Повышение надежности шатунных подшипников автотракторных двигателей диагностированием масляного потока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Специальность 05.20.03-

Технологии и средства технического обслуживания

в сельском хозяйстве

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ШАТУННЫХ ПОДШИПНИКОВ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДИАГНОСТИРОВАНИЕМ МАСЛЯНОГО ПОТОКА

Панкратов Дмитрий Леонидович

Саратов 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Денисов Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Цыпцын Валерий Иванович,

кандидат технических наук, доцент

Никитин Александр Владимирович.

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия»

Защита диссертации состоится 27 марта 2009 г. в 14 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: 410056 г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного аграрного университета имени Н.И. Вавилова.

Отзывы направлять по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Театральная пл., 1 ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Волосевич Н.П.

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. 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%.

Особенно значительные затраты (до 65% от всех затрат на поддержание работоспособности автомобиля) приходятся на его ремонт. Поэтому актуальной задачей остается повышение надежности автомобилей при конструировании, изготовлении и ремонте.

Простои автомобилей, в том числе КамАЗ, в эксплуатации вызваны отказами двигателей, и в первую очередь, двух основных групп сопряжений: шатунно-кривошипной и цилиндропоршневой.

В процессе эксплуатации автомобилей, тракторов, комбайнов и других машин происходит изменение их технического состояния, основными причинами которого являются изнашивание, усталостное разрушение, пластическая деформация, коррозия. Указанные явления вызывают проворачивание шатунных вкладышей, что является одной из основных причин ремонта автотракторных двигателей ЗИЛ, ЯМЗ, ГАЗ, КамАЗ. До 25% отказов двигателя КамАЗ-740, вызвано проворачиванием шатунных вкладышей коленчатого вала. То есть проблема повышения надежности двигателя КамАЗ путем выявления и устранения причин проворачивания вкладышей является актуальной и полностью не решена до настоящего времени. подшипник двигатель смазочный технический

Работа выполнялась в соответствии с НИР и программой по основным научным направлениям Саратовского государственного технического университета 10В1 “Разработка научных основ эффективных технологий обеспечения надёжности автотранспортных средств”.

Цель исследования. Повышение надежности шатунных подшипников автотракторных двигателей путём совершенствования диагностирования состояния смазочной системы в процессе эксплуатации.

Объект исследования. Смазочная система двигателя КамАЗ.

Предмет исследования. Процесс подачи смазочного материала к шатунным подшипникам.

Научная новизна. Уточнена аналитическая зависимость давления масла от частоты вращения коленчатого вала, позволяющая определять условия, как неразрывности, так и разрыва масляного потока к шатунным подшипникам двигателя.

При использовании разработанного индикатора неразрывности потока жидкости были установлены границы критических режимов смазки в эксплуатации, при которых происходит разрыв потока масла и определены границы допустимых значений давления в смазочной системе.

Практическая ценность работы. Разработан способ и средство для контроля неразрывности потока масла к шатунным подшипникам в процессе эксплуатации (патент РФ на полезную модель № 70703).

Разработаны и внедрены практические рекомендации, нормативы и технология диагностирования смазочной системы двигателей КамАЗ-740. Это позволяет снизить в эксплуатации себестоимость перевозок на , повысить производительность перевозок на и получить среднегодовой экономический эффект на один двигатель.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в эксплуатационных и ремонтных предприятиях, при диагностике сопряжений в ОАО «КамАЗ - Дизель» при создании встроенных диагностических средств автотракторных двигателей.

Научные положения, выносимые на защиту.

· Уточненная аналитическая зависимость давления масла в шатунных подшипниках коленчатого вала двигателя от конструктивных и режимных параметров и технического состояния.

· Обоснование условий разрыва масляного потока к шатунным подшипникам.

· Разработанный способ, средства, нормативы и технология диагностирования смазочной системы, обеспечивающие повышение надежности шатунных подшипников в эксплуатации.

Апробация. Основные материалы диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку на:

· Межгосударственных постоянно действующих научно-технических семинарах «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» в ФГОУ ВПО Саратовском государственном аграрном университете им. Н.И. Вавилова (г. Саратов г.);

· Научно-технических конференциях Саратовском государственном техническом университете в ФГОУ ВПО Саратовском государственном аграрном университете им. Н.И. Вавилова в г;

· Юбилейной научно-практической конференции, посвященной 70-летию профессора А.Г. Рыбалко, в ФГОУ ВПО Саратовском государственном аграрном университете им. Н.И. Вавилова в г.;

· IV Международной научно-технической конференции в Пензенском государственном архитектурно-строительном университете в г.;

· Международной научно-технической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения предприятий» (г. Саратов г.);

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, получен патент на полезную модель, в том числе одна статья в издании, указанном в “Перечне… ВАК”. Общий объем публикаций составляет 3,4 п. л., из которых 1,8 п.л. принадлежат лично соискателю.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 209 наименований, в том числе 9 источников на иностранных языках, и приложений. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 10 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы, представлена общая характеристика работы и определены основные направления исследования.

В первой главе «Анализ состояния по обеспечению надёжности подшипников коленчатого вала» проведен анализ путей повышения надежности автотракторных дизелей. Одним из основных путей повышения надежности является диагностирование подвода смазочного материала к шатунным подшипникам коленчатого вала. Проведен сравнительный анализ конструктивных особенностей отечественных и зарубежных смазочных систем. Проанализированы основные факторы, определяющие надежность смазочной системы.

Большой вклад в разработку основных принципов обеспечения надежности двигателей внесли работы таких ученых, как Ф.Н. Авдонькин, Р.А. Азаматов, Б.С. Антропов, В.Д. Аршинов, В.Н. Барун, Н.Я. Говорущенко, М.А. Григорьев И.Б. Гурвич, В.Г. Дажин, А.С. Денисов, И.Е. Дюмин, Н.С. Ждановский, В.Е. Канарчук, Б.И. Костецкий, И.В. Крагельский, А.Т. Кулаков, В.С. Лукинский, Л.В. Мирошников, В.М. Михлин, Р.В. Ротенберг и других.

На основе проведенного анализа сделаны выводы о том, что основными факторами, определяющими надежность является температурный режим подшипника из-за недостаточного охлаждения его маслом. Это позволило сформулировать следующие задачи:

1. Теоретически обосновать основные закономерности изменения условий смазки подшипников коленчатого вала в процессе эксплуатации двигателя.

2. Проверить полученные аналитические предпосылки экспериментальными исследованиями, определить параметры зависимостей, определяющих протекание процесса.

3. Разработать способ диагностирования технического состояния смазочной системы и подшипников коленчатого вала по изменению давления масляного потока.

4. Разработать практические рекомендации, нормативы и технологию диагностирования, направленные на предупреждение проворачивания вкладышей в процессе длительной эксплуатации автомобиля.

5. Дать технико-экономическую оценку результатов исследования.

Во второй главе «Методика и программа исследования» приведены общая методика и программа исследования, а также методики стендовых исследований условий смазки шатунных подшипников коленчатого вала.

Для экспериментальной проверки полученных аналитических зависимостей были разработаны методики:

· определения давления и расхода масла через каналы первого коренного подшипника (поднимали давление в системе смазки и снимали скоростную характеристику. Повторяли испытания, постепенно поднимая давление в системе смазки);

· определения неразрывности потока масла к шатунным подшипникам (на работающем двигателе, по индикатору оценивали характер истечения масла. Увеличивая частоту вращения коленчатого вала двигателя и регулируя давление масла в системе, визуально оценивали характер истечения масла и находили режимы при которых оно полностью прекратится, то есть получили критические режимы.);

· определения пределов регулирования светодиодов (прогретый двигатель без нагрузки доводили до номинальной частоты вращения коленчатого вала и по характеру истечения масла (прерывистости потока) через индикатор регулировали момент включения соответствующего светодиода).

Рисунок 1. Схема определения расхода масла через 1-ю коренную шейку

Рисунок 2. Схема определения режимов истечения из шатунной полости и определения пределов регулирования светодиодов: 1 - трубка от канала в коренной шейке; 2 и 3 - трубки из шатунной полости; 4 - индикатор неразрывности потока жидкости; 5 - главная масляная магистраль

В третьей главе «Аналитическое исследование изменение условий смазки подшипников в процессе эксплуатации» рассмотрена наиболее распространенная схема подвода масла к шатунным подшипникам, используемая сейчас на двигателях КамАЗ (рис. 3).

Масло по каналам в блоке цилиндров подводится в кольцевую канавку, выполненную в верхнем коренном вкладыше. Из нее по одному или диаметрально-противоположенным каналам масло попадает в коленчатый вал. Пройдя по каналам, масло поступает в центробежную ловушку, из которой через отверстия масло поступает в шатунный подшипник конкретного цилиндра.

Для постоянного подвода масла в шатунный подшипник давление на входе в него незначительно отличается от давления в коренных подшипниках:

(1)

где - давление масла на входе в коренной подшипник, МПа; - коэффициент потерь из-за утечек в кольцевом канале вкладыша; - радиус коренной шейке, ; - радиус вращения выходных отверстий в шатунный подшипник (кривошипа), м; - угловая скорость, ; - плотность масла, ; - ускорение силы тяжести, ;

С увеличением частоты вращения коленчатого вала может происходить «динамическое запирание» канала в коренной шейке. Расчеты показали, что при потери давления составляют 0,09 МПа.



Рисунок 3. Схема подвода масла к шатунным подшипникам

1 - кольцевой канал, 2 - канал в коренной шейке, 3 - вход в канал подвода к шатунной шейке, 4 -канал подвода, 5 - полость

В уравнении (1) и - это давление непосредственно в кольцевом канале коренного подшипника. Однако, в уравнении (1) не учитываются потери давления, связанные с переходом из кольцевого неподвижного канала вкладыша во вращающийся канал коленчатого вала. При отсутствии вращения коленчатого вала переход из кольцевого канала в канал коленчатого вала из точки 1 в точку 2 (рис. 3) давление в этих точках будет равно:

(2)

При вращении коленчатого вала равенство (2) нарушается. Рассмотрим удельную энергию жидкости в точках 1 и 2, используя уравнение Бернулли для точки 1:

 (3)

Жидкость в кольцевом канале коренного подшипника неподвижна и , ( - скорость в точке 1; - кинетическая энергия в точке 1), тогда:

(4)

Поскольку в точке 2 жидкость совершает сложное движение, то она приобретает скорость движения () в переносном движении (окружную скорость):

(5)

Поэтому ее энергия складывается из энергии давления в относительном движении, и кинетической энергии вращения в переносном движении:

(6)

Так как переход из точки 1 в точку 2 совершается только за счет внутренней энергии единицы массы жидкости без дополнительного сообщения энергии извне, то:

(7)

(8)

То есть, при переходе масла из канавки вкладыша в канал коренной шейки давление снижается на величину:

(9)

где - частота вращения коленчатого вала, мин^-1; - радиус коренной шейки ; - плотность масла; - ускорение силы тяжести.

С увеличением частоты вращения коленчатого вала может происходить «динамическое запирание» канала в коренной шейке. Расчеты по формуле (9) показали, что при потери давления составляют . Следовательно, в выражении (1) должны учитываться и эти потери.

(10)

По результатам расчетов суммарные потери давления от кольцевого канала коренного подшипника до оси коленчатого вала составят 0,18 МПа.

(11)

Измерение давления в кольцевом канале коренного подшипника позволило определить величину потерь давления на утечки и гидравлические сопротивления при , которые составили . Следовательно, при номинальном давлении в системе смазки при частоте до точки 3 теряется давление или и составляет в ней . Приращение давления от центробежных сил на участке 3 - 5 (рис. 3) до шатунных подшипников при составляет .

(12)

где - расход масла через точку 1 (рис. 3.), ; - расход масла через зазоры в коренном подшипнике, ; - расход масла через канал в коренной шейке в точке 2 (рис. 3.), ; - коэффициент расхода; - площадь поперечного сечения сопряжения вал - коренной вкладыш через зазор, ; - площадь поперечного сечения канала в коренной шейке, ; - давление жидкости в точке 1 (рис. 3.), ; - плотность жидкости, .

В процессе эксплуатации вследствие изнашивания зазор в коренном подшипников возрастает по экспоненциальной зависимости.

(13)

где: - зазор в конце приработки, приведенный к началу эксплуатации, ; - коэффициент интенсификации, , учитывающий влияние зазора на интенсивность изнашивания; - наработка двигателя, .

Расход масла в точке 1 обусловлен производительностью масляного насоса, которая изменяется с износом незначительно , поэтому можно считать, что . Площадь сечения связана с зазором линейно:

(14)

(15)

где: - площадь сечения в конце приработки, приведенная к началу эксплуатации.

Поэтому в процессе эксплуатации возрастает по экспоненциальной зависимости:

(16)

где - расход через коренной подшипник в конце приработки, приведенный к началу эксплуатации (рис. 4), . С учетом условия (16) для получим:

(17)

Из шатунных шеек (грязеуловителей) вследствие роста зазоров расход через зазоры увеличивается аналогично (16)

(18)

где - расход через шатунный подшипник в конце приработки, приведенный к началу эксплуатации, ; - давление масла в шатунной полости, .

Приведенные соотношения показывают, что условие разрыва масляного потока к шатунным подшипникам наступает при (рис. 4).

(19)

(20)

Первый критический режим возникает при отсутствии масла в центробежной полости, то есть если давление подвода масла - меньше центробежной составляющей:

(21)

В этом случае масло не проходит первый участок до оси коленчатого вала (рис. 3.). Второй критический режим (периодическое заполнение и опорожнение центробежной полости) наступает, если давление подвода масла меньше удвоенной величины кинетического давления :

(22)

По режиму истечения из шатунного подшипника «второй критический» будет отличаться слабым прерывистым потоком, в отличие от сплошного равномерного потока. Поскольку режим наступает, прежде чем давление масла становится меньше центробежной составляющей, его необходимо заранее диагностировать. С этой целью разработан, испытан и рекомендован к внедрению в конструкцию автомобиля индикатор неразрывности потока жидкости (патент РФ на полезную модель № 70703).

Третий режим -- это протекание масла сплошным потоком по каналам подвода масла. Необходимо выполнение определенных условий по достаточности величины давления в масляной системе (чтобы масло входило в центробежную полость): чтобы величина расхода притекающего масла была выше вытекающего.

В четвертой главе «Анализ результатов экспериментального исследования» по полученным экспериментальным данным согласно разработанной методике был проведен анализ, который подтвердил предложенную модель, объясняющую условие разрыва потока масла к шатунным подшипникам.

Рисунок 4. Изменение расхода масла через подшипник коленчатого вала в процессе эксплуатации

Для оценки потерь давления на участке от кольцевого канала коренного подшипника до оси коленчатого вала измеряли давление в кольцевом канале и одновременно наблюдали за истечением масла из трубки, выводящей масло из канала коренной шейки наружу. При снижении давления в системе смазки перепуском масла истечение из трубки прекращалось. Измеренное в этот момент давление в кольцевом канале равно величине потерь давления на преодоление центробежных сил, что представлено в табл. 1.

Таблица 1. Изменение давления на участках системы смазки

Давление масла, МПа	Частота вращения коленчатого вала, мин-1
	1600	1800	2000	2200	2400	2600	2930
Потери давления на участке от кольцевого канала до оси коленчатого вала	0,05	0,08	0,10	0,14	0,17	0,18	0,27
В системе: при которой масло не поступает к шатунным подшипникам;	0,04	0,07	0,09	0,13	0,14	0,16	0,22
при которой масло поступает к шатунным подшипникам с пульсацией;	0,08	0,11	0,14	0,17	0,20	0,23	0,29
без разрыва потока масла	0,13	0,16	0,20	0,23	0,26	0,30	0,37

Смазка шатунных подшипников зависит от давления в точке 3 (рис. 3.). 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. Отсутствие истечения из трубок говорит о том, что давление в точках забора отсутствует.

Принудительным снижением давления в системе смазки добивались на различных частотах вращения прекращения истечения из трубки. Результаты представлены на рис. 5.

Величина потерь в канале коленчатого вала от действия центробежных сил значительна и составляет на оборотах более от до от номинального давления .

На рис. 5 представлены полученные значения давления, при которых прекращается истечение из полости шатунной шейки по стендовому манометру и по образцовому манометру в коренной опоре при частоте вращения коленчатого вала и выше.

Существуют режимы разрыва потока при подводе в шатунную полость, когда полость заполнена маслом (этот режим условно назовем первым критическим). Работа двигателя на этом режиме недопустима; прекращение поступления масла в шатунную полость наступает при равенстве давления в кольцевом канале коренной опоры и потерь от действия центробежных сил на участке 1-3 (рис. 3).

При давлениях в системе смазки выше, чем указано на рис. 6 (кривая 2) происходит заполнение шатунной полости маслом (например, ). Причем, в интервале давлений между состоянием, когда полость пуста и заполнена, обнаружен режим периодического заполнения и опорожнения полости.



Рисунок 5. Зависимость потерь давления от центробежных сил - 1 и общих потерь давления масла - 2 от частоты вращения коленчатого вала

Рисунок 6. Зависимость потерь давления до шатунной шейки от действия центробежных сил - 1 и общих потерь давления масла - 2 от частоты вращения коленчатого вала

Существуют режимы периодического заполнения шатунной полости маслом, при которых некоторое время полость не заполнена; работа двигателя на этом режиме не допустима (назовем условно этот режим вторым критическим); давление в системе смазки, при котором наступает второй критический режим, (периодическое заполнение), выше, чем при неполной полости на (первый критический режим); постоянное заполнение шатунной полости происходит при повышении давления на , чем при периодическом заполнении.

Для обеспечения постоянного потока жидкости из трубки индикатора неразрывности потока, а, следовательно, наличия его в масляной ловушке, необходимо, чтобы разница между и была минимальной. Это первое условие разрыва потока жидкости. Вторым условием разрыва потока является превышение расхода масла из шатунной шейки над притоком масла в шатунную шейку. Это условие зависит от зазора между шейкой коленчатого вала и шатунным вкладышем. Чем больше изношен шатунный вкладыш, тем больше зазор между шейкой и вкладышем, а, следовательно, больше расход масла через шатунный подшипник, вызывающий масляное голодание вкладышей. Эти потери, а также центробежные силы внутри шатунной полости определяют режимы смазки шатунных подшипников. Первый критический режим - с давлением в системе смазки, при котором на определенной частоте вращения масло на смазку шатунных подшипников не поступает. Из приведенных в табл. 1 данных следует, что критическим давлением в системе смазки на номинальном режиме является .

При несколько больших значениях давления масла обнаружены режимы пульсирующего подвода масла к шатунным подшипникам, причем для каждого установлена определенная цикличность. Например, при 2600 мин^-1, давлении в системе смазки , температуре масла , при общей длительности цикла в первые наблюдалось истечение, а следующие истечение отсутствовало. Эту цикличность можно объяснить действием своеобразного регулятора расхода через шатунные подшипники - изменением зазора в шатунных подшипниках из-за образовавшегося прогиба вкладышей. Поэтому давление в системе смазки в процессе эксплуатации двигателей КамАЗ не должно снижаться ниже критического значения (при ). Это обеспечивается диагностированием смазочной системы с помощью разработанного индикатора (патент РФ №70703 на полезную модель).

Рисунок 7. Зависимость давления в системе смазки двигателей от частоты вращения коленчатого вала без нагрузки: 1 - номинальная; 2 - начало истечения; 3 - отсутствие истечения

По результатам стендовых испытаний были построены характеристики изменения давления в системе смазки по оборотам коленчатого вала на холостом ходу (рис. 7): номинальные - 1; начало истечения - 2; отсутствие истечения - 3. Полученные характеристики (2 и 3) делят весь квадрант на три области: 1 - выше характеристики 2 (зеленый цвет индикатора) - допустимая область; 2 - между характеристиками 2 и 3 (желтый цвет индикатора) - критическая область; ниже характеристики 3 (красный цвет индикатора) - недопустимая область.

Таким образом, диагностирование проводится на нагретом двигателе , без нагрузки. Датчик диагностического устройства вворачивается через переходник в масляную магистраль. Двигатель доводится до номинальной частоты вращения коленчатого вала и по цвету индикатора устанавливается диагноз. Пределы регулирования светодиодов следующие: для двигателей КамАЗ - 740.10: зеленый свыше МПа; желтый МПа; красный менее МПа; для двигателей КамАЗ - 740.30 (Euro): зеленый свыше МПа; желтый МПа; красный менее МПа.

В пятой главе «Практические рекомендации и технико-экономическая оценка результатов исследования» проведён эксплуатационный статистический анализ износа вкладышей и шеек коленчатого вала двигателей КамАЗ-740 и КамАЗ-740 (Euro) и связи зазоров в подшипниках с величиной давления в системе смазки в процессе эксплуатации. Основное влияние на давление масла оказывает диаметральный зазор в коренных подшипниках. Это обусловлено тем, что через коренные подшипники проходят всего объёма масла подаваемого масляным насосом. Поэтому можно считать зазор в коренных подшипниках структурным параметром, для диагностического параметра - давления в системе смазки двигателя.

Для оценки точности и эффективности диагностирования используют ряд показателей, основными из которых являются: чувствительность, однозначность, стабильность и информативность. Для оценки этих показателей была получена статистическая зависимость давления в системе смазки на номинальных режимах от среднего диаметрального зазора в коренных подшипниках, что показано на рис. 8.

Важнейшим требованием к диагностическому параметру является чувствительность, оцениваемая коэффициентом чувствительности:

(23)

где и изменение соответственно структурного и диагностического параметров.

Применительно к диаметральному зазору в коренных подшипниках и давлению в системе смазки:

(24)

Определён коэффициент чувствительности: для двигателей КамАЗ-740 и для двигателей КамАЗ-740 (Euro).

Полученные значения свидетельствуют о достаточно высокой чувствительности диагностического параметра в наблюдаемом диапазоне изменения структурного параметра .

Требование однозначности характеризуется отсутствием экстремума зависимости диагностического параметра от структурного, то есть

(25)



Рисунок 8. Зависимость диагностического параметра давление масла от структурного зазор в коренных подшипниках : 1 - КамАЗ - EURO, 2 - КамАЗ - 740

Как следует из приведённых на рис. 8. экспериментальных статистических данных, такой экстремум отсутствует.

Стабильность диагностического параметра характеризуется величиной рассеивания при неизменном значении структурного. Проведенные 24 независимых измерений диагностического параметра при неизменном значении структурного позволили определить характеристики распределения и погрешность диагностического параметра.

(26)

где - критерий Стьюдента при доверительной вероятности и числа измерений ; - среднеквадратичное отклонение единичного измерения . Статистические характеристики распределения и погрешность диагностирования приведены в табл. 2.

Таблица 2. Статистические характеристики распределения и потребления диагностического параметра

Статистические характеристики	Диагностический параметр
	КамАЗ - 740	КамАЗ - 740 (Euro)
Среднее значение , МПа	0,43	0,48
Среднеквадратическое отклонение , МПа	0,103	0,106
Коэффициент вариации V	0,24	0,22
Критерий Стьюдента,	2.06	2,06
Абсолютная погрешность , МПа	0,042	0,044
Относительная погрешность, %	9,87	9,17

Таким образом, диагностический параметр обладает незначительной погрешностью (менее 10%) при выбранной доверительной вероятности и достаточной для практических целей точностью. Следовательно, стабильность диагностического параметра является достаточно высокой.

Для оценки информативности диагностического параметра проанализированы два распределения: по исправным двигателям и по неисправным, которые приведены на рис. 9. Для оценки значимости различия средних значений и , а следовательно, и информативности параметра , определяли критерий Стьюдента.

, (27)

где - средняя величина среднеквадратических отклонений; п₁, п₂ - объем выборки, шт. Расчеты с учетом параметров (табл. 3) показывают, что расчетное значение t значительно больше критического, следовательно, различие и значимо с вероятностью 0,9 и даже выше. Незначительна также и область неинформативного диапазона (заштрихованная область на рис. 9).

Таблица 3. Статистические характеристики диагностического параметра исправных и неисправных двигателей КамАЗ и диагностические нормативы

Статистические характеристики	Диагностический параметр
	КамАЗ - 740	КамАЗ - 740 (Euro)
Среднее значение по исправным двигателям, МПа	0,395	0,406
Среднее значение по неисправным двигателям, МПа	0,152	0,180
Среднеквадратическое отклонение по исправным двигателям, МПа	0,085	0,085
Среднеквадратическое отклонение по неисправным двигателям, МПа	0,047	0,055
Коэффициент вариации по исправным двигателям	0,22	0,21
Коэффициент вариации по неисправным двигателям	0,31	0,31
Расчётное значения критерия Стьюдента	13,35	11,53
Критическое значение критерия Стьюдента	1,72	1,72
Номинальное значение диагностического параметра, МПа	0,45	0,55
Предельное значение диагностического параметра по исправным двигателям, МПа	0,25	0,26
Предельное значение диагностического параметра по неисправным двигателям, МПа	0,23	0,27
Периодичность диагностирования, тыс. км.	32	35
Допустимое значение диагностического параметра, МПа	0,26	0,30

Определены диагностические нормативы. Номинальная величина диагностического параметра определяется заводом изготовителем. Предельное значение диагностического параметра у двигателей, признанных исправными определяется по формуле:

(28)

Распределение диагностического параметра исправных двигателей представлено на рис. 10, кривая 1. По полученным значениям определены параметры закона распределения (табл. 3).

Предельное значение диагностического параметра можно определить по распределению для неисправных двигателей. Предельное значение диагностического параметра по принятому уровню вероятности при одностороннем ограничении будет:

(29)

Проведенный анализ надёжности двигателей позволяет определить периодичность диагностирования по экономико-вероятностному методу в соответствии с которым, определяется по номограмме коэффициент оптимальной периодичности в зависимости от коэффициента опасности отказа и коэффициента вариации:

(30)

где - периодичность диагностирования, ; - средний ресурс элемента, .

При среднем коэффициенте опасности отказов подшипников коленчатого вала и коэффициенте вариации 0,4 , составляет 0,16. При этом периодичность диагностирования для двигателей КамАЗ - 740 составляет 32 тыс. км., а для КамАЗ (EURO) вследствие большего среднего ресурса на 10% периодичность 35 тыс. км.



Рисунок 9. Распределение диагностического параметра исправных - 1 и неисправных - 2 двигателей

При принятой периодичности диагностирования допустимое (упреждающее) значение диагностического параметра определяется из зависимости диагностического параметра от наработки по формуле.

(31)

где - число диагностирований с начала работы узла, при которых значение параметра изменилось от до (в нашем случае до , ); - соответственно предельное и номинальное значение диагностического параметра.

Результаты расчетов по формуле (31) приведены в табл. 3.

Алгоритм диагностирования определяет: выведение объекта (двигателя) на тестовый режим; обработку сигнала, то есть постановку первоначального диагноза (оценку работоспособности); при необходимости осуществлять полный поиск неисправностей (поэлементное диагностирование); переход к следующему объекту диагностирования. Алгоритм работоспособности и алгоритм неисправности (вертикальные и горизонтальные ветви) составляется с учётом особенностей объекта, экономического критерия:

(32)

где - средняя стоимость проверки, ; - результирующая стоимость проверки для нахождения отказавшего - го элемента, ; - вероятность того, что отказ обусловлен - м элементом.

В нашем случае алгоритм содержит следующие элементы (рис. 10) 1 и 2 блоки включают собой подготовительные операции и вывод на тестовый режим. В 3 блоке диагностический параметр сравнивается с допустимым (желтая область на скоростной характеристике (рис. 7)) при выполнении условия (зеленая зона) следует переход к 7 блоку то есть подготовке к эксплуатации. Если условие 3 не выполняется, то идёт переход на горизонтальную ветвь алгоритма к диагностическому блоку 4, где идёт сравнение диагностического параметра с предельным. При выполнении условия выполняется предупредительный ремонт (профилактика смазочной системы блок 5). При невыполнении условия 4 (красная зона на скоростной характеристике на рис. 8.) выполняется предупредительный ремонт подшипников коленчатого вала.

Анализ затрат на устранение отказов и на их предупреждение показали, что их отношение (коэффициент опасности отказа) составляет в среднем , а коэффициент вариации ресурса . При этом сравнительная эффективность диагностирования по методике МАДИ составляет . То есть, проведение диагностирования позволяет в раза сократить затраты по сравнению с ремонтом при назначенной наработке.

Рисунок 10. Алгоритм диагностирования смазочной системы и подшипников коленчатого вала

1- внешний осмотр, вывод на рабочий режим, прослушивание ДВС; 2 - установка диагностической аппаратуры и вывод на рабочий режим диагностирования (проводиться при отсутствии встроенной аппаратуры); 3 - контроль давления в смазочной системе; 4 - диагностирование давления в смазочной системе; 5 - предупредительный ремонт смазочной системы (промывка и очистка элементов, регулировка клапанов); 6 - предупредительный ремонт подшипников коленчатого вала (замена вкладышей и другие сопутствующие работы); 7 - эксплуатация.

Как показал анализ затрат средств, труда и времени на обеспечение работоспособности двигателей КамАЗ в процессе эксплуатации при рекомендуемой системе обеспечения работоспособности смазочной системы и подшипников коленчатого вала, они значительно ниже, чем при существующей. Так, трудоемкость ремонта ниже в раз, простой в ремонте в раза, затраты средств в раза.

Доля затрат на двигатели составляет в среднем всех затрат по автомобилю, из которых по смазочной системе и подшипникам коленчатого вала приходиться , а доля затрат на ТО и ТР в себестоимости перевозок составляет в среднем . С учётом этих значений снижение себестоимости перевозок при рекомендуемой стоимости работ по смазочной системе и подшипникам коленчатого вала .

Доля простоев автомобилей КамАЗ в текущем ремонте, приходящаяся на смазочную систему и подшипники коленчатого вала составляет в среднем , следовательно, простой автомобилей сократиться на . На столько же при прочих равных условиях, увеличится и производительность автомобиля.

В настоящее время доходная ставка на 1 км пробега и составляет в среднем по приволжскому региону 16 руб./км (данные на конец 2008 года). Себестоимость же перевозок автомобилями КамАЗ в этих условиях составляет в среднем 12 руб./км. Удельный простой в ТО и ремонте составляет в среднем 0,6 дней/тыс. км. Для определения годового экономического эффекта учитывали, что средний годовой пробег автомобилей КамАЗ по отчётным данным составляет 60 тыс. км. Результаты расчётов приведены в табл. 5.

Таблица 4. Результаты расчётов экономического эффекта

Показатели	Единица измерения	Численное значение
Доходная ставка	руб./км	16
Себестоимость перевозок	руб./км	12
Среднегодовой пробег	тыс. км	60
Средний простой в ТО и Р	дни/тыс. км	0,6
Доля затрат на ТО и Р в себестоимости перевозок	%	18
Доля затрат на систему смазки и подшипники коленчатого вала	%	7,6
Доля простоев на устранение отказов системы смазки и подшипники коленчатого вала	%	10,3
Снижение затрат на обеспечение работоспособности системы смазки и подшипников коленчатого вала по результатам исследования	%	175
Снижение себестоимости перевозок	%	1,36
Снижение простоев в ТО и Р	%	6,4
Простой в ТО и Р	авт. в год	36
Годовое снижение затрат на ТО и Р	руб./авт.	9792
Годовое снижение затрат на ТО и Р	дни/авт.	2,31
Годовое увеличение доходов	руб./авт.	7392
Всего годовой экономический эффект	руб./авт.	17184

Общие выводы по работе

1. В настоящее время одним из основных отказов двигателей является проворачивание вкладышей коленчатого вала, преимущественно шатунных . На интенсивность процесса проворачивания вкладышей основное влияние оказывает давление масла и его расход через подшипники коленчатого вала. Недостаточное внимание уделяется диагностике, позволяющей предупредить проворачивание вкладышей в процессе работы двигателя. При диагностировании технического состояния подшипников коленчатого вала применяются средства, основанные на измерении зазора в шатунном подшипнике, давления в системе смазки и прокачки масла через подшипники, спектральном анализе масла, визуальном наблюдении истечения масла. Отсутствуют способы диагностирования, позволяющие выбрать необходимые режимы работы двигателя, при которых шатунные подшипники не испытывают масляного голодания.

2. В процессе эксплуатации производительность масляного насоса снижается незначительно. С увеличением частоты вращения коленчатого вала при снижении давления и вследствие действия центробежных сил может происходить «динамическое запирание» канала в коренной шейке. При достижении равенства давления масла и приращения давления от центробежных сил может наступить разрыв потока масла в шатунный подшипник. При заданной частоте вращения коленчатого вала в процессе эксплуатации расход масла через зазор в коренных и шатунных подшипниках возрастает по экспоненциальной зависимости (18) а расход через канал в коренной шейке снижается, (17), что приводит к разрыву потока масла к шатунным подшипникам по условию (19).

3. Снижение давления масла с 0,5 до 0,25 МПа на номинальной частоте вращения коленчатого вала приводит к снижению расхода масла через шатунный подшипник на 34 - 38%. Величина потерь в канале коленчатого вала от действия центробежных сил значительна и составляет на оборотах более 2000 мин^-1 от 20% до 50% от номинального давления. Существуют режимы разрыва потока в шатунную полость, когда она заполнена маслом (первый критический режим), режимы периодического заполнения шатунной полости маслом, при которых некоторое время полость не заполнена (второй критический режим).

4. Разработано диагностическое средство (патент РФ на полезную модель №70703). Пределы регулирования светодиодов диагностического средства следующие: для двигателей КамАЗ - 740,10: зеленый свыше 0,27 МПа; желтый МПа; красный менее 0,23 МПа; для двигателей КамАЗ - 740,30 (Euro): зеленый свыше 0,33 МПа; желтый МПа; красный менее 0,27 МПа.

5. Диагностический параметр (давление в системе смазки) полностью соответствует основным требованиям по связи со структурным параметром (зазором в коренных подшипниках): чувствительности, однозначности, стабильности и информативности. Обоснованы, нормативы (табл. 3), алгоритм и технология диагностирования смазочной системы.

6. Эффективность диагностирования заключается в снижении затрат на обеспечение работоспособности шатунных подшипников. Это позволяет снизить себестоимость перевозок на , повысить производительность перевозок на и получить среднегодовой экономический эффект на один двигатель.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Панкратов Д.Л. Аналитическое исследование изменения условий смазки шатунных подшипников в процессе эксплуатации / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, А.А. Гафиятуллин, Д.Л. Панкратов // Саратов: Вестник Сарат. гос. техн. ун-т. 2005 г., №3. С. 69-75 (издание, рекомендованное в Перечне ВАК РФ) (0,875/0,22)

2. Панкратов Д.Л. Влияние режимов работы двигателя на неразрывность и постоянство подвода масла к шатунным подшипникам / А.Т. Кулаков, А.А. Гафиятуллин, Д.Л. Панкратов // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: материалы семинара / Межгосуд. науч.-техн семинар, г. Саратов, 18, 19 мая 2005 г.; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов 2006 г. - Вып. 18. С. 99-102 (0,25/0,08)

3. Панкратов Д.Л. Оценка стабильности подачи масла к подшипникам коленчатого вала двигателя камаз-740 / А.С. Денисов, Д.Л. Панкратов, К.С. Кунцевич // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: материалы семинара / Межгосуд. науч.-техн семинар, г. Саратов, 14, 15 мая 2006 г.; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов 2007 г. - Вып. 19. С. 132-135 (0,25/0,08)

4. Панкратов Д.Л. Оценка неразрывности масляного потока к шатунным подшипникам ДВС / Д.Л. Панкратов // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: сб. науч. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 2007 г. С. 92-94 (0,19/0,19)

5. Панкратов Д.Л. Диагностирование подшипников коленчатого вала по параметрам потока масла / А.С. Денисов, Д.Л. Панкратов // Проблемы транспорта и транспортного строительства: сб. науч. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 2007 г. С. 36-41 (0,375/0,15)

6. Панкратов Д.Л. Оценка потока масла к шатунным подшипникам в эксплуатации КамАЗ-740 ЕВРО / Д.Л. Панкратов // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: материалы семинара / Межгосуд. науч.-техн семинар, г. Саратов, 23, 24 мая 2007 г.; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов 2008 г. - Вып. 20. С. 163-167 (0,312/0,312)

7. Панкратов Д.Л. Индикатор неразрывности потока жидкости: пат. на полезную модель № 70703 / А.С. Денисов, Д.Л. Панкратов, В.В. Кустов, А.Т. Кулаков, А.А. Гафиятуллин// Заявка № 20007132317 27 августа 2007 г. (0,188/0,04)

8. Панкратов Д.Л. Оценка износа подшипников коленчатого вала автотракторных двигателей / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, Р.Д. Абушаев, Д.Л. Панкратов, К.С. Кунцевич // IV Междунар. науч.-техн конференция, г. Саратов, 2006 г.; Пенз. гос. арх.-строит. ун-т. Пенза, 2006 г. С. 100-104 (0,313/0,062)

9. Панкратов Д.Л. Повышение надёжности шатунных подшипников совершенствованием подвода смазочного материала / Д.Л. Панкратов, К.С. Кунцевич //Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения предприятий/ Междунар. науч.-техн конференция, г. Саратов, 10, 11 мая 2007 г.; Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 2007 г. Ч. 2 С. 286-290 (0,62/0,31)

Размещено на Allbest.ru

...