Повышение безотказности автотракторных двигателей путем снижения деформаций шатунных вкладышей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сахапов Ирек Анасович

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОТКАЗНОСТИ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ШАТУННЫХ ВКЛАДЫШЕЙ

05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия»

Научный руководитель:

доктор технических наук Кулаков Александр Тихонович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Басков Владимир Николаевич;

кандидат технических наук, доцент Буйлов Валерий Николаевич

Ведущая организация: ФГОУ ВПО "Казанский государственный аграрный университет"

Защита диссертации состоится «3» июля 2009 г. в 12 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.

Автореферат диссертации разослан «2» июня 2009 г. и размещен сайте: www.sgau.ru.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Волосевич Н.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В процессе эксплуатации автомобилей, тракторов, комбайнов и других машин происходит изменение их технического состояния, основными причинами которого являются изнашивание, усталостное разрушение, пластическая деформация, коррозия. Пластическая деформация и разрушение являются следствием конструктивно-технологических недоработок или нарушения правил эксплуатации. Указанные явления вызывают проворачивание шатунных вкладышей, что является одной из основных причин ремонта автомобильных двигателей ЗИЛ, ЯМЗ, ГАЗ, КАМАЗ. До 25% отказов двигателя КАМАЗ-740 вызвано проворачиванием шатунных вкладышей коленчатого вала.

Массовость этого дефекта и многочисленность исследований, посвящённых ему, свидетельствуют о том, что все же недостаточно раскрыта физическая сущность проворачивания вкладышей. Нет четкого обоснования влияния конструктивных, технологических, эксплуатационных факторов на механизм развития отказа: большинство исследователей объясняют этот отказ либо ухудшением смазки шатунного подшипника и схватыванием поверхностей по этой причине, либо абразивным изнашиванием трущихся поверхностей. Поэтому исследование причин деформации и проворачивания шатунных вкладышей двигателя КАМАЗ-740 (8Ч 12/12), безусловно, актуально в настоящее время.

Работа выполнялась в соответствии с НИР и программой по основным научным направлениям ИНЭКА “Разработка рекомендаций по повышению эксплуатационной надежности автомобильной техники на основе многофакторного анализа условий ее эксплуатации, информации об отказах и инженерного анализа”.

Цель исследования: повышение безотказности автотракторных двигателей путем снижения деформаций шатунных вкладышей в процессе эксплуатации.

Объект исследования: шатунные вкладыши двигателя КАМАЗ-740.

Научная новизна:

1. Впервые разработана трехмерная компьютерная модель шатунного вкладыша, позволяющая задавать различные режимы нагружения, соответствующие реальной эксплуатации, а также производить расчеты на прочность.

2. Разработана универсальная схема нагружения шатунных вкладышей, позволяющая рассчитывать значения их деформаций при различных условиях работы.

3. При использовании разработанной трехмерной модели обоснована деформация только стальной основы шатунного вкладыша.

4. Разработаны теоретические предпосылки работы предохранительных элементов для снижения деформаций шатунных вкладышей в эксплуатации.

На защиту выносятся:

1. Методика компьютерного моделирования деформаций шатунных подшипников.

2. Способы обеспечения стабильности геометрических параметров шатунных вкладышей в эксплуатации.

3. Модель работы предохранительных элементов вкладышей.

Практическая ценность. Разработаны и внедрены практические рекомендации по снижению деформаций шатунных вкладышей, позволяющие значительно увеличить ресурс, как подшипников коленчатого вала, так и двигателя в целом. Предложено производить предупредительную замену вкладышей на основе их технического состояния, определяемого при диагностировании автомобиля и использовать разработанные способы снижения деформаций.

Применение способов снижения деформаций, в частности прогиба, позволило в эксплуатации увеличить наработку на отказ двигателей КАМАЗ на 42,44% и снизить на 20,8% количество отказов на один автомобиль по провороту шатунных вкладышей (подшипников).

Реализация результатов работы. Предложенные разработки внедрены на ОАО «Завод подшипников скольжения», г. Тамбов, и ОАО «Кузембетьевский РМЗ», Республика Татарстан, и прошли производственную проверку в эксплуатации. Результаты исследований также используются в учебном процессе в ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия», ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Апробация результатов работы. Основные научные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях:

1. Красноярский государственный технический университет, Международная научно-техническая конференция «Политранспортные системы - 2007» (Красноярск, 2007);

2. Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Научно-техническая конференция «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России» (Пенза, 2008);

3. Саратовский государственный технический университет, Научно-техническая конференция (Саратов, 2008);

4. ОАО "Завод подшипников скольжения", Научно-практический семинар (Тамбов, 2008);

5. ОАО "Кузембетьевский ремонтно-механический завод", Научно-практический семинар (Кузембетьево, 2008).

6. Камская государственная инженерно-экономическая академия, заседания кафедры "Сервис транспортных систем" (Набережные Челны, 2007-2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе две статьи в изданиях, указанных в Перечне… ВАК РФ. Общий объем публикаций составляет 4,19 п. л., из которых 1,48 п.л. принадлежат лично соискателю.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 108 наименований, в том числе 4 источника на иностранных языках, и приложений. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 66 рисунков, 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе «Состояние вопроса по отказам шатунных подшипников и задачи исследования» приводится анализ типичных отказов двигателей КАМАЗ. На основании работ Ф.Н. Авдонькина, Д.Н. Гаркунова, М.А. Григорьева, В.А. Долецкого, А.С. Денисова, В.И. Казарцева, Е.С. Кузнецова, В.С. Лукинского, В.М. Михлина, И.А. Мишина, А.В. Николаенко, Г.И. Суранова, А.М. Шейнина, М.А. Масино, В.А. Шадричева, А.Т. Кулакова, Н.И. Светличного, А.А. Гафиятуллина определена причина проворота шатунного вкладыша.

На двигателях внутреннего сгорания (ДВС), в том числе и на быстроходных дизельных, широкое распространение в качестве коренных и шатунных подшипников коленчатого вала получили тонкостенные многослойные вкладыши. Несмотря на большой опыт применения тонкостенных вкладышей в подшипниках коленчатого вала, их постоянное совершенствование, доля их дефектов остается значительной.

На основании обзора технической литературы и анализа практики эксплуатации было установлено, что наиболее часто встречается проворот шатунных вкладышей из-за деформации (23,8%).

Зазор в шатунных подшипниках, состояние поверхностей шейки и вкладыша, изменение геометрической формы, развитие абразивных процессов определяют вероятность перехода сопряжения в аварийное состояние. В большинстве исследований устанавливается связь отказов шатунных подшипников с износными процессами в них, определяющими их ресурс, разрабатываются способы диагностирования шатунных подшипников и различные мероприятия (конструктивные, технологические, эксплуатационные) для снижения отказов.

Для достижения поставленной цели исследования сформулированы следующие задачи исследования:

1. Обобщить и разработать способы снижения деформации шатунных вкладышей в процессе эксплуатации.

2. Разработать методику исследования напряженно-деформированного состояния шатунного вкладыша при работе в стендовых и эксплуатационных условиях.

3. Теоретически обосновать зависимость показателей напряженно-деформированного состояния шатунного вкладыша от конструктивно-технологических и режимных факторов и смоделировать напряженно-деформированое состояние с использованием специального программного обеспечения.

4. Проверить предложенные ранее и разработанный способы в стендовых и эксплуатационных условиях.

5. Дать технико-экономическую оценку внедрения выполненных разработок.

Во второй главе «Методика расчетно-экспериментального исследования деформирования вкладышей» приведены общая методика и методика компьютерного моделирования деформации вкладыша, а также методики стендовых исследований изменения деформации шатунных вкладышей.

Разработана методика исследования шатунного вкладыша путем создания его трехмерной модели в сложно нагруженном состоянии с учетом геометрических параметров, тепловых и силовых воздействий, а также деформации на основе программного обеспечения APM WinMachine 2006 (v.9.0). Дан анализ различных вариантов конструктивно-технологического исполнения и разработаны практические рекомендации по снижению деформаций шатунных вкладышей в процессе эксплуатации.

Моделью для расчета является трехмерная модель шатунного вкладыша. Трехмерная модель шатунного вкладыша разрабатывается в программе Autodesk Inventor Series 10 с размерами, соответствующими реальным условиям, и сохраняется в формате *.stp, для возможности дальнейшего импорта этой модели в среду «APM Studio».

Для задания параметров теплового и напряженно-деформированного состояния вкладыша (рис. 1) необходимо: во-первых, в меню «APM Studio» выбрать пункт «Конечно-элементный анализ».

В данном режиме задаются следующие параметры:

1. Ограничения по перемещению вкладыша: закрепление по двум осям - по крайним граням вкладыша и по торцам (кроме оси по направлению оси коленчатого вала), рабочая поверхность закрепляется только по оси коленчатого вала;

Рисунок 1. Температурные монтажные нагрузки и закрепления

2. Прикладываются нагрузки: с торца радиальная распределенная сила R, в зависимости от распрямления; усилие на плоскость торца Т рассчитывается в зависимости от геометрических параметров вкладыша;

3. Температурная нагрузка закладывается как разница температур на рабочей поверхности и тыльной стороне вкладыша.

Для проведения стендовых исследований двигатель КАМАЗ-740.3.10 устанавливался на испытательный стенд фирмы «AVL» с гидротормозом фирмы «SCHENCK». Первым этапом проведения эксперимента является приработка деталей двигателя. Приработка продолжается 50 часов, после чего двигатель разбирается и проводится визуальный контроль состояния шатунных вкладышей. На втором этапе эксперимента после запуска двигателя и его прогрева регулировкой вентиля крана устанавливается давление в системе смазки Р = 0,42 МПа, принудительно сливая масло в поддон картера через масляный фильтр. Для этого в технологическое отверстие на корпусе фильтра устанавливается кран, который соединяется посредством трубки со штуцером, установленным на поддоне картера двигателя. На третьем этапе эксперимента после запуска двигателя и его прогрева регулировкой вентиля крана давление принудительно снижается до 0,23 МПа. От масляного фильтра слив масла осуществляется в поддон двигателя, для чего в технологическое отверстие на корпусе фильтра и вместо дифференциального клапана устанавливаются краны и соединяются посредством трубки и тройника со штуцером, установленным на поддоне картера двигателя.

В третьей главе «Аналитические исследования изменения напряженно-деформированного состояния шатунных вкладышей» приводится исследование напряженно-деформированного состояния шатунных подшипников.

Основой описания процесса развития проворачивания шатунного подшипника является его напряженно-деформированное состояние. Суммарное усилие на торец вкладыша при монтаже составляет (рис. 2)

T_?=T_К+T_B-T_У, (1)

где T_К - усилие на стык вкладыша, создаваемое при нагружении контрольным усилием, T_B - усилие при затяжке в постели на величину выступания, T_У - усилие от увеличения диаметра постели при затягивании вкладышей. Из расчетов получено, что T_? = 11,13 кН.

кН, (2)

где С_с = 61 кН/мм - жесткость вкладыша, определенная в лабораторных условиях, t = 0,1 мм - средняя величина выступания вкладышей под контрольной нагрузкой.

кН, (3)

где - относительное удлинение шатуна; l = 135 мм - длина вкладыша; С_с = 61 кН/мм - жесткость.

Средние напряжения сжатия от монтажа в поперечном сечении вкладыша:

= 159 МПа, (4)

где b=28 мм - ширина вкладыша; S = 2,5 мм - толщина вкладыша.

При установке вкладыша в шатун размер его диаметра в свободном состоянии D_св уменьшается до диаметра расточки в нижней головке шатуна D_нг на величину распрямления д, что приводит к появлению боковой силы R и напряжению изгиба в поперечном сечении вкладыша. Максимальные напряжения возникают по оси симметрии вкладыша на внутренней поверхности

, (5)

где R - боковая сила, которую необходимо приложить к вкладышу для уменьшения размера его диаметра в свободном состоянии до диаметра постели, r - радиус вкладыша (r=42,5 мм), - момент сопротивления на изгиб, : - момент инерции сечения вкладыша.

Используя геометрические параметры вкладыша и параметр жесткости вкладыша на изгиб при среднем значении распрямления д=0,05 мм, изгибающие напряжения в сечении вкладыша составляют МПа. Во внутренних слоях вкладыша при изгибе появляются напряжения сжатия, а в наружных - растяжения.

Средняя величина суммарных напряжений на внутренней поверхности составляет МПа. С учетом того, что параметры вкладыша - выступание t и распрямление д могут отличаться от средних значений в большую или меньшую сторону, а также с учетом допуска по ширине вкладыша b = 28 - 0,28 и толщины, напряжения сжатия и изгиба в стальной основе вкладыша могут принимать значения в интервале от минимальных до максимальных: у_сж=146 ... 179 МПа, =± 3,8... 12,2 МПа.

Рисунок 2. Схема для расчета посадки вкладыша в шатун: Т - торцевое усилие; R - радиальное усилие от распрямления; q - давление вкладыша на постель; p - давление отрыва вкладыша от постели; t - величина выступания

Разница между суммарными максимальными напряжениями сжатия и пределом текучести на сжатие - 33,4 МПа. Поскольку в процессе работы двигателя возникают тепловые напряжения во вкладыше, то возможно превышение предела текучести и накопление остаточных деформаций.

При работе двигателя, особенно на переходных режимах, возможны два вида перепадов температур в шатунном подшипнике:

1) внутреннего t₁ и наружного t₂ слоев вкладыша Дt₁ (перепад по толщине вкладыша);

2) между вкладышами t₃ и телом шатуна t₄ (Дt₂).

Более нагретые внутренние слои вкладыша стремятся удлиниться на величину Дl по окружности и величину Дb по ширине вкладыша

, (6)

, (7)

где б - температурный коэффициент расширения (б = 12·10^-6 1/^oС); l - длина вкладыша; b - ширина вкладыша; Дt₁ - перепад температур по толщине вкладыша. Поскольку удлинению вкладыша по окружности препятствует сопряженный вкладыш, в нем возникают дополнительные напряжения сжатия

МПа, (8)

где б - температурный коэффициент расширения (б = 12·10^-6 1/^oС);

Дt₁ - перепад температур по толщине вкладыша; Е - модуль упругости. Под действием перепада температур середины вкладыша и шатуна Дt₂ вкладыш стремится удлиниться, и в нем появляются дополнительные напряжения сжатия по всему поперечному сечению

МПа, (9)

где б - температурный коэффициент расширения (б = 12·10^-6 1/^oС); Дt₂ - перепад температур между вкладышем и шатуном; Е - модуль упругости. Подсчитанные по средним значениям суммарные напряжения во внутренних слоях вкладыша при работе двигателя достигают предела текучести, а по максимальным - превышают предел текучести, что приводит к остаточным деформациям этих слоев (рис. 3). Так как деформация вдоль образующей (по ширине) вкладыша не ограничена, то её относительное удлинение при двухосном напряженном состоянии составит

, (10)

где е_х - относительное удлинение; у_х - напряжение по оси х; у_у - напряжение по оси у; m - коэффициент Пуассона, для стали m = 0,3; Е - модуль упругости. При отсутствии сопротивления вдоль образующей у_x=0. Определим относительное удлинение (по ширине) внутреннего слоя относительно наружного.

Рисунок 3. Эпюры напряжения во вкладыше от перепадов температур
(а, б) и суммарные монтажные и тепловые (в)

Определим при этом прогиб вкладыша через радиус кривизны в поперечном направлении вкладыша (рис. 4).

мм, (11)

где R_x - радиус кривизны в поперечном сечении вкладыша; b - ширина вкладыша; S - толщина вкладыша; Дb - увеличение ширины вкладыша.

Рисунок 4. Схема поперечной деформации вкладыша

Из геометрических соотношений определим прогиб

мм, (12)

где R_x - радиус кривизны в поперечном сечении вкладыша; b - ширина вкладыша. Как видно, величина прогиба вкладыша составляет 20-25% от величины радиального зазора в шатунном подшипнике (70…128 мкм). Следовательно, при работе двигателя повышается вероятность непосредственного контактирования середины вкладыша с шейкой вала.

Схема нагружения обычного вкладыша без предохранительных элементов (в дальнейшем предохранителей), приведенная на рис. 5, показывает, что при действии напряжений сжатия происходит поперечная деформация. По оси у (по окружности вкладыша) деформаций нет, так как им препятствует сопряженный вкладыш. Деформациям в радиальном направлении (z) с одной стороны препятствует шатун или крышка, а с другой стороны на величину до радиального зазора ничего не препятствует. Нет препятствий также деформациям вдоль образующей вкладышей (направление х). Таким образом, при чистом сжатии размеры сечения вкладыша будут возрастать в соответствии с законом поперечной деформации (10) по двум осям: по образующей в две стороны; по радиусу в сторону шейки коленчатого вала на величину до радиального зазора (рис. 5). При наличии напряжений изгиба от распрямления вкладыша и различия температур на его внутренней и наружной сторонах внутренняя сторона деформируется больше, образуя прогиб по образующей (рис. 6).

Рисунок 5. Схема поперечной деформации вкладыша при чистом сжатии

Рисунок 6. Схема поперечной деформации вкладыша при сжатии, изгибе и неравномерном нагреве: Т - торцевое усилие; М_и - изгибающий момент

Для снижения вероятности превышения предела текучести у_Т и образования остаточного прогиба вкладышей по образующей ранее были разработаны предохранители различных вариантов, один из которых приведен на рис. 7. В этом случае при превышении предела текучести остаточную деформацию имеют в основном элементы фаски. При этом возможности деформации по оси z (радиально) гораздо больше, чем радиальный зазор. В области упругих деформаций справедлив закон Гука

, (13)

где у - напряжение; е - деформация; Е - модуль упругости.

Отсюда можно выразить деформацию с учетом геометрических параметров вкладышей

, (14)

где F - суммарная сила сжатия, действующая вдоль по окружности вкладыша (направление х); Е - модуль упругости; b - ширина вкладыша; с-- толщина вкладыша.

Из формулы (14) видим, что даже в пределах упругости деформация обратно пропорциональна толщине вкладыша или рабочей поверхности его торца, а за пределами упругих деформаций эти соотношения нарушаются, но остается соотношение пропорциональности остаточных деформаций и действующих напряжений, близких и превышающих предел текучести.

Рисунок 7. Предохранитель вкладыша в виде фаски на стыке: Т - торцевое усилие; М_и - изгибающий момент

Экспериментально определено, что сжимающие напряжения на торце вкладыша достигают предела текучести, когда его поверхность составляет не ниже 55-60% от толщины вкладыша. При отсутствии предохранительной фаски суммарные напряжения сжатия на внутренней стороне среднего сечения вкладыша на 30-35% превышают предел текучести.

Таким образом, несмотря на простое конструктивное и технологическое решение вопроса предохранителя вкладыша в виде фаски, оно характеризуется ограниченными возможностями. Во-первых, основное свое назначение предохранитель выполняет в основном в приработочный период, за пределами которого существенно снижается выступание, а следовательно, и эффективность предохранителя. Во-вторых, такой предохранитель только снижает прогиб вкладыша по образующей, а не устраняет его совсем в процессе эксплуатации.

Следующим вариантом предохранителя является увеличение толщины вкладыша. Известно, что ремонтный вкладыш для двигателей КАМАЗ-740 толще номинального на 1мм или на 40%. В соответствии с формулой (5) это снижает напряжение, а, следовательно, и деформацию по формуле (14) на 49%. Кроме того, повышение толщины вкладыша увеличивает его жесткость и сопротивление образованию прогиба по образующей. Однако большая толщина вкладыша способствует большему градиенту температур внутренней и наружной поверхности вкладыша, что повышает прогиб по образующей. В целом это снижает вероятность превышения предела текучести, но не исключает проворачивание вкладышей.

Поскольку максимальный прогиб вкладыша по образующей наблюдается в его середине, то следующим вариантом предохранителя является механическое крепление его к шатуну и к крышке шатуна. Такое закрепление по расчетам в соответствии с приведенными формулами должно сократить прогиб в два раза. Однако картина прогиба на каждой половине вкладыша остается. Кроме того, конструктивно-технологическое выполнение этого закрепления затруднено.

Поэтому следующим вариантом предохранителя является распределение ослаблений сечения вкладыша (пазов) равномерно по тыльной стороне вкладыша. Такая конструкция является более гибкой или приспосабливаемой к повышению напряжения.

В соответствии со схемой нагружения вкладыша (рис. 2) эпюра суммарных напряжений по длине вкладыша неравномерна (рис. 8). Максимальные напряжения наблюдаются в середине вкладыша (сечение А-А) на внутренней стороне. Здесь же должны быть и максимальные деформации по оси у (вдоль вкладыша). Но поскольку им препятствует сопряженный вкладыш, то е_у = 0 и появляется поперечная деформация е_х (рис. 8). Эта деформация также неравномерна по толщине вкладыша. Максимум ее приходится на внутренние слои, что и вызывает появление прогиба по образующей.

Рисунок 8. Эпюры напряжений сжатия - у_с, изгиба - у_и, и суммарных напряжений - у_? по длине вкладыша

При отсутствии предохранителей на внутренних слоях на глубине l (рис. 9, а) напряжения превышают у_т, и, следовательно, будут остаточные деформации е_у, так как е_х =0. При наличии предохранительного паза глубиной h₁ с тыльной стороны вкладыша (рис. 9, б) суммарные напряжения возрастают, что может увеличивать е_у. Однако в этом случае появляется третье направление деформации z (по радиусу). Деформация е_z появляется как внутри предохранительного паза, так и на рабочей поверхности вкладыша (рис. 9, б). При у_У>у_т, эта деформация будет остаточной.

С ростом величины предохранительного паза до h₂ (рис. 9, в) суммарные напряжения возрастают, что соответственно повысит и е_у и е_z. При повышении числа таких предохранительных пазов суммарные напряжения в каждом пропорционально снижаются (рис. 10), что понижает вероятность превышения у_т и появления остаточных деформаций.

Соотношение деформаций е_у и е_z. зависит от размеров вкладыша (ширина, толщина). Поперечные предохранительные пазы снижают остаточные деформации е_у за счет остаточных деформаций е_z, однако вероятность проявления прогиба (в том числе и остаточного) не исчезает. Для снижения вероятности появления остаточного прогиба целесообразно изготовить продольные предохранительные пазы (рис. 11, б) по всей длине вкладыша с тыльной стороны. В обычном вкладыше наблюдается неравномерность тепловых напряжений у_т по ширине (рис. 11, а), что способствует увеличению прогиба Д.

Рисунок 9. Эпюры суммарных напряжений и деформаций в сечении А-А при отсутствии предохранителя (а), при малой (б) и большой (в) глубине предохранителя

Рисунок 10. Эпюра суммарных напряжений по длине вкладыша с одним (а) и с несколькими (б) предохранителями в виде пазов

При наличии продольных предохранительных пазов (рис. 11, б) деформация е_х сокращается за счет увеличения деформации е_z. Часть этой деформации появляется в пазах, часть - на рабочей поверхности вкладышей (рис. 11, б).

Рисунок 11. Эпюра тепловых напряжений у_t по ширине вкладыша и его деформация ? без предохранителей - а и деформация с продольными предохранителями - б

Рисунок 12. Зависимость максимальных значений прогиба при различной толщине вкладыша по результатам моделирования

С увеличением числа поперечных предохранительных пазов вследствие продольной деформации суммарные напряжения будут снижаться, что приведет к снижению деформаций вкладышей. Однако чрезмерное увеличение пазов усложняет изготовление вкладышей и ведет к повышению контактных давлений q_У в сопряжении их с головками шатунов, что повышает интенсивность фреттинг-изнашивания.

С учетом линейного характера эпюр напряжений по толщине вкладыша (рис. 9) и закона Гука в пределах упругих деформаций для деформаций е_z можно записать линейную зависимость от числа предохранительных пазов N

, (15)

где е_zо - деформация при отсутствии предохранительных пазов (N = 0); k - коэффициент пропорциональности (определяется расчетно и экспериментально).

Эта зависимость носит стохастический характер, поэтому определять ее параметры целесообразно экспериментально, а расчет деформаций при различном сочетании числа и глубины предохранительных пазов целесообразно выполнять с использованием метода конечных элементов.

В результате наблюдения за двигателями после капитального ремонта на ОАО "Ремдизель" отмечено снижение отказов отремонтированных двигателей в результате выхода из строя шатунных вкладышей. Как известно, шатунные вкладыши, применяемые на двигателях КАМАЗ, имеют различную толщину. То есть толщина стальной основы увеличивается, повышая тем самым стабильность геометрических параметров вкладыша (рис. 12).

Как вариант устранения прогиба шатунного вкладыша можно применить жесткую фиксацию подшипника в точке симметрии. Одним из множества вариантов закрепления является закрепление с помощью винта. При жесткой фиксации вкладыша целесообразно уменьшить его диаметр в свободном состоянии, тем самым создав условия для снижения монтажных напряжений в собранном узле, что, в свою очередь, как и фиксация, будет служить предпосылкой для уменьшения значений прогиба вкладыша.

Уменьшение величины выступания t на 40 мкм с предельного отклонения +120 до +80 по верхней границе способствует снижению общего напряженного состояния вкладыша и, соответственно, уменьшению значений прогиба вкладышей.

При снижении величины выступания со 120 мкм до 80 мкм для вкладышей номинальных размеров значение прогиба снижается на 20% (по результатам компьютерного моделирования (рис. 13)).

Рисунок 13. Зависимость прогиба вкладыша от его толщины и величины выступания

В результате проведенного компьютерного моделирования при сравнении вкладышей с предохранительной фаской и без нее получено, что применение фаски снижает прогиб вкладыша на 12,5%.

Для снижения величин деформации шатунных вкладышей и увеличения стабильности их геометрических параметров был разработан способ снижения напряженно-деформированного состояния вкладыша путем создания рельефной тыльной стороны стальной основы.

В ходе компьютерного моделирования было просчитано несколько вариантов по количеству и глубине пазов. На рис. 14 приведены зависимости среднего прогиба от числа поперечных пазов при одном и двух продольных пазах. Из рис. 14, а видно, что с ростом числа пазов N деформация снижается по линейной зависимости (16) с высокой степенью достоверности расчетных и аналитических данных (r²=0,96). Зависимость среднего прогиба вкладышей от глубины пазов приведена на рис. 14, б.

Из рис. 14, б видно, что с ростом глубины пазов значения деформации снижаются, что подтверждает зависимость (14). Практически после глубины 50% снижение Д заканчивается.

На рис. 15 приведена двухфакторная зависимость деформаций вкладыша от числа и глубины пазов. Из нее видно, что большее влияние на деформацию оказывает число пазов. Относительное изменение деформации в заданных пределах глубины составляет 20%, а относительное изменение деформации в заданных пределах числа пазов - 33%. При числе пазов N=13 снижение площади контакта составляет 27%, дальнейшее увеличение количества пазов еще больше снижает площадь контакта и способствует раннему проворачиванию вкладыша.

Рисунок 14. Зависимость среднего прогиба вкладышей от числа поперечных пазов при одном - 1 и двух - 2 продольных пазах (а) и от глубины пазов (l - глубина пазов в % от толщины) (б)

После l=50% снижение прогиба незначительно, а на рабочей поверхности появляются следы остаточной деформации, что нарушает масляный клин.

Рисунок 15. Двухфакторная зависимость прогиба вкладыша от глубины пазов l и от числа поперечных пазов N

В четвертой главе «Анализ результатов экспериментальных исследований» по полученным экспериментальным данным был проведен анализ изменения напряженно-деформированного состояния в процессе испытаний.

Исследование деформирования шатунных вкладышей при работе двигателя проведено в стендовых условиях 1000 часовых испытаний. На двигатель был установлен контрольный комплект шатунных вкладышей, которые измеряли через первые 50 часов и каждые последующие 200 часов; при этом измеряли распрямление, выступание и прогиб вкладышей.

Самую большую величину деформации в процессе испытаний получили вкладыши шестого цилиндра (рис. 16), которые имели самые большие исходные напряжения - после наработки 200 часов нижний вкладыш получил незначительные деформации, а на верхнем вкладыше обнаружен характерный натир в средней части вследствие полученного первичного прогиба, что подтверждает аналитические предпосылки развития процесса проворачивания вкладышей.

Уточнена зависимость изменения выступания и напряжения стальной основы шатунного вкладыша от наработки. Изменение параметров t и у в процессе испытаний можно описать следующей формулой:

Рисунок 16. Изменение выступания t и напряжения у на внутренней поверхности стальной основы верхнего шатунного вкладыша шестого цилиндра в процессе работы дизельного двигателя в зависимости от наработки ф

, (16)

где 0,93 - аппроксимирующий коэффициент;

ф - наработка в часах;

Уровень достоверности полученной зависимости R²=0,93.

Разработанная зависимость учитывает влияние исходных геометрических параметров вкладыша и напряжений в стальной основе на полученные в процессе испытаний значения от наработки.

Изменения геометрических параметров шатунных вкладышей устанавливают определяющую роль в развитии отказа состояния самого вкладыша, а именно его напряженного состояния.

Как показали стендовые исследования, при увеличении толщины стальной основы вкладыша на 20% и прочих равных условиях, его прогиб снижается на 20%.

Прогиб наблюдается у всех вкладышей. Но по отсутствию характерного следа на четырех вкладышах с отверстиями можно сделать вывод о том, что вкладыши, которые были жестко закреплены в постели, не имели деформации в процессе работы двигателя, в свою очередь, незакрепленные вкладыши имели характерный след натира в средней части.

Данные, полученные в результате сравнительных испытаний вкладышей, показали, что снижение выступания со 120 мкм до 80 мкм уменьшает прогиб на 43%.

В результате стендовых исследований получено также, что применение фаски снижает прогиб вкладыша на 12,5%.

При сравнении обычных вкладышей и вкладышей с предохранительными пазами по результатам стендовых исследований установлено, что средний прогиб экспериментальных вкладышей в 5,2 раза меньше, чем обычных вкладышей.

Сравнительный анализ результатов компьютерного моделирования и экспериментальных данных показал, что относительное расхождение не превышает 15% и в среднем составляет 10,85%.

В результате эксплуатационных исследований получены данные о снижении количества отказов двигателей из-за проворачивания вкладышей, которые свидетельствуют, что после внедрения предложенных разработок количество отказов на один автомобиль при наработке 150…200 тыс. км снизилось на 20,8%, а наработка на отказ увеличилась на 42,44%.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка эффективности результатов исследования» проведена оценка использования ресурса двигателей и оценка эффективности результатов исследования.

В настоящее время доля затрат на техническое обслуживание и текущий ремонт в себестоимости перевозок по автомобилям КАМАЗ достигает 15%. На двигатель КАМАЗ в среднем приходится 27,7% всех отказов автомобиля. Доля отказов двигателей по причине отказа вкладышей составляет 25%. Относительное снижение себестоимости перевозок определяется умножением этих долей. Результаты расчетов показали, что годовой экономический эффект составил 3731 руб. на один двигатель.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Снижение вероятности проворачивания вкладышей возможно за счет: увеличения толщины стальной основы вкладыша; снижения величины выступания вкладыша; использования закрепления вкладыша в постели; изготовления предохранителей по стыку в виде фасок. Впервые прдложено улучшение стальной основы вкладыша поперечными и продольными пазами. Разработаны аналитические предпосылки влияния параметров предохранительных пазов (количество и глубина) на напряженно-деформированное состояние вкладышей.

2. Для расчета деформаций шатунного вкладыша разработана трехмерная модель вкладыша и схема его нагружения в среде «APM WinMachine». Схема нагружения учитывает геометрические параметры вкладыша, монтажные и тепловые нагрузки, возникающие при работе вкладыша. Для проведения стендовых сравнительных испытаний разработаны методики, позволяющие получить прогиб шатунных вкладышей в короткий срок.

3. Значительная часть двигателей (до 25 %) поступает в капитальный ремонт из-за проворачивания шатунных вкладышей. Отказ в большинстве случаев считают внезапным, однако он имеет определенную закономерность развития из-за изменения их напряженно-деформированного состояния и образования прогиба по образующей. Интенсивность этого процесса во многом зависит от геометрических параметров вкладыша и режимов работы двигателя. Для снижения деформации вкладышей необходимо снизить их напряженно-деформированное состояние. Расчетами установлено, что максимальные суммарные напряжения во вкладыше превышают предел текучести (на 30 МПа), что обуславливает остаточную деформацию в виде прогиба по образующей (0,016 мм), соизмеримого с величиной радиального зазора. Снижать напряженно-деформированное состояние вкладышей можно, изменяя сечение, условия монтажа и использованием предохранительных элементов.

4. По результатам стендовых исследований получено, что повышение толщины вкладыша на 20% снижает его прогиб на 20%, применение фиксатора (винта М8) - на 7%, снижение выступания (натяга) со 120 мкм до 80 мкм - на 43%, применение предохранителей на стыке - на 12,5%, улучшение стальной основы с помощью предохранительных пазов - на 80%. Результаты расчетных и экспериментальных значений параметров различаются в среднем на 10,85%. Показатель достоверности r² в полученных зависимостях находится в пределах от 0,905 до 0,98, что свидетельствует о достаточной достоверности моделей.

5. Осуществлено внедрение разработанного способа снижения деформаций за счет улучшения стальной основы на предприятиях ОАО «Завод подшипников скольжения», г. Тамбов, и ОАО «Кузембетьевский РМЗ», Республика Татарстан. Внедрение этих рекомендаций позволяет снизить количество отказов на 20,8%, а наработку на отказ повысить на 42,4% и получить годовой экономический эффект в размере 3731 руб. на один двигатель.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

отказ двигатель деформация шатунный

1. Сахапов И.А. Применение информационных технологий для определения причин износа шатунных вкладышей / А.Т. Кулаков, Р.Г. Хабибуллин, И.В. Макарова, Д.О. Жданов, И.А. Сахапов // Прил. к журналу «Открытое образование». Материалы XXXIII междунар. конф. и диск. науч. клуба «Информац. технол. в науке, социологии, экономике и бизнесе» IT+SE'06, Ялта-Гурзуф, 2006. С. 169-171 (0,25/0,05 п.л.).

2. Сахапов И.А. Диагностирование шатунных вкладышей дизельных двигателей / А.Т. Кулаков, А.А. Макушин, И.А. Сахапов // Ресурсосберегающие технологии технического сервиса. Ч. 2. Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов и оборудования: материалы международной научно-практической конференции. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2007. С. 72-79 (0,56/0,19 п.л.).

3. Сахапов И.А. Разработка прибора для измерения зазора между шатунной шейкой коленчатого вала и шатунным подшипником / А.А. Макушин, И.А. Сахапов, О.А. Кулаков // Ресурсосберегающие технологии технического сервиса. Ч. 2. Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов и оборудования: материалы международной научно-практической конференции. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2007. С. 99-102 (0,375/0,125 п.л.).

4. Сахапов И.А. Разработка метода диагностирования состояния шатунных вкладышей дизельных двигателей / А.А. Макушин, И.А. Сахапов, О.А. Кулаков // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сборник статей III Международной научно-технической конференции. - Пенза, 2007. С. 111-115 (0,375/0,125 п.л.).

5. Сахапов И.А. Исследование деформаций шатунных вкладышей дизельных двигателей / А.Т. Кулаков, А.А. Макушин, И.А. Сахапов // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сборник статей III Международной научно-технической конференции. - Пенза, 2007. С. 115-118 (0,25/0,08 п.л.).

6. Сахапов И.А. Применение IT-технологий для повышения эксплуатационной надежности автомобильной техники / Р.Г. Хабибуллин, И.В. Макарова, И.А. Сахапов // Наука и образование - 2007: материалы международной научно-технической конференции. - Мурманск: МГТУ, 2007. С. 994-998 (0,25/0,08 п.л.).

7. Сахапов И.А. Диагностирование формоизменений шатунных вкладышей дизельных двигателей / А.Т. Кулаков, И.А. Сахапов, О.А. Кулаков // Автотранспортное предприятие. 2008. №1. С. 47-49 (0,56/0,19 п.л.).

8. Сахапов И.А. Влияние градиента температур по толщине вкладыша на его деформацию / А.Т. Кулаков, И.А. Сахапов // Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России: материалы V международной научно-технической конференции Пенза 21-23 мая 2008 г. - Пенза: ПГУАС, 2008. С. 49-54 (0,375/0,019 п.л.).

9. Сахапов И.А. Улучшение работы шатунного вкладыша изменением конструкции стальной основы / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, И.А. Сахапов // Совершенствование технологии и организации обеспечения работоспособности машин: сборник научных трудов. - Саратов: Саратовский ГТУ, 2008. С. 15-19 (0,5/0,167 п.л.).

10. Сахапов И.А. Диагностика и предупредительный ремонт шатунных подшипников в дизелях / А.Т. Кулаков, И.А. Сахапов // Тракторы и сельхозмашины. 2009. №2. С. 42-43. (издание, рекомендованное в Перечне ВАК РФ) (0,31/0,16 п.л.).

11. Сахапов И.А. Разработка метода диагностирования состояния шатунных вкладышей дизельных двигателей / А.А. Макушин, И.А. Сахапов, О.А. Кулаков // Контроль. Диагностика. 2009. №2. С. 51-53. (издание, рекомендованное в Перечне ВАК РФ) (0,375/0,125 п.л.).

Размещено на Allbest.ru

...