СПОСОБ БЕЗРАЗБОРНОЙ ДИАГНОСТИКИ СТЕПЕНИ ИЗНОСА ШАТУННЫХ ПОДШИПНИКОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF IN-PLACE DIAGNOSTICS OF ICE CON ROD BEARING WEAR

Изобретение относится к области эксплуатации машин и может быть использовано при диагностировании степени износа шатунных подшипников двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известен ряд способов диагностирования степени износа подшипников ДВС.
В соответствии с SU №328364, опубл. 01.01.1972, величина зазоров определяется по амплитудно-фазовым параметрам пульсаций потока масла в каналах системы смазки. При определении зазоров устанавливается датчик в канале системы смазки, измеряют импульсы микродатчика при определенном тепловом режиме и по тарировочным зависимостям определяют величину зазора.
Недостатком способа является необходимость вывода двигателя из эксплуатации на обследование, препарировки под датчик, большие затраты времени на проведение диагностики.
Способ по SU №1134897, опубл. 15.01.1985, используют при безразборной диагностике. Он предусматривает подключение к двигателю в момент эксперимента гидроаккумулятора с дроссельным устройством и определение интенсивности падения в нем давления по двум манометрам на определенных режимах. Однако этот способ также требует установки громоздких устройств.
Способ по RU №2259549, опубл. 27.08.2005, используют при безразборной диагностике технического состояния двигателя внутреннего сгорания. Он предусматривает установку двух измерителей давления масла на входе и выходе из фильтра. При использовании метода задают режимы работы двигателя, измеряют показатели состояния диагностируемых систем двигателя, определяют отклонения показателей состояния, проводят вычисления и по результатам оценивают техническое состояние двигателя. Причем в качестве показателей состояния принимают параметры пульсаций давления среды. Способ отличается тем, что кривую пульсаций давления на входе и выходе фильтрующего элемента диагностируемой системы раскладывают в гармонический ряд. Строят амплитудные и фазовые частотные характефигтики в заданном диапазоне частот, а сравнение проводят в диапазоне наибольшей чувствительности измеряемых частот, в качестве результата определяют величину и скорость отклонения амплитудных и фазовых частотных характефигтик от эталонных, полученных при условии наиболее эффективной работы системы, и по ним определяют остаточный ресурс работы двигателя.
Данный способ не позволяет определить неисправности отдельных шатунных подшипников коленвала. При взаимном сочетании неисправностей отдельных коренных и шатунных подшипников указанный способ позволяет определить только общую тенденцию износа, тогда как износ подшипников часто не одинаков. Кроме того, прогноз реального ресурса двигателя затруднен, так как неизвестен закон изменения технического состояния отдельных подшипников.
Принятый в качестве прототипа способ - патент RU №2006811, опубл. 30.01.1994, - используют при безразборной диагностике степени износа подшипников двигателя внутреннего сгорания. Способ заключается в том, что измеряют значение давления в центральной масляной магистрали ДВС и сравнивают полученные значения давления с эталонными, определенными для нового двигателя. По сравнению определяют степень износа подшипников. При этом измерение давления производят по меньшей мере в двух точках системы смазки двигателя, первая из которых расположена на выходе из нагнетательного насоса, преобразовании этих давлений и сравнении их с эталонными величинами. В качестве второй точки измерения давления принимают точку на входе в диагностируемый участок двигателя. Для эталонного двигателя определяют зависимость отношения величины первого давления к величине второго от степени износа подшипников или отношения разности величин первого и второго давлений к величине второго от степени износа. На неработающем двигателе при чистых фильтрах определяют отношение разности величин первого и второго давлений к величине второго давления и сравнивают величину этого отношения с эталонной зависимостью от степени износа подшипников. Причем рост этого отношения соответствует росту степени износа.
Однако этот способ, несмотря на всю свою простоту, не позволяет определить износ конкретного шатунного подшипника, т.е. выполнить селекцию сигнала от износа соответствующего шатунного подшипника. А увеличение отношения величин давлений возможно от износа любого из коренных или шатунных подшипников, а также прочих элементов, смазываемых в ДВС.
Анализ известных способов показывает целесообразность поиска способа оценки технического состояния шатунных подшипников ДВС с сохранением преимуществ ранее существующих способов и возможностью определения технического состояния любого шатунного подшипника ДВС, не зависимо от его месторасположения в масляном тракте.
Целью изобретения является определение степени износа любого шатунного подшипника ДВС, не зависимо от месторасположения его в масляном тракте, и повышение точности оценки технического состояния двигателя.
Эта цель достигается тем, что в предлагаемом способе безразборной диагностики степени износа подшипников ДВС измеряют в центральной масляной магистрали на участке от фильтра до подшипников коленвала амплитуду пульсаций величины давления. В отличие от прототипа измерение амплитуды пульсаций величины давления производят для восьми значений оборотов двигателя. Строят зависимость амплитуды пульсаций величины давления от оборотов двигателя. Находят по зависимости точку начала нелинейности роста амплитуды давления и обороты, соответствующие этой точке. Сравнивают найденное числовое значение точки начала нелинейности роста амплитуды давления и оборотов, соответствующих этой точке с эталонной зависимостью, определенной для нового двигателя. По сравнению определяют степень износа любого из диагностируемых шатунных подшипников.
На фиг.1 представлена функциональная схема системы смазки двигателя;
на фиг.2 представлена схема подвода масла к шатунным подшипникам на этапе, соответствующем диапазону работы двигателя с минимальной частотой вращения коленчатого вала;
на фиг.3 представлена схема подвода масла к шатунным подшипникам на этапе, соответствующем диапазону работы двигателя при появлении динамического запирания;
на фиг.4 представлена осциллограмма давления в центральной масляной магистрали;
на фиг.5 представлена осциллограмма давления в центральной масляной магистрали двигателя ЗМЗ-406;
на фиг.6 представлена зависимость амплитуды пульсаций величины давления от оборотов двигателя для первой шатунной шейки;
на фиг.7 представлена зависимости амплитуды давления от оборотов двигателя при различных зазорах в коренной и шатунной шейках.
Нагнетательный насос 1 забирает масло из маслосборника 2 и через фильтр 3 направляет его к подшипникам двигателя 4, откуда оно стекает в маслосборник. Тензометрический датчик давления ИПД2-0,6 и измерительный комплекс MIC-400, обозначенные на фиг.1 позицией 5, осуществляют измерение амплитуды пульсаций величины давления в центральной масляной магистрали двигателя в виде осциллограммы пульсаций давления, на участке от фильтра до подшипников коленвала при работе диагностируемых шатунных подшипников.
В процессе работы шатунной шейки можно выделить три этапа ее работы: 1 - этап, соответствующий диапазону оборотов двигателя от n=880 об/мин до 1500 об/мин; 2 - этап при n=1500-1900 об/мин; 3 - этап при n>1900 об/мин.
К
Ш
Обозначенные три этапа в процессе работы шатунной шейке поясняются на схеме подвода масла к шатунным подшипникам, фиг.2, 3. На схеме подвода масла к шатунным подшипникам имеются следующие обозначения: r - радиус коренной шейки; r - радиус шатунной шейки; 6 - кольцевая канавка; 7 - канал в коренной шейке; 8 - вход в канал подвода к шатунной шейке; 9 - наклонный канал подвода; 10 - шатунная полость.
Масло подается последовательно от масляного насоса к кольцевой канавке 6, из кольцевой канавки 6 к каналу в коренной шейке 7, из канала в коренной шейке 7 на вход в канал подвода к шатунной шейке 8, из входа в канал подвода к шатунной шейке 8 в наклонный канал подвода 9, из наклонного канала подвода 9 в шатунную полость 10 и далее через зазор в шатунной шейке в маслосборник двигателя.
1
1
При работе шатунной шейки на первом этапе с минимальной частотой вращения коленчатого вала (n=880 об/мин до 1500 об/мин), фиг.2, центробежные силы, действующие на поток масла в наклонном канале подвода 9, пренебрежимо малы. При этом количество масла, подаваемого в наклонный канал подвода 9 шатунной шейки, зависит от давления, создаваемого масляным насосом P, а также зазора в коренной шейке. Если зазор в коренной шейке имеет допустимое значение, то давления развиваемого масляным насосом P и сообщаемого потоку масла, достаточно для постоянной подачи к шатунным шейкам. Предельный зазор для коренного подшипника уже на этом режиме создает неблагоприятные условия для смазки шатунного подшипника: большая часть масла уходит в возросший зазор в коренной шейке.
2
К
3
Ш
2
3
2
3
1
3
На втором этапе в процессе увеличения оборотов коленчатого вала от 1500 об/мин до 1900 об/мин существенное значение приобретает действие центробежных сил на движущийся поток масла в шатунной шейке. С одной стороны в точках 7 и 8 (канал в коренной шейке и вход в канал подвода к шатунной шейке) возникает центробежная сила P фиг.3, действующая на подводимое масло вдоль радиуса r и направленная от центра коренной шейки, стремящаяся привести к динамическому запиранию поступающего масла в точке 7 (канал в коренной шейке). С другой стороны в точке 9 (наклонный канал подвода) поток масла ускоряется под действием инерционной силы Р, направленной к точке 10 (шатунной полости) по радиусу r. Противоположное действие этих инерционных сил Р и Р стремится разорвать сплошность потока масла в наклонном канале подвода 9 шатунной шейки. В связи с этим на первом этапе (n=880 об/мин до 1500 об/мин) наблюдается линейный рост амплитуды давления в главной масляной магистрали. На втором этапе (n=1500 до 1900 об/мин) появляется условие динамического запирания под действием инерционной силы Р. А также появляется противоположно действующая сила инерции Р, стремящаяся оттеснить поток масла к шатунной полости 10. Суммарное действие этих инерционных сил приводит к нарушению линейности роста величины давления в масляной магистрали. При наблюдении изменения амплитуды давления масла в главной масляной магистрали с ростом оборотов двигателя более 1500 об/мин до 1900 об/мин наблюдался момент, соответствующий максимальному снижению величины давления (точка наибольшего провала давления или точка наибольшего отклонения линейности роста давления). С дальнейшим ростом оборотов двигателя более 1900 об/мин на третьем этапе возрастало давление в масляной магистрали P из-за увеличения подачи масла масляным насосом и способствовало увеличению подачи масла в наклонный канал подвода 9. Теперь с увеличением подачи масла в наклонный канал подвода 9 центробежная сила Р, действующая на поток масла росла, но относительные утечки в зазор шатунной шейки ограничивались сечением самого зазора в шатунной шейке. В результате наклонный канал заполнялся маслом и наблюдался линейный рост амплитуды давления масла (разрыва сплошности потока не возникало).
Таким образом, тензометрическим датчиком давления ИПД2-0,6 и измерительным комплексом MIC-400 измеряют амплитуду пульсаций, величины давления в виде осциллограммы давления в центральной масляной магистрали, фиг.4.
2
1
2
3
2
1
2
3
1
2
3
На осциллограмме давления в центральной масляной магистрали фиг.4 представлены: I - канал (1-V) - осциллограмма пульсаций давления Р, кгс/см в центральной масляной магистрали в зависимости от времени t, мс; II - канал (3 V) - осциллограмма импульсов на открытие форсунки U, В (напряжение в вольтах) с электронного блока управления в зависимости от времени t, мс; A, А, А - амплитуды пульсаций давления, соответствующие моментам от действия сил сгорания, кгс/см; a, а, а - продолжительность времени впрыска форсункой, мс; в, в, в - продолжительность времени до такта сгорания, мс; 11, 12, 13 - моменты изменения давления от действия сил сгорания.
Осциллограмма давления в центральной масляной магистрали на фиг.4 получена при условиях: обороты двигателя n=880 об/мин, температура масла 90°С.
1
По осциллограмме давления в центральной масляной магистрали на фиг.4 измеряют амплитуду пульсаций величины давления A.
1
1
Далее измеряют осциллограммы давления в центральной масляной магистрали для восьми значений оборотов двигателя: 880, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 2500 об/мин для одной шатунной шейки. По ним измеряют амплитуды пульсаций величины давления A для 1300 об/мин… A, для 2500 об/мин для одной шатунной шейки.
Измеряют осциллограммы давления в центральной масляной магистрали для других шатунных шеек, также для восьми значений оборотов двигателя. На фиг.5 представлена осциллограмма давления в центральной масляной магистрали в соответствии с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 двигателя ЗМЗ-406, поясняющая схему для измерения амплитуд величин давлений всех четырех шатунных шеек двигателя.
На осциллограмме давления в центральной масляной магистрали в соответствии с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 двигателя ЗМЗ-406, фиг.5, можно видеть значения амплитуд пульсаций величины давления для всех четырех шатунных шеек по порядку работы цилиндров двигателя 1-3-4-2. Все обозначения на фиг.5 аналогичны фиг.4. Осциллограмма давления в центральной масляной магистрали на фиг.5 получена при условиях: обороты двигателя n=880 об/мин, температура масла 90°С.
1
2
Далее строят зависимость амплитуды пульсаций величины давления A, кгс/см, от оборотов двигателя n, об/мин фиг.6.
На фиг.6 приводится зависимость амплитуды пульсаций величины давления от оборотов двигателя для первой шатунной шейки. Зависимость получена при условиях: зазор в первой коренной шейке составляет 0,15 мм, зазор в первой шатунной шейке - 0,10 мм, температура масла 90°С.
Находят по зависимости, фиг.6, точку начала нелинейности роста амплитуды давления и обороты, соответствующие этой точке. На фиг.6 точка начала нелинейности наблюдается при оборотах двигателя n=1300 об/мин. Чем больше зазор в шатунной шейке, тем при меньших оборотах наблюдается точка начала нелинейности.
1
1
2
2
Для нового двигателя строят зависимость амплитуды пульсаций величины давления A, кгс/см, от оборотов двигателя n, об/мин, для восьми значений оборотов двигателя. Сравнивают найденное числовое значение точки начала нелинейности роста амплитуды давления и оборотов, соответствующих этой точке с эталонной зависимостью, определенной для нового двигателя. На фиг.7 приведены две зависимости амплитуды давления A, кгс/см, от оборотов двигателя n, об/мин: 14 - для зазора в коренной шейке - 0,09 мм и зазора в шатунной шейке - 0,03 мм; 15 - для зазора в коренной шейке - 0,15 мм и зазора в шатунной шейке - 0,10 мм. При сравнении двух зависимостей видно, что точка начала нелинейности роста амплитуды давления для первой зависимости соответствует 1700 об/мин и для второй зависимости - 1300 об/мин. Причем точка начала нелинейности роста амплитуды давления для второй зависимости сдвинулась в сторону меньших оборотов коленчатого вала двигателя (на 400 об/мин).
По сравнению измеренной и эталонной зависимостей определяют степень износа любого из диагностируемых шатунных подшипников.
Следовательно, определяя степень износа любого шатунного подшипника, производят точную оценку остаточного ресурса двигателя.
Технический результат заключается в повышении точности оценки технического состояния отдельных шатунных подшипников двигателя внутреннего сгорания.
Использование предлагаемого способа оценки технического состояния ДВС позволяет грамотно и своевременно определять неисправности шатунных подшипников кривошипно-шатунного механизма, а также прогнозировать время безаварийной работы двигателя.