Диагностирование цилиндропоршневой группы автотракторных двигателей в производственных условиях

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Диагностирование цилиндропоршневой группы автотракторных двигателей в производственных условиях

Н.И. Дудко

Аннотация

цилиндропоршневый дизельный двигатель калибратор

В статье приведены исследования по оценке технического состояния деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) дизельных двигателей в условиях рядовой эксплуатации путем диагностирования с помощью пневматического калибратора. Приведена методика диагностирования, позволяющая определить износ гильзы, колец, канавок поршня и упругость компрессионных колец, прогнозировать их ресурс и находить момент окончания их эксплуатации. Определены основные параметры процесса диагностирования и обоснованы критерии предельного износа состояния ЦПГ дизельного двигателя.

Annotation

The article presents research into estimation of technical condition of details of cylinder-piston group of diesel engines in conditions of ordinary operation by diagnosing with the help of pneumatic calibrator. We have shown methods of diagnosing, which help to determine deterioration of case, rings, piston grooves and elasticity of compression rings, to forecast their resources and find the final moment of their operation. We have determined the main parameters of diagnosing process and based criteria of terminal deterioration of cylinder-piston group of diesel engine.

Введение и анализ источников

Повышение надежности и долговечности эксплуатируемых двигателей является сложной комплексной проблемой, решение которой связано не только с соблюдением правил технической эксплуатации, но и с разработкой научно обоснованного комплекса показателей, способных правильно оценить его техническое состояние и установить остаточный ресурс.

При действующей планово-предупредительной системе обслуживания МТП тракторные двигатели ремонтируют после выполнения ими определенного объема работ, измеренного в моточасах или килограммах израсходованного топлива. Этот объем установлен одинаковым для всех марок двигателей. Между тем известно, что интенсивность изнашивания деталей двигателя может быть самой различной в зависимости от широко варьирующих конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Так, износ верхних компрессионных колец, отнесенных к одной и той же наработке, различается между собой более чем в 10 раз [1].

В связи с этим наиболее перспективна стратегия проведения технического обслуживания (ТО) и ремонта по фактическому состоянию машин или их составных частей [2]. Техническое состояние двигателя (его остаточный ресурс) определяется состоянием его ресурсных элементов, для устранения отказа которых требуется полная разборка (капитальный ремонт). Ресурсными элементами двигателя являются детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

Основные вопросы изнашивания, диагностирования и ремонта автотракторных дизелей содержатся в фундаментальных работах В.М. Архангельского, Ф.Н. Авдонькина, А.С. Азимова, Н.Я. Говорущенко, И.Б. Гуревича, И.Г. Дынга, Н.С. Ждановского, В.М. Михлина, Ю.А. Побединского, Л.А. Родина, И.П. Терских, М.С. Ховах, И.М. Хоменко, К.А. Сазонова и др. Однако в этих работах вопросы диагностирования ЦПГ дизельных двигателей до конца не решены ни теоретически, ни практически [3].

Анализ существующих методов и средств диагностирования показал, что ни один из них в полной мере не отвечает современным требованиям по качеству выполнения процесса безразборной оценки технического состояния ЦПГ. В опубликованных работах многих авторов диагностические параметры увязывались с техническим состоянием двигателя в целом. В проведенных исследованиях как в теоретическом, так и экспериментальном плане недостаточное внимание уделено диагностированию сопряжения колец с канавками поршня и зазору в стыке колец и их упругости.

Анализ литературных источников показал, что наиболее рациональным и в наибольшей степени удовлетворяющим требованиям безразборной оценки технического состояния ЦПГ в условиях рядовой эксплуатации является метод диагностирования по параметрам негерметичности с использованием пневматического калибратора [4].

1. Основная часть

Все авторы исследовали негерметичность надпоршневого объема по расходу сжатого воздуха, подаваемого в цилиндр под значительным давлением при неподвижном состоянии поршня. Воздух, подаваемый в камеру сгорания, прижимает кольца к нижней плоскости канавки и зеркалу цилиндра. В этом случае можно продиагностировать только зазор в стыке кольца и конусность цилиндра. В этих условиях невозможно определить силу упругости кольца и величину зазора между кольцом и канавкой на негерметичность камеры сгорания при работе двигателя. Момент отрыва кольца от нижней плоскости канавки при работе двигателя обусловлен превышением силы инерции кольца над суммой сил трения кольца о стенку цилиндра и силой давления газов в осевом направлении. Это явление происходит в конце такта выпуска и увеличивает расход картерных газов при работе двигателя на высоких частотах вращения. Чтобы осуществить диагностирование сопряжения кольцо-канавка при движении колец относительно поршня, предлагается использовать разработанный нами вибратор [5].

Сила от давления Рв воздуха на кольцо в направлении оси поршня определяется по формуле:

(1)

где р1, и р2 - давление соответственно над и под кольцом (рис. 1); D - диаметр цилиндра; b - ширина кольца.

Сила трения Pf кольца о гильзу цилиндра определяется:

(2)

где h - высота кольца; f - коэффициент трения; ру - среднее давление кольца от сил собственной упругости.

Отрыв кольца от нижней плоскости канавки поршня может наступить ввиду малости силы инерции кольца при движении поршня вниз. Если сила трения кольца о гильзу превысит силу от давления воздуха в направлении оси цилиндра, то:

(3)

Рис. 1 Силы, действующие на поршневое кольцо: Ру - сила упругости кольца; Р - реакция гильзы; Рj - сила инерции кольца; Рf - сила трения кольца о стенку цилиндра

Из неравенства (3) следует, что перепад давления воздуха р1 - р2, при котором произойдет отрыв кольца от нижней плоскости канавки при движении поршня вниз во время работы вибратора с угловой скоростью, не более 100 рад/с:

(4)

После отрыва кольца осевая нагрузка на него от перепада давлений воздуха останется неизменной, а сила трения уменьшится вследствие падения давления воздуха за кольцом:

(5)

в результате чего кольцо вновь будет прижато осевой силой от перепада давлений воздуха к нижней плоскости канавки. При последующем повышении силы трения процесс повторится, это приведет к осевой вибрации кольца. Процесс вибрации прекратится, если сила трения Р't превысит осевую силу от перепада давления воздуха:

(6)

в этом случае

(7)

Исследуя возможность диагностирования упругости компрессионных колец по давлению воздуха, производящего «осадку» кольца на нижнюю плоскость канавки поршня при неподвижном поршне, установлено, что сила трения Р''f кольца о зеркало цилиндра [6, 7] зависит в этом случае только от среднего давления кольца на зеркало цилиндра от сил собственной упругости ру, коэффициента трения f и выражается зависимостью:

(8)

где h - высота кольца.

Среднее давление кольца на зеркало цилиндра от сил собственной упругости выражается уравнением:

(9)

где Aо - зазор в стыке кольца в свободном состоянии; Е - модуль упругости материала кольца.

Если нагрузка Рв превысит силу трения, то это приведет к прижатию кольца к нижней плоскости канавки поршня, т.е.:

(10)

Таким образом, перепад давлений, при котором происходит осаждение кольца, является диагностическим параметром упругости компрессионного поршневого кольца. Используя формулу истечения идеальных газов [6], мы получили систему уравнений для расчета массового расхода и перепадов давления воздуха q, проходящего через три кольцевых уплотнения:

(11)

где р1, р2, р3, р4 - абсолютные давления воздуха перед соответствующим кольцом; Р - соответствующая неплотность; к - показатель степени адиабаты; R - газовая постоянная; Т1 - абсолютная температура окружающего воздуха.

На рис. 2 приведены графики перепадов давлений, приходящихся на каждое компрессионное кольцо.

Рис. 2 Распределение соевых нагрузок на первое, второе и третье кольца: а - при подаче сжатого воздухав цилиндр; б - при вакуумировании надпоршневого пространства

Из графиков следует, что при малых давлениях (до 0,05 МПа) нагрузка от давления воздуха распределяется на все кольца примерно поровну, а при давлении 0,3 МПа поступающего в цилиндр воздуха перепад давлений на третьем кольце достигает критической величины (р4/р3=0,528), тогда расход воздуха через третье кольцо будет определяться формулой:

(12)

С повышением давления подаваемого воздуха в цилиндр доля перепада давления, приходящаяся на третье кольцо, все больше возрастает, поэтому в процессе подачи сжатого воздуха третье кольцо осаждается первым. В связи с этим очевидна трудность диагностирования второго и особенно первого кольца на их упругость, так как после осадки третьего кольца его доля в общей нагрузке резко возрастает, а первого и второго - падает. Следовательно, для диагностирования первого кольца необходимо направить воздух в противоположную сторону - от третьего кольца к первому. Это возможно сделать с помощью вакуум-насоса, соединенного с камерой сгорания.

Используя систему уравнений (11), рассчитали распределение осевых нагрузок на каждое из трех колец при вакуумировании (рис. 2б). Как видно из рис. 2б, даже в изношенной ЦПГ 50% нагрузки приходится на первое кольцо. Следовательно, применение вакуум-калибратора позволяет диагностировать упругость первого компрессионного кольца. Вследствие различной скорости износа колец происходит перераспределение давлений воздуха на кольцах, как показано пунктирными линиями на рис.2.

Решая систему уравнений (11) с учетом количества колец i на поршне, установили, что относительный расход воздуха обратно пропорционален корню кубическому из числа компрессионных колец на поршне:

(13)

Следовательно, результаты диагностирования негерметичности надпоршневого пространства определяются износом одного самого герметичного кольца.

Техническое состояние сопряжения кольцо-канавка поршня определяется по массовому расходу воздуха (q), проходящего через лабиринт кольцевых уплотнений. Измеренная неплотность F

14

где - сумма коэффициентов местных сопротивлений (=15) движению воздуха в лабиринте; р - плотность воздуха; р' - избыточное давление воздуха в цилиндре.

Как следует из формулы (14), измеренная по расходу воздуха q неплотность всего лабиринта в 3 раза меньше величины проходного сечения в зазоре Sк-к между кольцом и канавкой поршня, равного (у нового двигателя).

Рис. 3 Зависимости неплотности F2 =f(p1) от давления в рабочей камере при постоянном давлении р2 в измеряемой камере: 1 - при р2= 0,1 МПа, F1= 0,5 мм2; 2 - при р2= 0,1 МПа, F1= 1 мм2; 3 - при р2= 0,05 МПа, F1= 1 мм2; 4 - при р2= 0,1 МПа, F1= 1,5 мм2; 5 - при р2= 0,05 МПа, F1= 1,5 мм2

Диагностирование сопряжений кольцо-канавка поршня осуществлялось с использованием пневматического калибратора, оборудованного образцовыми манометрами, по разработанной нами специальной методике, предусматривающей постоянное давление воздуха р2 в измерительной камере калибратора, воздействующего на измеряемую неплотность F2 при переменном давлении р1 воздуха в рабочей камере калибратора.

На основании формул (11) и (12) построены зависимости величины неплотности F2 от давления р1 (показаны на рис. 3). Как видно из рис. 3, функция F2=f(p1) на рабочем участке прямолинейная. Нижний предел измерения (начало прямолинейного участка пневматической характеристики) равен (1,4-1,5) F1. Верхний предел измерения прибора ограничен величиной давления воздуха в сети.

На основании проведенных исследований установлено, что существующие калибраторы, работающие по принципу переменного давления в измерительной камере, имеют криволинейную зависимость F2=f(p2), состоящую из двух или трех участков. Они имеют ограниченный предел измерения. Предлагаемый метод позволяет повысить точность измерений и расширить диапазон измерений за счет прямолинейной пневматической характеристики.

В результате проведения лабораторных ускоренных износных испытаний двигателя установлено, что график расхода газов от частоты вращения коленчатого вала имеет минимум.

По мере износа двигателя минимум расхода картерных газов смещается в сторону уменьшения скоростного режима (рис. 4). Это происходит вследствие снижения упругости и силы трения компрессионных поршневых колец и их отрыва от нижнего торца канавки поршня вблизи ВМТ на такте выпуска. В связи с этим нами в качестве диагностического параметра упругости компрессионных поршневых колец предлагается использовать частоту вращения коленчатого вала, при которой наблюдается минимальный расход картерных газов.

В процессе проведения лабораторных исследований установлена динамика изменения диагностических параметров от наработки (показатель степени функции U (t)= (U0 + Vctб), необходимой при прогнозировании остаточного ресурса двигателя. Установлено, что расход картерных газов при работе двигателя на холостом ходу растет по прямой (бxx=1), а при работе двигателя под нагрузкой растет по степенной бн=1,26. Расход масла на угар увеличивается по параболической кривой (буг=2). Параметры неплотности цилиндров в процессе изнашивания ЦПГ возрастают по прямолинейным зависимостям, а при положении поршня в НМТ с ростом степени износа ЦПГ темп роста неплотности снижается. Разность неплотностей при вибрации и прижатом положении колец растет в процессе изнашивания по параболе (бF=2).

Замена колец приводит к снижению абсолютных значений неплотности при данных положениях поршня, но разность их до и после замены колец остается неизменной. Следовательно, разность неплотностей, фиксируемых при положениях поршня в ВМТ и НМТ, не имеет связи с износом компрессионных колец, а определяется износом гильзы (ее конусностью) в зоне работы третьего кольца.

Рис. 4 Влияние скоростного режима n на количество газов Qг, прорывающихся в картер, после 60-часовой приработки: 1 - нового двигателя, 2 - через 50 часов; 3 - через 100 часов; 4 - после замены поршневых колец и стендовой технологической обкатки; 5 - после последующих 40 часов ускоренного износа

В условиях эксплуатации параметром технического состояния сопряжения компрессионное кольцо-канавка поршня может служить расход воздуха при свободном положении колец в канавках. Однако этот показатель отличается меньшей стабильностью.

По результатам износных лабораторных испытаний установлена зависимость диагностических параметров от структурных. Разработан алгоритм диагностирования ЦПГ.

Показатели неплотности тесно связаны с техническим состоянием третьего компрессионного кольца и его сопряжения с канавкой поршня. Значение зазора в стыке третьего кольца в зависимости от неплотности при положении поршня в НМТ (Fцмт) аппроксимируется функцией:

(15)

Интенсивность увеличения зазора в стыке первого кольца в среднем в два раза выше, чем третьего.

(16)

Предельному зазору в стыке первого кольца () соответствует неплотность

Между разностью неплотностей ДF при положениях поршня в ВМТ и НМТ и износом гильзы имеется зависимость обратная экспоненциальной:

(17)

Предельному износу гильзы дпр=0,5 мм соответствует значение ДFпр=0,6...0,8 мм2. Результаты измерения разности неплотности ДFn при вибрирующем и прижатом положениях колец и соответствующим им зазорам в сопряжениях колец с канавками по результатам износных и эксплуатационных исследований представлены на рис. 5.

Как видно из рис. 5, первоначальный рост ДFn обусловлен износом сопряжения первого кольца с канавкой. Полученная кривая аппроксимируется функцией:

(18)

Рис. 5 Рост разности неплотностей ДFн (ДFсв) при вибрирующем (свободном) и прижатом положениях колец и зазора в сопряжениях компрессионных колец с канавками поршня

Последующий рост АРП обусловлен износом второго сопряжения вплоть до полной выработки ресурса двигателя. Третье сопряжение остается малоизношенным до полного исчерпания ресурса двигателя в связи с предельным износом других деталей.

Аналогичным образом увеличивается разность неплотностей прижатых и свободно расположенных колец в канавках поршня. На рис. 5 построена дополнительная шкала абсцисс ДFсв. Критерием предельного технического состояния сопряжения 1-е компрессионное кольцо-канавка (Sпрк-к =0,5 мм) является значение разности в неплотностях ДFn, равное 0,8-1,0 мм2 и ДFсн=1,5-2 мм2.

Производственные исследования показали, что наиболее изнашиваемым элементом ЦПГ являются сопряжение первое компрессионное кольцо-канавка поршня и зазор в стыке этого кольца. Наименее изнашиваемой деталью является гильза цилиндров, износ которой не превышает 40% от предельного. Статистическими исследованиями установлено, что расход картерных газов тесно связан со средним значением зазора гильза-поршень (Sг-п, мм) и зазором первое компрессионное кольцо-канавка поршня (Sк-к, мм). Следовательно, зная расход картерных газов (Qг, л/мин), можно установить величину зазоров по следующим формулам:

Sk-k=0,003Qг+0,15, (19)

Sг-п=0,0012Qг+0,175. (20)

Расход масла на угар зависит прежде всего от среднего зазора в стыке первых маслосъемных колец (Sм, мм) и зазоров, первое компрессионное кольцо - канавка поршня. Зная расход масла на угар (Gм, г/ч), можно установить величину зазоров по следующим формулам:

Sм=0,0063Gм +0,1, (21)

Sk-k=0,00145Gм - 0,025. (22)

В двигателях с неравномерным износом цилиндров их ресурс ограничивается, как правило, состоянием компрессионных колец наиболее изношенного цилиндра, характеризующим параметром FНМТ по экономическому критерию [8].

Заключение

1. Структурным параметром, лимитирующим работу цилиндропоршневой группы, является зазор между первым компрессионным кольцом и канавкой поршня и зазор первого маслосъемного кольца в стыке. На поступающих на ремонтный завод двигателях эти зазоры составляют 50-80% от предельной величины.

2. Установлено, что при диагностировании двигателя по предлагаемой методике пневмовакуумный калибратор должен иметь два центральных жиклера: один с площадью сечения 0,5 мм2 для измерения неплотности нового двигателя, а второй с площадью сечения 1 мм2 - для изношенного. Давление воздуха в измерительной камере калибратора должно быть не более 0,1 МПа для нового двигателя и не более 0,05 МПа для изношенного.

3. Предельные значения диагностических параметров, характеризующих радиальный износ компрессионных колец, составляют FпрНМТ=2-2,5 мм2, износ гильзы - ДFпр=0,6 мм2; износ сопряжения компрессионных колец с канавками поршня - ДFпрn=0,8-1 мм2 ; ДFпрсв=1,5-2 мм2.

5. Усовершенствованный пневматический калибратор, работающий при постоянном низком значении измерительного давления, позволяет определить зазор в сопряжении кольцо-канавка с погрешностью 9-13%.

Литература

1. Григорьев, М.А. Износ и долговечность автомобильных двигателей / М.А. Григорьев, Н.М. Понаморев. М.: Машиностроение, 1976. 246 с.

2. Пунин, Е.А. Система технического обслуживания тракторов в современных условиях / Е.А. Пунин // Механизация и электрификация. 1998. №4. С. 30-31.

3. Дудко, Н.И. Безразборная оценка послеремонтного ресурса дизелей / Н.И. Дудко, А.К. Трубилов, В.А. Успенский // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2004. №3. С. 32-33.

4. Сазонов, К.А. Применение графоаналитического метода для расширения диапазона измерений при диагностировании цилиндропоршневой группы (пневматическим способом) / К.А. Сазонов // Вестник Челябинского агроинженерного университета. 2000. Т. 33. С. 46-49.

5. Дудко, Н.И. Способы диагностирования технического состояния цилиндропоршневой группы дизелей по параметрам герметичности и их сравнительная оценка / Н.И. Дудко, В.А. Успенский, Г.А. Райлян // Актуальные проблемы механизации сельскохозяйственного производства: материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 160-летию БГСХА и памяти академика С.И. Назарова. Горки, 2001. Ч. 2. С. 95-99.

6. Ховах, М.С. Автомобильные двигатели / под ред. М.С. Ховаха. М.: Машиностроение, 1977.

7. Колчин, А.И.Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие для вузов / А.И. Колчин, В.П. Демидов. М.: Высш. школа, 1971.

8. Петровец, В.Р. Долговечность двигателей по экономическому критерию / В.Р. Петровец, Н.И. Дудко, В.А. Успенский // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2008. №2.

Размещено на Allbest.ru