Влияние конструкторско технологических факторов на износостойкость автотракторных двигателей

УДК 621.43.001

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТОРСКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ АВТОТРАКТОРНЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

Н.В. Храмцов, А.Е. Королев, Р.Ф. Бай

Обоснованность и прогрессивность конструкторской проработки и технологии изготовления определяют потенциальный уровень надежности двигателей. Спектральным анализом моторных масел выявлен начальный износ прирабатываемых сопряжений отремонтированных двигателей за период стендовой обкатки. Установлена взаимосвязь суммарного начального износа сопряжений с конструкторскими признаками двигателей.

Ключевые слова: двигатель, конструкция, обкатка, износ, износостойкость.

При конструировании и изготовлении автотракторных двигателей учитываются предыдущий опыт их разработки, изготовления и использования, эффективность применения более износостойких материалов, технологический уровень и перспективы совершенствования производства.

Технические показатели и надежность двигателей зависят от их конструкторской проработанности. Выбор схемы и элементов конструкции, нагрузочно-скоростных, температурных и смазочных режимов во многом определяют условия трения и изнашивания сопряжений. Конструкторские решения должны быть обеспечены подбором современных износостойких материалов.

Методика исследований

Исследования проводились на ремнотно-техничесих предприятиях Тюменской области по 15 маркам отремонтированных дизельных и карбюраторных двигателей. Обкатку двигателей проводили по режимам в соответствии с техническими условиями на их ремонт. В процессе стендовой обкатки брали пробы смазочного масла и спектральным анализом их на установке МФС-7 оценивали динамику изнашивания двигателей. Детали двигателей изготовлены из различных металлов и сплавов. Так большинство деталей содержат железо, поршень -алюминий, втулки распределительного вала и верхней головки шатуна - медь, вкладыши коренных и шатунных подшипников свинец и сурьму, верхнее компрессионное кольцо -хром.

Всего было обкатано 230 различных двигателей и взято 860 проб смазочного масла.

Конструкторские признаки двигателей определялись по их технической характеристике. Взаимосвязь показателей устанавливалась корреляционным анализом с предварительным их нормированием. Обработку результатов проводили раздельно для дизельных и карбюраторных двигате-

127

лей.

Результаты исследований и их обсуждение

Основными конструкторскими признаками были приняты: отношение диаметра к ходу поршня D/S, частота вращения коленчатого вала n, степень сжатия 8.

Изменения технологического уровня производства отражалось в удельных показателях литровой мощности N (отношение эффективной мощности в киловаттах к объему цилиндров в литрах) и массы двигателя m (отношение общей массы к числу цилиндров).

Результаты анализа конструкторско - технологических признаков двигателей и влияние их на средний суммарный износ I представлены в таблице.

Влияние конструкторско-технологических признаков на начальный износ автотракторных двигателей

Марки двигателей Значение признаков

Ni, кВт/л D/S n, -1 мин 8 m, кг I, г/т

ЯМЗ-238НБ 9,90 0,93 1700 16,5 146,3 196

ЯМЗ-240Б 9,87 0,93 1900 16,5 139,2 203

СМД-62 13,26 1,13 2100 15,0 155,0 157

СМД-21 16,94 0,86 2000 16,0 220,0 63

СМД-19 14,76 0,86 1900 16,0 185,0 73

СМД-14 8,76 0,88 1700 17,0 165,0 102

А-41 8,88 0,86 1750 16,5 221,3 100

Д-144 8,86 0,86 1800 16,5 103,1 72

Д-160 8,68 0,71 1250 14,0 512,5 231

Д-240 11,60 0,88 2200 16,0 107,5 186

S6D-155-4H 17,37 0,85 2000 17,0 266,7 57

УМЗ-451 19,75 0,88 3800 6,6 41,3 52

ГАЗ-52 15,85 0,75 2800 6,2 41,7 98

ЗМЗ-53 19,06 1,15 3000 6,7 34,4 54

ЗИЛ-130 18,33 1,05 3200 6,5 55,6 94

В результате обработки этой информации получены нижеприведенные корреляционные зависимости начального износа (в граммах на тонну смазочного масла) сопряженных деталей дизельных 1дд и карбюраторных 1кд двигателей:

1дд = 872 - 15,1 N - 29,4 D/S - 0,082 n - 27,0 8 + 0,25 m, г/т ,

Ікд = 1142 - 2,18 N - 267,9 D/S - 0,091 n - 95,7 8 + 3,27 m, г/т.

В целом между факторами существует высокая взаимосвязь. Коэф-

128

фициенты множественной корреляции составили, соответственно, для дизельных и карбюраторных двигателей 0.91 и 0,94. С увеличением первых четырех признаков износ снижается.

В наибольшей степени на износ влияет литровая мощность Ni, а в наименьшей - удельная масса m двигателей. Эти два показателя характеризуют конструкторскую компактность двигателя, т.е. число и расположение цилиндров, применение прочных и износостойких материалов.

В двигателестроении следует стремиться к увеличению отношения D/S, поскольку короткоходные конструкции имеют ряд преимуществ: возможность повышения частоты вращения вала без увеличения средней скорости поршня, повышение срока службы поршневой группы, рост коэффициента наполнения цилиндров, понижение тепловых потерь в охлаждающую жидкость. С повышением частоты вращения n коленчатого вала увеличивается толщина масляного слоя и снижаются потери на трение. С увеличением степени сжатия 8 возрастают мощность и экономичность двигателя, но это возможно только в небольшом диапазоне.

Рост давления в конце такта сжатия приводит к значительному увеличению максимального давления. При этом резко возрастают усилия, действующие на детали цилиндропоршневой группы и кривошипношатунного механизма, что приводит к их интенсивному износу.

В наибольшей мере между собой связаны первые три признака, поскольку они определяются кинематикой и динамикой движущихся деталей двигателей.

Аналогичные конструкторско - технологические признаки были использованы для прогнозирования нормативов надежности новых карбюраторных и дизельных двигателей [5]. С использования метода главных компонент и вращения факторов были получены регрессионные зависимости прогнозирования доремонтного ресурса Тдр и количества отказов тдр(1000 км) на 1000 км пробега автомобилей:

Тдр= -1455+0,724 Г+ 32,1D/S - 1,798i +0,111n +1, 595N -- 0,679m +16,368, тыс. км;

тдр(1000 км) =133,9 - 0,195 Г - 18,19 D/S + 4,74 i + 0,00184 n -- 0,114 Ni + 0,115 т - 2,78 8 х 10-2 отказов/1000 км.

У большинства полученных коэффициентов наблюдаются противоположные знаки по сравнению с предыдущими уравнениями. Следовательно, с уменьшением приработочного износа показатели надежности двигателей возрастают.

Выводы

1. Установлена взаимосвязь начального износа дизельных и карбюраторных двигателей от их конструкторско - технологических признаков.

2. Наибольшее влияние на начальный износ сопряжений оказывают

литровая мощность и отношение диаметра цилиндра к ходу поршня, а наименьшее - удельная масса двигателя.

Список литературы

1. Бажинов А.В. Моделирование износа цилиндропоршневой группы ДВС. / А.В. Бажинов, С.А. Серикова // Автомобильный транспорт. 2010. № 26. С. 78-80.

2. Пенкин Н.С. Основы трибологии и триботехники / Н.С. Пенкин, А.Н. Пенкин, В.М. Сербин. М.: Машиностроение, 2011. 208 с.

3. Музаев А. А. Прогнозирование ресурса сопряжения втулка цилиндра - верхнее компрессионное кольцо по ожидаемому износу / А.А. Музаев, А.А. Шаипов // Вестник Астраханского государственного технического университета. 2010. № 2. С. 103-108.

4. Андрусенко О.Е. Повышение надежности судовых среднеоборотных двигателей с учетом доминирующих факторов износа подшипников скольжения коленчатого вала: автореф. дис..канд. техн. наук / О.Е. Андрусенко. Нижний Новгород, 2010. 21 с.

5. Храмцов Н.В.Надежность двигателей. М.: ОАО «Издательство «Недра», 1996. 243с.

Храмцов Николай Васильевич, докт. техн. наук, проф., hramnik.tmn@mail.ru, Россия, Тюмень, Тюменский государственный архитектурно-строительный университет,

Королев Королев Александр Егорович, канд. техн. наук, доц.

alexkorolev72@mail.ru, Россия, Тюмень, Государственный аграрный университет Северного Зауралья,

Рудольф Федорович Бай, ст. препод., alexkorolev72@mail.ru, Россия, Тюмень, Государственный аграрный университет Северного Зауралья

THE INFLUENCE OF DESIGN-TECHNOLOGICAL FACTORS ON THE WEAR RESISTANCE A UTO-TRACTOR ENGINES

N.V. Khramtsov, A.E.Korolev, R.F. Bai

Validity and progressiveness of design elaboration and manufacturing techniques determine the potential level of reliability of the engines. Spectral analysis of motor oils was revealed initial wear and tear burnished conjugations repaired engines for the period metal display running-in. Is established the interrelation the total initial wear interfaces with design characteristics of engines.

Key words: engine, design, running-in, wear and tear, wear resistance.

Khramtsov Nikolai Vasilievich, doctor of technical sciences, professor, hramnik.tmn@mail.ru, Russia, Tyumen, Tyumen State Architectural-building University,

Korolev Alexander Egorovich, candidate of technical sciences, docent, alexkorolev 72@mail.ru, Russia, Tyumen, State agrarian University of Northern Urals,

Bai Rudolf Fedorovich, senior lecturer, alexkorolev72@mail.ru, Russia, Tyumen, State agrarian University of Northern Urals

УДК 621.434.12

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ЦИЛИНДРА ДВИГАТЕЛЯ СРЕДСТВАМИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS CFX

Ю.В. Мягков, Ю.С. Шипелов

В статье представлена методика расчета распределения температур цилиндра двигателя внутреннего сгорания с принудительным воздушным охлаждением. Описан процесс измерения роста температуры двигателя и моделирование нагрева при помощи программного пакета для расчетов термогидрогазодинамических процессов ANSYS CFX. Проведен анализ и сравнение полученных результатов.

Ключевые слова: Теплообмен, распределение температуры, двигатель, расчетная модель.

В процессе работы двигателя внутреннего сгорания выделяется большое количество тепловой энергии, однако не вся эта энергия преобразуется в полезную работу. Детали и механизмы двигателя в процессе его работы подвергаются воздействию высоких температур, вследствие чего для обеспечения нормальной его работы возникает необходимость отвода теплоты. Для обеспечения оптимального коэффициента теплоотдачи двигателя с воздушным охлаждением применяют устройства, принудительно создающие напор воздуха, омывающий, как правило, цилиндр и головку цилиндра. Для обеспечения нормальной работы двигателя, его температура должна составлять около 100 °С.

Широкое распространение современной и мощной вычислительной техники и появление программ и комплексов для автоматизации процесса исследования и проектирования деталей и конструкций существенно повлияло на инженерный процесс. Комплекс ANSYS является одним из наиболее распространенных и мощных CAE систем - комплексов для автоматизированной разработки.

В статье описано проведение температурного анализа геометрической модели двигателя УМЗ 5 при помощи программного комплекса ANSYS Workbench, полученное решение было сравнено с результатами натурного эксперимента по измерению температуры двигателя, при помощи