Расчетно-экспериментальная модель изнашивания опор скольжения коленчатых валов поршневых ДВС

В современном двигателестроении наблюдается поэтапный рост и ужесточение требований, предъявляемых к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), по целому ряду направлений, вышедших на первый план в процессе развития этой отрасли как на отечественном, так и на мировом рынках. Одно из таких направлений — требование увеличения долговечности деталей и узлов, а следовательно и полного ресурса двигателя, без заметного ухудшения его экономических характеристик: конструктивной стоимости, эксплуатационных затрат и потребительских свойств. Из статистических данных по отказам ДВС известно, что при современном уровне двигателестроения подавляющую долю составляют двигатели, вышедшие из строя по причине износа трущихся сопряжений. Одной из основных для определения полного ресурса двигателя и межремонтных сроков его эксплуатации является проблема износа такого узла трения как «шейка-подшипник» коленчатого вала (KB), второго по уровню потерь на трение трибосопряжения ДВС. В настоящее время в практике доводки двигателя данная проблема, в основном, решается в ходе длительных испытаний либо с помощью специальных ускоренных испытаний. И тот, и другой путь является чрезвычайно затратным и не позволяет оперативно отслеживать влияние на ресурс двигателя тех или иных конструктивных или технологических мероприятий. Необходимость расчетной оценки скоростей изнашивания подшипниковых узлов KB представляет интерес, как при конструировании двигателей, так и в процессе их эксплуатации. На этапе конструирования нового ДВС основное внимание уделяется проблемам влияния конструктивных и технологических решений, а также всех задаваемых параметров (рабочего процесса, системы смазки и других) на изнашивание узлов трения. При эксплуатации двигателей в составе установок различного назначения [1] возникает проблема влияния на межремонтные сроки условий (типа моторного масла, применяемых присадок и препаратов) и наиболее характерных для данной установки нагрузочных и скоростных режимов работы. Как показывает анализ состояния вопроса, в России и в мире в настоящее время отсутствуют надежные универсальные методики расчетного прогнозирования ресурсных показателей ДВС по износу. Существующие зависимости носят эмпирический характер, определяющий их ограниченную применимость к определенным классам или даже маркам двигателей.

Настоящая работа посвящена разработке универсальной расчетно-экспериментальной методики прогнозирования скорости износа подшипниковых узлов трения скольжения KB для любого режима работы произвольного двигателя. построенную на решении задачи эластогидродинамики в сочетании с решением задачи износа в сопряжении двух движущихся поверхностей при известных протяженностях зон износа, контактных давлениях и температурах. Наложение на данную методику статистики, по наиболее вероятным режимам эксплуатации двигателя, включая режимы холодного пуска и переходные, позволяет получить оценку общей скорости износа сопряжения. Таким образом, можно сделать вывод о том, что создание эффективного расчетно-экспериментального метода прогнозирования скоростей изнашивания узлов трения «подшипники-шейки» KB ДВС является актуальной проблемой. Ее решение позволит осуществить обоснованный выбор конструкторских, технологических, эксплуатационных решений, повысить научно-технический уровень проектирования, даст возможность сократить цикл создания двигателя и получить экономический эффект за счет снижения себестоимости и затрат на экспериментальную доводку ДВС.

Глава 1. Современные представления о проблеме износа сопряжений трения ДВС.

При рассмотрении различных способов оценки изнашивания подшипников скольжения KB двигателей необходимо определить общие рамки условий их работы, для которых представляет интерес прогнозирование износа. Основное внимание уделяем наиболее распространенным (стандартным) конструкциям и условиям работы подшипников скольжения ДВС, характеристику условий их работы осуществляем с позиций молекулярнно-механической теории трения [2], наиболее распространенной на сегодняшний день. В современных ДВС сопряжения «шейки — подшипники» KB работают в условиях гидродинамического режима смазки на основных расчетных режимах работы двигателя, это основной желаемый режим трения. В условиях граничного, полусухого, а иногда и сухого трения подшипниковый узел работает на режимах пуска и остановки двигателя, малых оборотов вала, критических нагрузокна этапах приработки трибологических узлов и на этапе критического износа. Согласно статистическим данным, коренные подшипники работают в более благоприятных условиях, чем шатунные, испытывающие действие максимальных циклических нагрузок от соответствующего им поршня. Толщина несущего масляного слоя в подшипниках зависит от параметров и типа масла, скорости вращения KB, геометрических параметров сопряжения и динамических характеристик двигателя, что и объясняет появление зон трения. Расчет толщины масляной пленки открывает путь к определению цикловых зон трения. В отличие от сопряжения «кольцо-гильза» в подшипниковых опорах зона контакта менее постоянна и зависит, главным образом, от величины приложенной нагрузки.

Длина дуги контакта (угол контакта), очевидно, может быть найден из расчета напряженного состояния сопряжения.

Изучение условий работы, а также причин и источников изнашивания подшипниковых узлов скольжения KB показало, что итоговый износ поверхностей шеек и подшипников может формироваться в результате реализации различных видов изнашивания (окислительное, абразивное и ряд других). Это показали результаты исследований по данной проблеме, содержащиеся в работах Буше Н. А., Мохнаткина Э. М., Беленького А. Д., Нарских И. И., Захарова С. М., Загорянского Ю. А., Володина А. И., Бабаева Н. К. и других. Установлено, что на штатных режимах работы современных ДВС из всех возможных видов изнашивания существенным является только износ по причине усталостных процессов, развивающихся на рабочих поверхностях подшипниковых узлов, как правило, при граничном трении.

Обзор и анализ применимости методов оценки изнашивания к узлам трения ДВС начнем с краткого определения общих понятий и характеристик, принятых при описании изнашивания [3,4,5].

6.6 Выводы.

1. Конструктивные параметры шатунного подшипника не оптимальны, требуется комплекс конструкторско-технологических мер по улучшению его работы, к которым следует отнести:

— увеличение длины рабочей части подшипника;

— изменение конструкции маслораспределительных устройств;

— изменение полей допусков на расточку шатунного подшипника;

— возможную селективную сборку по параметрам установочного зазора в шатунном подшипнике.

2. Предлагаемый комплекс мер принципиально должен помочь решить задачу надежной работы шатунного подшипника без применения дополнительной физико-химической обработки его поверхностей. Тем не менее, применение подобных мероприятий может дополнительно повысить надежность работы подшипников шатуна.

Заключение

.

В настоящей диссертации в соответствии с поставленными задачами исследования проведено расчетно-экспериментального моделирование процессов износа подшипников скольжения коленчатых валов ДВС.

По результатам проведенных экспериментальных и численных исследований могут быть сделаны следующие основные выводы:

1. Разработанная расчетно-экспериментальная методика оценки скорости изнашивания подшипниковых узлов KB ДВС базируется на закономерностях усталостной теории износа (по И. В. Крагельскому) и молекулярнно-механической теории трения.

2. Построение методики осуществлено на поэтапном принципе расчетного определения искомых величин, началом которого считается поиск газовых нагрузок рабочего процесса двигателя, а окончанием определение величин скоростей износа поверхностей трения.

3. В предложенной расчетно-экспериментальной методике оценки скорости износа учитывается как неравномерность износа рабочих поверхностей подшипника скольжения, так и непостоянство интенсивности изнашивания во времени, заложены возможности учета влияния деформирования подшипника на процесс его изнашивания.

4. В настоящее время не существует единой общепризнанной теории изнашивания и практические инженерные расчеты на износ, в том числе трибосопряжений ДВС, возможны лишь с помощью расчетно-экспериментальных методов.

5. Согласно современным представлениям в подшипниках скольжения Ф коленчатых валов ДВС, работающих в условиях нестационарного нагружения, реализуются различные виды изнашивания (окислительное, абразивное и ряд других), но основная доля износа приходится на усталостное изнашивание при трении сопряженных поверхностей.

6. Скорость изнашивания поверхностей трения подшипников скольжения KB поршневых ДВС зависит от множества различных факторов, из которых ключевые определяются следующими группами параметров:

— нагрузки в сопряжении;

— зоны трения, возникающие вследствие действия этих нагрузок;

— параметры смазки в сопряжении;

— макрои микрогеометрия узла трения;

— режимы и продолжительность работы ДВС на этих режимах.

7. Длительность испытаний двигателя, направленных на определение динамики процесса изнашивания и экспериментальных величин скоростей износа его трибологических узлов, может быть сокращена использованием ускоренного метода испытаний, включающего в себя преимущественно режимы с нарушением режима гидродинамического трения.

8. Экспериментальное определение скоростей износа и тем самым установление динамики изнашивания подшипников ДВС без нарушения их целостности за период испытаний возможно с помощью метода спектрального анализа проб масла при наличии и известном процентном содержании химических элементов, входящих в состав материала рабочих поверхностей только этих узлов трения двигателя.

9. Проведенные сопоставления экспериментально полученных величин интегральной скорости изнашивания подшипников скольжения и результатов расчетов целого ряда ДВС позволяет сделать вывод о правильности и обоснованности предложенной расчетно-экспериментальной модели.

В ходе работы получены следующие основные результаты:

1. На основании молекулярнно-механической теории трения и усталостной теории изнашивания разработана расчетно-экспериментальная методика оценки скорости износа адаптированная к подшипникам скольжения коленчатых валов поршневых ДВС.

2. Проведено экспериментальное исследования скорости накопления продуктов износа двигателей ДМ-1к, ВАЗ-2108, BA3−21 083, ЗМЗ-4021.10 и получен набор экспериментальных данных, характеризующих динамику изнашивания подшипников KB перечисленных ДВС.

3. Произведено расчетно-экспериментальное исследование процессов износа подшипников KB перечисленных выше двигателей. Получены локальные и интегральные характеристики процесса изнашивания их подшипниковых узлов коленчатого вала.

4. Осуществлено сопоставление величин скоростей изнашивания подшипников скольжения ДВС, полученных экспериментально и с помощью разработанной расчетно-экспериментальной методики, которое подтвердило адекватность расчетно-экспериментальной модели физической картине происходящих процессов изнашивания в изучаемых узлах трения.

5. С помощью разработанного метода выполнен параметрический анализ конструкции и сформулированы рекомендаций по улучшению условий работы шатунного подшипника двигателя ДМ-1к.