Результаты экспериментальных исследований технологии и средств холодной обкатки ДВС с использованием автономного приводного устройства

9. Andreyev V. I. Study of dynamic processes of rotary tillers: dissertation ... candidate of technical sciences / V. N. Andreyev. - 1969. - 28 p.

10. Dynamics of operation of small-sized tillage cutters FS-0,85 / V. F. Kupryashkin, M. N. Chatkin, N. I. Naumkin et. al. // Improving the efficiency of mechanical and energy systems: collection of materials Intern. scientific and technical conf. - Saransk, 2004. - P. 296 - 307.

11. Chatkin, M. N. Features of the dynamic analysis of tillage cutter machines / M. N. Chatkin, V. F. Kupryashkin // Mehanizacija i jelektrifikacija selskogo hozjajstv. - 2006. - № 12. - P. 9 - 11.

12. Analysis of dynamic loads in the drive machine for soil cultivation in greenhouses MPT -1,2 / V. F. Kupryashkin, N. I. Naumkin, A. F. Firstov, A. S. Ulanov // Sovremennye naukoemkie tehnologii. -2014. - № 5. - P. 1.- P. 62 - 63.

13. Naumkin, N. I. Theory of mechanisms and machines and its application in AIC / N. I. Naumkin, N. V. Rakov, V. F. Kupryashkin. - Saransk, 2012. - 220 p.

14. Tiller «Neva» MK-200 and its modifications. Instruction manual 005.65.0100 RE4. ZAO «Krasnyj Oktjabr-Neva». 2013. - 36 p.

15. Sineokov, G. N. Theory and design of tillers / G. N. Sineokov, I. M. Panov. Mashinostroenie, 1977. - 328 p.

УДК 621.436

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВ ХОЛОДНОЙ ОБКАТКИ ДВС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОНОМНОГО ПРИВОДНОГО УСТРОЙСТВА

С. В. Тимохин, доктор техн. наук, профессор; И. С. Королев, аспирант

ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА, Россия, e-mail: timohinsv@gmail.com

Приведены результаты исследований по определению фактических параметров работы автономного устройства для холодной обкатки ДВС на базе частотно-управляемого электропривода и реализуемых им временных и скоростных режимов обкатки, а также определения показателей качества приработки ДВС.

Установлено, что разработанное устройство обеспечивает обкатку новых и капитально отремонтированных ДВС на типовых режимах и приработку сопряжений, при этом температурные режимы элементов приводного устройства находились в допустимых пределах.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности и эффективности применения разработанных устройства и технологии для холодной обкатки ДВС в различных производственных условиях, при существенном сокращении трудоемкости и затрат на обкатку.

Ключевые слова: ДВС, холодная обкатка, автономное приводное устройство, частотно-управляемый электропривод, преобразователь частоты.

Введение. Важным этапом в технологиях производства и ремонта ДВС является холодная обкатка, во время которой происходит начальная приработка сопряжений двигателя и их подготовка к горячей обкатке [1,2].

Типовые технологии холодной обкатки на стационарных стендах обладают рядом недостатков, таких как большие габариты, большая потребляемая мощность, высокая стоимость применяемого оборудования и высокая трудоемкость процесса обкатки, обусловленная необходимостью установки ДВС на обкаточный стенд и его последующего снятия со стенда [3-5].

Известны способы и средства холодной обкатки ДВС после текущего ремонта с применением автономных устройств для прокрутки ДВС, например пускового двигателя или электростартера [4-6], однако их

использование при капитальном ремонте невозможно .

В связи с этим актуальной является разработка универсальных автономных устройств для холодной обкатки новых и отремонтированных ДВС. Одним из возможных путей решения данной задачи является применение разработанного и запатентованного авторами устройства [7] для холодной обкатки на базе частотно-управляемого электропривода, которое устанавливается вместо штатного электростартера ДВС.

На кафедре «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика» Пензенской ГСХА были проведены моторные исследования экспериментального образца предлагаемого устройства.

Основной целью моторных исследований являлось определение фактических

Рис. 1. Моторная установка для проведения экспериментальных исследований холодной обкатки ДВС с использованием автономного приводного устройства

параметров работы устройства и реализуемых им временных и скоростных режимов обкатки, а также определение показателей качества приработки ДВС, полученных при обкатке с применением разработанного устройства.

Методика исследований. Исследования проводились на моторной установке (рис. 1), содержащей двигатель ВАЗ 2101 после капитального ремонта 1, штатную коробку перемены передач 2, автономное приводное устройство 4 и систему охлаждения ДВС 3, установленные на общей раме 5.

В измерительно-регистрирующий комплекс установки входили: измеритель мощности электроустановок К-505, блок измерения угловой скорости и ускорения с индуктивным датчиком частоты вращения, десятиканальный измеритель температуры ИТ-10, 4-канальный цифровой осциллограф АСК 4107 «Актаком», ноутбук, бесконтактный инфракрасный термометр IRISYS IRI4010, манометр ОБМ1-100, динамометрический ключ DB100N-S, профилограф СЕЙТРОНИК ПШ8-4, компрессометр «ДРУГ», цифровой фотоаппарат Nikon D3300, электронные лабораторные весы ВСЛ-А, нутромер Калибр 155.

Согласно разработанной методике [8], в процессе экспериментальной обкатки контролировались: температура охлаждающей жидкости и моторного масла; давление в смазочной системе двигателя ВАЗ 2101; давление конца сжатия воздуха в цилиндрах (компрессия); активная мощность, потребляемая приводным устройст-

вом из сети; температура корпуса электродвигателя и ведущей шестерни.

Перед сборкой отремонтированного ДВС проводился микрометраж деталей ЦПГ и КШМ, профилографирование шатунных и коренных вкладышей, взвешивание деталей, замер зазоров в замке и просветов поршневых колец в калибре и другие операции. При сборке двигателя строго выдерживалась рекомендуемая технология и моменты затяжки резьбовых соединений.

Оценка показателей качества приработки сопряжений при холодной обкатке ДВС проводилась путем их сравнения с показателями необкатанного двигателя [9].

В качестве оценочных показателей качества приработки приняты: момент прокрутки до и после проведения холодной обкатки; масса поршневых колец, шатунных и коренных вкладышей; шероховатость рабочей поверхности шатунных и коренных вкладышей; значение компрессии в цилиндрах, а также визуальный контроль поверхностей поршневых колец, зеркал цилиндров, коренных и шатунных вкладышей и шеек коленчатого вала ДВС.

Момент прокрутки определялся путем посекторного проворачивания коленчатого вала двигателя динамометрическим ключом. Замеры производились последовательно, через каждые 22,5 градуса поворота коленчатого вала, начиная с ВМТ в пределах двух оборотов коленчатого вала (всего в 32 угловых секторах), при отсутствии компрессии и одинаковом температурном режиме ДВС [10].

Нива Поволжья № 4 (37) ноябрь 2015 93

Рис. 2. Зависимость температуры ведущей шестерни и корпуса электродвигателя

от времени обкатки

Определение величины износа деталей ДВС за время холодной обкатки с применением автономного приводного устройства осуществлялось путем взвешивания наиболее изнашиваемых деталей ДВС -поршневых колец, коренных и шатунных вкладышей.

Микрометраж блока цилиндров осуществлялся до и после обкатки. Измерения проводились в 6 плоскостях для каждого цилиндра.

Согласно разработанной технологии холодной обкатки, новый или отремонтированный ДВС устанавливают на автомобиль (или на раму - подставку), подключают к системам охлаждения, отвода отработавших газов и, при необходимости, к другим, заправляют моторным или обкаточным маслом и охлаждающей жидкостью.

Вместо штатного электростартера устанавливают автономное приводное устройство с идентичными установочными размерами, диаметром и модулем зуба ведущей шестерни. Питание электродвигателя приводного устройства осуществляют от статического электронного преобразователя частоты (ПЧ), который, согласно инструкции по эксплуатации, настраивают для работы с данным типом электродвигателя. Задают частоту выходного тока, необходимую для получения требуемой частоты вращения коленчатого вала ДВС на первой ступени холодной обкатки, подают ток на электродвигатель и проводят обкатку в течение заданного времени. По окончании первой ступени обкатки увеличивают частоту выходного тока ПЧ (и частоту прокрутки коленчатого вала) и проводят вторую ступень.

Рис. 3. Зависимость активной мощности, потребляемой устройством, от времени и скоростного режима

Рис. 4. Зависимость температуры охлаждающей жидкости и масла от времени

Аналогично проводят остальные ступени. По окончании обкатки демонтируют приводное устройство и устанавливают штатную систему пуска.

Для проверки разработанной технологии и средств ее реализации были проведены их моторные исследования на режимах холодной обкатки, рекомендуемых для ДВС легковых автомобилей после капитального ремонта ДВС [11].

На первой ступени осуществлялась прокрутка коленчатого вала с частотой 500 мин- в течение 20 минут, на второй - прокрутка коленчатого вала с частотой 1000 мин-1 в течение 10 минут.

Результаты. В результате проведенных исследований установлено, что в течение первой ступени температура корпуса электродвигателя возрастает, а при переходе на вторую стабилизируется на уровне 40 °С.

Температура ведущей шестерни линейно возрастает и достигает значения

57°С в конце обкатки. Невысокая температура шестерни обусловлена отводом тепла из зоны контакта через зубчатый венец на маховик ДВС, имеющий большую массу и поверхность охлаждения.

Анализ зависимости активной мощности, потребляемой приводным устройством, от времени прокрутки (рис. 3) показывает, что в процессе прокрутки с постоянной частотой (500 и 1000 мин-1) потребляемая мощность в течение времени ступени линейно снижается. Это объясняется протеканием приработочных процессов в сопряжениях и, соответственно, снижением момента прокрутки, а также уменьшением вязкости масла вследствие его нагрева. При увеличении частоты вращения (с 500 до 1000 мин-1) потребляемая мощность скачкообразно возрастает (в соответствии с общеизвестной зависимостью момента механических потерь ДВС от частоты вращения коленчатого вала [12, 13]).

Рис. 5. Зависимость давления в смазочной системе обкатываемого ДВС от времени и скоростного режима

Нива Поволжья № 4 (37) ноябрь 2015 95

Рис. 6. Осциллограмма угловой скорости (1) и ускорения (2) коленчатого вала ДВС при обкатке автономным приводным устройством

Температуры моторного масла и охлаждающей жидкости ДВС (рис. 4) в процессе обкатки возрастают и достигают значений 54°С и 51 °С, соответственно. Это объясняется подводом тепла от пар трения и от сжимаемого в цилиндрах ДВС воздуха.

Давление в смазочной системе ДВС (рис. 5) на ступенях обкатки с постоянной частотой линейно снижается, что объясняется ростом температуры масла (рис. 4) и, соответственно, снижением вязкости. При переходе на вторую ступень давление масла возрастает вследствие роста производительности масляного насоса.

Анализ осциллограмм (рис. 6) угловой скорости (частоты вращения) и ускорения коленчатого вала двигателя показывает, что в пределах ступеней холодной обкатки скоростной режим, обеспечиваемый приводом, практически не меняется, что говорит о достаточной жесткости механической характеристики привода и стабильности реализуемых скоростных режимов.

Момент прокрутки ДВС в процессе хо-

лодной обкатки снизился до 10,4 % (при значении угла поворота коленчатого вала, равном 225°) (рис. 7). Это объясняется прирабо-точными процессами в сопряжениях ДВС.

Уменьшение массы первых компрессионных хромированных колец за обкатку (рис. 8) составило в среднем 0,042 % (3,1 мг), а вторых - 0,026 % (2,4 мг).

Уменьшение массы верхних и нижних шатунных вкладышей за обкатку составило в среднем 5,1810-3 % (1,13 мг) и 3,8210-3 % (0,83 мг) соответственно (рис. 9а).

Масса верхних и нижних коренных вкладышей за обкатку (рис. 9б) уменьшилась на 4,9910-3 % (1,18 мг) и 4,4010-3 % (1,10 мг) соответственно.

В результате приработки поршневых колец (рис. 10) в процессе обкатки произошло увеличение компрессии в цилиндрах в среднем на 5,8 % (0,06 МПа).

Микрометрирование блока цилиндров показало, что увеличение диаметра гильз цилиндров в процессе обкатки в среднем составило 5 мкм.

Рис. 7. Зависимость момента прокрутки от углового положения коленчатого вала до и после экспериментальной холодной обкатки

Рис. 8. Гистограмма изменения массы поршневых колец по цилиндрам

Рис. 9 Гистограмма изменения массы: а) шатунных вкладышей; б) коренных вкладышей

Рис. 10. Гистограмма результатов измерения компрессии до и после обкатки

Зазоры в замках и просветы поршневых колец в калибре в процессе обкатки изменились незначительно, при этом цилиндрические поверхности первых компрессионных колец после обкатки имеют равномерный приработочный поясок. Это свидетельствует о хорошем качестве ма-

териала поршневых колец и гильз цилиндров, а также равномерности эпюры радиальных усилий.

Шероховатость поверхностей коренных и шатунных вкладышей (среднего арифметического отклонения профиля Ра) после обкатки увеличилась в среднем на 0,4 мкм,

Нива Поволжья № 4 (37) ноябрь 2015 97

что подтверждается результатами других исследований [13].

Общая площадь приработанных поверхностей коренных и шатунных вкладышей составила в среднем 15 % от площади всей поверхности. Цилиндрические поверхности первых компрессионных колец после обкатки имели равномерный прира-боточный поясок.

Некоторая неравномерность показателей приработки сопряжений ДВС по цилиндрам и шейкам коленчатого вала (рис. 8, 9, 10), может быть обусловлена как исходными параметрами сопряжений, так и возможной неоптимальностью выбранных скоростных и временных режимов холодной обкатки для данного типа ДВС.

Выводы. Разработанное автономное приводное устройство обеспечивает прокрутку коленчатого вала ДВС на типовых

скоростных и временных режимах, требуемых для холодной обкатки новых и капитально отремонтированных ДВС, при этом температура корпуса электродвигателя не превышает 55оС, а температура ведущей шестерни 57оС.

Ранее проведенные моторные исследования данного автономного приводного устройства на аналогичном ДВС [14, 15] показали возможность получения частот вращения коленчатого вала до 1500 мин-1 и, соответственно, существенного повышения степени приработки сопряжений.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности и эффективности применения разработанных устройства и технологии для холодной обкатки ДВС в различных производственных условиях при существенном сокращении трудоемкости и затрат на обкатку.

Литература

1. Тимохин, С. В. Методы повышения эффективности холодной обкатки дизелей: монография / С. В. Тимохин, Ю. В. Родионов, А. Н. Морунков. - Пенза: ПГУАС, 2012. - 152с.

2. Тимохин, С. В. Совершенствование технологии и средств холодной обкатки автотракторных ДВС / С. В. Тимохин, И. С. Королев // Нива Поволжья. - 2015. - № 1(34). - С. 61-65.

3. Тимохин, С. В. Результаты экспериментальных исследований обкатки дизеля Д-144-32 после текущего ремонта на стенде КИ-28263 с микропроцессорной системой управления / С. В. Тимохин, К. Л. Моисеев, О. А. Царев // Нива Поволжья. - 2011. - № 3(20). - С. 79-83.

4. Власов, П. А. Использование явления нагружения встречными моментами при испытании и обкатке агрегатов технических систем / П. А. Власов // Нива Поволжья. - 2010. - № 4. - С. 33-35.

5. Моисеев, К. Л. Способ холодной обкатки ДВС после текущего ремонта и устройство для его реализации / К. Л. Моисеев, А. Г. Трекин // Наука и молодежь: новые идеи и решения: матер. V Междунар. НПК молодых исследователей. - Волгоград, 2011. - С. 80-81.

6. Тимохин, С. В. Экономия топлива при раздельной обкатке дизелей Д-240 / С. В. Тимохин,

A. Н. Морунков // Нива Поволжья. - 2007. - № 3. - С. 54-57.

7. Королев, И. С. Разработка оборудования для холодной обработки ДВС на базе частотно-управляемого электропривода с высокой удельной мощностью / И. С. Королев, С. В. Тимохин // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза: РИО ПГСХА,

2013. - С. 210-212.

8. Королев, И. С. Методика экспериментальных исследований холодной обкатки ДВС с применением автономного приводного устройства ДВС / И. С. Королев // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: Сб. матер. Всерос. НПК. Том II. - Пенза: РИО ПГСХА,

2014. - С. 197-198.

9. Повышение эффективности приработки дизелей совершенствованием технологии и средств обкатки с динамическим нагружением / С. В. Тимохин, К. Л. Моисеев, И. С. Королев, А. П. Кочетков // Труды ГОСНИТИ. - 2012. - Т. 110. - С. 30-34.

10. Тимохин, С. В. Результаты лабораторных исследований автоматизированной системы управления обкаткой ДВС с динамическим нагружением / С. В. Тимохин, К. Л. Моисеев // Нива Поволжья. - 2011. - № 2(20). - С. 84-89.

11. Хальфан, Ю. А. Ремонт автомобилей «Москвич» (моделей 407 и 403) / Ю. А. Хальфан,

B. С. Гурман. - М.: Транспорт, 1964. - 311 с.

12. Моисеев, К. Л. Расчетно-теоретическое обоснование режимов и средств холодной обкатки ДВС после текущего ремонта (на примере дизеля Д-144-32) / К. Л. Моисеев, С. В. Тимохин // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: сб. матер. Всерос. НПК. - Пенза: РИО ПГСХА, 2011. - Т.2. - С. 52-55.

13. Тимохин, С. В. Энерго-ресурсосбережение при обкатке тракторных дизелей путем создания и реализации в ремонтном производстве модулей с динамическим нагружением: автореф. дис. ...д-ра техн. наук / С. В. Тимохин. - СПб., 1999. - 37 с.

14. Королев, И. С. Автономный стенд для холодной обкатки ДВС легковых автомобилей / И. С. Королев, С. В. Тимохин, Б. С. Слюсарев // Образование, наука, практика: инновационный аспект: сб. матер. Всерос. НПК. Том II. - Пенза: РИО ПГСХА, 2015. - С. 47-50.

15. Королев, И. С. Результаты моторных исследований автономного приводного устройства для холодной обкатки ДВС / И. С. Королев // Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: Сб. матер. Всерос. НПК. Том II. - Пенза: РИО ПГСХА, 2014. - С. 191-193.

UDK 621.436

RESULTS OF EXPERIMENTAL RESEARCH OF TECHNOLOGY AND MEANS OF COOL RUNNING-IN OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH USING AUTONOMOUS DRIVING DEVICE

S. V. Timokhin, doctor of technical sciences, professor; I. S. Korolyov, post graduate FSBEE HE Penza SAA, Russia, e-mail: timohinsv@gmail. com

The article deals with the research results on the determining fact parameters of the operation of autonomous driving device for cool running-in of internal combustion engine on the basis of frequency-controlled electric drive and time and velocity regimes of running-in realized by them and determining the quality parameters of running-in the engine.

It is stated that the developed device provides running-in of new and repaired engines to the typical modes and adjustment of mates, while temperature regimes of the elements of the drive device were within the permitted limits.

The obtained results help to draw a conclusion about the possibility and efficacy of developed devices and technologies for cold running-in engine in different operating conditions, while substantially reducing the complexity and cost of running.

Key words: ICE, cold running-in, autonomous driving device, frequency-controlled electric drive, frequency inverter.

References:

1. Timokhin, S. V. Methods of increasing the efficiency of the cold running-in of diesel engines: a monograph / S. V. Timokhin, V. Yu. Rodionov, A. N. Morunkov. - Penza: PSUAC, 2012. - 152 p.

2. Timokhin, S. V. Perfection of technology and means of cold running-in of automotive-tractor internal combustion engines / V. S. Timokhin, I. S. Korolev // Niva Povolzhya. - 2015. - № 1(34). - P. 61-65.

3. Timokhin, S. V. Experimental results of running-in of diesel engine D-144-32 after maintenance on the stand KI-28263 with microprocessor control system / S. V. Timokhin, K. L. Moiseyev, O. A. Tsarev // Niva Povolzhya. - 2011. - № 3(20). - P.79-83.

4. Vlasov, P. A. Using the phenomenon of loading the counter points when testing and running-in of units of technical systems / P. A. Vlasov // Niva Povolzhya. - 2010. - No. 4. - P. 33-35.

5. Moiseyev, K. L. Method of the cold running-in ICE after maintenance and devices for its realization / K. L. Moiseyev, A. G. Trekin // Science and youth: new ideas and solutions: materials of the V Intern. SPC of young researchers. - Volgograd, 2011. - P. 80-81.

6. Timokhin, S. V. Saving fuel during the separate running-in of diesel engines D-240 / S. V. Timokhin, A. N. Morunkov // Niva Povolzhya. - 2007. - No. 3. - P. 54-57.

7. Korolev, I. S. Designing the equipment for cold processing of the internal combustion engine on the basis of frequency-controlled drive with high specific power / I. S. Korolev, S. V. Timokhin // Collection of materials of All-Russian scientific-practical conference. - Penza: EPD PSAA, 2013. - P. 210-212.

8. Korolev, I. S. Methodology of experimental research of the cold running-in engine with the use of autonomous driving device of the internal combustion engine I. S. Korolev // Contribution of young scientists in innovative development of AIC of Russia: collection of mater. of All-Russian scientific-practical conference. Vol. II. - Penza: EPD PSAA, 2014. - P. 197-198.

9. Improving the efficiency of the running-in diesel engines by improving the technology and means of testing with the dynamic loading / S. V. Timokhin, K. L. Moiseyev, I. S. Korolev, P. A. Kochetkov // Papers of of GOSNITI. - 2012. - T. 110. - P. 30-34.

10. Timokhin, S. V. Results of laboratory tests of the automated control system by running-in ICE with dynamic loading / S. V. Timokhin, K. L. Moiseev // Niva Povolzhya. - 2011. - № 2(20). - P. 84-89.

11. Halfan, Yu. A. Repairing automobiles «Moskvich» (models 407 and 403) / Yu. A. Halfan, V. S. Gurman. - M.: Transport, 1964. - 311 p.

12. Moiseyev, K. L. Calculation-theoretical substantiation of the modes and means of the cold run-ning-in ICE after maintenance (on the example of a diesel engine D-144-32) / K. L. Moiseyev, S. V. Timokhin // Contribution of young scientists in innovative development of AIC of Russia: collection of materials of All-Russian SPC. - Penza: EPD PSAA, 2011. -Volume 2. - P. 52-55.

13. Timokhin, S. V. Energy and resource saving during the running-in tractor diesel engines by establishing and implementing modules with dynamic loading in repairing: author. dis.... doctor of technical sciences / S. V. Timokhin. - Collection of publications, 1999. - 37 p.

Нива Поволжья № 4 (37) ноябрь 2015 99