Исследование параметров шероховатости поверхностей шеек коленчатых валов, связанных со свойствами неровностей поверхности в направлении длины профиля

УДК 621.891.2 Доктор техн. наук В .Я. СКОВОРОДИН

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ, СВЯЗАННЫХ СО СВОЙСТВАМИ НЕРОВНОСТЕЙ ПОВЕРХНОСТИ В НАПРАВЛЕНИИ ДЛИНЫ ПРОФИЛЯ

Двигатель, коленчатый вал, шероховатость, профиль, приработка

Исследования процессов изнашивания рабочих поверхностей трущихся деталей показывают, что в процессе приработки происходит переход характеристик качества поверхности от исходного состояния после окончательной технологической обработки к эксплуатационной шероховатости. Для выбора технологии необходимо иметь оценки параметров эксплуатационной шероховатости, которую часто называют равновесной. В большинстве выполненных исследований процессов приработки сопряжений оценивались высотные параметры профиля поверхностей. Однако в процессе приработки кроме высотных параметров изменяются и параметры шероховатости, связанные со свойствами неровностей в направлении длины профиля[2]. Кроме того, в литературе отсутствуют данные о влиянии типа двигателя на эти параметры.

Для оценки параметров равновесной шероховатости поверхности шеек коленчатых валов были проведены исследования шероховатости поверхности шеек валов двигателей разных марок. Характеристика исследованных двигателей и методика исследований приведены в первой части настоящей статьи.

ГОСТ 25142-82 регламентирует несколько параметров шероховатости, связанных со свойствами неровностей в направлении дайны профиля. В первую группу можно включить:

-шаг неровностей профиля - отрезок средней линии профиля, содержащей неровность; -шаг местных выступов профиля - отрезок средней линии между проекциями на неё наивысших точек соседних местных выступов профиля;

-плотность выступов профиля - число выступов профиля на единицу даины[1]. Особенностью оценки этих параметров является то, что они определяются относительно средней линии.

Более точная оценка может быть проведена по параметрам, установленным стандартом ISO 4287-1997.

По этому стандарту параметры оцениваются на различной глубине профиля (рис. 1.). Участок, выступающий вверх над заданным уровнем счёта, определяется как пик профиля. Участок, выступающий вниз под заданным уровнем профиля, определяется как впадина профиля. Шириной элемента профиля является длина х-сегмента, пересекающегося с пиком профиля и соседней впадиной профиля. Средняя ширина элементов профиля (Rsm) - это среднее значение величин ширины профиля в пределах базовой длины. Наиболее распространённой оценкой является средняя ширина профиля на уровне 10%(рис.1) [4].

На рис. 2 показаны распределения ширины элементов профиля шлифованной поверхности шеек коленчатого вала и равновесной шероховатости поверхности шеек бензинового 6G74 и дизельного AAT-W двигателей.

[тт]

Рнс. 1. Схема оценки ширины элементов профиля на разной глубине профиля

ь 0,29

22 39 56 73 90 107 Эт мкм

27 58 89 120 151 182 Бт мкм

20 50 80 110 140 170 Бт мкм

Рис. 2. Распределения ширины элементов профиля

Исследование функций распределений ширины профиля показало, что наиболее подходящим теоретическим распределением является распределение экстремальных значений с функцией

/уо \ 1 Ъ -е ь распределения плотности вероятности вида: / (Ьт) = хе ,

о

где О - параметр положения, Ь - параметр масштаба.

Параметры теоретических распределений для разных двигателей приведены в табл. 2.

85 80 75 70 1 65 60 <л 55 50 45 40

35

1

Т

I

I

I

I

I

т

т

т

I

I

11

I

Среднее [] Среднее+-станд.ошибка I Среднее+- ст. отклонение

о

со со > >

со Ь О <

О

N

< <

Ш

О

со <

О

СО

•=чГ

о

О со

е

с; 3

Рис. 3. Ширина элементов профиля (на уровне 10%) поверхности шеек коленчатых валов разных марок двигателей

Сравнение средних величин и параметров рассеивания ширины профиля разных двигателей показано на рис. 3. Из графика видно, что ширина профиля поверхности вала после шлифования по отношению к ширине профиля поверхностей шеек с установившейся эксплуатационной шероховатостью для всех марок двигателей существенно меньше. Анализируя рассеивание данных

при сравнении различных марок двигателей, можно сделать вывод, что они отличаются незначительно.

Статистическая оценка расхождения средних значений, приведённая в табл. 1, показала, что при уровне значимости 0,05 расхождение не значимо.

Это позволяет объединить данные по всем маркам двигателей в один массив и получить обобщённую статистическую оценку параметра Эш для эксплуатационной шероховатости шеек коленчатых валов.

Таблица1. Статистический анализ рассеивания ширины элементов профиля поверхности

шеек коленчатого вала двигателей

Модель двигателя Среднее значение, МКМ Значимость средних Анализ дисперсий

t - критерий р - уровень F - критерий t - критерий р - уровень

ОМ 601 69,25 0,00 1,000 1,00 1,000 1,000

Z18XE 60,21 1,59 0,119 1,59 0,273 0,273

AAT-W 65,52 0,73 0,467 1,18 0,693 0,693

LRTDV6 63,27 1,20 0,236 1,19 0,677 0,677

AVB 59,68 1,63 0,108 2,01 0,086 0,086

GA16DE 70,93 0,30 0,768 1,67 0,216 0,216

D4BH 59,67 1,93 0,060 1,09 0,846 0,846

6G74 70,60 0,26 0,794 1,31 0,506 0,506

Вал после шлифования 44,84 6,40 0,000 1,46 0,267 0,267

Важными параметрами качества поверхности являются среднее расстояние между местными пиками профиля (Иб) и число пиков (11рс) на единицу длины. По значениям этих параметров определяется число и расстояние между пятнами фактического контакта трущихся поверхностей. На пятнах фактического контакта происходят элементарные акты взаимодействия поверхностей, приводящие к возникновению трения и износа. От среднего расстояния между пятнами фактического контакта зависит частота их взаимодействия. Поскольку при контакте трущихся поверхностей, подвергнутых нагрузке, происходит деформация выступов, необходимо оценивать параметры на разной глубине выступов. Наиболее распространённой оценкой являются показатели на уровне 10%[3].

0,56

0,48

0,40

Р 0,32

о &

го 0,24

0,16

0,08

0,00

12,0

13,2

14,4 15,6 RS МКМ

16,8

18,0

15,0

19,6

24,2 28,8 RS МКМ

33,4

38,0

Рис. 4. Распределение величин среднего расстояния между местными пиками профиля (Дэ) для шлифованной поверхности шеек коленчатого вала и равновесной поверхности

шеек вала двигателя 6074

Расстояние между местными пиками профиля (Rs) и стандартом ISO 4287-1997 определяется как среднее арифметическое значение расстояний между пиками (выступами) по всей длине оценки (рис.1)[4]. Местные пики - высочайшая точка выпуклого участка оценочного профиля, имеющего по обеим сторонам вогнутости. Тем не менее, если расстояние между соседними выпуклостями меньше 1% базовой длины или если глубина вогнутостей меньше 10% максимальной высоты выступов, выпуклый участок не рассматривается в качестве местного пика.

На рис. 4. показаны распределения величин среднего расстояния между местными пиками профиля (Rs) для шлифованной поверхности шеек коленчатого вала и равновесной поверхности шеек вала двигателя 6G74. Для равновесной шероховатости расстояние между местными пиками значительно больше, чем для шлифованной поверхности. В качестве теоретического распределения наиболее подходящим является экспоненциальное распределение.

На рис. 5 показана диаграмма размаха величин среднего расстояния между местными пиками профиля равновесной шероховатости поверхности шеек коленчатых валов двигателей разных марок.

>4

сС

*

CD

£ 5

* 1 СС 2:

О

& 1 О 2

2. ! CD с (D X

се

CD Q.

О

30 28 26 24 22 20 18 16 14 12

1 г ..............л  г............... Р Т 1

1

гЗ с

L _г ц

J 1_[ ц г rt h

J 4 г

................ ................ .............. чР »

ОМ 601 ААТЛЛ/ АУВ 04ВН Шлиф

218ХЕ ТОУб 0А160Е 6074

Марка двигателя

Рис.5. Рассеивание величин среднего значения стандартной ошибки (), стандартного отклонения (у) расстояния между местными пиками профиля поверхности шеек коленчатых валов двигателей разных марок

го н о h-о го =г

0,44 0,37 0,30 0,22 0,15 0,07 0,00

г

/ \

V

35 55 75 95 115 Ч/юло пиков

135

го н о h-о го =г

110 170 230 290 350 Число пиков

410

Рис. 6. Распределения числа пиков на 1см длины профиля (Дрс) на уровне 10% для шлифованной поверхности шеек коленчатого вала и равновесной поверхности шеек вала двигателя Е71

Для всех марок двигателей величина расстояния между пиками значительно больше, чем для шлифованной поверхности. В то же время рассеивание между отдельными двигателями больше, чем рассеивание ширины элементов профиля.

На рис. б показаны распределения числа пиков на 1см длины профиля (Ире) на уровне 10% для шлифованной поверхности шеек коленчатого вала и равновесной поверхности шеек вала двигателя Е71 В качестве теоретического распределения наиболее подходящим является нормальное распределение.

На рис. 7 показана диаграмма размаха числа пиков на 1см длины профиля для разных марок двигателей. Для равновесной шероховатости число пиков значительно меньше, чем для шлифованной поверхности. Такое соотношение наблюдается и для всех других марок двигателей.

280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80

Сренее П Среднее +- ст. ошибка "Т Средне кв. отклонение

ш

><

О

< <

> О

со

>

<

ш о

< о

X со

О

•в-

Марка двигателя Рис.7. Диаграмма размаха числа пиков на 1см длины профиля

Статистическая проверка значимости различия средних значений показала, что все данные соответствуют одной генеральной совокупности с нормальным распределением.

Таблица 2. Параметры теоретических распределений параметров шероховатости шеек коленчатых

валов для разных марок двигателей

Модель двигателя Параметры теоретических распределений

Бш

в Ъ X <7 Л

ОМ 601 60,5 16,7 120 40 0,014

г18ХЕ 58,6 17,1 140 38 0,017

ААТ-Ш 56,5 18,3 135 38 0,015

ЬЯ ТБУб 53,9 17,7 150 37 0,016

АУВ 54,1 20,1 140 37 0,017

ОА16БЕ 60,7 18,3 127 40 0,016

Б4ВН 51,4 18,7 137 39 0,017

6074 61,2 17,8 130 39 0,014

Вал после шлифования 37,8 13,4 252 70 0.72

Параметры теоретических распределений числа пиков на 1см длины профиля для разных марок двигателей приведены в табл.2. Во вторую группу показателей можно отнести:

- угол наклона боковых сторон неровностей профиля к средней линии;

- относительную длину растянутого профиля - длину, получающуюся, если все выступы и впадины профиля в пределах базовой длины вытянуть в прямую линию, отнесённую к базовой длине [1].

Теоретические модели интенсивности изнашивания трущихся поверхностей в качестве одного из параметров включают угол наклона боковых сторон неровностей профиля к средней линии. Средний арифметический наклон профиля - тангенс угла наклона в любой точке профиля, определяется в пределах базовой длины.

0,00

0,050 0,064 0,078 0,092 0,106 0,120

Средний наклон профиля

Рис. 8. Распределение среднего наклона неровностей поверхности шеек вала двигателя D4BH

0,22

0,20

м 0.18 (С

% 0,16

1 0,14 га

5 0.12

о 0,10

ф

fe 0,08 га

Н 0,06 0,04 0,02

0 Среднее

-ОСрейнее-+-ет-.-оши6кв-—....... ...............1Щ.

X Среднее +- .средне. квадр..ошл .он_еше.

ОМ 601 RR VW D4BH Шлиф. Z18XE Renault Nissan 6G74

Марка двигателя

Рис. 9. Диаграмма размаха величины тангенса угла наклона элементов профиля разных марок двигателей

Таблица 3. Параметры теоретических распределений параметров шероховатости шеек коленчатых

валов для разных марок двигателей

Средний наклон элементов профиля Длина развёрнутого профиля

Модель Параметры экстремального Параметры нормального

двигателя Среднее распределения распределения

значение Ъ Lo <7

ОМ 601 0,11 0,069 0,018 0,812 0,008

Z18XE ОД 1 0,072 0,019 0,811 0,004

AAT-W 0,12 0,081 0,024 0,811 0,009

LR TDV6 0,09 0,099 0,025 0,808 0,005

AVB 0,08 0,068 0,022 0,808 0,005

GA16DE 0,07 0,058 0,017 0,804 0,004

D4BH 0,07 0,063 0,014 0,806 0,005

6G74 0,08 0,053 0,014 0,805 0,004

Вал после шлиф. 0,18 0,168 0,024 0,821 0,006

На рис. 8 показано распределение среднего наклона неровностей равновесной шероховатости поверхности шеек коленчатого вала двигателя Б4ВН. В качестве теоретического распределения может быть принято экстремальное распределение. Параметры распределений для валов разных марок двигателей приведены в табл.3.

На рис. 9 показана диаграмма размаха величин тангенса угла наклона элементов профиля равновесной шероховатости поверхности шеек коленчатых валов разных марок двигателей. Для

равновесной шероховатости наклон боковых поверхностей выступов значительно меньше, чем для шлифованной поверхности.

Для равновесной шероховатости количество выступов меньше, расстояние между ними больше, а наклон меньше, чем для шлифованной поверхности. Об этом свидетельствует и параметр длины растянутого профиля (ГОСТ 25142 - 82).

0.40

0.33 0.27

_о

н 0.20

0.13 0.07 0.00

0,798 0]301 0,804 007 0,810 013 Длина развёрнутого профиля мм

Рис. 10. Распределение длины растянутого профиля поверхности шеек двигателя ОА16ЭЕ

На рис. 10 показано распределение относительной длины растянутого профиля равновесной шероховатости шеек коленчатого вала двигателя ОА16БЕ. Как видно из рис.10, распределение можно принять нормальным. Статистическая проверка гипотезы о различии средних значений показала, что при уровне значимости 0,05 они принадлежат одной нормально распределённой генеральной совокупности. Параметры распределений длины растянутого профиля поверхности шеек валов разных двигателей приведены в табл. 3.

В табл. 4 приведена обобщающая характеристика параметров шероховатости, определяемых по длине профиля.

Таблица 4. Показатели шероховатости шеек коленчатых валов двигателей

внутреннего сгорания

Параметры шероховатости Шлифованная поверхность Равновесная шероховатость

Среднее значение Среднее кв. откл. Станд. ошибка Среднее значение Среднее кв. откл. Станд. ошибка

Средняя ширина элементов профиля, мкм 44,8 14,3 2,02 63,7 19,7 1,32

Среднее расстояние между местными пиками, мкм 13,8 1,3 0,182 20,4 7,3 0,49

Число пиков на длине 1 см 252 70 9 134 41 2,7

Средний арифметический наклон выступов 0,182 0,028 0,0038 0,089 0,033 0,0023

Длина развёрнутого профиля 0,821 0,006 0,0012 0,809 0,007 0,0006

Значения приведённых параметров являются базовыми характеристиками при выборе технологических процессов финишной обработки шеек коленчатых валов.

Литература

1. ГОСТ 25142-82. Шероховатость поверхности. — Введ. 01.01.1983. — М.: Изд-во стандартов, 1982. — 20 с.

2. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчёта на трение и износ. - М.:

Машиностроение, 1977. - 526 с.

3. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн. /Под ред. И В. Крагельского, В.В. Алисина - М.;

Машиностроение, 1978. Кн.1 400с.

4. ISO 4287:1997 Geometrical Product Specifications (GPS) - Surface texture: Profile method - Terms, definitions

and surface texture parameters.

УДК 631.531.17-52:633(470.31) Доктор техн. наук В.Н. БРОВЦИН

Математическая модель, параметрическая идентификация

Наиболее часто используемые методы идентификации параметров моделей сельскохозяйственных процессов пригодны, как правило, для линейных по параметрам математических описаний, распределенных по нормальному закону возмущающих воздействий (или имеющих специальный вид, например, единичный скачок), что, в свою очередь, требует специальную организацию экспериментов. Тем не менее для сельского хозяйства характерны существенно нелинейные процессы, экспериментальное исследование которых по существующим методикам организовать сложно, а часто и невозможно, в связи с чем целесообразно использовать метод, свободный от отмеченных ограничений, - вариационный метод решения экстремальных задач. Метод позволяет провести идентификацию параметров моделей или модельных коэффициентов при любом, удобном для исследователя, наборе экспериментальных данных [1]. Программная реализация метода представлена в приложении Simulink Parameter Estimation ППП MATLAB.

Пример: Идентификация параметров пахотного агрегата по каналу управления положением линии тяги (рис. 1).

По данным экспериментальных исследований построен график зависимости тягового сопротивления ( Рт ) и усилия (i?6x) на бороздном колесе (реакции по направлению движения) от смещения линии тяги на супесчаной почве [2], представленный на рис. 2.

Канд. техн. наук В.Е. КОЛПАКОВ (V al-kolpakov@mail.ra Аспирант Р.В. ШКОРЛАКОВ

ВДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МОБИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ ПОСРЕДСТВОМ ПРИЛОЖЕНИЯ SIMULINK ПАКЕТА MATLAB

X

Рис. 1. схема плуга: е - смещение лиши тяги, см; Рт - тяговое сопротивление, кН; Ябх — усилие на бороздном колесе вдоль линии тяги, кН