующими поверхностями. Разрушение этих связей при относительном перемещении тел приводит или к умеренному адгезионному изнашиванию (микросхватывание), или при достижении критического числа адгезионных связей с учетом свойств контактирующих тел к схватыванию двух поверхностей по всей площади номинального контакта, которое сопровождается вырывами и задирами поверхностей.

Если в процессе скольжения участки поверхности, на которых произошло разрушение граничного слоя, будут успевать пассивироваться, т. е. покрываться адсорбированной пленкой смазочной среды при заданной скорости скольжения, то число участков не будет лавинообразно возрастать и схватывание контактирующих поверхностей не произойдет («самозалечивание» участков).

Скорость, с которой образуется граничный смазочный слой на поверхности определяется температурой, нормальной нагрузкой и временем действия смазочной среды.

С учетом изложенного принимаем следующую расчетную модель:

1. При фрикционном взаимодействии шероховатых поверхностей каждый микровыступ испытывает циклическое воздействие со стороны микровыступа контртела (множественный контакт).

2. Максимальная температура на фактическом пятне контакта рассматривается как сумма средней поверхностной температуры 1;п и температурной вспышки ^ в условиях неустановившегося трения.

3. Учет влияния пленки масла на температуру в контакте осуществляется с помощью приведенных теплофизических характеристик.

4. Доля тепла, идущая в каждое из контактирующих тел, находится из равенства максимальных или средних поверхностных температур соприкасающихся поверхностей.

5. Повышение температуры фрикционного контакта не вызывает дополнительных напряжений и деформаций в зоне контакта.

Представленная схема предусматривает проведение расчетов последовательно в два этапа:

1. Расчет максимальной температуры на контакте 1тах и проверка выполнения необходимого условия заедания tmзx > tкр / пз, где tкр - критическая температура заедания,

найденная экспериментальным путем при заданных условиях трения; пз - коэффициент запаса надежности против заедания, зависящий от конструктивных особенностей, свойств контактируемых материалов, режимов работы, погрешности расчетов и других факторов.

2. Расчет времени тад , за которое на микровыступе может восстанавливаться адсорбционный слой при его движении между пятнами контакта, и проверка выполнения достаточного условия заедания т ад < [т], где [т] - время, достаточное для образования

адсорбционного слоя на участках контактирующих поверхностей с разрушенным граничным слоем.

Выполнение двух условий приводит к схватыванию и в дальнейшем к задиру, выполнение только первого условия - к образованию отдельных участков микросхватывания и умеренному адгезионному изнашиванию.

Максимальная температура в трибосопряжении поршневое кольцо (ПК) - гильза цилиндра (ГЦ) ДВС при множественном контакте и неустановившемся трении, определяется согласно расчетной схеме ( рис. 1) по формулам [4]:

а2

Ч=0

1Тп

Лп+Т

Рис. 1. Расчетная схема теплового взаимодействия неровностей при множественном контакте

t = t +1

тах п ч '

'„т. = ^ £ О* [« Ы )-и Ы )],

2 I=1 Л„

пР.1'

2а а

тп^Е К

= ^ + ^к д/атм

- > ^ мм

J,max _/ ,тт

п  К.

= К/ (Зам ),

где

9(Бо) =

[ вг/21 — \ёи

4п 0 Vи)

в(Ро1Ч), в(Ро2Ч) - функции при значениях критерия Бо соответственно Ро1^ = апр^  ]тп /й2с Ро21 = апр1 •(Чтп -тк)/ d^; тп - промежуток времени между двумя последовательными контактами, тк - длительность контакта, - средний диаметр пятна контакта; -

приведенные коэффициенты температуропроводности и теплопроводности за время действия

к

к

к

0

т

X

к

п

теплового потока (ТП) соответствующего FoJ [4]; ам, Хм - коэффициенты температуропроводности и теплопроводности масляной пленки (МП); 5м - толщина МП, qк - интенсивность ТП, атпо - коэффициент распределения ТП, N - число циклов нагружения.

При малых значениях критерия Фурье ^о<0,1) формулу (1) можно упростить

2q n

t = Та .

j,min ¿—t mn.j

Ып j=1

Vanpj  jTn anp.j

Л

np.j

Пои Л = Л ; а = a •

Г пр.) Н' пр.) н'

Л

2а-п"к f * Г Т j -j-T ),

П ) j=1

что совпадает с выражением, приведенным в работе [5]. Время охлаждения микровыступа рассчитывается как

s - d„.

Т ад

cp

V,

где 8 - среднее расстояние между пятнами контакта, Уск - скорость скольжения ПК. Для упругого контакта [6; 8]

s * =

л/2п  r  A2v

-Jv

2л,[П kv

Pc &

для пластического контакта

Sn =

У2П r A!-5

v-1

4V\pc/HB4 )2v

где A =

R

r  в

l/v

- комплексная характеристика шероховатостей ПК и ГЦ;

0 =

1 -м2 . 1

E„

E..

- обобщенная упругая постоянная;

r =

Гк  Гц Гк + ГЦ

приведенный радиус закругления вершин неровностей;

Rmax = Rmax, к + Rmax, ц - наибольшая суммарная высота неровностей;

и = ик + иц ,

(r + R )и

7 V max,к max, ц '

в = kv  в  в--1-—--„ „ „

" "к "ц 1 1 - параметры опорной кривой для случая контакта гладкой и

R + R

max, к°к max, ц иц

шероховатой поверхностей [8];

kv = ик -иц  Г

t

1,5v

v-1

Г(и) - числовые коэффициенты, выраженные через Гамма-функции; ц, Е, НВц - коэффициент Пуассона, модуль упругости и твердость материала ГЦ.

Для расчета времени восстановления адсорбционного слоя тад предполагается, что

температура заедания Ткр1 определяет момент разрушения масляной пленки и образование очагов микросхватывания на поверхности микровыступа. Согласно Кингсбюри [7] связь между долей а1 металлического контакта при граничной смазке и энергией активации десорбции и описывается уравнением

а = 1 - е ^,

где

к = А • е-и7КТ

А - предэкспоненциальный член уравнения Аррениуса, связанный с периодом колебаний адсорбированной молекулы в направлении, перпендикулярном к поверхности, и с расстоянием между адсорбционными центрами; Т - абсолютная температура, Я - универсальная газовая постоянная, т - время.

Допуская, что Т=Ткр1 при а«0,5 [7], из выражения (6) получим для константы скорости

I Ы2

образования металлических связей к1 =-,

тк

где Т = ас / ГСК

Величина И определяется из формулы Эйкина [7]

а1 = 1 - ехр

ехр

где М - молекулярная масса, Тм - температура плавления смазочного материала. Отсюда при а=0,5 энергия активации

и = -Ы £п2

3,2 • 105 • ГСк •

М/м Г1

КТкр1 .

Таким образом, величину и можно найти из экспериментальных значений Ткр1 при различных скоростях скольжения Уск.

Если принять, что скорость адсорбции молекул на поверхность микровыступа с разрушенным граничным слоем при его последующем движении между пятнами контакта пропорциональна доле (1-а2) металлического контакта, т. е.

^ = к 2 (1 -а2 ), ат

тогда а2 = 1 - е~кгГ

где а2 - доля поверхности микровыступа, занятая адсорбционным слоем, к2 - константа скорости образования адсорбционных связей.

Допуская значения А и и при нагреве и охлаждении микровыступа в достаточной степени близкими между собой, можно записать

к2 = А • е-и 7КТ ,

где Тп - средняя поверхностная температура.

Полагая, что времени достаточному для образования адсорбционного слоя на поверхности микровыступа соответствует а2 = 0,95 найдем

Н=

к 2

В качестве примера термовременного расчета на заедание рассмотрено трибосопряжение ПК-ГЦ быстроходного дизеля 8Ч 12/12 в условиях трения на номинальном режиме работы. Основные исходные данные: Ятах.к=1,6-10-6 м, Ятахц=1,4440-6 м, гк=270-10-6 м, гц=1000-10-6 м, ук=1,6, Уц=2, вк=2,16, вц=2,37, НВц = 4ГПа, Ек = 210 ГПа, Ец = 110 ГПа, рс=3,3 МПа , цк=^ц=0,23, ак= 2,18^ 10-5 м2/с, ам= 8,6440-8 м2/с, А,к=70 Вт/(мК), Хм=0,14 Вт/(мК), п =2600 мин-1, д=2,52-108 Вт/м2 ; при угле поворота коленчатого вала ф=370° п.к.в., 5м = 0,Ь 10-6м ; 1П=160°С , N=2.

Среднее расстояние между пятнами контакта согласно формуле

5 = 1,37 10-4 м.

Используя известное выражение для среднего диаметра пятна контакта из работы [8] находим ас = 9,510-6 м.

V й

Тогда т = — = 3,5 • 10с, тк =-£- = 2,6 • 10с

р V к V

ск ск

и соответственно по уравнениям (1) и (2) 1тт=160,4оС, 1тах=218оС.

Согласно работе [9] и нашим исследованиям критическая температура для масла М-10Г2 составляет 1;кр1=230.. ,240°С.

Следовательно, при данных параметрах трения необходимое условие заедания не соблюдается, и сопряжение ПК-ГЦ будет работать в режиме граничной смазки, хотя с учетом погрешности расчетов (10 %) коэффициент запаса надежности против заедания будет минимальным.

Энергия активации при Уск=3,6 м/с и 1кр1=240оС из уравнения (9) будет

и=38560 Дж/моль и согласно уравнениям

при тад = ^^^ = 3,5• 10-5с, к1 = 2,657• 105, А = 2,681 • 105.

Vск

Константа скорости образования адсорбционных связей при 1;п=160оС и тад = 3,5 • 10 5 с из

выражения (11) равна к2 = 2,653 • 105.

Тогда время, достаточное для образования адсорбционного слоя, по формуле (12) [т] = 1,13 -10 -5 с.

Таким образом, тад больше [т] и поэтому достаточное условие заедания не выполняется. Полученные результаты расчетов на заедание трущейся пары ПК-ГЦ подтверждаются работоспособностью дизеля 8Ч 12/12 в условиях номинальной нагрузки.

В заключение следует отметить, что ближайшей задачей совершенствования расчета является дальнейшая разработка экспериментально-теоретических методов оценки энергии активации процессов образования и разрушения граничных слоев моторных масел, а также переходных температур.

Выводы. 1. Предложен термовременной метод расчета на заедание деталей двигателя внутреннего сгорания, учитывающий теплофизические и временные факторы в зоне контакта при неустановившемся характере трения.

2. Приведены формулы для расчета на заедание трибосопряжения поршневое кольцо-гильза цилиндра ДВС в условиях повторно-кратковременного режиме трения.

3. Дан пример расчета на заедание пары трения поршневое кольцо-гильза цилиндра быстроходного дизеля, результаты которого подтверждаются экспериментальными данными.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Дроздов Ю. Н. и др. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник / Ю. Н. Дроздов, В. Г. Павлов, В. Н. Пучков. - М. : Машиностроение, 1986. - 224 с.

2. Федоров С. В. Термодинамические представления о процессе схватывания металлов при граничной смазке // Трение и износ, 1988. - т. 9. - № 3. - С. 403 - 413.

3. Буяновский И. А. Температурно-кинетический метод оценки температурных пределов работоспособности смазочных материалов при тяжелых режимах граничной смазки // Трение и износ, 1993. - т. 14. - № 1. - С. 129 - 142.

4. Расчет температурной вспышки при множественном контакте и граничной смазке /

B. Г. Заренбин // Вюник Придншровсько! державно! академп будiвництва та архтектури. - Д. : ПДАБА, 2011. - № 6 - 7. - С. 12 - 16.

5. Мышкин Н. К., Петроковец М. И. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 368 с.

6. Оценка среднего расстояния между пятнами контакта в паре трения гильза цилиндра-поршневое кольцо двигателя внутреннего сгорания. / В. Г. Заренбин, Г. Г. Карасев // Вюник Придшпровсько! державно! академи будiвництва та архтектури. - Д. : ПДАБА, 2009. - № 10 -

C. 23 - 28.

7. Буяновский И. А. Энергия активации процессов реализации переходных температур

при граничной смазке // Трение и износ. - 1991. - т. 12. - № 6. - С. 1094 - 1107.

8. Крагельский И. В., Добычи М. Н., Комбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ. - М. : Машиностроение, 1977. - 526 с.

9. Влияние температуры на трение и задир при возвратно-поступательном скольжении образцов / Р. М. Матвеевский, В. И. Комендант // Сб. исследование смазочных материалов при трении. - М. : Наука, 1981. - С. 89 - 96.