Расчетно-экспериментальная методика оценки режимов нагружения автомобильных двигателей по переходному смазочному процессу в коренных подшипниках

Долговечность автомобильных двигателей формируется при проектировании, изготовлении и реализуется в эксплуатации. Вопросы повышения долговечности этих изделий на стадии эксплуатации освещены в большом количестве научных исследований /9, 18, 21, 24, 29, 31, 32, 35, 59, 64, 96/, а их результаты широко применены на практике. Вместе с тем, для ресурсов трущихся деталей автомобильных двигателей характерны существенный разброс (коэффициенты вариации 0,35.0,66) /68/ и значительное недоиспользование /19, 31, 32, 45/ - до 90%. Поэтому, в этом направлении имеются существенные резервы. Основой для их активизации может послужить развитие системы управления автомобильным двигателем и автомобилем в целом за счет углубления знаний о физических процессах, определяющих долговечность.

Анализ эксплуатационной надежности автомобильного двигателя как механической системы указывает на ряд подвижных сопряжений, ограничивающих ресурс в наибольшей степени. К ним могут быть отнесены коренные подшипники. Их ресурс составляет около 35 — 45% от ресурса блока цилиндров и определяется износостойкостью трущихся поверхностей, поскольку изнашивание является наиболее значимым повреждающим процессом, которое в подавляющей степени происходит во время выполнения автомобилем работы по назначению. Обеспечению высокой износостойкости коренных подшипников уделяется внимание на стадиях их проектирования, изготовления и эксплуатации (рис.1). При этом особое внимание следует уделять выбору режимов нагружения двигателя в эксплуатации, поскольку они определяют действующие значения кинематических и динамических потоков в коренных подшипниках, а от этого зависит интенсивность изнашивания, и, в конечном итоге, скорость расходования ресурса.

Подшипники скольжения, содержащие смазочный материал, работают в условиях переходного смазочного процесса, состоящего в чередующихся.

Рисунок 1 — Методы повышения износостойкости коренных подшипников к во времени различных способах контактирования трущихся поверхностей и вносящих различный (до 13 порядков) вклад в интенсивность изнашивания. Поэтому оценку нагруженности коренных подшипников с позиции минимизации изнашивания целесообразно базировать на использовании положений переходного смазочного процесса. К настоящему времени применение такого подхода к повышению долговечности автомобильных двигателей в эксплуатации не получило должного развития из-за отсутствия соответствующей методики. В этой связи тема диссертации по разработке методики оценки режимов нагружения автомобильных двигателей по переходному смазочному процессу в коренных подшипниках является актуальной.

Решению этой проблемы посвящена диссертационная работа, которая выполнена в соответствии с намеченными этапами исследования (рис. 2). Работа выполнена в рамках научно-исследовательской работы «Управление качеством подшипников скольжения автомобильных двигателей по параметрам смазочного слоя» (№ Г. Р. 1 960 006 257), проводимой на кафедре автомобильного транспорта Оренбургского государственного университета.

Объектом исследования служил переходный смазочный процесс в коренных подшипниках автомобильных двигателей, предметом — оценка данного процесса по параметру Рж продолжительности существования смазочного слоя.

В диссертационной работе использовались следующие методы и теории исследования: численные методыметод регрессионного анализаалгоритмизация, программирование и имитационное моделирование на ЭВМтеория автомобильных двигателейтеория трения, изнашивания и смазкитеория вероятностей и математической статистикисистемный анализтеория математического планирования эксперимента.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась методологической базой исследованияпроведением вычислительного и лабораторного экспериментов с использованием ЭВМ.

Научной новизной считается:

Рисунок 2 — Этапы исследования.

— математическая модель оценки переходного смазочного процесса в коренных подшипниках автомобильного двигателя, где качество протекания процесса описано нетрадиционным параметром Рж, использована гипотеза о тождественности физического смысла параметра Рж средней вероятности неразрушения смазочного слоя за рабочий цикл двигателя и учтены как детерминированные, так и случайные составляющие определяющих Рж факторов;

— расчетная и экспериментальная методики оценки режимов нагруже-ния автомобильного двигателя, отличающиеся тем, что оценка проводится по значению параметра Рж в отдельных коренных подшипниках;

— экспериментальные зависимости параметра Рж в коренных подшипниках от нагрузочно-скоростного режима двигателя;

— теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение использования суммарного параметра Ржсум для определения значения параметра Рж в коренных подшипниках;

— решение задачи оптимизации режимов нагружения автомобильного двигателя с использованием параметра Рж в коренных подшипниках в качестве параметра оптимизации.

Теоретическая значимость работы заключена в том, что основные положения и результаты исследования могут стать теоретической основой для новых исследований, направленных на оценку ПСП в гидродинамических подшипниках скольжения различных механизмов и машин.

На защиту выносятся следующие положения:

— математическая модель оценки переходного смазочного процесса в коренных подшипниках по параметру Рж.

— расчетная и экспериментальная методики оценки режимов нагружения автомобильного двигателя по параметру Рж в коренных подшипниках;

— теоретический подход и экспериментальная методика оценки переходного смазочного процесса в коренных подшипниках по суммарному параметру Ржум.

— использование методики для повышения долговечности автомобильного двигателя за счет оптимизации режимов их нагружения в эксплуатации.

Практическая ценность состоит в том, что разработанные методики и программы могут быть использованы для получения информации о закономерностях смазочного процесса в парах трения и направлены на:

— оптимизацию конструктивных, технологических и эксплуатационных параметров автомобильных двигателей;

— оптимизацию режимов обкатки автомобильных двигателей и оценку качества приработки коренных подшипников;

— разработку новых конструктивных и технологических решений для коренных подшипников и свойств моторных масел;

— диагностирование технического состояния и оценку остаточного ресурса коренных подшипников;

— повышение уровня знаний и качества подготовки специалистов в высших учебных заведениях.

Методика использована для определения оптимальных режимов нагружения двигателей автобусов JIA3−695H и ПАЭ-3205 на автотранспортных предприятиях г. Оренбурга — ЗАО «Автоколонна 1825» и МУППА-3. Кроме того, основные положения работы включены в учебный процесс освоения специальных дисциплин «Автомобильные двигатели» и «Основы триботехники» на транспортном факультете ОГУ.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса, определены цель и задачи исследования.

Решениям задач оптимизации конструктивных, технологических и эксплуатационных параметров двигателей внутреннего сгорания по условиям смазки подшипников коленчатых валов посвящены работы М.В. Коровчин-ского, H.A. Буше, А. И. Володина, М. А. Григорьева, А. К. Дъячкова, И. А. Жарова, С. М. Захарова, В. А. Зорина, А. Д. Изотова, И. И. Карасика, Б.Ф. Норму-хамедова, И. Л. Пиранера, В. Н. Прокопьева, В. В. Рапина, Ю. В. Рождественского, И. Я. Токаря, И. М. Цоя, В. Ф. Эрдмана и др.

Вместе с тем, результаты экспериментальных исследований условий смазки стационарно — нагруженных подшипников скольжения, полученные H.H. Якуниным, показывают о перспективности рассмотрения условий смазки подшипников с нетрадиционных позиций переходного смазочного процесса. При описании качества протекания процесса использован параметр Рж, характеризующий относительную продолжительность существования смазочного слоя. Использование положений переходного смазочного процесса в коренных подшипниках для повышения долговечности автомобильных двигателей в эксплуатации сдерживается недостатком в соответствующей методике. Для ее разработки проведен анализ состояния вопроса и отмечены следующие основные моменты.

Во-первых, математические модели, описывающие переходный смазочный процесс, нуждаются в совершенствовании в направлении учета как наиболее значимых факторов, так и случайного разброса их параметров в эксплуатации автомобильного двигателя.

Во-вторых, оценка переходного смазочного процесса, в том числе по параметру Рж, существующими расчетными методиками сопряжено с трудоемкими решениями. Поэтому, на первом этапе разработки метода расчета параметра Рж принята концепция его формирования с позиций соотношения внешней нагрузки на смазочный слой и предельной несущей способности смазочного слоя, для определения которых целесообразно воспользоваться традиционными упрощенными методами как динамического расчета криво-шипно — шатунного механизма двигателя с рассмотрением коленчатого вала как абсолютно жесткой разрезной балки, так и гидродинамического расчета радиального стационарно — нагруженного подшипника скольжения.

В третьих, разработка нового экспериментального метода, позволяющего с высокой достоверностью в реальном времени оценивать переходный смазочный процесс в отдельных коренных подшипниках не только лабораторных двигателей, но и обычных, может быть основана на электрофизических методах, о достоинствах и перспективности которых отмечено в литературе. Приняты во внимание для совершенствования методы определения параметра Рж в подшипнике автоматизированной системой (работы проф. Р. Т. Абдрашитова, H.H. Якунина) и оценки условий смазки совокупности пар трения реального двигателя по параметру, аналогичному суммарному параметру />Ж°'Л| (работы В.В. Рапина).

И, наконец, в четвертых, на этапе эксплуатации снижение интенсивности изнашивания коренных подшипников может быть достигнуто нагруже-нием двигателя в оптимальных диапазонах частоты вращения я коленчатого вала и среднего эффективного крутящего момента Мна коленчатом валу, при которых в каждом подшипнике параметр /V имеет значение не меньше допускаемого Рж, доп = 0,95 как традиционно используемой доверительной вероятности.

На основании изложенного сформулированы цель и задачи исследования. Цель работы: повышение долговечности автомобильных двигателей за счет оптимизации режимов их нагружения в эксплуатации по переходному смазочному процессу в коренных подшипниках. В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи исследования:

— разработать математическую модель оценки переходного смазочного процесса в коренных подшипниках по параметру Рж;

— разработать алгоритм расчетной оценки режимов нагружения автомобильного двигателя по параметру Рж в коренных подшипниках;

— теоретически обосновать определение Рж в коренных подшипниках по суммарному параметру Ржсум двигателя;

— разработать экспериментальную методику оценки режимов нагружения автомобильного двигателя по параметру Рж в коренных подшипниках;

— экспериментально проверить теоретические положения;

— определить оптимальные режимы нагружения автомобильного двигателя и автотранспортного средства по параметру Рж в коренных подшипниках;

— оценить эффективность предлагаемой методики.

Вторая глава посвящена теоретическому подходу к расчетной и экспериментальной оценкам переходного смазочного процесса в коренных подшипниках.

Описана математическая модель параметра Рж с позиций детермини-рованно — случайного характера смазочного процесса. Выдвинута гипотеза о том, что физическому смыслу параметра Рж соответствует средняя вероятность неразрушения смазочного слоя за рабочий цикл двигателя. Вероятность Р неразрушения определена из условия прочности смазочного слоя соотношением внешней нагрузки N на смазочный слой и предельной несущей способности смазочного слоя Ыж при допущении, что плотности распределения N и Ыж (а также обуславливающих их факторов) подчинены нормальному закону.

Математическое ожидание Ыж определено при гидродинамическом расчете стационарно — нагруженного подшипника, а среднеквадратическое отклонение рассчитано через коэффициенты вариации определяющих Ыж факторов. Величина математического ожидания N определена при динамическом расчете кривошипно-шатунного механизма, а его среднеквадратическое отклонение — через задаваемый коэффициент вариации из — за сложности учета возможных причин, например, дополнительного нагружения вследствие биений осей коренных шеек и постелей.

На основе математической модели разработан алгоритм расчетной оценки режимов нагружения автомобильного двигателя по параметру Рж в коренных подшипниках. В качестве объекта исследования выбраны коренные подшипники четырехцилиндрового двигателя МЗМА-412 легкового автомобиля и разработана программа РОКОЯ расчетной оценки режимов его нагружения по параметру Рж в подшипниках.

При теоретическом обосновании определения параметра Рж в отдельном коренном подшипнике по суммарному параметру Ржсум рассмотрена эквивалентная электрическая схема двигателя МЗМА-412. Анализируя условия прохождения электрического тока через пары трения при подводе питающего напряжения между коленчатым валом и блоком цилиндров установлено, что между параметром Рж в Том коренном подшипнике и Ржсум возможна функциональная связь, т. е. Рж, к. пл —fi (PJyM) ¦

В третьей главе описана экспериментальная методика оценки режимов нагружения автомобильного двигателя по переходному смазочному процессу в коренных подшипниках.

Для проверки выдвинутых теоретических положений при экспериментальных исследованиях замерялись параметры Рж.к.пл и Ржсум на подготовленном двигателе МЗМА-412 усовершенствованной автоматизированной системой оценки параметра Рж. При непосредственном участии автора были разработаны устройство сопряжения системы с компьютером и программное обеспечение. Нагружение двигателя осуществлялось на обкаточно-тормозном стенде (модели КИ-5543) по двухфакторному плану эксперимента (применен план с размещением опытов в вершинах и центре шестиугольника). Целью планирования эксперимента явилось получение регрессионных моделей квадратичного вида средних значений параметров Рж. кмл и Ржсум от крутящего момента М и частоты вращения п. Для возможности замера параметра Рж в отдельном коренном подшипнике они были электрически изолированы от блока цилиндров, что являлось новизной по сравнению с методом-прототипом.

В четвертой главе проведен анализ результатов экспериментальной проверки теоретических положений.

На стабильном уровне параметров проведен регрессионный анализ моделей, для получения которых автором составлена программа REGRESS. С использованием полученных моделей установлено, что опытные данные согласуются с расчетными значениями параметра Рж.к."л. в рассматриваемом факторном поле с погрешностью не более 10% при доверительной вероятности 0,95. Исходными данными для расчета служили монтажные диаметральные зазоры в подшипниках, наблюдаемые при проведении опытов средние значения температуры и давления подачи масла, принятые после анализа литературных источников среднее значение критической толщины смазочного слоя и коэффициенты вариации параметров. Подтверждены теоретические положения о возможности определения параметра Рж. кп в отдельном коренном подшипнике двигателя по параметру Ржсум — получены аппроксимирующие функции.

В пятой главе представлено использование разработанной расчетно-экспериментальной методики для повышения долговечности автомобильного двигателя за счет оптимизации режимов его нагружения и автотранспортного средства по параметру Рж в коренных подшипниках.

Результаты расчета показывают, что общая для всех подшипников оптимальная область О существенно ограничена и находится в зоне невысоких значений Ми п. В реальных условиях эксплуатации, оптимизация проводится по суммарному параметру Ржум. Расчетные и экспериментальные оптимальные области нагружения близко расположены в координатном поле Мп. Интенсивность изнашивания коренных подшипников в условиях оптимизации режимов нагружения снижается за счет увеличения среднеэксплуата-ционных значений параметра Рж в подшипниках.

Для практического применения результатов работы расчетом получены диаграммы диапазонов оптимальных скоростей движения автобуса ЛАЗ-695Н на каждой передаче при различной степени загрузки автобуса Сзаг с учетом технического состояния коренных подшипников. Эффективность от внедрения оптимизации режимов нагружения 279 автобусов ЛАЗ-695Н и ПАЗ-3205 (на примере АТП ЗАО «Автоколонна 1825») ориентировочно составила 193 300 руб в год, и достигнута за счет уменьшения количества капитальных ремонтов двигателей вследствие увеличения из ресурса на 15−25%.

В приложениях представлены описания разработанных программ, протоколы испытаний, коэффициенты аппроксимирующих функций, результаты согласования результатов расчетной методики с экспериментальной, данные по оптимальным диапазонам скоростей движения автобуса, акты внедрения результатов диссертации.

Основные выводы по работе:

1) разработанная расчетно-экспериментальная методика основана на оценке режимов нагружения автомобильных двигателей по переходному смазочному процессу в коренных подшипниках и направлена на создание условий, минимизирующих интенсивность изнашивания подшипников в эксплуатации;

2) предложенная математическая модель позволяет оценивать переходный смазочный процесс в произвольно нагруженных опорных гидродинамических подшипниках скольжения;

3) оценка адекватности расчетной методики показала эффективность используемых теоретических положений. Методика может использоваться на стадиях проектирования и эксплуатации автомобильных двигателей для оптимизации конструктивных, технологических и эксплуатационных параметров;

4) экспериментальная методика открывает перспективы исследования закономерностей переходного смазочного процесса в коренных подшипниках как непосредственным замером параметра Рж в изолированных подшипниках, так и косвенным — по параметру Ржсум. На основе параметра Ржсум возможно создание систем автоматизированного управления с непрерывным контролем и прогнозированием технического состояния подшипников, оптимизацией эксплуатационного нагружения, контролем и управлением процессом приработки автомобильного двигателя;

5) повышение долговечности коренных подшипников обусловлено оптимизацией режимов нагружения двигателя при увеличении среднеэксплуатационного значения параметра Рж. Экономическая эффективность от внедрения разработанной методики достигается за счет увеличения среднего ресурса автомобильных двигателей на 15−25%.