Теоретический анализ смазочного процесса подшипников коленчатого вала на переходных режимах работы

А.С. Денисов, Р.И. Альмеев

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СМАЗОЧНОГО ПРОЦЕССА ПОДШИПНИКОВ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА НА ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

Проведен анализ конструктивных особенностей системы смазки и условий работы подшипников коленчатого вала. Рассмотрены аналитические зависимости, описывающие влияние температуры на параметры смазочного процесса подшипников. Представлены результаты моделирования и расчета, позволяющие оценить работоспособность подшипников при рассматриваемой совокупности эксплуатационных условий, а также предельные значения зазоров и температур смазочного материала.

Подшипник скольжения, смазочный процесс, работоспособность, толщина масляного слоя, вероятность контактирования, ресурс сопряжения

A.S.Denisov, R.I.Almeev

THE THEORETICAL ANALYSIS OF CRANKSHAFT BEARINGS LUBRICANT PROCESS ON TRANSITIVE OPERATING MODES

The analysis of design features and working conditions of crankshaft bearings is carried out. The analytical dependences describing temperature influence on the parameters of bearings lubricant process are considered. Results of modeling and calculation are presented, which allowing to estimate working capacity of bearings at considered set of operational conditions and critical values of clearances and lubricant oil temperatures.

Crankshaft bearing; lubricant process; working capacity; oil layer thickness; probability of contact process; interface resource

Условия работы автомобильных двигателей в период пуска и прогрева значительно отличаются от условий работы на номинальных нагрузочных и скоростных режимах и оказывают существенное влияние на долговечность и безотказность основных деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма. Проблема надежности в условиях низкотемпературных пусков особенно актуальна при эксплуатации высокофорсированных дизельных двигателей. В таких двигателях даже незначительное отклонение в условиях работы основных узлов трения может привести к аварийным износам и повреждениям деталей.Изучение закономерностей влияния температурных факторов на интенсивность изнашивания при пуске и в процессе дальнейшей эксплуатации позволяет понять причины образования повышенных износов деталей двигателя при низких температурах.

Основной эксплуатационной причиной повышенного изнашивания и возникновения отказов подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей является нарушение условий смазки. При недостаточном поступлении масла в подшипник могут нарушаться условия гидродинамического трения, в результате толщина масляного слоя может стать ниже критической, что повысит вероятность проворачивания вкладышей.

Исследованию процессов смазки в подшипниках скольжения посвящено большое число работ отечественных и зарубежных учёных. Подшипники коленчатого вала автомобильного двигателя относятся к нестационарно-нагруженным в связи с переменным характером действующей нагрузки как по величине, так и по направлению. Существуют различные подходы к анализу и расчёту такого типа подшипников. Общей в указанных методиках является необходимость решения системы уравнений, описывающих движение вала, течения смазки и переноса тепла [11]. На рис. 1 приведён общий алгоритм аналитического исследования.

Рис. 1. Общий алгоритм аналитического исследования смазочного процесса

При рассмотрении особенностей протекания смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала во время пуска-прогрева можно выделить следующие основные фазы (на примере двигателей КамАЗ) [2,6]:

1. Период пуска - проворачивание коленчатого вала стартером. Продолжительность данной фазы 5-20 с. Частота вращения коленчатого вала составляет 50-200 мин-1. Нагрузка на подшипники незначительная, так как отсутствует газовая составляющая.

2. Начальный период прогрева двигателя на холостых оборотах. Изменяются условия работы граничной масляной плёнки и трущихся поверхностей. Происходит увеличение частоты вращения коленчатого вала (600-800 мин-1) и нагрузки, а свежий смазочный материал еще не подается к деталям из-за снижения эффективности работы смазочной системы при низкой температуре. Продолжительность данной фазы определяется запаздыванием поступления масла.

3. Заключительный период прогрева двигателя. Характеризуется разрушающими факторами начала прогрева. Однако темп изнашивания во время данного периода снижается, так как к трущимся поверхностям начинает поступать смазочный материал. Продолжительность прогрева определяется температурными условиями, а также эффективностью применяемых средств предпусковой подготовки. Частоту вращения коленчатого вала при прогреве постепенно повышают на 100 мин-1 через каждые 1,5-2 мин.

4. Фаза установившегося смазочного процесса. Характеризуется постоянной температурой масла, а также стабильностью его расхода через подшипники.

Условия для жидкостной смазки, как правило, отсутствуют в подшипниках вследствие нестабильности, цикличности и недостаточности подачи масла, особенно в

период пуска и прогрева двигателя [3]. Для определения степени влияния вязкости масла на режим работы сопряжений и интенсивность их изнашивания во время холодных пусков рассматривали аналитические зависимости, описывающие вязкотемпературные

характеристики масла, а также влияние пусковой температуры и вязкости масла на рабочие параметры системы смазки (производительность масляного насоса, время поступления масла к деталям двигателя при пуске, расход масла через сопряжения двигателя и т. д.) [1].

Минимальная толщина масляного слоя ктп в точке наибольшего сближения вала и подшипника должна быть достаточной для того, чтобы предотвратить соприкосновение микронеровностей вала и подшипника при возможных колебаниях режима (увеличение нагрузки, уменьшение частоты вращения, падение вязкости масла от перегрева), а также в результате перекосов вала и упругих деформаций вала и подшипника [8].

Среднее давление, действующее на подшипник:

- Р

Р=~г

где й - диаметр подшипника, мм; I - длина подшипника, мм; Р - сила, действующая на подшипник, Н.

Относительная толщина масляного слоя £ - отношение минимальной толщины ктп масляного слоя в точке наибольшего сближения вала и подшипника к радиальному зазору ё:

г к 2к 8- е „

£ = =---55“ =---- = 1 -£

ь 8 А 8 ’ ^

где А = 28 - диаметральный зазор, мкм; е - эксцентриситет; е = е /8 - относительный эксцентриситет; ктП =8- е, мкм.

Относительная минимальная толщина X масляного слоя является функцией

безразмерного числа Зоммерфельда [3, 7, 8, 10]:

Р- у1

и отношения длины подшипника к диаметру 1/й, где Т - динамическая вязкость масла, Па - с; С - угловая скорость, рад/с; у=А/й - относительный зазор.

Зная величину £0, можно найти значение X для данного отношения 1/й и определить

минимальную толщину масляного слоя (в мкм) из выражения [8, 12]:

ктт = 8 X = 0,5 - X ' А = 0,5 -103 - X - й - у .

Для практических целей удобнее пользоваться характеристикой режима:

П 1 Т - С /сч

1 = Т - = =-------------.

Р 2 -р Р

где п - частота вращения вала подшипника, мин-1.

Критической характеристикой режима называют значение X, при котором

минимальная толщина масляного слоя уменьшается постоянно, наступает соприкосновение микронеровностей вала и подшипника, и коэффициент трения резко возрастает. Толщину масляного слоя, при которой возникает полужидкостная смазка, называют критической и обозначают ккр. Величина ккр для хорошо выполненных гладких и жестких подшипников и валов составляет в среднем 3-10 мкм [3, 8, 11].

Коэффициентом надежности подшипника называют отношение рабочей

характеристики режима к критической [8], которое должно быть больше единицы

1 Б

*=^=^г > *.

Акр Б 0кр

Чем больше х, тем меньше опасность перехода работы подшипника в область полужидкостной смазки.

Б, = т=—Т,

Для определения нагрузок, действующих на подшипники коленчатого вала, были проведены тепловой и динамический расчёты для базовых двигателей КАМАЗ-740.11 ЕВРО-1 мощностью 240 л.с. и форсированных двигателей КАМАЗ-740.63 ЕВРО-3 мощностью 400 л.с. по типовым методикам [5].

По приведённым формулам, с учётом принятых и рассчитанных конструктивнотехнологических и режимных параметров, приведённых в таблице, определены значения коэффициента надёжности шатунных подшипников для базовых и форсированных двигателей КАМАЗ.

Конструктивно-технологические и режимные параметры, принятые при расчёте шатунных подшипников [2, 3, 4, 5, 8, 11]

Параметры Базовый двигатель Форсированный двигатель

Модель двигателя 740.11-240 740.63-400

Максимальная полезная мощность кВт

Диаметр шатунных шеек, мм 80

Длина подшипника, мм 28

Отношение l/d 0,3 5

Номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1 2200±50 1900±50

Обороты холостого хода, мин-1 600±20

Критическая толщина масляного слоя, мкм 3

Номинальный диаметральный зазор, мкм 94

Предельный диаметральный зазор, мкм 200

Динамическая вязкость масла, 10 Па • с : при 40 °С при 100 °С при 150 °С при 180 °С 74.2 11.2 4,42 2,97

Зависимости коэффициента надёжности от температуры масла в подшипнике при различной частоте вращения коленчатого вала и при различном техническом состоянии приведены на рис. 2.

I4

г

«3

Я

S

1 2 I

1

20

Г”

\ 1 2 :

V / / V /

V /\7 \\

60 80 100 120 140 160 180 20(

Температура масла tM, °С

а)

Рис. 2. Зависимости коэффициента надёжности шатунных подшипников коленчатого

вала

от температуры масла в зоне трения:а) базовый двигатель; 1 - п=пном=2200 мин

-1.

А =94 мкм; 2 - п=пном=2200 мин-1; А =200 мкм; 3 - п=пхх=600 мин-1; Д=94 мкм; 4 -

-1

п=пхх=600 мин-1;

Д =200 мкм; б) форсированный двигатель; 1 - п=пном=1900 мин-1; Д =94 мкм; 2 -п=пном=1900 мин-1; Д =200 мкм; 3 - п=пхх=600 мин-1; Д =94 мкм; 4 - п=пхх=600 мин-1; Д

=200 мкм

Увеличение температуры масла приводит к снижению коэффициента надёжности подшипников. Форма этой зависимости соответствует вязкостно-температурной характеристике. При номинальной частоте вращения для базового двигателя коэффициент надёжности достигает критического значения (К = 1) при температуре 74-86°С в зависимости от технического состояния подшипника, а для форсированного двигателя - при 68-80°С. При снижении температуры масла улучшаются условия работы подшипников, однако одновременно с этим происходит снижение расхода смазочного материала через узлы трения. В результате подшипники будут работать в режиме масляного голодания, что может привести к их повышенному изнашиванию и перегреву.

Снижение частоты вращения коленчатого вала от номинального значения до оборотов холостого хода уменьшает коэффициент надёжности на 41,6 % для базового и на 39,7% для форсированного двигателя.

При росте диаметрального зазора в подшипниках, коэффициент надёжности также снижается. Увеличение зазора в шатунных подшипниках от номинального (94 мкм) до предельного (200 мкм) приводит к снижению данного коэффициента на 33,7%. На практике, кроме изнашивания вкладышей, приводящего к росту зазора, происходит деформирование вкладыша в виде прогиба по образующей [3, 4], которое снижает зазор в подшипнике.

Общий алгоритм оценки параметров нестационарно-нагруженных подшипников состоит в проведении последовательных расчётов до удовлетворения требований по критической толщине смазочного слоя, предельной температуре, потерям на трение [11]. Для того, чтобы получить представление о рабочих характеристиках подшипника, выполняли моделирование и расчёт минимальной толщины масляного слоя в зависимости от зазоров, температуры и давления масла на входе в подшипник. На рис. 3 приведены зависимости минимальной толщины масляного слоя в шатунных подшипниках от угла поворота коленчатого вала при различных тепловых режимах работы. На рис. 4 показаны зависимости среднециклового значения минимальной толщины масляного слоя в подшипниках. Полученные в ходе расчета значения были аппроксимированы полиномами второй степени.

12

о 1-----------1----------1----------1----------1-----------1----------1---------1-----------

О 90 180 270 360 450 540 630 720

Угол поворота коленчатого вала, град.

Рис. 3. Зависимости минимальной толщины масляного слоя в шатунных

подшипниках

от угла поворота коленчатого вала при различной температуре масла в подшипнике

Режим смазки подшипника оценивали по отношению минимальной толщины

Кр :

смазочного слоя к критической к

к =

к_,_

к

кр

Из рис. 3 видно, что минимальная толщина масляного слоя принимает значения меньше критических (3 мкм). При этом доля смешанного (1мкм<Лт,и<3мкм) и граничного режимов смазки (Лшги<1мкм) увеличивается с ростом температурного режима работы подшипника.

Одним из критериев работоспособности нестационарно-нагруженных подшипников является продолжительность зон смешанной смазки. Для данного критерия существует предельное значение, превышение которого может привести к возникновению задира подшипника [11]. Определяли долю цикла работы двигателя, для которой условие

ктт > ккр не выполняется (суммарная продолжительность зон смешанной смазки) и

проводили расчет параметра вероятности контактирования поверхностей.

Вероятность контактирования £ является функцией отношения минимальной

толщины смазочного слоя кгаіп к критической ккр (рис. 5) [10]):

£ = Р

Рис. 4. Зависимости минимальной толщины масляного слоя от температуры масла в зоне трения

1 - А =94 мкм; 2 -А =200 мкм

Для упрощения расчета использовали аппроксимирующую функцию линейного вида (рис. 5). На рис. 6 представлены зависимости параметра £ (среднее значение за цикл) от температурного режима работы при различных технических состояниях подшипника.

н о

О X О X X ОК в> ос т

£ ° 9- с

0,8

0.6

0,4

0,2

5 = Г{к) N / /

/1 '/ V

і = о, 5к - X 0,5 у V

ч \ \ / V

м V

0,5

1,5

2,5

Отношение минимальной толщины масляного слоя к критической к

Рис. 5. Влияние минимальной толщины масляного слоя на вероятность контактирования поверхностей

Рис. 6. Зависимости параметра вероятности контактирования поверхностей от температуры масла в зоне трения

1 - А =94 мкм; 2 -А =200 мкм

По результатам расчета можно отметить, что значительное влияние на процессы контактирования оказывает величина износа (зазора). Характер рассматриваемой зависимости -линейный при температурах масла менее 115 и 93°С для шатунных подшипников с номинальным и предельным диаметральным зазором соответственно. При достижении указанных критических температур в подшипнике будет наблюдаться рост вероятности контактирования поверхностей и, как следствие, интенсификация процессов изнашивания.

Исходя из предположения о линейном характере связи между интенсивностью изнашивания сопряжения и коэффициентом трения, определяемым долей работы подшипника в условиях смешанной смазки, вычисляли интегральное значение показателя износа У/ (рис. 7). Данный параметр представляет собой определенный интеграл от

функции коэффициента трения / в подшипнике по углу поворота коленчатого вала а :

а

£ I = |/(а)іа .

Вычисление проводили графоаналитическим методом, при этом коэффициент трения в подшипнике оценивали по формуле

/ = /ж

где /ж и /гр - коэффициенты трения при жидкостном и граничном трении соответственно.

За 100% на графике ^ I (рис. 7) принимали интенсивность изнашивания при

номинальном зазоре в подшипнике и температуре масла 80°С. По данным рис. 7 видно, что в интервале температур 80-100°С можно ожидать увеличения интенсивности изнашивания на 40-50%.

Одной из функций смазочного материала является теплоотвод от поверхностей трения. В начальный период пуска-прогрева, когда масло не поступает к сопряжениям, теплоотвод пониженный. При значительном времени запаздывания поступления масла температуры поверхностей трения могут достигать критических значений. Это приводит к нарушению равновесия между адсорбцией и десорбцией молекул граничных слоёв. В результате граничная смазочная плёнка разрушается.

Рис. 7. Зависимости интегрального показателя износа II от температуры масла в зоне трения

1 - А =94 мкм; 2 -А =200 мкм

Происходят 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. Для оценки температурного режима работы подшипников проводили моделирование теплонапряжённого состояния с использованием уравнений теплового баланса.

По результатам математического моделирования и расчёта разработаны теоретические предпосылки применения устройства предпусковой смазки для оптимизации параметров смазочного процесса на режиме пуска. Получены параметры кривых, описывающих оптимизацию работы сопряжений двигателя.

Рассмотренные модели носят стохастический характер, так как обусловлены действием большого числа, в том числе случайных, факторов, таких как температура окружающей среды, техническое состояние деталей, режим работы двигателя.

По результатам проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1) При форсировании двигателей КАМАЗ размеры подшипников не изменились, а давление масла увеличилось лишь на 10%. Коэффициент надёжности подшипников форсированных двигателей снизился в среднем на 16,3% по сравнению с базовыми.

2) Перегрев подшипника во время холодного пуска и прогрева, связанный, как правило, с недостаточным расходом смазочного материала, приводит к росту доли смешанной смазки в общем времени работы сопряжения. Даже при номинальных зазорах в подшипнике увеличение температурного режима на каждые 10°С приводит к росту интенсивности изнашивания в среднем на 17%.

3) Для каждой совокупности эксплуатационных условий, характеризующих работу подшипника, наблюдаются предельные значения зазоров и температур смазочного материала, превышение которых приведет к интенсификации изнашивания деталей. При средней наработке подшипника критическое значение температуры масла в зоне трения составит 104°С.

4) С целью оптимизации параметров смазочного процесса подшипников форсированных двигателей КАМАЗ целесообразно повысить давление в системе смазки до 0,7 МПа, снизить пульсации масляного потока и деформации вкладышей, а также использовать только предписанные смазочные материалы. Для повышения надёжности эксплуатации подшипников в условиях, отличающихся от номинальных по параметрам смазочного материала, например в условиях холодного пуска и прогрева, целесообразно применять средства предпусковой подготовки, в том числе устройства, обеспечивающие прогрев и поступление смазочного материала к узлам трения в предпусковой период.

ЛИТЕРАТУРА

1. Альмеев Р.И., Денисов А.С. Анализ влияния параметров системы смазки на режим работы подшипников коленчатого вала при холодном пуске двигателя // Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы: сб. статей IV Всерос. науч.-техн. конф.-семинара: в 2 ч. Ч. 2. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2009. С. 35-46.

2. Двигатели КамАЗ экологических классов 2 и 3. Руководство по эксплуатации 740.60-3902001 РЭ. Набережные челны: ОАО «КамАЗ», 2007. 142 с.

3. Денисов А.С., Кулаков А.Т. Обеспечение надежности автотрактортных двигателей. Саратов: СГТУ, 2007. 422 с.

4. Денисов А.С. Основы формирования эксплуатационно-ремонтного цикла автомобилей. Саратов: СГТУ, 1999. 352 с.

5. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей. 4-е изд., стер. М.: Высш. шк., 2008. 496 с.

6. Лосавио Г.С. Эксплуатация автомобилей при низких температурах. М.: Транспорт, 1973. 117 с.

7. Мур Д. Основы и применения трибоники. М.: Мир, 1978. 487 с.

8. Орлов П.И. Основы конструирования: справ.-метод. пособие: в 2 кн. Кн. 2 / под ред. П.Н. Учаева. 3-е изд., испр. М.: Машиностроение, 1988. 544 с.

9. Пенкин Н.С., Пенкин А.Н., Сербин В.М. Основы трибологии и триботехники. М.: Машиностроение, 2008. 206 с.

10. Чихос Х. Системный анализ в трибонике. М.: Мир, 1982. 351 с.

11. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / А.В. Чичинадзе, Э.М.

Берлинер, Э.Д. Браун и др. М.: Машиностроение, 2003. 576 с.

12. Якунин Н.Н. Методологические основы контроля и управления техническим состоянием автомобилей в эксплуатации. М.: Машиностроение-1, 2003. 178 с.

ДенисовАлександр Сергеевич - Denisov Alexander Sergeevich -

доктор технических наук, профессор, Doctor of Technical sciences, Professor,

заведующий кафедрой «Автомобили chair of «Automobiles and automobile

и автомобильное хозяйство» sector» department, Saratov State

Саратовского государственного Technical university

технического университета

Альмеев Руслан Игоревич -

аспирант кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство»

Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 20.04.2011, принята к опубликаванию 30.04.2011

Almeev Ruslan Igorevich -

Post-graduate student of «Automobiles and automobile sector» department, Saratov State Technical university