Повышение долговечности автомобильных двигателей обеспечением приспособленности их к режиму пуска

Изменяющиеся в широких пределах условия эксплуатации автомобилей отрицательно влияют на нормальное протекание процессов в системах и агрегатах, что ведет к снижению надежности и эффективности эксплуатации автомобильного транспорта. Сохранение номинальных значений параметров процессов зависит от специфического свойства автомобилей — приспособленности их систем и агрегатов к изменяющимся условиям эксплуатации.

Практика эксплуатации автомобилей свидетельствует о том, что долговечность автомобильных двигателей определяется, как правило, интенсивностью изнашивания незначительного количества подвижных сопряжений, в том числе шатунных и коренных подшипников скольжения коленчатого вала. Ускоренное изнашивание подшипников характерно для условий низкотемпературного пуска, состоящего из стадий запуска и прогрева, отличающегося существенными отклонениями параметров смазочного процесса от номинальных значений.

Таким образом, мероприятия по обеспечению высокой приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска по параметрам смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала, способствуют снижению пусковых износов и, соответственно, повышению долговечности. Однако внедрение таких мероприятий сдерживается несовершенством методик оценки приспособленности двигателя к режиму пуска.

В связи с этим исследования, направленные на повышение долговечности автомобильных двигателей за счет снижения износов подшипников коленчатого вала путем обеспечения их эксплуатационных свойств на режиме пуска, являются актуальными.

Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательской работы «Управление качеством подшипников скольжения автомобильных двигателей по параметрам смазочного слоя» (№ Г. Р. 1 960 006 257).

Объектом исследования служил режим пуска автомобильного двигателя, предметом — закономерности смазочного процесса и изнашивания в системе подшипников коленчатого вала автомобильного двигателя типа 44 7,6/8,0 (BA3−2103).

В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Решения задач базируются на гидродинамической теории смазки подшипников скольжениятеории автомобильных двигателейтеории трения, изнашивания и смазкитеории приспособленности автомобилейметодов математической статистики и планирования эксперимента.

Достоверность полученных результатов обеспечивается методологической базой исследования и проведением натурных экспериментов с использованием автоматизированного измерительного комплекса и подтверждается сходимостью полученных теоретических результатов с экспериментальными данными.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:

1) обоснован коэффициент приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска на базе параметра, характеризующего суммарную протяженность металлических контактов поверхностей трения за интервал времени с начала прогрева в системе подшипников коленчатого вала;

2) установлены закономерности смазочного процесса и изнашивания в системе подшипников коленчатого вала автомобильного двигателя 44 7,6/8,0 в зависимости от температурного и скоростного режима и времени с начала прогрева;

3) предложена методика оценки степени приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска по параметрам смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала;

4) предложено требование к эксплуатационным свойствам автомобильных двигателей на основе учета степени их приспособленности к режиму пуска по параметрам смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала.

На защиту выносятся следующие положения:

1) коэффициент приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска на базе суммарной протяженности металлических контактов поверхностей трения за интервал времени с начала прогрева в системе подшипников коленчатого вала;

2) закономерности смазочного процесса и изнашивания в системе подшипников коленчатого вала автомобильного двигателя 44 7,6/8,0 в зависимости от температурного и скоростного режима и времени с начала прогрева;

3) методика оценки степени приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска по параметрам смазочного процесса в подшипниках скольжения коленчатого вала.

4) требование к эксплуатационным свойствам автомобильных двигателей на основе учета степени их приспособленности к режиму пуска по параметрам смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложенный параметр, разработанные методики и средства могут быть использованы:

— для оптимального выбора по критерию приспособленности: систем улучшения пусковых качеств двигателямоторных маселрежимов запуска и прогрева с учетом природно-климатических условий эксплуатации автомобилей и технического состояния двигателяв автотранспортных предприятиях при подготовке автомобилей к транспортному процессув учебном процессе при подготовке специалистов автомобильного транспорта.

Разработанная методика оценки приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска, а также полученные результаты исследований используются в таксомоторном парке «Северный» (г. Оренбург) при подготовке автомобилей ВАЗ семейства 2101−2107 к транспортному процессув ЗАО «Автоколонна № 1825» (г. Оренбург) при определении эксплуатационных режимов прогрева двигателей модели ЗМЗ-672−11 автобусов ПАЗ-3205. Основные положения работы включены в учебный процесс освоения специальной дисциплины «Автомобильные двигатели», «Рабочие процессы, конструкция и основы расчета энергетических установок» и «Транспортная энергетика» на транспортном факультете ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

В первом разделе проведен анализ состояния изучаемого зопроса, определены цель и задачи исследований.

Известно, что техническое состояние автомобилей, их узлов и агрегатов изменяется в процессе эксплуатации. Эксплуатационные режимы автомобильных двигателей отличаются разнообразием, но наиболее неблагоприятным с точки зрения изнашивания пар трения считается режим пуска, включающий в себя стадии запуска и прогрева, отличающийся неудовлетворительными условиями смазки трущихся поверхностей (особенно при низких температурах). Несмотря на значительное количество работ и применение их результатов в нормативных документах, устанавливающих эксплуатационные требования к пусковым качествам автомобильных двигателей минимизация изнашивания пар трения двигателя на режимах пуска в эксплуатации не обеспечивается в полной мере, недостаточно сведений, как об оптимальных режимах прогрева, так и об их длительности. Наряду с соблюдением технических требований, на долговечность двигателей оказывает влияние обеспечение такого свойства, как приспособленность автомобилей к различным условиям эксплуатации. Применительно к режиму пуска приспособленность двигателя ранее оценивалась по топливной экономичности, токсичности отработавших газов, температурному режиму и др. Вместе с тем, работы, направленные на оценку приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска по условиям смазки в подвижных сопряжениях не проводились. Подобная оценка позволит дорабатывать требования к эксплуатационным свойствам автомобильных двигателей, направленные на снижение пусковых износов.

Из анализа известных методов определения износа подвижных сопряжений двигателя было установлено, что целесообразнее использовать для определения изнашивания двигателя на режиме пуска методику безразборной оценки параметров смазочного процесса в системе подшипников коленчатого вала, разработанную Н. Н. Якуниным и Р. Ф. Калимуллиным. В основе данной методики лежит расчетно-экспериментальное определение параметра относительной продолжительности существования смазочного слоя параметра Рж) в так называемом «эквивалентном подшипнике» с обобщенными свойствами всех подшипников системы.

Исходя из вышеизложенного, представляет интерес исследование закономерностей смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала в зависимости от значений параметров режима пуска (частоты вращения коленчатого вала при прогреве, начальной температуры двигателя и времени с начала прогрева), а также оценить приспособленность автомобильного двигателя к низкотемпературным условиям эксплуатации по параметрам смазочного процесса в подшипниках скольжения коленчатого вала для обеспечения снижения пусковых износов.

На основании изложенного сформулированы цель и основные задачи исследования.

Целью работы: повышение долговечности автомобилей за счет обеспечения эксплуатационных свойств двигателей на режиме пуска.

В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи исследования:

1) теоретическое обоснование параметра степени приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска на основе анализа модели изменения технического состояния подшипников скольжения коленчатого вала автомобильных двигателей;

2) экспериментальное обоснование значения параметра степени приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска на основе установления закономерностей смазочного процесса и изнашивания в системе подшипников коленчатого вала автомобильного двигателя в зависимости от температурного и скоростного режима и времени с начала прогрева;

3) разработка методики оценки степени приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска;

4) совершенствование требований к эксплуатационным свойствам автомобильных двигателей на режиме пуска.

Второй раздел посвящен теоретическому обоснованию параметра степени приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска.

Оценку степени приспособленности автомобильного двигателя к режиму пуска предложено проводить с помощью коэффициента приспособленности Кпр, известного из положений теории приспособленности автомобилей.

В диссертационной работе в качестве сравниваемого параметра обосновано использование параметра суммарной протяженности металлических контактов между поверхностями трения подшипников за базовое время с начала прогрева.

Обоснование основано на оценке изменения технического состояния подшипников коленчатого вала вследствие изнашивания при переходном смазочном процессе по модели, разработанной Н. Н. Якуниным. Эта модель устанавливает для некоторого интервала времени функциональную связь между величиной линейного износа поверхностей трения и средним значением параметра относительной продолжительности существования смазочного слоя Рж, обуславливающего величину суммарной протяженности металлических контактов.

Анализ результатов расчетов при проведении имитационного моделирования смазочного процесса при различных начальных температурах двигателя и частотах вращения коленчатого вала, а также теоретическое рассмотрение изучаемых процессов позволили выдвинуть следующую рабочую гипотезу: на увеличение суммарной протяженности контактов LKа, соответственно, величину линейного износа подшипников скольжения коленчатого вала при пуске и прогреве оказывает влияние повышение частоты вращения коленчатого вала и понижение начальной температуры двигателя.

Используемый коэффициент приспособленности Кпр характеризует приспособленность только к одному конкретному режиму пуска, однако приспособленность двигателя по параметрам смазочного процесса зависит от температурно-скоростного режима прогрева, параметры которого являются детерминировано-случайными величинами. В связи с этим автором предложен обобщенный коэффициент приспособленности Кир, об, значение которого равно среднему значению коэффициента Кпр в наиболее вероятном диапазоне температуры и частоты вращения коленчатого вала при прогреве.

Предложена дифференцированная оценка степени приспособленности в зависимости от значений коэффициента Кпр: 0</С"р<1 — низкая приспособленность, при К"р= 1 — стандартная приспособленность и при Кпр >1 — высокая приспособленность.

В третьем разделе описана методика экспериментальной оценки параметров смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала на режиме пуска двигателя.

Все исследования проводились в полевых условиях на автомобильном двигателе 44 7,6/8,0 в базовой комплектации. Продолжительность прогрева в одном опыте 10 мин.

В основу экспериментальной методики оценки параметров смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала при прогреве положена укрупненная модель, содержащая входные (начальная температура двигателя tdG и частота вращения коленчатого вала п) и выходные (параметр Рж и определяемая зависимость LK ^ = f (tdc, п)) переменные.

Двигатель находился в условиях окружающей среды длительное время, что обеспечивало достижение двигателем необходимой начальной температуры. За время прогрева с начала запуска значение параметра Рж замерялось с помощью автоматизированной системы оценки смазочного процесса, разработанной при участии автора. Частота вращения коленчатого вала контролировалась по автомобильному цифровому тахометру ТХ-517 с точностью ± 50 мин" 1. Температура охлаждающей жидкости двигателя контролировалась с помощью термопары и цифрового тестера MS 829 с погрешностью ± 1 °C.

В четвертом разделе проведен анализ результатов экспериментального исследования.

По полученным экспериментальным данным параметра Рж проводился расчет параметра По результатам расчета были получены зависимости параметра LK у от времени с начала прогрева Т.

Совместный анализ полученных зависимостей параметра на режиме пуска с известными закономерностями изменения интенсивности изнашивания позволил выделить четыре основные фазы протекания смазочного процесса в подшипниках скольжения коленчатого вала на режиме пуска. Получены значения параметра Р^в в эквивалентном подшипнике коленчатого вала двигателя 44 7,6/8,0 от времени прогрева в диапазонах начальных средних температур двигателя от -20 до 0 °C и частотах вращения коленчатого вала при прогреве от 1500 до 2500 мин" 1. Установлены экспериментальные зависимости суммарной протяженности контактов от температурно-скоростных режимов пуска.

Опытные значения отвечают требованиям воспроизводимости однородности дисперсии, математические модели — адекватны с 95% доверительной вероятностью.

В пятом разделе представлено практическое использование результатов диссертационного исследования, направленное на повышение долговечности автомобильных двигателей — разработка и апробация методики оценки степени приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска по параметрам смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала.

Получены значения и зависимости изменения значений коэффициента приспособленности для исследуемых температурно-скоростных режимов пуска.

Проведен расчет износа подшипников скольжения коленчатого вала на режиме пуска двигателя в условиях Оренбургской области и определена их доля в общем износе двигателя за время эксплуатации.

Предложено требование к эксплуатационным свойствам автомобильных двигателей. Соблюдение предложенного требования позволяет обоснованно с позиции снижения пусковых износов выбирать системы улучшения пусковых качеств двигателя, вязкостно-температурные свойства моторных масел, режимы запуска и прогрева с учетом природно-климатических условий эксплуатации автомобилей, конструктивных особенностей и технического состояния двигателя.

Основываясь на результатах проведенного исследования, можно утверждать, что обеспечением приспособленности двигателя к режиму пуска повышается ресурс подвижных сопряжений, что улучшает такую составляющую надежности, как долговечность двигателя. Такой подход к повышению долговечности двигателей позволяет учесть дополнительные факторы, и отойти от обобщённых рекомендаций в сфере эксплуатации автомобилей за счет принятия более обоснованных организационно-технических решений.

В приложениях представлены акты внедрения результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.

1. Обоснован коэффициент приспособленности автомобильного двигателя к режиму пуска, который служит количественной мерой оценки способности системы смазки обеспечивать номинальные значения параметров смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала с минимальной скоростью изнашивания в условиях пуска.

2. Установлены характерные фазы протекания смазочного процесса и изнашивания в системе подшипников коленчатого вала автомобильного двигателя в зависимости от времени с начала прогрева на холостом ходу при частотах вращения коленчатого вала от 1500 до 2500 мин" 1 и предпусковой температуре двигателя от -20 до 0 °C.

Выявлено, что в условиях пуска суммарная протяженность контактов в подшипниках уменьшается в среднем в 6,3.8,2 раза при понижении частоты вращения вала с 2500 мин" 1 до 1500 мин" 1 и в 4,5.5,8 раза при повышении предпусковой температуры двигателя от -20 °С до 0 °C.

3. Разработана методика оценки степени приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска на основе экспресс-анализа смазочного процесса в подшипниках скольжения коленчатого вала при запуске и прогреве двигателя с помощью оригинального измерительно-вычислительного комплекса.

Количественной мерой оценки является коэффициент приспособленности, характеризующий степень увеличения скорости изнашивания подшипников коленчатого вала при изменяющихся температурных и скоростных условия пуска по сравнению с базовыми условиями пуска (предпусковая температура двигателя 0 °C и частота вращения 1500 мин" 1), которые обеспечивают наименьшее изнашивание подшипников. Предложена дифференцированная оценка значения коэффициента приспособленности.

Получено экспериментальное значение обобщенного коэффициента приспособленности рядного автомобильного двигателя 44 7,6/8,0 в базовой комплектации, которое составило 0,29, и свидетельствует о низкой приспособленности к режиму пуска при отрицательных температурах окружающей среды.

4. Предложено требование к эксплуатационным свойствам автомобильных двигателей — в условиях пуска система смазки должна обеспечивать высокую сохранность номинальных значений параметров смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала. Двигатели легковых автомобилей ВАЗ рекомендуется прогревать при частоте вращения коленчатого вала «=1500 мин» 1. Это обеспечит при однократном пуске двигателя в условиях Оренбургской области уменьшение интенсивности изнашивания подшипников в 6,3.8,2 раза в диапазоне температур от — 20 до 0 °C, а доля пусковых износов подшипников в общем эксплуатационном износе снизится в 3,3 раза по сравнению с режимом «=2000 мин» 1 и 7,3 раза по сравнению с режимом «=2500 мин» 1.

Установлено также, что прогрев на режиме «=1500 мин» 1 по сравнению с режимом «=2000 мин» 1 снизит затраты на эксплуатацию на 312,5 руб./год, а по сравнению с «=2500 мин» 1 — на 3192,5 руб./год за счет повышения ресурса двигателя.

5. Полученные результаты и предложенная методика оценки приспособленности к режиму пуска позволяют повысить эффективность эксплуатации автомобильных двигателей. Источником эффективности является увеличение ресурса двигателя вследствие снижения пусковых износов подшипников скольжения коленчатого вала за счет повышения приспособленности двигателя к режиму пуска и введения нового эксплуатационного требования к автомобильным двигателям, устанавливающего малоизносный режим прогрева.