Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИ ОБОСНОВАННЫХ РЕЖИМОВ ОБКАТКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСЛЕ КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА

Волченков А.В. 1
1 Муромский институт (филиал) федерального государственного бюджетного образователь-ного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
Технологическая обкатка механизмов занимает важное место в процессе изготовления и запуска машины в эксплуатацию. В процессе обкаточного нагружения происходит приработка узлов трения механизмов, осуществляется контроль изготовления и сборки машины в целом. Вместе с тем, обкатка – это очень энергоемкий и длительный процесс, особенно для мощных, крупноразмерных двигателей. Однако до сих пор режимы обкатки в промышленности назначаются, главным образом, на основе производственного опыта. Приработка трущихся деталей после изготовления или капитального ремонта имеет решающее значение для широкого класса двигателей внутреннего сгорания, у которых наиболее длительный процесс занимает адаптация деталей шатунно-кривошипного механизма в силу более высокой динамики нагружения при менее выгодных условиях трения с точки зрения осуществимости приработочных процессов. Разработанные на основе триботехнических свойств материалов наиболее нагруженных узлов трения новые режимы обкатки были разносторонне исследованы в производственных условиях. Полученные результаты свидетельствуют об их высокой эффективности.
режим обкатки
приработка материалов
трибосопряжение
на¬грузочно-скоростной режим
микротвердость
приработочный износ
1. Буше Н.А. Подшипники из алюминиевых сплавов. / Н.А. Буше, А.С. Гуляев, В.А. Двоскина, К.М. Раков. – М: «Транспорт», 1974. – 248 с.
2. Буше H.A., Алексеев Н.М., Трушин В.В., Маркова Т.Ф. Механические процессы формирования вторичных структур подшипниковых сплавов. Трение и износ. – 1981. – Т. 2, № 3. – С. 212-220.
3. Волченков А.В. Исследование антифрикционных материалов узлов трения на прирабатываемость // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6;
4. Волченков А.В., Матвеев Е.А. Режим приработки как функция триботехнических свойств материалов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2014. - № 4 (306). – С. 144-148.
5. Волченков А.В. К вопросу интерпретации приработки при трении Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России. VI Всероссийские научные Зворыкинские чтения: сб. Тез. Докл. Всероссийской межвузовской научной конференции. Муром, 2014 г.– Муром: Изд.-полиграфический центр МИ влгу, 2014.– 695 с.: ил.– [Электронный ресурс].

В процессе обкатки двигателей внутреннего сгорания (ДВС) под нагрузкой происходит приработка основных узлов трения, обеспечи­вающая возможность их работы на номинальных нагрузках. Известно, что правильное проведение обкатки двигателя спо­собствует не только исключению случаев повреждений деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и кривошипно-шатунно­го механизма (КШМ), но и увеличению надежности и ресурса двигателя в целом.

Цель исследования

Методы совершенствования обкаточных режимов основаны на экспериментальном изучении параметров обкатки конкретных натурных ДВС. Но такими методами невозможно учесть трибологические закономерности приработки материалов сопряжений, определяющие условия безопасного и эффектив­ного протекания приработки. Анализ повреждаемости в про­цессе обкатки и в эксплуатации показывает, что именно ха­рактер взаимодействия (трения) материалов в узлах предоп­ределяет процесс обкатки двигателя в целом. Поэтому назначе­ние режимов приработки необходимо проводить на основе закономерностей [2] прирабатываемости материалов трущихся поверхностей.

Рост прикладываемой к двигателю внешней нагрузки однозначно отражается на важнейших парах трения в узлах ЦПГ и КШМ. Вместе с тем условия приработки деталей в каждом из них существенно отличаются. Прежде всего, различаются материалы пар трения. Высокие пульсирующие температуры и давления, граничная смазка, переменные скорости скольжения - вот неполный перечень условий, в которых прирабаты­ваются поршни, поршневые кольца, цилиндровые втулки. Вместе с тем, при­работка деталей ЦПГ всегда проходит при граничной смазке, что существенно ее облегчает. Подшипники коленчатого вала прирабатываются при более низких температурах, но уровень нагрузок там существенно выше. Приработка дета­лей КШМ усложняется возможностью возникновения жид­костного трения, особенно при низком уровне нагру­зок на начальных ступенях обкатки двигателя. В этой связи, лимитирующим фактором по продолжительности обкатки двигателя на каждой ступени нагрузочно-скоростного режима следует считать продолжительность приработки деталей КШМ.

Материал и методы исследования

Проведенные на специальном триботехническом стенде лабораторные испы­тания по оригинальным методикам материалов трущихся пар [3, 4] ряда тепловозных двигателей позволили установить закономерности повыше­ния нагрузочных и скоростных воздействий при приработке, отвечающие условиям безопасности по заеданию и эффективно­сти по качеству поверхностей. Учет этих закономерностей применительно к стендовой обкатке двигателей обеспечивает осуществление приработки с сохранением одинакового запаса до заедания на всем ее протяжении.

Процесс приработки трущихся поверхностей проходит в несколько этапов. На первом этапе за счет поверхностной пластической деформации и интенсивного износа возрастают контурная, а затем и фактическая площади контактирования. Вначале вступают в контакт наиболее высокие микровыступы, которых сравнитель­но не много; на их вершинах возникают большие напряжения, превосходящие предел упругости. Вследствие многократных пластических передеформаций происходит быстрое разрушение микровыступов, их вершины сглаживаются, высота уменьша­ется, микротвердость увеличивается. Процесс взаимной адаптации в этот период происходит очень быстро, причем безопасны даже очень высокие скорости роста нагрузки. Из-за большой удаленности очагов схватывания друг от друга процесс схватывания не может принять опасного лавинообразного характера. На следующем этапе в контакт вступают более низкие микровыступы. При этом изменя­ется микрогеометрия шероховатостей поверхностей. По мере адаптации поверхностей в пятнах контакта пластические деформации уступают место упругим, интенсивность изнашивания существенно умень­шается. К тому времени, когда подходит очередь высоких нагрузок, первичная приработка материалов уже произошла и отдельные участки поверхности приобрели повышенную микро­твердость и изностстойкость. Дальнейшее увеличение площади контактирования за счет изнашивания и формирование соот­ветствующих триботехнических свойств поверхностей, которое необходимо для восприятия более высоких нагрузок после­дующей ступени, все более затрудняется, а вероятность заеда­ния возрастает. Поэтому время приработки на каждой после­дующей ступени продолжительнее, а безопасные приросты нагрузки меньше, чем на предыдущей. Наконец, наступает такой момент, когда дальнейшее изменение микрогеометрии шероховатостей и соответствующих физико-химико-механиче­ских свойств трущихся поверхностей блокируется микрозади­рами  в отдельных пятнах контакта и усталостным износом приповерхностных слоев. Устанавливается «равновесная» шеро­ховатость и соответствующие текущему значению нагрузочно-­скоростного режима триботехнические свойства материалов поверхностей. Следовательно, для обеспечения адекватности изменения на­грузочно-скоростного режима изменению физико-химико-меха­нических свойств поверхностей трущихся деталей при прира­ботке, необходимо, чтобы скорость роста тормозного момента снижалась в функции времени, причем величи­на прироста нагрузки не превышала на каждой ступени при­работки безопасной величины.

Для оценки величины прироста нагрузки предло­жен [5] показатель kj, который равен отношению размера при­роста нагрузки на данной ступени обкатки к ее запасу до зае­дания. Применительно к реалным производственным условиям обкатки границей заедания целесообразно принять внешнюю характеристику ДВС, которая определяется максимально допустимыми параметрами его работы. На основании практического опыта проведения обкаток, безопасную величину kj следует принять равной для разного типа двигателей и степени их энергонапряженности 0,1-0,25.

Разработаны опытные режимы обкатки тепловозных двигателей типа Д100 с учетом условий, сформулированных на основе выявленных законо­мерностей приработки материалов основных пар трения узлов трения. Результатом выполнения этих условий явился опытный режим, при обкатке по которому основные сопряже­ния дизеля прирабатываются с гарантированным запасом нагрузочной способности. Величина максимального прироста тормозной мощности опытного режима не превышает макси­мальных значений по Правилам заводского ремонта, но осу­ществляется он в самом начале обкаточного нагружения, ибо в этот период такой прирост не опасен. Далее идет монотонное убывание прироста нагрузки. Показатель kj при обкатке по опытной программе принят 0,16.

Программа натурных стендовых испытаний включала в себя несколько этапов: обкатка трех контрольных двигателей в соответствии с Правилами заводского ремонта тепловозов типа ТЭ3 и ТЭ10; обкатка трех двигателей по опытной программе (kj=0,12); обкатка партии двигателей по улучшенной программе (kj=0,16). Критериями качества стендовой обкатки являлись: удовлетворительное взаимное прилегание поверхностей трения, отсутствие прорыва газов в кратер, отсутствие резких изме­нений температуры подшипников коленчатых валов, постепен­ное и стабильное снижение скорости изнашивания, отсутствие как повреждений, так и следов механической обработки на большей части площади рабочих поверхностей трущихся де­талей [1], снижение уровня механических потерь дизеля в целом. Контроль за приработкой осуществлялся по всем параметрам, регламентируемым Правилами заводского ремонта, а также спектральным анализом проб масла из системы смазки дизеля, измерением температуры масла, в подшипниках нижнего коленчатого вала. Качество обкатки при комиссион­ных осмотрах определялось по состоянию поверхностей тре­ния, а также измерению износов и определением механического к.п.д. методом выбега.

На основе анализа изменения концентрации частиц износа в масле установлено, что наиболее интенсивно при­работка происходит в ЦПГ (железо) и гораздо мягче прира­батываются детали верхней головки шатуна (медь). Интен­сивность приработки всех сопряжений в ходе обкатки непосто­янна. По уровню интенсивности типовую обкатку можно разделить на два периода. В течение первого периода интенсивность при­работки низкая, концентрация частиц износа убывает. Переход на каждый последующий режим не вызывает увеличения скорости изнашивания. Поверхности трения не «чувствуют» повышения нагрузки. Очевидно, что ступени повышения нагруз­ки слишком малы и, как следствие этого, к более высоким нагрузкам сопряжения подходят неподготовленными. Даль­нейшее увеличение нагрузочного воздействия вызывает резкий рост концентрации частиц износа, который не прекращается до конца обкатки.

Данные спектрального анализа полностью подтверждают­ся результатами измерения температуры масла, вытекающего из подшипников коленчатого вала. В течение первого периода обкатки температура масла растет незначительно. Резкий ее рост во втором периоде обкатки обусловлен предза­дирным состоянием вкладышей колен­чатого вала. При средней температуре масла в системе 90° тем­пература поверхности вкладыша достигала 120-160°С. Так как температурная стойкость дизельного масла 140­ - 160°С, то таким образом создаются условия для образования задира. Ужесточение трения во этом периоде объясняет известные из производственного опыта частые случаи задиров деталей КШМ в этот период обкатки. Таким образом, была подтверждается анали­тическая оценка режимов.

По опытной программе было обкатано также три дизеля, причем один из них проходил обкатку без разгрузок на последних этапах. Из анализа зависимостей концентрации частиц износа и температуры масла, вытекающего из торцов коренного вкладыша нижнего коленчатого вала следует, что на всем протяжении обкатки сопряжения дизеля находятся в оптимальных условиях, т. е. отсутствуют как периоды критического повышения концентрации частиц износа в масле и резкого повышения температуры самого масла (предзадирное состояние сопряжений), так и участки их резко­го снижения (прекращение приработки). С учетом получен­ных результатов обкатка двух следующих двигателей проводилась с кратковременными разгрузками длительностью до пяти ми­нут, с целью снижения опасности заедания прирабатываю­щихся поверхностей. При сравнении с параметрами обкатки контрольного дизеля, которая проходила без разгрузок, были выявлены следующие положительные результаты: концентра­ция частиц износа в масле снизилась на 5-10 %, температура масла в подшипниках - на 30-70°С без снижения эффективности прира­ботки в целом. И еще одно обстоятельство следует иметь в виду. Как известно, при прочих равных условиях, степень приработанности сопряжений определяется только временем приработки на наибольшей на­грузке. Работа дизеля на нагрузке выше 1960 кВт при обкатке по Правилам заводского ремонта составляет 70 мин, а при обкатке по опыт­ной программе - 125 мин, или больше на 79 %. Следовательно, степень приработанности двигателей во втором случае должна быть выше.

Во время комиссионных осмотров двигателей, обкатанных по опытной программе, установлено, что состояние юбок поршней, поршневых колец, зеркал цилиндровых втулок, перемычек удовлет­ворительное. Различия в состоянии поршневых колец одного типа незначительны. Вкладыши коленчатых валов имели 90-100 % приработанной поверхности без глубоких рисок.

Результаты, полученные в ходе проверок опытных режи­мов обкатки двигателей типа Д100, в основу которых были поло­жены принципы эффективности приработки на всем ее про­тяжении, позволили уточнить характер обкаточного нагруже­ния. Прежде всего, был повышен размер первого при­роста тормозной мощности с 40 до 135 кВт и одновременно увеличено время приработки на этой ступени с 5 до 10 мин. Соответственно увеличился общий уровень текущей нагрузки на тех же позициях контроллера при более плавном изменении характера и величины приростов тормозной нагрузки. Введение разгрузок на последних этапах обкатки позволило несколько увеличить размер минимального прироста нагрузки с 10 до 40 кВт и время работы на этих ступенях. Приработка на нагрузке свыше 1960 кВт при обкатке по уточненной опытной программе составила 120 мин. В результате более интенсив­ного нагружения общее время обкатки сократилось до 7 ч 15 мин вместо 15 ч по Правилам заводского ремонта. Уточненный режим не претерпел принципиальных изменений, не произошло существенных изменений и в текущих пара­метрах обкатки и ее результатах.

По уточненной опытной программе было обкатано три ди­зеля. Из-за более интенсивного нагружения на первой ступени несколько быстрее растет концентрация частиц из­носа и температура масла в подшипниках коленчатых валов по сравнению с первоначальным вариантом, зато по мере нагружения рост концентрации частиц износа и температуры масла в подшипниках прекращается, нет опасных изменений в характере трения важнейших сопряжений дизеля. Уровень температуры масла определяется главным образом рабочим процессом в двигателе.

Комиссионными осмотрами двигателей, обкатанных по уточ­ненной опытной программе, выявлено, что по состоянию порш­ней, цилиндровых втулок, вкладышей замечаний нет. Различия в приработке уплотнительных колец одного типа незначи­тельны.

Характер изменения температуры поверхностей трения на каждой ступени приработки при неизменном внеш­нем воздействии однозначно отражает изменение режима тре­ния от граничного до смешанного и жидкостного. Поэтому окончательное уточнение параметров режимов обкатки на каждой ступени нагрузочно-скоростного воздействия проводи­лось на основе анализа изменения и стабилизации температу­ры масла, вытекающего из торцов коренных вкладышей ниж­него коленчатого вала. С учетом результатов измерения температуры, полученных при всех способах проведения обка­точных испытаний, а также на основе обобщения производст­венного опыта, длительность каждой ступе­ни назначалась по наибольшему времени стабилизации тем­пературы подшипников коленчатого вала при текущем уровне нагрузки и скорости скольжения. Остальные параметры режима - текущие тормозные нагрузки и скорость вращения коленчатого вала на каждой ступени, характер изменения приростов тормозной мощности и тормозного момента в про­цессе обкаточного нагружения, изменение показателя режима kj - остались прежними. Каких-либо существенных отличий в текущих пара метрах обкатки, качества приработки трущихся поверхностей выявлено не было.

Заключение

В итоге проведенных исследований и испытаний разрабо­таны трибологически обоснованные режимы обкаточного нагру­жения с периодическим «отдыхом», позволяющие проводить обкатку двигателей с гарантированным запасом до заедания на всем ее протяжении. Износ основных пар трения по опытной программе меньше на 10-14 %; механический к.п.д. больше на 7 %, удельный расход топлива меньше на 2,5 %. Трущиеся поверх­ности двигателей характеризуются более качественной приработ­кой, более полным взаимным прилеганием, что обусловливает увеличение их ресурса и повышение надежности в процессе его эксплуатации. Экономическая эффективность разработан­ных улучшенных режимов обкатки двигателей типа Д100 после ремонта определяется сокращением времени обкатки в 2,5 ра­за, снижением расхода топлива более чем на 50,4 %, масла на 5 %, случаи задиров трущихся сопря­жений на 87%.

Рецензенты:

Соловьёв Д.Л., д.т.н., профессор кафедры автоматизированного проектирования машин и технологических процессов Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Муром;

Шпаков П.С., д.т.н., профессор, профессор кафедры автоматизированного проектирования машин и технологических процессов Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Муром.


Библиографическая ссылка

Волченков А.В. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИ ОБОСНОВАННЫХ РЕЖИМОВ ОБКАТКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСЛЕ КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=18092 (дата обращения: 26.02.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074