СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА УСТАЛОСТЬ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА НА ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF TESTING FOR FATIGUE OF CRANKSHAFT SLEEVE BEARINGS ON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в автомобильной, авиационной, тракторной промышленности и др.
Известен способ испытания на усталость полувкладышей из металлического многослойного подшипникового материала (см. ГОСТ ИСО 7905-4-99 «Подшипники скольжения. Усталость подшипников скольжения»).
По результатам испытаний по указанному способу производится предварительный выбор материалов или оценивается влияние отдельных химических элементов и структуры сплавов на выносливость при различных нагрузках. Недостатком таких испытаний является то, что нет возможности учесть влияние на подшипниковые материалы целого ряда факторов: таких как условия трения, зазоры, скорость вращения, температура, смазка, характер нагружения и т.д.
Известны способы испытаний на усталость вкладышей коленчатого вала, которые имитируют условия их работы в двигателе внутреннего сгорания (см. А.Б. Курицын. Машины для ускоренных испытаний вкладышей коленчатого вала. Автомобильная промышленность. 1967 г., №7, стр. 19…21).
Недостатками таких способов испытаний являются малая степень изученности условий работы подшипников коленчатых валов в реальных двигателях внутреннего сгорания и трудности их имитации.
Известен способ испытания на усталость подшипников скольжения коленчатого вала на двигателе внутреннего сгорания, при котором двигатель работает на режиме максимальной мощности, а ширина рабочей поверхности подшипников уменьшена на 25-30% для дополнительного повышения в них удельных нагрузок. Продолжительность таких испытаний составляет 100-500 часов в зависимости от материала вкладышей (см. М.А. Григорьев, Н.Н. Понамарев, Е.П. Слабов. Ускоренные испытания автомобильных двигателей на надежность и долговечность, НИИНавтопром. Москва, 1971, стр. 48). Недостатками этого способа испытаний являются значительная продолжительность испытаний и нарушения из-за перегрузок гидродинамической смазки в подшипниках коленчатого вала. Последнее искажает результаты испытаний.
Целью изобретения является снижение продолжительности испытаний и повышение достоверности результатов.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ испытания подшипников скольжения коленчатого вала на двигателе внутреннего сгорания, при котором двигатель работает на режиме максимальной мощности, а ширина рабочей поверхности подшипников уменьшена на 25-30% (см. М.А. Григорьев, Н.Н. Понамарев, Е.П. Слабов. Ускоренные испытания автомобильных двигателей на надежность и долговечность. НИИНавтопром. Москва, 1971, стр. 48). Этот способ испытания выбран в качестве прототипа.
Поставленная цель достигается тем, что ширина рабочей поверхности подшипников коленчатого вала уменьшается на 70-85%, а в двигатель внутреннего сгорания подается от постороннего источника охлажденное до температуры 20°C штатное моторное масло, имеющее повышенную вязкость. Это позволяет уменьшить продолжительность испытаний до 50-200 часов и гарантировать достоверность результатов, т.к. при этом обеспечивается гидродинамическая смазка.
Конкретное выполнение предлагаемого способа испытания на усталость подшипников скольжения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания показано на примере двигателя ЯМЗ-238Ф со следующими характеристиками:
- эффективная (тормозная) мощность 320 л.с.;
-1
- номинальная частота вращения коленчатого вала 2100 мин;
2
- давление всасывания 1,8 кГс/см абсолютное;
2
- максимальное давление (при воспламенении) 111 кГс/см абсолютное;
2
- давление выхлопа 1,8 кГс/см абсолютное;
- диаметр цилиндров 130 мм;
- ход поршня 140 мм;
- степень сжатия 15,2;
- длина шатуна (по центрам) 265 мм;
- вес поступательно движущихся частей 5,743 кГ;
- вес вращающихся частей 2,640 кГ;
- число цилиндров 8;
- угол развала 90°;
- число коренных подшипников 5;
- число шатунных подшипников 8;
- порядок работы цилиндров 1-5-4-2-6-3-7-8;
- марка масла SAE30 (по спецификации США);
- температура масла в картере 105°C;
2
- давление масла на входе 4 кГс/см.
Шатунный подшипник
- расточка корпуса 92,99956-93,01988 мм;
- толщина вкладыша 2,4486-2,46126 мм;
- диаметр вала 87,98560-88,00084 мм;
- эффективная ширина 33,5915 мм;
- материал вкладышей F-77 (по спецификации фирмы Gould Inc США).
Коренной подшипник
- расточка корпуса 115,99926-116,02212 мм;
- толщина вкладыша 2,9388-2,9515 мм;
- диаметр вала 109,98454-109,99978 мм;
- эффективная ширина 39,3903 мм;
- материал вкладышей F-77 (по спецификации фирмы Gould Inc США).
В таблице приведены результаты гидродинамического расчета подшипников коленчатого вала следующих вариантов:
2
1. Ширина рабочей поверхности шатунных и коренных подшипников номинальная, температура масла на входе 105°C, давление масла на входе 4 кГс/см.
2
2. Ширина рабочей поверхности шатунных и коренных подшипников уменьшена на 30%, температура масла на входе 105°C, давление масла на входе 4 кГс/см.
2
3. Ширина рабочей поверхности шатунных подшипников уменьшена на 73,8%, температура масла на входе 20°C, давление масла на входе 40,1 кГс/см.
2
4. Ширина рабочей поверхности коренных подшипников уменьшена на 83,2%, температура масла на входе 20°C, давление масла на входе 39,5 кГс/см.
Из приведенных результатов расчета видно:
2
2
- в 1 варианте минимальная толщина масляной пленки для шатунных и коренных подшипников находится в допустимых пределах (по рекомендациям фирмы Gould Inc. США должна быть не менее 2,29 мкм), максимальное давление в масляном слое для шатунных и коренных подшипников находится в допустимых пределах (по рекомендациям фирмы Gould Inc. США должно быть не более 4218,6 кГс/см для шатунных подшипников, не более 2812,4 кГс/см для коренных подшипников).
- во 2 варианте (способ испытаний выбран в качестве прототипа) минимальная толщина масляной пленки для шатунных подшипников меньше рекомендуемой фирмой Gould Inc. США, что может привести к прерывистому контакту шейки вала с поверхностью вкладыша и нарушению гидродинамической смазки. Последнее искажает результаты испытаний.
Минимальная толщина масляной пленки для коренных подшипников находится в допустимых пределах, однако максимальное давление в масляном слое для 1-го и 5-го коренных подшипников незначительно превышает допустимый предел, а для 2-го, 3-го и 4-го коренных подшипников ниже допустимого предела. Последнее значительно увеличивает продолжительность испытаний.
- в 3 и 4 вариантах минимальная толщина масляной пленки значительно превышает рекомендуемую фирмой Gould Inc. США, что гарантирует гидродинамическую смазку в подшипниках. Максимальное давление в масляном слое значительно превышает рекомендуемое фирмой Gould Inc. США, что позволяет значительно сократить продолжительность испытаний.
В настоящее время на двигателях внутреннего сгорания находят все большее применение вкладыши подшипников коленчатого вала с покрытием PVD (Physical Vapour Deposition), которые имеют усталостную прочность в 2 раза выше усталостной прочности вкладышей из традиционного материала F77 по спецификации фирмы Gould Inc. США.
Предлагаемый способ испытания на усталостную прочность подшипников скольжения коленчатого вала позволяет и такие вкладыши доводить до усталостного разрушения с обеспечением гидродинамической смазки.
Заявленный способ поясняется схемой на фиг. 1 и чертежом на фиг. 2, где показаны позициями:
1 - подшипники верхних головок шатунов;
2 - шатунные подшипники;
3 - коренные подшипники;
4 - трубопровод подвода масла к двигателю внутреннего сгорания;
5 - подшипники распределительного вала;
6 - подшипники коромысел;
7 - подшипники толкателей;
8 - форсунки для масляного охлаждения поршней;
9 - подшипники турбокомпрессора;
10 - фильтр очистки масла;
11 - теплообменник;
12 - дроссель регулируемый;
13 - масляный поддон;
14 - указатель уровня масла;
15 - трубопровод отвода масла из двигателя внутреннего сгорания;
16 - фильтр-анализатор;
17 - электронасосный агрегат регулируемый;
18 - теплообменник;
19 - гидробак;
20 - трубопровод всасывания;
21 - электронасосный агрегат, регулируемый по давлению пружиной и дренажом;
22 - фильтр очистки масла;
23 - клапан предохранительный;
24 - термометр;
25 - часть схемы, относящаяся к двигателю внутреннего сгорания;
26 - указатель давления масла;
27 - расходомер;
28 - вкладыш шатунного подшипника коленчатого вала:
29 - стальное основание вкладыша;
30 - антифрикционный слой вкладыша;
31 - рабочий слой вкладыша;
Пример конкретного выполнения предлагаемого способа испытания на усталость подшипников скольжения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания показан на фиг. 1 и на фиг. 2.
Охлажденное масло электронасосным агрегатом 21 подается в двигатель внутреннего сгорания трубопроводом 4. Масло очищается в фильтре 22. Для исключения масляного голодания параллельно фильтру установлен предохранительный клапан 23. На входе в двигатель контролируется давление масла указателем 26, температура масла термометром 24 и расход масла расходомером 27. На подводе масла к турбокомпрессору посредством регулируемого дросселя 12 устанавливается штатное давление масла, а посредством теплообменника 11 штатная температура масла. Фильтром 10 масло подвергается дополнительной очистке. От потребителей масло поступает в масляный поддон 13, в котором оптимальный уровень масла контролируется с помощью указателя 14. Из масляного поддона масло через трубопровод 15 сливается из двигателя и регулируемым электронасосным агрегатом 17 подается в гидробак 19, при этом масло очищается в фильтре 16 и охлаждается в теплообменнике 18.
2
2
На основании гидродинамического расчета подшипников коленчатого вала двигателя ЯМЗ-238Ф для проведения ускоренных испытаний выбрано уменьшение ширины рабочей поверхности шатунных вкладышей на 73,8%, коренных вкладышей на 83,2%. Обеспечение гидродинамической смазки в подшипниках коленчатого вала достигается за счет температуры масла на входе в подшипники 20°C, давления масла на входе в шатунный подшипник 40,1 кГс/см, давления масла на входе в коренные подшипники 39,5 кГс/см. Требуемая температура масла обеспечивается теплообменником 18, требуемое давление масла обеспечивается электромашинным агрегатом 21. В процессе проведения испытаний температура масла контролируется термометром 24, давление масла указателем 26, расход масла расходомером 27. Наличие гидродинамической смазки контролируется замером температуры задней поверхности вкладышей термопарами, замером электрического сопротивления масляной пленки подшипников, контролем внешнего вида рабочей поверхности вкладыша после разборки двигателя и др.
2
Параметры теплообменника 18, электромашинных агрегатов 17 и 21, фильтров 22 и 16, предохранительного клапана 23 и гидробака 19 выбираются с учетом расхода масла через двигатель 170 л/мин и количества теплоты, передаваемой в масло, 600 ккал/мин. Параметры регулируемого дросселя 12, теплообменника 11 и фильтра 10 выбираются с учетом давления масла 4-5 кГс/см на входе в подшипники турбокомпрессора 9, температуры масла 75-105°C, расхода масла через подшипники турбокомпрессора 2 л/мин.
При испытаниях двигатель работает на режиме максимальной мощности до усталостного разрушения подшипников скольжения коленчатого вала. Начало усталостного разрушения определяется посредством фильтра-анализатора 16. В качестве базы для оценки усталостной прочности выбирается продолжительность работы до усталостного разрушения подшипников скольжения коленчатого вала серийного производства.