Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса по обеспечению надёжности систем Смазки двигателей. Задачи исследования 8
1.1. Анализ конструктивных особенностей и параметров подшипников скольжения 8
1.2. Анализ конструктивных особенностей и параметров систем смазки отечественных и зарубежных дизельных двигателей 14
1.3.Анализ влияния условий смазки на надёжность шатунных подшипников в процессе эксплуатации 19
1.3.1. Производительность масляного насоса 23
1.3.2. Расход масла через шатунные подшипники 24
1.3.3. Изменение параметров системы смазки в процессе эксплуатации..27
1.3.4. Сущность и механизм отказов шатунных подшипников в процессе эксплуатации 32
1.3.5. Основные причины проворачивания шатунных вкладышей на различных моделях автомобильных двигателей 35
1.4. Выводы и задачи исследования 47
2. Теоретические исследования изменения условий смазки шатунных подшипников в процессе эксплуатации 49
2.1.Аналитическое исследование давления масла в подводящих каналах шатунных подшипников 49
2.2. Расчёт вероятных режимов и условий разрыва масляного потока к шатунным подшипникам 54
2.3.Обоснование режима пульсаций подвода масла к шатунным подшипникам 60
2.3.1. Первый критический режим (отсутствие масла в центробежной полости 60
2.3.2. Второй критический режим (периодического заполнения и опорожнения центробежной полости) ..61
2.4.Сплошной поток в каналах подвода масла. Необходимые величины притока для обеспечения сплошности 63
2.5. Выводы 63
3 Методика экспериментального исследования 65
3.1. Методика измерения давления и расхода масла в коренных и шатунных подшипниках 65
3.1.1. Определение расхода масла в 1-ом шатунном подшипнике ,,65
3.1.2. Определение давления и расхода масла в 1-ом коренном подшипнике 67
3.2. Методика определения неразрывности и постоянства подвода масла к шатунным подшипникам 69
3.3. Методика определения влияния режима работы двигателя на расход масла через шатунные подшипники и пульсации потока масла 71
3.4. Методика определения влияния давления в системе смазки на режимы пульсаций потока масла к шатунным подшипникам 74
3.5. Эксплуатационные испытания 77
4 Анализ результатов экспериментальных исследований 78
4.1. Влияние условий подачи масла на его расход через шатунные подшипники и пульсации потока масла 78
4.2. Влияние давления в системе смазки на режимы пульсации потока масла к шатунным подшипникам 82
4.2.1. Определение потерь давления до кольцевого канала коренного подшипника, распределение давления по номерам коренных опор 82
4.2.2. Определение потерь давления в канале коленчатого вала от действия центробежных сил 86
4.2.3. Определение потерь давления при подводе масла в шатунную полость (без втулки грязеуловителя) 89
4.2.4. Режимы заполнения шатунной полости (без втулки грязеуловителя) 91
4.2.5. Режимы заполнения шатунной полости с втулкой в грязеуловителе 93
4.3. Влияние эксплуатационных износов вкладышей на условия смазки шатунных подшипников 95
4.4.Влияние режимов работы двигателя на неразрывность и постоянство подвода масла к шатунным подшипникам 98
4,5. Выводы 101
5. Практические рекомендации по повышению надёжности элементов системы смазки двигателей КамАЗ-740.1 l(EURO). Технико - экономическая оценка результатов исследования 103
5.1. Разработка способа и средства контроля неразрывности потока масла к шатунным подшипникам в процессе эксплуатации (Патент №2221964) 103
5.2. Обоснование новой методики расчёта рациональных параметров системы смазки для обеспечения неразрывности потока к коренным и шатунным подшипникам : 105
5.2.1. Шатунный подшипник 105
5.2.2. Коренной подшипник 105
5.3. Методика обоснования рациональных параметров системы смазки для обеспечения неразрывности потока жидкости к шатунным подшипникам 107
5.4. Практические рекомендации по повышению надёжности элементов системы смазки двигателей КамАЗ-740.11 EURO 108
5.5-Технико - экономическая оценка результатов исследования 110
5.5.1. Результаты проведения анализа 111
5.5.2. Экономическая оценка результатов исследования 112
Общие выводы по работе 115
Литература 118
Пр иложения 130
- Анализ конструктивных особенностей и параметров систем смазки отечественных и зарубежных дизельных двигателей
- Расчёт вероятных режимов и условий разрыва масляного потока к шатунным подшипникам
- Методика определения неразрывности и постоянства подвода масла к шатунным подшипникам
- Влияние давления в системе смазки на режимы пульсации потока масла к шатунным подшипникам
Введение к работе
Затраты на ремонт и техническое обслуживание одного автомобиля в нашей стране в 3-5 раз превышают его первоначальную стоимость, а в себестоимости сельскохозяйственной продукции доля транспортных издержек достигает 10-12% [1-4].
Особенно значительные затраты (до 65% от всех затрат на поддержание работоспособности автомобиля) приходятся на его ремонт [1]. Поэтому актуальной задачей остается повышение надежности автомобилей при конструировании, изготовлении и ремонте.
Простои автомобилей, в том числе и КамАЗ, в эксплуатации вызваны отказами двигателей и, в первую очередь, двух основных групп сопряжений: шатунно-кривошипной и цилиндро-поршневой [5-13].
В процессе эксплуатации автомобилей, тракторов, комбайнов и других машин происходит изменение их технического состояния, основными причинами которого являются изнашивание, усталостное разрушение, пластическая деформация, коррозия. Пластическая деформация и разрушение являются следствием конструктивно-технологических недоработок или нарушения правил эксплуатации. Указанные явления вызывают проворачивание шатунных вкладышей, что является одной из основных причин ремонта автомобильных двигателей ЗИЛ, ЯМЗ, ГАЗ, КамАЗ [15 - 17, 20 - 25, 38 - 50].
До 25% отказов двигателя КамАЗ-740 вызваны проворачиванием шатунных вкладышей коленчатого вала, при этом значительная часть дефектов приходится на третью шатунную шейку.
Эксплуатационные характеристики подшипников зависят, в основном, от таких факторов как минимальная толщина масляной пленки, высокая температура, наличие абразивных частиц, несоответствие расположения элементов системы подачи масла.
Несмотря на большое количество работ, посвященных причинам проворачивания шатунных вкладышей [10, 16 - 20, 24 - 26, 38, 43 - 46, 68 -72], проблема повышения надежности двигателя КамАЗ путем выявления и устранения причин проворачивания вкладышей полностью не решена до настоящего времени.
Цель исследования. Повышение надежности шатунных подшипников автотракторных двигателей КамАЗ путем совершенствования смазочной системы и контроля её состояния в процессе эксплуатации.
Объект исследования. Смазочная система двигателя КамАЗ.
Научная новизна. Уточнена аналитическая зависимость, позволяющая оценивать давление масла при различных схемах перепускных каналов от коренных к шатунным подшипникам и определять условия, как неразрывности так и разрыва масляного потока в шатунных подшипниках двигателя.
При использовании разработанного индикатора неразрывности потока жидкости установлены границы критических режимов смазки в эксплуатации при которых происходит разрыв потока масла и определены границы допустимых значений давлений в системе смазки.
Практическая ценность. Разработаны и внедрены практические рекомендации по совершенствованию смазочной системы, Предложено производить предупредительную замену коренных и шатунных вкладышей в эксплуатации на номинальные или утолщенные на 0,05мм при снижении давления в смазочной системе, для чего разработаны новые типоразмеры ремонтных вкладышей, что позволило в эксплуатации увеличить наработку на отказ автомобилей КамАЗ на 26% и снизить на 23,6% количество отказов на один автомобиль по провороту шатунных вкладышей.
Разработан способ и средство для контроля неразрывности потока масла к шатунным подшипникам в процессе эксплуатации (патент №2221964).
На защиту выносятся следующие научные положения:
Уточнена аналитическая зависимость давления масла в шатунных подшипниках коленчатого вала двигателя от конструктивных и режимных параметров и технического состояния.
Теоретико-экспериментальное обоснование оптимального расхода масла через шатунные подшипники путем изменения диаметров отверстий в коренном и шатунном подшипниках и перепускных каналах и введения одностороннего подвода масла к шатунным подшипникам.
Эксплуатационные, ремонтные и конструкторские разработки, обеспечивающие повышение надежности шатунных подшипников в эксплуатации.
Реализация результатов работы. Предложенные разработки внедрены на ОАО «КамАЗ-Дизель» и прошли производственную проверку в эксплуатации, на сервисных и ремонтных предприятиях г. Набережные Челны, Казани, Нижнего Новгорода, Саратова, ЗАО «Ремдизель».
Анализ конструктивных особенностей и параметров систем смазки отечественных и зарубежных дизельных двигателей
Система смазывания двигателя комбинированная, с «мокрым» картером (рис. 1.1). Масло под давлением подается к коренным и шатунным подшипникам коленчатого вала, к подшипникам распределительного вала, втулкам коромысел, к подшипникам топливного насоса высокого давления, компрессора и турбокомпрессоров.
Система смазывания включает в себя масляный насос, картер масляный, фильтр очистки масла, водомаслянный теплообменник, масляные каналы в блоке и головках цилиндров, передней крышке и картере маховика, наружные маслопроводы, маслозаливную горловину, клапаны для обеспечения нормальной системы и контрольные приборы.
Масло из масляного картера через маслоприемник поступает в масляный насос; из нагнетающей секции через канал в правой стенке блока цилиндра оно подается в фильтр очистки масла, где очищается фильтрующими элементами. Далее оно попадает через водомасляный теплообменник в главную масляную магистраль, откуда по каналам в блоке и головках цилиндров направляется к коренным подшипникам коленчатого вала, форсункам охлаждения поршней, втулкам коромысел и верхним наконечникам штанг толкателей. К шатунным подшипникам коленчатого вала масло подается по отверстиям внутри вала от ближайшей коренной шейки. Через каналы в задней стенке блока цилиндров и картере маховика масло под давлением поступает к подшипникам: компрессора топливного насоса и турбокомпрессоров, через каналы в передней стенке блока - к подшипникам топливного насоса высокого давления. Предусмотрен отбор масла из главной магистрали для подачи к включателю гидромуфты.
Масляный насос подает масло в главную масляную магистраль двигателя. В корпусе насоса установлены редукционный и дифференциальный клапаны. Редукционный клапан предназначен для ограничения максимального давления на выходе из насоса, отрегулированный на давление открытия 0,85 ..0,89 МПа [51].
Дифференциальный клапан, срабатывающий при давлении 0,4...0,45 МПа, предназначенный для ограничения давления в главной масляной магистрали. Фильтр масляный состоит из двух колпаков, в которых установлены полнопоточный и частично-поточный фильтроэлементы. В корпусе фильтра также расположен перепускной клапан, перепускающий неочищенное масло в главную магистраль, минуя фильтрующий элемент, при низкой темпера туре масла или значительном засорении фильтрующих элементов при перепадах давления на элементах 0,25...0,30 МПа [ 51 ]. Очистка масла в фильтре комбинированная. Через полно-поточный фильтроэлемент проходит основной поток масла перед поступлением к потребителям, тонкость очистки масла при этом составляет 40 мкм. Через частично-поточный фильтроэлемент проходит 3-5 л/мин [51], где удаляются примеси размерами более 5 мкм. Из частично-поточного элемента масло сливается в картер. При такой схеме достигается высокая степень очистки масла от примесей.
Водомасляный теплообменник кожухотрубного типа, сборный. Внутри трубок проходит охлаждающая жидкость из системы охлаждения двигателя, снаружи - масло. Для лучшего охлаждения внутренняя поверхность трубки имеет ребристую поверхность. Поток масла в теплообменнике четыре раза пересекает трубки с водой, чем достигается высокая эффективность охлаждения масла.
Смазочная система дизеля «Штайр М14ТС» (см. рис. 1.2) работает следующим образом.
Масло из масляного картера поступает в масло прием ник 2 и масляным насосом 3 по наружным трубопроводам подается в масляный фильтр 5 жидкостно-масляный теплообменник 7 и главную магистраль 8 смазочной системы.
В корпусе масляного насоса установлен редукционный клапан 4 который поддерживает определенное давление в смазочной системе; в корпусе масляного фильтра - перепускной клапан 6, задача которого -перепускать масло мимо фильтрующего элемента при его повышенном сопротивлении.
Из главной магистрали масло по внутренним каналам направляется к коренным 14 и шатунным 15 подшипникам коленчатого вала 16, оси коромысел 17, форсункам охлаждения поршней 13, а по наружным трубопроводам - к турбокомпрессору 9 и вакуумному насосу 10.
Расчёт вероятных режимов и условий разрыва масляного потока к шатунным подшипникам
Изменение режима работы двигателя влияет на величину и направление нагрузки а, следовательно, на место наибольшего зазора. Поэтому в некоторых случаях делают не одно, а два и даже три маслоподводящих отверстия. В отечественных карбюраторных двигателях для подачи масла в шатунный подшипник коленчатого вала выполняется в основном одно отверстие (ЗИЛ-130, ЗМЗ-53, ЗМЗ-24, ЗИЛ-375); в дизельных двигателях ЯМЗ-236, 238;
КамАЗ-740 два; расположение противоположно друг другу. Исследователями НАМИ [25] установлено, что для каждого режима работы шатунного подшипника имеется свое оптимальное расположение отверстия подвода масла в шатунный подшипник. При таком расположении входного канала повышается расход масла через шатунный подшипник до 3,5 раз и снижается номинальная температура подшипника до 18С. Это обуславливает повышение долговечности шатунных подшипников коленчатого вала на 30% [25]. Аналогичные результаты приводятся Буравцевым С.К. в работе [16].
Коленчатые валы большинства отечественных двигателей, имеют центробежные ловушки в шатунных шейках. Эти ловушки используют для центробежной очистки масла. Однако, помимо положительных сторон в снижении износа шатунных шеек и вкладышей центробежные ловушки имеют и отрицательные. В эксплуатации возможно закупоривание отверстия на входе в шатунный подшипник при недостаточной очистке грязеуловителей и, как следствие, задир шатунных подшипников. При работе на маслах низкого качества и неэффективной его очистке в двигателе, скорость загрязнения центробежных ловушек может быть очень высокой, что сказывается на расходе масла через подшипники и их надежности. В современных зарубежных двигателях ловушки в шатунных шейках встречаются редко [25].
К шатунному подшипнику масло подводится от коренного подшипника через сверления в коренных шейках непрерывно или пульсационно за одну половину оборота коленчатого вала. При непрерывной подаче масла кольцевая канавка во вкладышах коренного подшипника выполняется по всей окружности (ЗМЗ-53, ЗИЛ-130) или при полукольцевой канавки выполняется сквозное отверстие в коренной шейке коленвала (ЯМЗ-236, ЯМЗ-238, КамАЗ-740) с двумя противоположными отверстиями для входа масла. Исследованиями [25] установлено, что толщина масляной пленки в нижнем коренном вкладыше без канавки больше, чем с канавкой, поэтому на двигателе ЗМЗ-53 маслоподводящая канавка в нижнем коренном вкладыше была устранена.
Для надежной работы шатунных подшипников существенное значение имеет место размещения маслозаборного отверстия в коренной шейке. В двигателях ГАЗ-51 удалось исключить задир шеек коленвала переносом маслозаборных отверстий в коренных шейках в нагруженную зону, то есть в зону больших давлений [26]. По данным Горьковского автомобильного завода, при работе двигателя ГАЗ-51 на повышенных оборотах и малых нагрузках коленчатый вал испытывает упругий прогиб по всем четырем коренным шейкам, направленный в сторону кривошипов. При этом, со стороны противовесов наблюдаются увеличенные зазоры и малые давления в кольцевой канавке, с той стороны, где расположены маслозаборные отверстия каналов для подачи масла к шатунным подшипникам. Величины этих давлений оказываются недостаточными для нагнетания необходимого количества масла в шатунные подшипники.
Расположение канала подвода масла в шатунный подшипник обуславливает в значительной степени давление масла на входе в шатунный подшипник исходя из учета действия центробежной силы в маслоканале. По данным А. Шиллинга [И4], приращение давления масла от действия центробежной силы где ум - удельный вес масла гс/см ; со - угловая скорость вращения коленвала, с" ; г - расстояние от оси коленвала до отверстия на входе в шатунный подшипник, см.; g- ускорение силы тяжести.
Если АРц/б превышает давление на входе в канал подвода, то возможен разрыв потока, что снижает надежность работы шатунного подшипника. А. Шиллинг [114] исследовал пять наиболее характерных способов подвода масла в шатунный подшипник с учетом характеристик давления в масло системе и геометрических параметров коленчатых валов. За критерий снижения надежности принимается пересечение характеристики давления в системе смазки по оборотам и приращения давлений от действия центробежных сил на входе в шатунный подшипник по оборотам (рис. 1.4). Если точка пересечения находится в рабочем диапазоне, то может наступить разрыв потока в канале подвода.
Как показали исследования [10, 24, 25, 46, 48] изменение давления в системе смазки многих двигателей в процессе эксплуатации описывается экспоненциальной зависимостью где Р0 - давление в конце приработка, приведенное к началу эксплуатации; Ьр - экспериментальный параметр; і - наработка.
Результаты математической обработки экспериментальных статистических данных по зависимости (1.28) приведены в таблице 1.2, а сами зависимости частично на рис. 1.5.
Из рис. 1.5 и таблицы 1,2 видно, что в начале эксплуатации давление в системе смазки двигателей КамАЗ-740 в 1,5 - 1,6 раз на номинальном режиме и в 1,2 - 1,4 раза на ребжиме холостого хода ниже, чем двигателей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238. Однако номинальная частота вращения коленчатого вала двигателей КамАЗ-740 выше в 1,24 раза, чем у двигателей ЯМЗ. Интенсивность снижения давления масла в процессе эксплуатации, судя по коэффициенту «Ь» по двигателям КамАЗ-740 на номинальном режиме также выше, чем у ЯМЗ-236 в 1,2 раза.
Методика определения неразрывности и постоянства подвода масла к шатунным подшипникам
Неразрывность потока оценивали визуально по истечению масла из зондирующих трубок. В канал подвода масла непосредственно в зоне шатунного подшипника вставлены трубки, выходящие через носок коленчатого вала в переднюю часть двигателя с выходом по оси наружу. Третья трубка установлена внутри полости центробежной ловушки в точке, наиболее близкой к оси вращения, и также выведена по оси наружу двигателя.
К передней части двигателя крепится колба индикатора неразрывности потока жидкости (рис.3.3), в которую входят эти трубки.
В нижней части колбы имеется отверстие для слива, поступающего масла. В масляном насосе двигателя жестко заблокированы в постоянно закрытом положении дифференциальный и предохранительный клапаны. Это необходимо, чтобы давление масла, подаваемое насосом, не было строго фиксированным, и регулирование давления масла обеспечивалось принудительно оператором через канал слива.
В масляном фильтре убран предохранительный клапан, а вместо него ввернут штуцер, к которому подсоединен кран. К выходному отверстию крана подсоединен один конец маслопровода, а другой конец маслопровода подсоединен к штуцеру, установленному вместо заглушки в поддон двигателя. Посредством крана и стендового манометра регулируется давление масла в масляной системе двигателя. Открывая кран, уменьшали давление масла в системе, закрывая кран, увеличивали давление.
Двигатель КамАЗ-7408 устанавливали на испытательный стенд фирмы «AVL», с гидротормозом фирмы «SCHENCK». Испытательный стенд укомплектован необходимым оборудованием и приборами, точность которых соответствует требованиям ГОСТ 14846.
Все приборы испытательного стенда установленные на установку аттестованы и тарированы.
Далее запускали двигатель, предварительно открыв кран, регулирующий давление масла в системе до конца, визуально определяли по следам масла на колбе индикатора неразрывности потока жидкости истечение масла из трубок. Увеличивая частоту вращения коленчатого вала двигателя и регулируя давление масла в системе, визуально оценивали по 3-х бальной шкале истечение масла из трубок. Когда истечение масла из трубок сильное, след на колбе постоянный и сплошной, то давали ему оценку в 3 балла. Истечение жидкости слабое, след на колбе узкий - 2 балла. Истечение жидкости прерывистое, след на колбе прозрачный, получаемый из отдельных капель - 1 балл; при отсутствии истечения жидкости - 0 баллов.
Уменьшая давление масла краном, в процессе эксперимента находили такое давление масла, при котором на определенном скоростном режиме двигателя и при определенной нагрузке, истечение жидкости из трубок полностью прекратится, то есть получили те критические режимы, при которых шатунные вкладыши испытывают масляное голодание.
Влияние давления в системе смазки на режимы пульсации потока масла к шатунным подшипникам
Расход масла через шатунные подшипники зависит от давления в кольцевом канале коренного подшипника (точка 1 рис. 2.1). Поэтому представляет интерес на сколько давление в точке 1 снижается относительно давления по манометру автомобиля, измеренного на полно-поточном фильтре (в области очищенного масла).
Приведенные условия увеличения теплового потока через вкладыш могут возникать в эксплуатации из-за снижения давления в системе смазки.
Статистические данные [46], собранные в процессе эксплуатации автомобилей КамАЗ показывают, что давление в системе смазки снижается более чем в два раза (рис. 1.5) и на номинальном режиме при n = 2600 мин" составляет 0,2 - 0,3 МПа.
По изменению геометрической формы вкладышей на заводе двигателей проводились исследования ранее, материалы изложены в работах [1, 2, 3, 5].
В настоящее время наибольший интерес представляет экспериментальное доказательство высказанных предложений о необходимости увеличения давления и расхода масла через зазоры шатунного вкладыша. При этом следует объяснить, с точки зрения смазки, существующую неравномерность частоты случаев проворачивания по номерам цилиндров; причины снижения давления в системе смазки в процессе эксплуатации; подтвердить существование разрыва потока масла, подводимого к шатунным подшипниками, найти критические режимы смазки шатунных подшипников. Необходимо также провести исследования распределения расхода масла по потребителям (составление баланса по потребителям), обратив особое внимание на обеспеченность расходом масла шатунных подшипников и его равномерного распределения по цилиндрам; уточнить зону износа реальных коленчатых валов (бывших в эксплуатации) и сравнить их с расчетными данными (Рис. 4.3.). Рис. 4.3. Схема распределения масла по потребителям. 1,2,3,4,5,.6,7,8 - головки цилиндров; 9,10,11,12,13 - опорные подшипники распредвала.; 14 - гидромуфта; 15- ТНВД; 16 - компрессор; 1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 - номера шатунных подшипников; Рь Рг» Рз Р4, Ps давление в коренных подшипниках. Для определения влияния на потери давления частоты вращения и различных величин давления с полно-поточного фильтра сделан регулируемый при помощи крана слив, что дает возможность на одних оборотах устанавливать различное давление , Проведённые по приведённой методике измерения позволили определить давление масла в различных частях системы смазки (табл. 4,1). Поскольку, в процессе эксплуатации давление в системе смазки двигателя снижается, произведена проверка давления в кольцевых каналах при различных уровнях давления в системе на различных оборотах с нагрузкой. Результаты представлены в табл. 4.2. Из приведенных данных следует: - давление в кольцевых каналах коренных опор значительно ниже, чем по штатному манометру: в среднем 74% на холостом ходу, 67% - с нагрузкой; - потери давления до главного масляного канала (точка в районе первой коренной опоры) незначительны и составляют 3% на холостом ходу, 8% с нагрузкой; - величина потерь давления определяется в основном давлением в системе смазки и от частоты вращения зависит слабо; - наиболее низкие давления по сравнению с остальными имеют вторая и четвертая опоры во всем диапазоне давлений и частоты вращения; - незначительная неравномерность давлений по опорам (менее 10%) свидетельствуют о равномерной загрузке опор потребителями. Существующая разница давлений может сказаться на смазке шатунных подшипников и их проворачивании лишь наряду с действием других факторов (конструктивные отличия в подводе масла от коренной опоры в зазор шатунного подшипника, колебательных процессов в потоке масла и других).
Смазка шатунных подшипников зависит от давления в точке 3 (рис. 2.1). До этой точки кроме определенных выше суммарных потерь давления до входа масла в коленчатый вал есть потери, обусловленные действием центробежных сил в канале коленчатого вала.
Определим величину этих потерь. Для этого из точки 6 сделан вывод по оси коленвала наружу (рис. 4.4), Отсутствие истечения из трубок говорит о том, что давление в точке 6 отсутствует.
