СПОСОБ БЕЗРАЗБОРНОГО КОНТРОЛЯ ПРЕДОТКАЗНОГО СОСТОЯНИЯ ШАТУННЫХ ПОДШИПНИКОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD FOR IN-PLACE MONITORING OF THE PRE-FAILURE CONDITION OF CONNECTING ROD BEARINGS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Уровень развития техники в способах безразборного контроля определяется известными методами оценки гидравлических параметров подводящего потока масла к нему и степени его износа, основанными на измерении давления масла в различных частях системы смазки ДВС.
В аналоге (авт. св. 1134897 (кл. G01M 15/00) [1]) оценка степени износа подшипников ДВС основана на измерении характеристик давления в главной масляной магистрали. Данный способ предусматривает подключение к ДВС гидроаккумулятора с дроссельным устройством и определение интенсивности падения в нем давления по двум манометрам на определенных режимах. Недостатком этого способа является необходимость установки сложных по конструкции устройств гидроаккумулятора.
Также известен способ (патент 2006811 (кл. G01M 15/00) [2]) измерения значения давления в главной масляной магистрали ДВС и сравнения полученных значений давления с эталонными, определенными для нового двигателя. Недостатком этого способа является зависимость результатов диагностирования от многих факторов состояния элементов системы смазки ДВС. Кроме того, способ требует большого опыта оператора-диагноста.
В прототипе (патент 2560972 (кл. G01M 15/00 (2006.01)) [3]) для безразборной оценки степени износа подшипников используют результаты измерения давления масла по оси коленчатого вала при работе ДВС без нагрузки.
Способ заключается в том, что давление масла измеряют в масляной магистрали на участке канала, расположенном между коренным и шатунным подшипниками по оси коленчатого вала, при работе ДВС без нагрузки, и по величине измеренного давления судят о допустимой степени износа подшипников ДВС.
Измерения производятся за счет создания контрольного вывода путем подключения переходной вращающейся муфты к каналу коленчатого вала по его оси в точке входа в канал подвода к шатунной шейке. При проведении диагностирования на выходе муфты в невращающейся части устанавливается любой измеритель низкого давления, например манометр или датчик для получения и передачи сигнала.
По наличию и величине давления определяют интегральную степень износа диагностируемых подшипников ДВС, а при отсутствии масла и давления, судят о наступлении предельного состояния.
Недостатком этого способа является необходимость сложной доработки ДВС и возможность проведения измерений только при работе двигателя без нагрузки на стоящем автомобиле, невозможность при бортовом диагностировании систематического накапливания информации по условиям смазки шатунных подшипников и времени достижения их предельного состояния.
Анализ уровня развития техники показывает целесообразность поиска способа оценки технического состояния подшипников ДВС с сохранением преимуществ ранее существующих способов и обеспечением возможностей определения более глубоких связей структурного параметра с диагностическим.
Целью изобретения является обнаружение в режиме реального времени предотказного состояния шатунных подшипников без его разбора по гидравлическим параметрам подводящего потока масла к ним с учетом. Эта цель достигается тем, что в предлагаемом способе измеряют давление масла на всех режимах работы ДВС в непосредственной близости к поверхности коренной шейки, на основе известных параметров (удельного веса масла, радиуса коренной шейки и угловой скорости или частоты вращения коленчатого вала) производится вычисление потери давления масла, подводимого к шатунным подшипникам от действия центробежных сил на участке от поверхности коренной шейки до оси коленчатого вала, и по величине суммы измеренного и вычисленного давлений определяется режим подвода масла к шатунным подшипникам в виде: отсутствие подвода масла (меньше нуля), разорванный поток (равно нулю), неразрывный поток (больше нуля).
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В ходе анализа было установлено, что в процессе эксплуатации ДВС шейки коленчатого вала и вкладыши изменяют геометрическую форму и, соответственно, зазоры, что ухудшает условия смазки и повышает вероятность появления отказов.
Надежная работа подшипников коленчатого вала достигается различными факторами, в том числе, организацией подачи масла к ним. Наиболее удаленными от масляного насоса являются шатунные подшипники. Масло проходит к ним через коренные подшипники и каналы вращающегося коленчатого вала.
Таким образом, давление на входе в шатунные подшипники отличается от давления, создаваемого масляным насосом и подаваемого к кольцевым канавкам в коренных подшипников, на величину потери давления при переходе из кольцевого неподвижного канала коренного подшипника в канал вращающегося коленчатого вала и шатунный подшипник.
По способам обеспечения гидродинамических условий смазки шатунных подшипников (фиг.1) и их безотказности, определяющим является наличие масла и величина давления внутри каналов по оси коленчатого вала.
Несбалансированность в подводе и расходе масла возникает за счет центробежной силы, возникающей при вращении коленчатого вала. На выходе в шатунный подшипник создается увеличение давления в канале подвода (4) и центробежной полости шатунной шейки (5). Вследствие чего необходимо наличие достаточного количества подводимого масла и давления масла в каналах в месте их перегиба на оси коленчатого вала (3). В свою очередь, масло до точки (3) дойдет при наличии достаточного давления в кольцевом канале (1) коренного подшипника, питающего маслом канал (2) в коренной шейке.
При отсутствии достаточного давления масла в точке на оси коленчатого вала (3) может наступить ситуация, при которой центробежная полость шатунной шейки (5) в коленчатом валу может быть либо не заполнена, либо заполнена частично. Данное обстоятельство приводит к снижению расхода или появлению пульсации расхода масла через шатунный подшипник и, как следствие, к возможному разрыву потока масла, подводимого к шатунному подшипнику. В этих условиях значительно интенсифицируются процессы изнашивания трущихся поверхностей, ухудшается отвод тепла от шатунных подшипников, что изменяет напряженно-деформированное состояние шатунных вкладышей и приводит к их проворачиванию.
Оценка предотказного состояния таким образом сводится к определению режима подвода масла к шатунным подшипникам путем определения величины давления в каналах по оси коленчатого вала суммированием давления, подводимого к поверхности коренных подшипников коленчатого вала в режиме реального времени, и величины потерь давления в каналах вращающегося коленчатого вала от поверхности коренной шейки до оси коленчатого вала.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.2 показан пример реализации изобретения путем определения давления масла, в каналах по оси коленчатого вала.
Высокочувствительный масляный датчик (6) снимает мгновенные значения давления масла в масляных каналах блока цилиндров ДВС (8) в непосредственной близости к коренным подшипникам коленчатого вала (7).
Вычисление потерь давления в каналах коленчатого вала при переходе из кольцевого канала в коренном вкладыше до оси коленчатого вала производится по формулам в виде одного из 3-х однозначных выражений [4]:
2
к
-1
3
2
где V - величина окружной скорости на поверхности коренной шейки коленчатого вала, м/с, r - радиус коренной шейке, м; ω - угловая скорость, сек; γ - удельный вес моторного масла, кг/м; g - ускорение свободного падения, м/с, n - частота вращения коленчатого вала, обор/мин.
к
Таким образом потери давления в каналах коленчатого вала от действия центробежных сил определяются расчетом в программном блоке по заранее введенным параметрам (радиусу коренной шейки r и удельному весу масла γ) и постоянно измеряемому параметру: угловой скорости со или частоте вращения коленчатого вала n (выражение 4, 5).
По величине суммы измеренного и вычисленных потерь давления до оси коленчатого вала в режиме реального времени определяется режим подвода масла к шатунным подшипникам в виде: отсутствие подвода масла (меньше нуля), разорванный поток (равно нулю), неразрывный поток (больше нуля).
ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ
Технический результат заключается в возможности контроля, сбора, хранения и передачи в бортовую систему диагностирования данных о давлении масла, подводимого к шатунным подшипникам коленчатого вала, выявления их предотказного состояния и, как следствие, предотвращения отказов путем своевременного восстановления технического состояния например, заменой вкладышей.
Использование предлагаемого способа контроля и оценки технического состояния шатунных подшипников позволяет также прогнозировать время безаварийной работы ДВС до предельного состояния путем анализа получаемых данных в бортовой системе диагностирования.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ И СХЕМ
Сущность изобретения поясняется чертежом и схемой.
к
Фиг. 1. Схема подвода масла к шатунным подшипникам: 1 - кольцевой канал коренного подшипника, 2 - канал в коренной шейке, 3 - точка на оси коленчатого вала, 4 - канал подвода к центробежной полости шатунного подшипника, 5 - центробежная полость шатунной шейки; r - радиус коренной шейки
Фиг. 2. Пример реализации способа безразборного контроля предотказного состояния шатунных подшипников двигателей внутреннего сгорания: 6 - масляный датчик, 7 - коленчатый вал, 8 - блок цилиндров
ПОЗИЦИИ НА СХЕМАХ И ЧЕРТЕЖАХ
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авторское свидетельство SU 1134897 А (кл. G01M 15/00) Способ оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания.
2. Патент RU 2006811 С1 (кл. G01M 15/00 (1990.01), G01M 13/04 (1990.01)) Способ безразборной диагностики подшипников двигателя внутреннего сгорания.
3. Патент RU 2560972 С2 МПК G01M 15/00 (2006.01) Способ безразборной диагностики степени износа подшипников двигателей внутреннего сгорания.
4. А.Т. Кулаков, А.С. Денисов, А.А.: Обеспечение надежности автотракторных двигателей. Научная монография/ Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2007. - 422 с.