Моделирование движения шатунной шейки вала в подшипнике с учётом деформации сопряжения «шатун — шатунный подшипник»

В общей проблеме повышения срока службы двигателей внутреннего сгорания первостепенное внимание уделяется подшипникам скольжения. И поэтому на всех этапах проектирования и доводки двигателя принимаемые проектные решения необходимо оценивать с учётом условий работы подшипников. В процессе создания новой конструкции выполняется большой объём расчётных и экспериментальных исследований по анализу работоспособности подшипниковых узлов.

Для двигателей внутреннего сгорания подшипники скольжения лимитируют работоспособность, долговечность и надёжность всей машины. Очевидно, что изменением некоторых конструктивных параметров, условий работы подшипника или улучшением его смазки удаётся повысить ресурс подшипника и всего изделия в целом.

В качестве подшипников коленчатых валов двигателей в подавляющем большинстве случаев используют гидродинамические подшипники скольжения. В подшипниках этого типа поверхности трения разделены тонким слоем смазки, передающим усилия от вала к опоре за счёт создания давления в масляном клине, возникающем при вынужденном течении вязкой смазки в зазоре. Если условия формирования слоя смазки таковы, что его несущая способность недостаточна для передачи усилий между валом и подшипником, режим трения становится граничным или возникает контакт между поверхностями трения. Нарушение режима жидкостного трения сопровождается повышенным износом рабочих поверхностей вала и подшипника, а их контакт может привести к «схватыванию» и задирам поверхностей. В связи с этим подшипники коленчатых валов необходимо проектировать таким образом, чтобы на установившихся режимах работы двигателя в них было обеспечено устойчивое жидкостное трение. 5.

Одной из главных особенностей нестационарно нагруженных подшипников является то, что они работают в условиях динамических деформаций шеек вала и подшипниковых опор, которые в большинстве случаев соизмеримы с рабочими зазорами. Поэтому расчёт по классической схеме недеформируемого подшипника даёт ощутимые погрешности. На несущую способность подшипников оказывают влияние деформации сопряжения «шатун — шатунный подшипник» .

Подшипники двигателей внутреннего сгорания — это сложнонагружен-ные детали двигателя. Вектор нагрузки на подшипники меняется за цикл работы двигателя как по величине, так и по направлению. Нагруженность и несущая способность масляного слоя являются существенными факторами, определяющими долговечность и работоспособность подшипников коленчатого вала. Несущая способность масляного слоя подшипника, определяемая на основе гидродинамической теории смазки, зависит от таких факторов как толщина слоя смазки, давление и его температура.

При работе опор скольжения усилия от одной трущейся поверхности передаются к другой через промежуточный смазочный слой. Смазка увлекается трущимися поверхностями и при движении в зазоре, благодаря вязкости, возникает гидродинамическое давление. При этом жидкость движется стеснённо, толщина масляного слоя весьма мала.

Вязкость масла зависит от температуры. Поддержание температуры трущихся поверхностей в определённом интервале является одним из необходимых условий обеспечения работоспособности подшипников скольжения. При значительном проскальзывании между трущимися поверхностями иногда возникают температуры порядка десятков и даже сотен °С, что вызывает резкое уменьшение вязкости масла. С увеличением температуры снижается коррозийная стойкость и усталостная прочность антифрикционного материала. 6.

Все эти процессы происходят с чрезвычайно большими скоростями. При очень малой толщине смазочного слоя это затрудняет как теоретическое, так и экспериментальное изучение данного вопроса.

Важнейшим фактором в расчётно-теоретическом и экспериментальном исследовании подшипников коленчатого вала является зависимость характера действующих нагрузок от режима работы. Действующие нагрузки, в свою очередь, определяются особенностями конкретного двигателя: организацией рабочего процесса, кинематической схемой кривошипно-шатунного механизма, системой уравновешивания и т. п. В этой связи особую актуальность приобретают расчётно-теоретические методы исследования подшипников, позволяющие достаточно полно учесть реальные условия их работы.

Работоспособность подшипников коленчатого вала ДВС оценивается по траектории движения шейки вала в подшипнике. Смоделировать движение шейки вала в подшипнике — значит получить расчётным путём траекторию, близкую к действительной. По траектории, т. е. по толщине масляного слоя во времени, можно определить характер износа шейки вала и подшипника. Траекторию обуславливают конструктивные параметры подшипникового узла, режим работы двигателя, вязкость масла, деформации трущихся поверхностей, микрогеометрия несущих поверхностей и вязкоупругие свойства масла.

Решение задач динамики и смазки сложнонагруженных опор скольжения достигается разработкой эффективных методов расчёта поля гидродинамических давлений в смазочном слое с определением траектории движения шипа в подшипнике за цикл нагружения. Достоверность при решении задачи увеличения несущей способности подшипников возможна, в первую очередь, за счёт дальнейшего совершенствования метода гидродинамической теории расчёта и повышения точности за счёт построения расчётных схем, наиболее полно описывающих реальные процессы. При 7 реализации таких схем используются современные аналитические и численные методы.

На Всесоюзном постоянно действующем семинаре «Расчёт, испытание, диагностика и надёжность поверхностей, элементов и узлов трения» в 1989 году была подчёркнута особая важность изысканий, направленных на разработку и развитие методов и средств расчёта применительно к триботехнике.

Цель работы состоит в разработке и совершенствовании метода расчёта траектории движения шатунной шейки вала в подшипнике, учитывающего изменение действующих нагрузок, гидродинамическое давление в смазочном слое, деформацию сопряжения «шатун — шатунный подшипник», и средств, обеспечивающих сокращение затрат на проектирование.

Цель достигается решением следующих основных задач:

— разработка математической модели гидродинамического расчёта движения шатунной шейки вала в подшипнике с учётом изменения вязкости масла и деформации сопряжения «шатун — шатунный подшипник» ;

— разработка структуры имитационной модели и создание на её основе программного комплекса для расчёта траектории движения шатунной шейки вала в подшипнике;

— исследование шатунного подшипника дизеля Д440 с помощью программного обеспечения «Траектория» .

Научную новизну работы составляют:

1) метод расчёта траектории движения шатунной шейки вала в подшипнике с учётом деформации сопряжения «шатун — шатунный подшипник» ;

2) описанный по 8АОТ-методологии программный комплекс для анализа работоспособности шатунного подшипника- 8.

3) решение уравнения Рейнольдса разложением в ряд Маклорена и определение деформаций сопряжения «шатун — шатунный подшипник» по перемещениям от единичных нагрузок.

Достоверность результатов подтверждена сравнительным анализом результатов расчёта с экспериментальными данными и результатами работы других программ, а также достоверностью используемого математического аппарата.

Практическая ценность работы в том, что разработанные модели и программное обеспечение позволяют повысить надёжность шатунных подшипников, уменьшить затраты на их проектирование и являются составной частью САПР шатунного подшипника.

В первой главе диссертационной работы проведён обзор литературы и анализ методов расчёта траектории движения шатунной шейки вала в жёстком и упругом подшипнике. Выявлены факторы, влияющие на траекторию движения шатунной шейки вала в подшипнике.

Во второй главе описана математическая модель расчёта шатунных подшипников для установившихся режимов работы двигателя, основу которой составляют: расчёт траектории движения шейки вала в жёстком подшипникеопределение начальной точки расчёта траекториикорректировка траектории для упругого подшипника определением изменения радиуса кривизны нагруженной зоны подшипникаопределение упругих характеристик сопряжения «шатун — шатунный подшипник» методом конечных элементовзависимости вязкости масла от температурырешение уравнения Рейнольдса для граничных условий Зассен-фельда и Вальтера численным сеточным методом с использованием разностной схемы и разложением в ряд Маклорена для бесконечно длин9 ного подшипника при параболическом распределении давления в масляном слое вдоль оси.

Дано математическое обоснование неправильности разделения решения уравнения Рейнольдса по переменным.

В третьей главе представлена структура имитационной модели, соответствующая математической модели. Описано программное обеспечение для расчёта траектории движения шатунной шейки вала в подшипнике («Траектория»), на которое получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 000 611 101 [56]. С помощью программы «Траектория» были рассчитаны траектории движения шатунной шейки вала в жёстком и упругом подшипнике дизеля Д440 (АО «Алтайдизель» и в упругом — для дизеля № 32 (АО «Барнаултрансмаш»). Исследовано изменение температуры масла по циклу нагружения и распределение гидродинамического давления в масляном слое. Результаты численных расчётов сравнивались с экспериментальными результатами, полученными Ю. Н. Никитиным на дизеле Д440 [44], а также с результатами расчётов по программам «Орбита» и АО «Алтайдизель». Представлены результаты численных исследований деформации сопряжения «шатун — шатунный подшипник» по программам АлтГТУ и «Апзуз». Выполнена оценка точности и времени расчёта по предложенным методам.

В четвёртой главе описаны методика экспериментального определения высоты зазора между подшипником и шейкой вала, давления и температуры в масляном слое. Дано обоснование применения и описаны используемые установки, датчики, тарировочные устройства. Представлены схемы и ксерокопии фотографий установок и датчиков.

В заключении представлены общие выводы по результатам работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Проведённые исследования позволяют сделать следующие выводы и заключения:

1. Разработанные метод и программное обеспечение расчёта траектории движения шатунной шейки вала в подшипнике с определением гидродинамического давления в масляном слое, изменения вязкости масла и с учётом деформации сопряжения «шатун — шатунный подшипник» позволяют оценить работоспособность шатунных подшипников.

2. Выполненный с использованием метода конечных элементов расчёт деформации сопряжения «шатун — шатунный подшипник» и решение уравнения Рейнольдса разностным сеточным методом увеличивают точность расчёта. Определение деформации по перемещениям от единичных нагрузок и представление решения уравнения Рейнольдса в виде ряда Маклорена значительно сокращают время расчёта с минимальными погрешностями.

3. Предложенная зависимость для определения толщины масляного слоя позволила разрешить проблему разрывности решения уравнения Рейнольдса при углу равном 180° и относительном эксцентриситете больше 0,99. Определено, что траектория не зависит от выбора начальной точки расчёта, а кривая окончания масляного слоя является сегментом эллипса.

4. Функциональная структура имитационной модели расчёта траектории, разработанная по SADT-технологии, и удобный интерфейс программного обеспечения «Траектория» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 000 611 101) позволили использовать полученные результаты в качестве составной части САПР шатунного подшипника ДВС. Предложенные модели и программно-методический комплекс внедрены на АО «Алтайдизель» и используется в учебном процессе АлтГТУ.

Ill.

5. Достоверность и адекватность предложенного метода расчёта траектории движения шатунной шейки вала в подшипнике подтверждена его реализацией при исследовании шатунного подшипника дизеля Д440 АО «Алтайдизель», экспериментальными результатами исследования и сравнительным анализом полученных данных с расчётами по другим программам.