Повышение долговечности автомобильных двигателей
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 18 Марта 2013 в 13:55, автореферат
Описание работы
Целью работы является повышение долговечности автомобилей за счет обеспечения эксплуатационных свойств двигателей на режиме пуска.
Задачи исследования:
1) теоретическое обоснование параметра степени приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска на основе анализа модели изменения технического состояния подшипников скольжения коленчатого вала;
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 в зависимости от температурного и скоростного режима и времени с начала прогрева;
3) разработка методики оценки степени приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска.
Файлы: 1 файл
На правах рукописи
КОВАЛЕНКО Сергей Юрьевич
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ
ПРИСПОСОБЛЕННОСТИ ИХ К РЕЖИМУ ПУСКА
05.22.10 – Эксплуатация автомобильного транспорта
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Оренбург – 2009
Работа
выполнена
в
государственном
образовательном
учреждении
высшего профессионального образования «Оренбургский государственный
университет».
Научный руководитель
кандидат технических наук, доцент
Калимуллин Руслан Флюрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Родионов Юрий Владимирович;
кандидат технических наук, доцент
Алексеев Владимир Николаевич
Ведущая организация
ГОУ ВПО «Тюменский государственный
нефтегазовый университет»
Защита состоится 3 апреля 2009 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного
совета Д 212.181.02 при ГОУ ВПО «Оренбургский государственный
университет» по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 6205.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Оренбургский
государственный университет».
Автореферат разослан 27 февраля 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Рассоха В.И.
2
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Изменяющиеся в широких пределах условия
эксплуатации автомобилей отрицательно влияют на нормальное протекание
процессов в системах и агрегатах, что ведет к снижению показателей
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
и отличающегося существенными отклонениями параметров смазочного
процесса от номинальных значений.
Таким образом, мероприятия по обеспечению 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.
Объект исследования – режим пуска автомобильного двигателя.
Предмет исследования – закономерности смазочного процесса и
изнашивания в системе подшипников коленчатого вала автомобильного
двигателя типа 4Ч 7,6/8,0 (ВАЗ-2103).
Целью работы является повышение долговечности автомобилей за счет
обеспечения эксплуатационных свойств двигателей на режиме пуска.
Задачи исследования:
1) теоретическое обоснование параметра степени приспособленности
автомобильных двигателей к режиму пуска на основе анализа модели
изменения технического состояния подшипников скольжения коленчатого
вала;
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 в зависимости от температурного и скоростного
режима и времени с начала прогрева;
3) разработка
методики
оценки
степени
приспособленности
автомобильных двигателей к режиму пуска;
3
4) совершенствование требований к эксплуатационным свойствам
автомобильных двигателей на режиме пуска.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.
Теоретические
и
экспериментальные
исследования
проведены
с
использованием: положений гидродинамической теории смазки подшипников
скольжения; теории автомобильных двигателей; теории трения, изнашивания и
смазки; теории приспособленности автомобилей; методов 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:
– 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;
–
установлены закономерности смазочного процесса и изнашивания в
системе подшипников коленчатого вала автомобильного двигателя 4Ч 7,6/8,0 в
зависимости от температурного и скоростного режима и времени с начала
прогрева;
–
предложена
методика
оценки
степени
приспособленности
автомобильных двигателей к режиму пуска по параметрам смазочного процесса
в подшипниках коленчатого вала;
–
предложено 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. Разработанная методика может быть
использована для оптимального выбора по критерию приспособленности:
систем улучшения пусковых качеств двигателя; моторных масел; режимов
запуска и прогрева с учетом природно-климатических условий эксплуатации
автомобилей и технического состояния двигателя. Результаты исследования
могут быть использованы в автотранспортных предприятиях при подготовке
автомобилей к транспортному процессу, а также в учебном процессе при
подготовке специалистов автомобильного транспорта.
Положения, выносимые на защиту:
– 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;
– закономерности смазочного процесса и изнашивания в системе
подшипников коленчатого вала автомобильного двигателя 4Ч 7,6/8,0 в
зависимости от температурного и скоростного режима и времени с начала
прогрева;
4
– методика оценки степени приспособленности автомобильных
двигателей к режиму пуска по параметрам смазочного процесса в подшипниках
скольжения коленчатого вала;
– требование к эксплуатационным свойствам автомобильных двигателей
на основе учета степени их приспособленности к режиму пуска по параметрам
смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала.
Апробация работы. Основные результаты диссертации получены в ходе
выполнения научно-исследовательской работы «Управление качеством
подшипников скольжения автомобильных двигателей по параметрам
смазочного слоя» (№ гос. регистрации 01960006257). Материалы исследования
докладывались и получили положительную оценку: на VII и VIII Российских
научно-практических
конференциях
«Прогрессивные
технологии
в
транспортных системах» (Оренбург, 2005, 2007 гг.); на 4-ой международной
научно-технической конференции «Проблемы качества и эксплуатации
автотранспортных средств» (Пенза, 2006 г.); на Всероссийской научно-
практической конференции «Развитие транспорта в регионах России: проблемы
и перспективы» (Киров, 2007 г.); на международной научно-технической
конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-
технологических машин» (Тюмень, 2007 г.).
Реализация
результатов
работы.
Результаты
исследований
используются: рациональный режим прогрева автомобильных двигателей
семейства ВАЗ 2101-2107 – в таксомоторном парке «Северный» (г. Оренбург)
при подготовке автомобилей к транспортному процессу; методика оценки
приспособленности автомобильных двигателей к режиму пуска – в ЗАО
«Автоколонна №1825» (г. Оренбург) при определении эксплуатационных
режимов прогрева двигателей модели ЗМЗ-672-11 автобусов ПАЗ-3205;
измерительно-вычислительный
комплекс
«Автоматизированная
система
оценки смазочного процесса» – в учебном процессе ГОУ ВПО «Оренбургский
государственный университет».
Публикации. По теме работы опубликовано 6 статей, в числе которых 1
статья в журнале из Перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ,
зарегистрированы 2 программных средства и получено 2 патента на полезную
модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5
разделов, выводов, списка литературы из 122 наименований, приложений и
содержит 127 страниц текста (в том числе 8 таблиц и 15 иллюстраций).
Содержание работы
Во введении приведены краткая характеристика работы, научная
новизна, практическая значимость, положения, выносимые на защиту.
В первом разделе анализируется состояние изучаемого вопроса,
формулируются цель и задачи исследований.
Известно, что техническое состояние автомобилей, их узлов и агрегатов
изменяется в процессе эксплуатации. Вопросы повышения долговечности
5
автомобильных двигателей в эксплуатации рассматривались в работах Аринина
И.Н., Балаболкина Р.К., Венцеля С.В., Григорьева М.А., Гурвича И.Б.,
Ждановского Н.С., Коврикова И.Т., Крамаренко Г.В., Кузнецова Е.С., Мишина
И.А., Напольского Г.М., Несвитского Я.И. и других.
Эксплуатационные режимы автомобильных двигателей отличаются
разнообразием, но наиболее неблагоприятным, с точки зрения изнашивания пар
трения, считается режим пуска, отличающийся неудовлетворительными
условиями смазки трущихся поверхностей, особенно при низких температурах.
Вопросы снижения пусковых износов освещены в работах Арабяна С.Г.,
Буравцева С.К., Буравцева Б.К., Ежова С.П., Калабина В.П., Карницкого В.В.,
Купершмидта В.Л., Микулина Ю.В., Моисейчика А.Н., Никитина Ю.Н.,
Энглина Б.А. и других исследователей в нашей стране и за рубежом. В данных
работах основными параметрами оценки протекания смазочных процессов
являются гидродинамическое давление, время образования масляного клина,
давление трения поверхностей, толщина масляной пленки, концентрация
продуктов износа и др.
Несмотря на значительное количество работ и применение их результатов
в нормативных документах, устанавливающих эксплуатационные требования к
пусковым качествам автомобильных двигателей (ОСТ 37.001.052, РД
37.001.021 и др.), 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. В
эксплуатации на долговечность двигателей оказывает влияние обеспечение
такого свойства, как приспособленность автомобилей к различным условиям
эксплуатации. Теория приспособленности автомобилей детально разработана в
ТюмГНГУ научной школой профессора Л.Г. Резника. Применительно к режиму
пуска,
приспособленность
двигателя
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.
Анализ известных методов определения износа подвижных сопряжений
двигателя показал, что основными их недостатками являются большие
трудовые и материальные затраты при подготовке двигателей и проведении
исследований. В связи с этим, 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
Р
ж
) в так называемом «эквивалентном подшипнике» с обобщенными
свойствами всех подшипников системы. Для замера данного параметра
используется автоматизированная система оценки смазочного процесса,
6
разработанная на кафедре автомобильного транспорта Оренбургского
государственного университета. Принцип работы данной системы заключается
в
регистрации
изменения
электрической
проводимости
подвижного
сопряжения в зависимости от наличия либо отсутствия диэлектрического
смазочного материала между трущимися поверхностями.
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 оценка приспособленности 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.
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
К
пр
, известного из положений теории приспособленности автомобилей. Данный
коэффициент представляет собой отношение значения параметра П
ст
,
полученного в стандартных условиях эксплуатации, к значению параметра
П
нест
, полученного в нестандартных условиях эксплуатации:
.
нест
ст
пр
П
П
К =
(1)
В качестве сравниваемого параметра П обосновано использование
параметра суммарной протяженности металлических контактов L
к.∑
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
Р
ж
, обуславливающего величину суммарной протяженности металлических
контактов.
Согласно физическому смыслу, параметр Р
ж
принимает значение от 0 до
1 в зависимости от вида взаимодействия сопрягаемых поверхностей и его
длительности. Значение Р
ж
=0 свидетельствует о том, что в паре трения
происходит постоянное контактное взаимодействие поверхностей в условиях
сухого или граничного трения; Р
ж
=1 – постоянное бесконтактное
взаимодействие поверхностей в условиях жидкостного трения; 0<Р
ж
<1 –
последовательное во времени чередование контактного и бесконтактного видов
взаимодействий в условиях переходного смазочного процесса.
7
Из теории трения, изнашивания и смазки известно, что интенсивность
процессов изнашивания наибольшая при контактном взаимодействии
поверхностей, относительная продолжительность которых равна 1 - Р
ж
.
С учетом указанных исходных положений известная математическая
модель изменения технического состояния подшипников коленчатого вала
вследствие изнашивания при переходном смазочном процессе примет вид:
)
1(
60
1
1
i
ж
m
i
i
x
m
i
i
псп
псп
P
n
d
ld
N
k
I
I
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
=
∑
∑
=
=
π
,
(2)
где I
псп
– величина линейного износа поверхностей трения, мкм; d – диаметр
шейки вала, мм; l – опорная длина подшипника, мм; x – показатель степени,
зависящий от вида фрикционных связей, x≥1; m – количество интервалов
времени; N
i
– внешняя нагрузка, действующая на подшипник на i-ом интервале
времени, Н; k – коэффициент пропорциональности между интенсивностью
изнашивания с механическими фрикционными связями и нагрузкой N,
приходящейся на единицу площади скользящей поверхности (l d); n
i
– частота
вращения вала на i-ом интервале времени, мин
-1
.
Анализ модели (2) показывает, что величина линейного износа I
псп
пропорциональна значению суммарной протяженности контактов (параметра
L
к.∑
), определяемого по формуле:
.
60
)
1(
1
.
∑
=
Σ
−
=
m
i
i
жi
к
n
d
Р
L
π
(3)
Сделан вывод, что для сравнительного анализа смазочного процесса в
подшипниках коленчатого вала при оценке приспособленности автомобильных
двигателей к режиму пуска достаточно использовать значение параметра L
к.∑
,
полученное за базовое время с начала прогрева. С учетом сомножителя
x
ld
N
k
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
появляется возможность сравнительной оценки изменения величин линейного
износа подшипников при различных условиях пуска.
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 L
к.∑
, а,
соответственно, величину линейного износа I
псп
подшипников коленчатого вала
при пуске и прогреве оказывает влияние повышение частоты вращения
коленчатого вала n и понижение начальной температуры двигателя t
дв
.
Коэффициент К
пр
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 К
пр. об
, значение которого равно среднему значению
коэффициента К
пр
в наиболее вероятном диапазоне температуры и частоты
8
вращения коленчатого вала при прогреве. В общем случае значение К
пр. об
определяется по формуле:
,
)
(
)
,(
max
min
max
min
max
min
.
∫
∫∫
=
t
t
дв
t
t
дв
пр
n
n
об
пр
dt
t
n
dtdn
t
n
К
К
(4)
где n
min
и n
max
– значения минимальной и максимальной частот вращения
коленчатого вала при прогреве, мин
-1
; t
дв. min
и t
дв. max
– значение минимальной и
максимальной начальных температур двигателя, °С.
Предложена дифференцированная оценка степени приспособленности в
зависимости
от
значений
коэффициента
К
пр
: 0<К
пр
<1 – низкая
приспособленность; при
К
пр
=1 – стандартная
приспособленность;
К
пр
>1 – высокая приспособленность.
Таким образом, повышение долговечности двигателя возможно за счет
обеспечения высокой степени приспособленности двигателя к режиму пуска,
которая позволит снизить суммарную протяженность контакта в подшипниках
коленчатого вала и тем самым – величину пускового износа.
В третьем разделе описана методика экспериментальной оценки
параметров смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала на режиме
пуска двигателя.
В основу экспериментальной методики оценки параметров смазочного
процесса в подшипниках коленчатого вала при прогреве положена укрупненная
модель, содержащая входные (начальная температура двигателя t
дв
и частота
вращения коленчатого вала n) и выходные (параметр Р
ж
и определяемая
зависимость L
к ∑
= f(t
дв
, n)) переменные.
Из предварительно проведенного экспертного анализа было установлено,
что большинство водителей прогревают двигатель на скоростных режимах от
n=1500 мин
-1
до n=2500 мин
-1
длительностью 5…12 минут. Исходя из этого
были определены условия проведения экспериментальных исследований.
Все исследования проводились в полевых условиях на автомобильном
двигателе 4Ч 7,6/8,0 в составе автомобиля. Моторное масло использовалось
полусинтетическое, класса вязкости по SAE 10W40. Наработка двигателя на
момент проведения исследований составляла около 25% от предельного
ресурса. Продолжительность прогрева в одном опыте 10 мин. Минимальное
необходимое количество повторных опытов на каждом температурно-
скоростном режиме по результатам проведенных предварительных испытаний
составило три. План полнофакторного эксперимента представлен в таблице 1.
9
Таблица 1 – План эксперимента
Начальная температура двигателя, °С
*
-20
-15
-10
-5
0
1500 мин
-1
+
+
+
+
+
2000 мин
-1
+
+
+
+
+
2500 мин
-1
+
+
+
+
+
* - величина отклонения начальной температуры двигателя от центральной точки при
исследованиях составлял Δ= ± 2°С
Автомобиль находился длительное время в условиях окружающей среды,
что
обеспечивало
достижение
двигателем
необходимой
начальной
температуры. За время прогрева с начала запуска значение параметра Р
ж
замерялось с помощью разработанной автоматизированной системы оценки
смазочного процесса. Подвод питающего напряжения осуществлялся от
анализатора режимов трения к блоку цилиндров и к носку коленчатого вала
посредством установленного на него разработанного токосъемника. От
анализатора режимов трения информация о замеряемых параметрах поступала
на устройство сопряжения с компьютером, отражалась на экране монитора и
записывалась в файл с помощью разработанного программного обеспечения.
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 °С.
В четвертом разделе проведен анализ результатов экспериментального
исследования.
По полученным экспериментальным данным параметра Р
ж
проводился
расчет параметра L
к.∑
по формуле (3). По результатам расчета были получены
зависимости параметра L
к.∑
от времени с начала прогрева Т. На рисунке 1
представлена зависимость параметра L
к.∑
от времени с начала прогрева для
частных случаев: при n=2000 мин
-1
для t
дв
= -20, -10 и 0 °С и при t
дв
= -10 °С для
n= 1500, 2000 и 2500 мин
-1
.
Рисунок 1 – Зависимость суммарной протяженности контакта L
к.∑
в подшипниках
коленчатого вала от времени с начала прогрева Т
Для других температурно-скоростных режимов зависимости суммарной
протяженности контакта L
к.∑
от времени с начала прогрева Т носят схожий
характер.
10
Совместный анализ полученных зависимостей параметра L
к.∑
(n, t
дв
, T) и
скорости его изменения V
L
на режиме пуска с предложенной А.К. Костиным
диаграммой изменения интенсивности изнашивания позволил выделить четыре
основные фазы протекания смазочного процесса в подшипниках скольжения
коленчатого вала на режиме пуска (рисунок 2).
Рисунок 2 – Зависимости значений параметра L
к.∑
и скорости его изменения V
L
от
времени прогрева Т
Первая фаза (I) – фаза наиболее интенсивного изнашивания и высокой
скорости изменения суммарной протяженности контакта в начальный период
пуска из-за отсутствия смазки в парах трения. Вторая фаза (II) – фаза резкого
уменьшения интенсивности изнашивания и скорости изменения суммарной
протяженности контакта L
к.∑
из-за возрастания давления масла и поступления
его к парам трения. Третья фаза (III) – фаза монотонного возрастания скорости
изменения суммарной протяженности контакта L
к.∑
из-за снижения вязкости
масла по мере его прогрева. Четвертая фаза (IV) – фаза постоянной скорости
изменения суммарной протяженности контакта L
к.∑
из-за стабилизации
смазочного процесса, зазоров, температурного режима.
Сравнение зависимостей V
L
и L
к.∑
от Т экспериментально подтверждает
теоретическую связь между параметром L
к.∑
и износом пар трения при
переходном смазочном процессе.
Полученные опытные значения суммарной протяженности контакта L
кΣ
от начальной температуры двигателя t
дв
при различных частотах вращения
коленчатого вала n при прогреве представлены на рисунке 3.
Проверка однородности дисперсий опытных данных осуществлялась по
критерию Кохрена. При количестве опытов n=5, повторностей в опыте m=3,
числе степеней свободы f
1
=m-1=3-1=2 и f
2
=n=5 и уровне значимости р=0,05
табличное значение критерия Кохрена составляет G
0,95(2;5)
= 0,674. Результаты
проверки однородности дисперсии представлены в таблице 2.
11
Рисунок 3 – Зависимости L
к.∑
от начальной температуры двигателя t
дв
при различных
частотах вращения коленчатого вала n при прогреве
Таблица 2 – Проверка однородности дисперсии
Выходной параметр на скоростном режиме:
Критерии
n=1500 мин
-1
n=2000 мин
-1
n=2500 мин
-1
G
max
0,541
0,268
0,309
G
1-p
0,674
0,674
0,674
G
max
<G
1-р
да
да
да
На основе положительного результата проверки однородности дисперсии
опытных точек получены математические модели параметра L
к.∑
для каждого из
скоростных режимов:
L
к.∑1500
=
;
дв
-0,088t
33664e
L
к.∑2000
=
;
(5)
дв
-0,0772t
76678e
L
к.∑2500
=
.
дв
-0,0747t
127406e
Произведена проверка адекватности математических моделей с помощью
F-критерия Фишера. Адекватность математической модели исследуемому
процессу определялась выполнением условия F
крит
<F
1-р
. Для количества
опытов n=5, количества повторностей в опыте m=3, чисел степеней свободы
f
1
=4 и f
2
=10 табличное значение критерия Фишера для уровня значимости
р=0,05 составило F
1-р
= 3,5. Результаты проверки адекватности математической
модели сведены в таблицу 3.
Таблица 3– Проверка адекватности математической модели
Выходной параметр на скоростном режиме:
Критерии
n=1500 мин
-1
n=2000 мин
-1
n=2500 мин
-1
F
крит
0,455
2,195
2,27
F
1-р
3,5
3,5
3,5
F
крит
<F
1-р
да
да
да
Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что при частоте
вращения коленчатого вала n=1500 мин
-1
величина суммарной протяженности
контактов между трущимися поверхностями L
к.∑
на всем рассмотренном
12
температурном диапазоне наименьшая, при n=2000 мин
-1
увеличивается в
среднем в 2,0…2,1 раза, а при n=2500 мин
-1
– в 3,2…3,3 раза.
В пятом разделе представлено практическое использование результатов
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 скольжения коленчатого вала, а также
предложено требование к эксплуатационным свойствам автомобильных
двигателей на основе учета степени их приспособленности к режиму пуска.
Алгоритм оценки степени приспособленности представлен на рисунке 4.
Рисунок 4 – Алгоритм оценки степени приспособленности автомобильного двигателя
к режиму пуска по параметрам смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала
Принимая для n=1500 мин
-1
и t
дв
=0°С значение оценочного параметра L
к.∑
базовым, получены зависимости коэффициента приспособленности К
пр
двигателя
4Ч
7,6/8,0 к
температурно-скоростным
режимам
пуска,
представленные на рисунке 5.
Математические модели коэффициента приспособленности К
пр
от
начальной температуры двигателя t
дв
имеют экспоненциальный вид:
К
пр 1500
=
;
дв
0,088t
e
К
пр 2000
=
;
(6)
дв
0,0772t
0,439e
К
пр 2500
=
.
0,264e
дв
0,0747t
а) б)
13
Рисунок 5 – Зависимости коэффициента приспособленности К
пр
от: а) начальной
температуры двигателя на различных частотах вращения коленчатого вала при прогреве;
б) частоты вращения коленчатого вала при прогреве при различных начальных температурах
двигателя
Математические модели коэффициента приспособленности К
пр
от
частоты вращения коленчатого вала n при различных температурах двигателя
t
дв
имеют полиномиальный вид:
К
пр -20°С
=
6709
,0
0005
,0
10
9
2
8
+
−
⋅
−
n
n
;
К
пр -15°С
=
1207
,1
0008
,0
10
2
2
7
+
−
⋅
−
n
n
;
К
пр -10°С
=
8569
,1
0014
,0
10
3
2
7
+
−
⋅
−
n
n
;
(7)
К
пр -5°С
=
0558
,3
0023
,0
10
5
2
7
+
−
⋅
−
n
n
;
К
пр 0°С
=
9999
,4
0038
,0
10
8
2
7
+
−
⋅
−
n
n
.
Полученные зависимости указывают на нелинейное изменение
коэффициента приспособленности двигателя к режиму пуска по параметрам
смазочного процесса - с увеличением температуры двигателя и понижением
частоты
вращения
коленчатого
вала
значение
коэффициента
приспособленности увеличивается более интенсивно.
Для исследуемого температурно-скоростного диапазона t
дв
= - 20°…0°С и
n =1500…2500 мин
-1
обобщенный коэффициент приспособленности двигателя
4Ч 7,6/8,0 составляет К
пр. об
=0,29. Данный результат указывает на достаточно
низкую степень приспособленности исследуемого двигателя к режиму пуска
при отрицательных температурах.
Проведен расчет износа подшипников скольжения коленчатого вала на
режиме пуска двигателя в условиях Оренбургской области. При однократном
пуске двигателя повышение температуры окружающей среды от - 20 °С до 0 °С
снижает интенсивность изнашивания в 4,5…5,8 раз в диапазоне
рассматриваемых режимов прогрева, а снижение частоты вращения
коленчатого вала от 2500 до 1500 мин
-1
уменьшает интенсивность изнашивания
в 6,3…8,2 раза в диапазоне рассматриваемых температур. Доля пусковых
износов подшипников в общем эксплуатационном износе составила: для
режима n=1500 мин
1
– 10 %, для режима n=2000 мин
-1
– 33 % и для режима
n=2500 мин
-1
– 73 %.
Установлено также, что прогрев на режиме n=1500 мин
-1
по сравнению с
режимом n=2000 мин
-1
снизит затраты на эксплуатацию на 312,5 руб./год, а по
сравнению с режимом n=2500 мин
-1
– на 3192,5 руб./год за счет повышения
ресурса двигателя (расчет проводился по ценам в г. Оренбурге на октябрь
2008 г).
Результаты исследований подтверждают эффективность разработанной
методики оценки приспособленности автомобильных двигателей к режиму
пуска по параметрам смазочного процесса в подшипниках скольжения
коленчатого вала.
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. Анализ технической документации показал,
что на автомобили ВАЗ семейств 2101-2107, 2108-2109 и 2110-2112
устанавливаются двигатели, имеющие схожие геометрические размеры
14
подшипников и шеек коленчатого вала и рабочие параметры системы смазки,
поэтому предложенное требование применимо для всего модельного ряда ВАЗ.
Таким образом, при эксплуатации автомобилей ВАЗ рекомендуется прогревать
двигатели при частоте вращения коленчатого вала n=1500 мин
-1
. 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 двигателя, как долговечность. 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 протоколы испытаний, акты внедрения
результатов диссертации.
Основные результаты и выводы
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 °С.
Выявлено, что при частоте вращения коленчатого вала n=1500 мин
-1
величина
суммарной
протяженности
контактов
между
трущимися
поверхностями на всем рассмотренном температурном диапазоне наименьшая,
при n=2000 мин
-1
увеличивается в среднем в 2,0…2,1 раза, а при n=2500 мин
-1
–
в 3,2…3,3 раза.
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
15
изнашивания
подшипников
коленчатого
вала
при
изменяющихся
температурных и скоростных условия пуска по сравнению с базовыми
условиями пуска (предпусковая температура двигателя 0
о
С и частота вращения
1500 мин
-1
), которые обеспечивают наименьшее изнашивание подшипников.
Предложена
дифференцированная
оценка
значения
коэффициента
приспособленности
Экспериментально получено значение обобщенного коэффициента
приспособленности рядного автомобильного двигателя 4Ч 7,6/8,0 в базовой
комплектации, которое составило 0,29, что 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 n=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 °С, а доля пусковых
износов подшипников в общем эксплуатационном износе снизится в 3,3 раза по
сравнению с режимом n=2000 мин
-1
и в 7,3 раза по сравнению с режимом
n=2500 мин
-1
.
Установлено также, что прогрев на режиме n=1500 мин
-1
по сравнению с
режимом n=2000 мин
-1
снизит затраты на эксплуатацию на 312,5 руб./год, а по
сравнению с режимом n=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
повышения
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.
Основные положения и результаты диссертации отражены в
следующих работах:
1. Коваленко, С.Ю. Оценка приспособленности автомобильных
двигателей к пусковым режимам по параметрам смазочного процесса: сборник
докладов VII Российской научно-практической конференции «Прогрессивные
технологии в транспортных системах» / С.Ю. Коваленко, Р.Ф. Калимуллин. –
Оренбург: ОГУ, 2005. – С. 152 – 156.
2. Коваленко, С.Ю. Исследование смазочного процесса в подшипниках
коленчатого вала на пусковом режиме: материалы 4-й международной научно-
технической
конференции
«Проблемы
качества
и
эксплуатации
16
автотранспортных средств» / С.Ю. Коваленко, В.П. Засуха, Р.Ф. Калимуллин. –
Пенза: ПГУАС, 2006. – Часть II. – С. 101 – 106.
3. Свид. о рег. прогр. ср-ва №212 «Программное обеспечение для
автоматизированной системы оценки смазочного процесса» / Р.Ф. Калимуллин,
С.Ю. Коваленко, С.Б. Цибизов, М.Р. Янучков.; заявитель и обладатель ГОУ
ВПО «Оренбургский государственный университет». – зарегист. 22.01.2007. –
1 с.
4. Коваленко, С.Ю. Изменение параметров смазочной системы автомо-
бильного двигателя на пусковом режиме: материалы всероссийской научно-
практической конференции «Развитие транспорта в регионах России: проблемы
и перспективы» / С.Ю. Коваленко, Р.Ф. Калимуллин. – Киров: Филиал МГИУ,
2007. – С. 30 – 33.
5. Свид. об отрасл. рег. разработки № 7845 «Программное обеспечение
для
автоматизированной
системы
оценки
смазочного
процесса» /
Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко, С.Б. Цибизов, М.Р. Янучков.; заявитель и
обладатель ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет». –
№50200700519; зарегист. 12.03.2007. – 3 с.
6. Коваленко, С.Ю. Влияние температурно-скоростных параметров пус-
кового режима автомобильного двигателя на смазочный процесс в подшипни-
ках коленчатого вала: материалы международной
научно-технической
конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-
технологических машин» / С.Ю. Коваленко, Р.Ф. Калимуллин. – Тюмень:
ТюмГНГУ, 2007. – Часть I. – С. 152 – 156.
7. Патент RU№66046 U1, МПК G 01 M 13/04. Устройство для контроля
состояния подшипников / Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко, С.Б. Цибизов,
М.Р. Янучков (РФ). – №2007112656/22. – Заявлено 04.04.2007 – Решение о
выдаче патента от 04.04.2007 г. – Опубл. 27.08.2007г., Бюл. №24. – 3 с.: ил.
8. Коваленко, С.Ю. Повышение эффективности пускового режима авто-
мобильного двигателя за счет управления смазочным процессом в подшипни-
ках коленчатого вала: сборник докладов VIII Российской научно-практической
конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» / С.Ю.
Коваленко, Р.Ф. Калимуллин. – Оренбург: ОГУ, 2007. – С. 171 – 181.
9. Патент RU№70414 U1, МПК H 01 R 39/64. Ртутный токосъемник /
Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко, С.Б. Цибизов, М.Р. Янучков (РФ). –
№2007136773/22. – Заявлено 03.10.2007 – Решение о выдаче патента от
03.10.2007 г. – Опубл. 20.01.2008 г., Бюл. № 2. – 2 с.: ил.
10. Якунин, Н.Н. Оценка приспособленности автомобильных двигателей
к режимам пуска и прогрева по параметрам смазочного процесса в
подшипниках коленчатого вала / Н.Н. Якунин, Р.Ф. Калимуллин, С.Ю.
Коваленко // Транспорт Урала. – 2008. – № 2. – С. 110 – 114.
17
Информация о работе Повышение долговечности автомобильных двигателей