Введение к работе
Актуальность темы. Установлено, что 85... 90 % машин выходят из строя в результате изнашивания деталей. Известно, что из общих затрат, связанных с техническим обслуживанием при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (ДВС), около 43 % приходится на детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Процесс изнашивания деталей ЦПГ и затраты на обслуживание двигателей воздушного охлаждения (ДВО) колёсных и гусеничных машин в полной мере сопоставимы с отмеченными затратами. По данным отечественных и зарубежных ученых, стабильное поддержание теплового состояния ДВС, обеспечивающего минимальное изнашивание деталей ЦПГ, позволяет экономить топливо на 3 %, предотвратить падение мощности на 2 % и снизить износ деталей ЦПГ на 10.. .40 %, т. е. существует резерв улучшения эффективных показателей и повышения безотказности, долговечности двигателей.
В связи с этим актуальность научно-технической проблемы - обеспечение безопасного интервала температур деталей ЦПГ ДВО в различных условиях эксплуатации - объясняется наличием следующих противоречий.
-
Противоречие между необходимостью улучшения эффективных показателей, повышения безотказности, долговечности ДВО и существующей вероятностью перегрева деталей ЦПГ, особенно при их работе в условиях предельных рабочих температур окружающего воздуха и перегрузках.
-
Противоречие между наличием новых способов и устройств организации движения теплоносителя через проточную часть системы охлаждения, в частности, вентилятора с радиально-осевым входным устройством (РОВУ), охладителей наддувочного воздуха (ОНВ), и несовершенством традиционных методов проектирования систем, связанных с обеспечением безопасного теплового состояния ДВО.
Традиционные методы проектирования систем, связанных с обеспечением безопасного теплового состояния ДВО, не учитывают возросшую степень сложности систем и возможности системного подхода к определению геометрических, аэродинамических параметров в системах, подсистемах, элементах воздушного тракта.
Цель работы. Разработать основы проектирования систем охлаждения, обеспечивающих безопасную температуру деталей ЦПГ двигателей применительно к различным климатическим условиям использования на основе современных знаний о процессах тепловыделения, теплообмена и регулирования, анализа динамических особенностей течения охлаждающего воздуха и результатов экспериментальных исследований
Основы проектирования систем охлаждения, обеспечивающих безопасную температуру деталей ЦПГ двигателей применительно к различным климатическим условиям использования, могут быть разработаны на базе гипотезы - концепции формирования исходных параметров и системный подход к решению проблемы. {Безопасная температура - это температура деталей ЦПГ, которая в процессе эксплуатации ДВО не вызывает нарушения их работоспособности (отказа) в течение заданного времени или срока службы).
Реализация поставленной цели и предложенная гипотеза предопределили решение следующих задач.
1. Разработать концепцию формирования исходных параметров для определения
поверхностей оребрения цилиндров, головок цилиндров и проектирования системы охлаждения ДВО в целом, для чего:
определить влияние температуры окружающей среды toc на температуру характерных точек деталей ЦПГ 1;цпг;
обосновать дифференцированный подход к выбору температуры окружающего воздуха в качестве исходного параметра;
выявить влияние относительного значения нагрузки двигателей, соответствующей номинальной (расчётной) частоте вращения коленчатого вала, на температуру характерных точек деталей ЦПГ. Полученная зависимость позволит определять температуру характерных точек деталей ЦПГ в процессе расчёта рабочего цикла ДВО;
установить закономерность связи точки росы продуктов сгорания (паров воды и серной кислоты) с давлением газов в цилиндре и содержанием воды в них, по которой в процессе расчёта рабочего цикла ДВО определяются границы критических и предельных температур деталей ЦПГ в зависимости от максимального давления газов;
обосновать необходимость разработки и ввода системы автоматического регулирования температурного состояния (САРТС) деталей ЦПГ по нижнему пределу.
2. Разработать методологию основ проектирования систем, обеспечивающих от
вод необходимого количества теплоты и безопасную температуру деталей ЦПГ в
различных условиях эксплуатации ДВО путём совершенствования геометрических
параметров и аэродинамических характеристик, для чего:
на базе теории промышленной аэродинамики и системного подхода разработать универсальную расчётно-экспериментальную методику для определения аэродинамической характеристики воздушного тракта любой степени сложности.
установить закономерность связи геометрических и аэродинамических параметров в РОВУ, разработать математическую зависимость на основе теории планирования и проведения факторного эксперимента, реализуемую при выборе габаритов, профиля осесимметричного канала и определения КПД вентилятора;
из условия постоянства полного давления, а также линейного изменения площади канала вдоль потока, разработать основы проектирования проточной части ради-ально-осевого осесимметричного канала, обладающего минимальными аэродинамическими потерями.
в результате исследований разработать основы проектирования и аэродинамического расчёта вентилятора с радиально - осевым входом потока теплоносителя, обеспечив повышение его КПД.
с целью обеспечения согласования характеристик воздушного тракта и вентилятора создать универсальные расчётно-экспериментальные методики расчёта, проектирования и оценки эффективности системы охлаждения с учётом новых способов и устройств организации движения охлаждающего воздуха вдоль тракта (в частности, использования вентиляторов с радиалъно-осевым входным устройством, ОНВ), базируясь на теории промышленной аэродинамики и системном подходе.
-
В процессе исследований выявить новые признаки и дополнить существующую классификацию воздушных трактов ДВО.
-
Разработать алгоритмы и пакет программ для расчёта и проектирования систем, связанных с обеспечением безопасного температурного состояния ДВО.
Объектом исследования являются аэродинамические процессы в системах ох-
лаждения и подсистемах (воздушный тракт, охладители, оребренные детали и их элементы, осевой вентилятор, в том числе с РОВУ), структура изотермического и неизотермического потока теплоносителя в элементах воздушного тракта разной степени сложности.
Предметом исследования являются закономерности взаимосвязей геометрических, аэродинамических параметров составных частей воздушного тракта и температура характерных точек деталей ЦПГ дизелей воздушного охлаждения 8ЧВН 15/16, 8ЧВ, 8ЧВН 12/12,5 и др.
Методы исследования (научного познания) базируются на системном подходе к решению задач, связанных с проектированием систем охлаждения ДВО. В теоретических исследованиях использовались основные положения теории ДВС и аэрогидродинамики; методы математического моделирования, математической статистики, численные методы решения линейных и нелинейных уравнений. Экспериментальные исследования проводились на натурных образцах двигателей, агрегатов, оребренных деталей и их элементов с использованием теории планирования эксперимента, корреляционного и регрессионного анализа экспериментальных данных.
Достоверность полученных результатов обоснована:
использованием апробированных методов исследования на основе законов аэрогидродинамики и опыта, накопленного учеными при изучении систем ДВС;
использованием теории математического планирования эксперимента, современного оборудования и средств измерений - приборов, прошедших сертификацию согласно стандарту;
строгостью математического аппарата, используемого в работе, разработанных методик, программ, проверкой расчетов с помощью персонального компьютера (ПК);
использованием методов математической статистики, корреляционного и регрессионного анализа при обработке экспериментальных данных с помощью ПК по разработанным программам "MNK. BAS" и "MNKOR. BAS";
исследованием погрешностей; хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных данных, а также их совпадением с результатами расчета и эксперимента других авторов.
На защиту выносятся следующие положения, составляющие научную новизну.
1. Концепция формирования исходных параметров для определения поверхностей
оребрения цилиндров, головок цилиндров и проектирования системы охлаждения
ДВО в целом, включающая основные составляющие:
выявленное влияние относительного значения нагрузки двигателей, соответствующей номинальной (расчётной) частоте вращения коленчатого вала, на температуру характерных точек деталей ЦПГ;
установленную закономерность связи точки росы паров воды и серной кислоты с давлением газов в цилиндре и содержанием воды в газах, выраженную в виде математических зависимостей;
обоснованную необходимость разработки и ввода САРТС деталей ЦПГ по нижнему пределу.
2. Методология основ проектирования систем, обеспечивающих отвод необходи
мого количества теплоты и безопасную температуру деталей ЦПГ в процессе экс
плуатации ДВО, включающая основные составные части:
универсальную расчётно-экспериментальную методику для определения аэродинамической характеристики воздушного тракта любой степени сложности, разработанную на базе теории промышленной аэродинамики и системного подхода;
математическую зависимость, разработанную в результате установления закономерности связи геометрических и аэродинамических параметров в РОВУ на основе теории планирования и проведения факторного эксперимента;
основы проектирования проточной части радиально-осевого осесимметричного канала, разработанные из условия постоянства полного давления, а также линейного изменения его площади вдоль потока, обладающего минимальными аэродинамическими потерями;
разработанные, в результате исследований, основы проектирования и аэродинамического расчёта вентилятора с радиально - осевым входом потока теплоносителя, обеспечив повышение его КПД.
3. Предложенные технические решения, новизна которых подтверждена двумя авторскими свидетельствами, одним патентом, одним положительным решением на предполагаемое изобретение и свидетельством на полезную модель.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Методы проектирования и методики расчёта, а также пакет программ, разработанные в процессе теоретических и экспериментальных исследований позволяют на стадии предпроектных и проектных исследований расчётным путём определить численные значения конструктивных параметров систем, связанных с охлаждением, которые обеспечивают безопасное тепловое состояние двигателей в различных условиях их эксплуатации.
Большое количество исходных данных, выраженных в виде графиков и таблиц, заменены одно и многофакторными зависимостями, которые позволяют создать программный продукт для ПК, обеспечивающий непрерывный процесс расчёта.
Всё это позволяет сократить время и материальные затраты на проведение опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ (ОК и НИР) при создании ДВО. Ускоряют процесс постановки ДВС на производство, освоения новых и совершенствования существующих двигателей, что является существенным вкладом в развитие экономики.
Полученные практические результаты исследовательской работы использовались и внедрены:
при создании и совершенствовании двигателей воздушного охлаждения типа ЧВН 15/16 (8ДВТ-330, 8ДВТ-400), на ВгМЗ, ЧВН 15/16 (8ДВТ-330, 8ДВТ-400 и 12ДВТ-500), на ЧТЗ, в ЧФ НАШ;
при выполнении ОК и НИР в процессе повышения технического уровня двигателей типа ЧВН 15/16, ЧН и ЧВН 12/12,5 и др. в ГАБТУ МО РФ, ООО НИИ АТТ, ФГУП 21 НИИИ МО РФ, ЧТЗ, ЧВВАКИУ, а также отдельных агрегатов, в ОАО "ШААЗ", ОАО "ПО АМЗ", ООО НИИКраностроения;
в учебном процессе ЧВВАКИУ, ОТИИ и РВАИ.
Отдельные результаты исследований реализованы на двигателе 8ДВТ-330.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались:
-на заседании кафедры "Тракторы и автомобили" Челябинского ордена Трудового Красного Знамени института механизации и электрификации сельского хозяйства (ЧИМЭСХ) (февраль 1989 г.); на кафедре ДВС Южно-Уральского государственного
университета - ЮУрГУ (г. Челябинск, апрель 1998 г., декабрь 2004 г., апрель 2007 г.); на расширенном заседании кафедры "Двигатели" ЧВВАКИУ (г. Челябинск, февраль 2007 г., 2008 г.); на 43-й научно-технической конференции Сибирского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожного института имени В.В. Куйбышева (г. Омск, февраль 1983 г.);
научно-технических конференциях "Повышение эффективности работы агрегатов мобильных сельскохозяйственных машин" (ЧИМЭСХ, г. Челябинск, февраль 1982 г., февраль 1987 г., март 1988 г.); "Повышение топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания" (Уральский Дом научно-технической пропаганды, г. Челябинск, ноябрь 1982 г.); "Актуальные проблемы формирования профессиональных мотивов и пути их решения" (Челябинский военный автомобильный институт им. Главного маршала бронетанковых войск П.А. Ротмистрова, 11 февраля 2000 г.); "XXV Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 60-летию Победы, РАН" (г. Миасс, Челябинской обл., июнь 2005 г.);
на всесоюзном научно-техническом семинаре "Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей" (ЛСХИ, г. Ленинград-Пушкин, январь 1989 г., март 1989 г., апрель 1990 г.);
международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения", посвященной 100-летию со дня рождения дважды героя социалистического труда конструктора танковых дизелей И.Я. Трашутина, ЮУрГУ, 26 - 28 апреля 2006 г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 66 научных работ общим объемом 26,96 печ. л., в их числе 18 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных высшей аттестационной комиссией (ВАК) для докторских диссертаций. Одна монография (в соавторстве, 15,5 печ. л.), четыре учебно-методических пособия (в соавторстве, общим объёмом 15,03 печ. л). Получены два авторских свидетельства, два патента на изобретение, одно положительное решение на предполагаемое изобретение и одно свидетельство на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 318 наименований и трёх приложений. Содержит всего 414 страницы текста, из них 117 рисунков, 39 таблиц, 12 актов внедрения результатов научно-исследовательской работы.
