Диагностическое обеспечение подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.89: 621.822: 621.824.33

Р.Ф. Калимуллин, М.Р. Янучков ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОДШИПНИКОВ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Разработано новое диагностическое обеспечение подшипников коленчатых валов автомобильного двигателя, включающее диагностический параметр «интегральная степень разрушения смазочного слоя» и его нормативные значения для тестового режима диагностирования (на примере двигателя ЗМЗ-5234.10), метод и средство диагностирования - автоматизированную систему оценки смазочного процесса «Комплекс трибодиагностики» на всех этапах жизненного цикла, повышающее достоверность и оперативность определения и прогнозирования технического состояния.

Подшипники коленчатого вала; диагностирование; смазочный слой

R.F. Kalimullin, M.R. Yanuchkov DIAGNOSTIC SOFTWARE FOR MOTOR VEHICLE ENGINE CRANKSHAFT BEARINGS

The author developed a new diagnostic software for motor vehicle engine crankshaft bearings, including a diagnostic parameter the «integral degree of lubricant layer destruction» and its normative values for the test mode of diagnosis (on example of the engine ЗМЗ-5234.10), the method and the diagnostic software that is an automated system for evaluating the lubricating process the «Tribodiagnosis Complex» at all stages of the life cycle, which increases the reliability and efficiency of detection and prediction of technical condition.

Сгапк^Иай bearings; diagnosis; lubricating layer

Подшипники коленчатого вала являются одними из сопряжений, лимитирующих ресурс автомобильного двигателя. Основными причинами отказов подшипников являются разрушение антифрикционного слоя вкладышей, выплавление, задир вкладышей и проворачивание вкладышей, увеличенный зазор вследствие изнашивания трущихся поверхностей вкладышей и шеек, интенсивность которого в эксплуатации во многом зависит от характера смазочного процесса. Показатели смазочного процесса, например, характеристики состояния смазочного слоя, могут являться техническими критериями отказа подшипников, т.е. признаками нарушения их состояния, при котором они способны выполнять заданные функции согласно требованиям конструкторской (проектной) документации.

Существующее диагностическое обеспечение подшипников коленчатого вала, включающее комплекс взаимоувязанных диагностических параметров, методов и средств диагностирования на всех этапах жизненного цикла не позволяет достоверно и оперативно оценить смазочный процесс в них ввиду отсутствия соответствующих показателей и методов. Следствием этого является затрудненность в установлении требуемой периодичности и содержании профилактических и ремонтных воздействий для поддержания работоспособного состояния подшипников, а так же в обнаружении их катастрофического состояния нередко приводит к аварийным остановкам двигателей, преждевременному ремонту и, как следствие, к дополнительным затратам.

В связи с этим, совершенствование диагностического обеспечения для более достоверного и оперативного определения и прогнозирования технического состояния подшипников коленчатого вала по показателям смазочного процесса является актуальной задачей повышения эффективности эксплуатации автомобильных двигателей.

Объектом данного исследования являлся процесс изменения технического состояния подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей в эксплуатации; предметом исследования -закономерности смазочного процесса в подшипниках в зависимости от их технического состояния.

Цель работы состояла в повышении эффективности эксплуатации автомобилей за счет совершенствования методов и средств обеспечения работоспособности автомобильных двигателей на основе диагностирования подшипников коленчатого вала по интегральному показателю смазочного процесса [5-7].

Построена и теоретически исследована диагностическая модель подшипников коленчатого вала автомобильного двигателя. В основу разрабатываемой диагностической модели положена модель смазочного процесса в «эквивалентном подшипнике коленчатого вала автомобильного двигателя» [1-3]. В этой модели свойства смазочного процесса в отдельных шатунных и коренных подшипниках коленчатого вала эквиваленты интегральному свойству в одном подшипнике на общем коленчатом валу, описывающему вероятностью разрушения смазочного слоя. Для количественной оценки смазочного процесса в «эквивалентном подшипнике коленчатого вала» предлагается использовать показатель Еу - «интегральная степень разрушения смазочного слоя».

В условиях эксплуатации значение параметра Еу зависит от большого количества факторов,

основными из которых являются крутящий момент на коленчатом валу М , частота вращения коленчатого вала п, температура масла в подшипнике tм, вязкостно-температурная характеристика (вязкость масла при температуре tм) ( ; микрогеометрические отклонения поверхности трения Ъкр; диаметральный зазор в подшипнике А:

Е/мп,14,тЛм >Кр Л-Л (1)

Значение параметра Еу изменяется от 0 до 1, при этом 0 свидетельствует о том, что во всех

без исключения подшипниках коленчатого вала существует установившегося режима жидкостной смазки (бесконтактного взаимодействия), значение 1 - когда хотя бы один подшипник работает в режиме граничной смазки или сухого трения (контактного взаимодействия). Промежуточные значения параметра 0 < Е^ < 1 имеют место в условиях переходного смазочного процесса в

подшипниках при последовательном во времени чередовании жидкостной и граничной смазок.

При изменении технического состояния подшипников (износе вследствие приработки или эксплуатационного изнашивания либо их восстановлении, например, при применении безразборных ремонтно-восстановительных триботехнологий) переменным являются параметры Ъкр и А. При одинаковых режимах работы, тепловом состоянии двигателя и свойствах моторного масла значения параметров М, п, tм и ( в модели (1) являются неизменными, что позволяет оценивать

техническое состояние подшипников, используя, например, установленную зависимость А = А(Еу ) .

Для проверки обоснованности теоретических положений проведены экспериментальные исследования, в основу которых положена укрупненная модель, содержащая входные (пробег автомобиля Ь, диаметральный зазор А, частота вращения вала на холостом ходу п) и выходной (показатель Еу) переменные. Объектом экспериментальных исследований являлись подшипники коленчатого вала автомобильных двигателей ЗМЗ-5234.10 автобусов ПАЗ-3205. Для получения искомой зависимости А = А(Еу) проведены две серии экспериментальных исследований по

определению закономерностей А = А(Ь) и Еу = Еу (Ь).

В первой серии получен массив данных о диаметральных зазорах в подшипниках в зависимости от пробега автобусов по результатам микрометрирования шатунных и коренных шеек и подшипников коленчатых валов 22 двигателей, поступивших в ремонт.

Во второй серии получены значения показателя Е у в зависимости от пробега автобусов по

результатам испытаний двигателей на холостом ходу. Опыты проводились после смены моторного масла при ТО-2 на установившихся частотах вращения коленчатого вала п = 1000, 1500, 2000 мин-1, согласно разработанному плану эксперимента. Количество исследованных состояний двигателей (пробегов автобуса) составило 20.

Для измерения параметра Е у использовалось разработанное средство диагностирования

подшипников коленчатого вала - измерительно-вычислительный комплекс «Автоматизированная система оценки смазочного процесса (АСОСП)». АСОСП включает устройство для контроля состояния подшипника, токосъемное устройство, информационные шины, программное обеспечение и компьютер [4].

К испытуемому двигателю подключается АСОСП следующим образом: на носке коленчатого вала крепится токосъемное устройство (на храповик, гайку, либо шкив через специально

изготовленный переходник), к которому подсоединяется одна информационная шина, а к блоку цилиндров (на «массу») - вторая. Шины соединены с устройством для контроля состояния подшипников, которое, в свою очередь, через шину соединяется с компьютером.

По измеренным значениям диаметральных зазоров в подшипниках были определены средние значения диаметральных зазоров «эквивалентного подшипника коленчатого вала» (далее

диаметральных зазоров А) на текущих пробегах автобуса Ь. Опытные данные аппроксимированы экспоненциальной моделью вида:

А = А 0есЬ, (2)

где А - текущий диаметральный зазор, мкм; Ао- начальный диаметральный зазор, мкм, А0=78; с -коэффициент интенсивности износа, 1/тыс.км, с = 0,0053; Ь - пробег автобуса, тыс. км.

На рисунке 1 представлена экспериментальная зависимость диаметрального зазора А от пробега автобуса Ь . Полученный вид модели (2) и значения коэффициента с согласуются с данными других авторов [1].

I., тыс.км

Рис. 1. Опытная зависимость диаметрального зазора А в подшипниках коленчатого вала от пробега автобуса Ь

По полученным при текущем пробеге на каждой частоте вращения коленчатого вала средним значениям показателя Еу установлены функциональные зависимости экспоненциального вида (рис. 2):

Еу = аеьЬ, (3)

где а - коэффициент, показывающий значение показателя, приведенное на момент окончания приработки; Ь - коэффициент интенсивности изменения показателя от пробега, 1/тыс. км; Ь - пробег автобуса, тыс. км.

О о т— II С )МИН“Ч^

* ♦ * •/ /п=15( )0мин"3в

« ■ ■ ■

* ■ ■ 1»^ Й см 4 1 ОООмин-

—г\

0 25 50 75 100 125 150

Ц ТЫС.КМ

Рис. 2. Зависимость параметра Е^ от пробега автобуса Ь при разных частотах вращения коленчатого вала П на холостом ходу

- для n =1500 мин-1

- для n =2000 мин-1

Значения коэффициентов модели (3) составили:

- для П=1000 мин-1: a =0,042; Ь =0,0159;

a = 0,0166; Ь = 0,0172; a =0,0211; Ь =0,0141.

Установленная тесная корреляционная связь (R = 0,936...0,956) между значениями показателя Ef на исследуемых частотах вращения вала свидетельствует о достаточности измерения его при одной

рациональной тестовой частоте вращения вала, для установления которой разработана методика, основанная на анализе результатов расчета показателей точности и эффективности диагностирования.

Критерием выбора рационального тестового режима диагностирования являлось выполнение условия наилучшего сочетания показателей стабильности (средней относительной ошибки измерения

SE ), информативности (коэффициента тесноты связи между диагностическим и структурным параметрами по пробегу КТ) и чувствительности (коэффициента чувствительности диагностического параметра по частоте вращения Кч”) диагностического параметра, т.е.:

[(SEf ® min) и (Кьт ® max) и (КЧП ® min)] . (4)

Установлено, что рациональным по критериям точности и эффективности диагностирования

является режим п=1500 мин-1 (SE =20 %, К1т =0,3089 тыс. км-1 и Кч” =.1,501 -10-4 мин).

Для тестового режима диагностирования получена модель вида:

А = dEfg, (5)

где d - коэффициент, d = 300 мкм; g - показатель степени, g = 0,33842.

Полученная модель может использоваться для определения и прогнозирования технического состояния подшипников коленчатого вала двигателей типа 849,2/8,0.

Из модели (5) получена зависимость показателя Ef от диаметрального зазора А следующего вида:

Ef = f/" = °.зз842|£_ = 48. 10-8 Д2955. (6)

А А

I_ = 0,33842/_

d V 300

Согласно нормативно-технической документации для двигателя ЗМЗ-5234.10 средние значения диаметрального зазора в шатунных и коренных подшипниках составили: начальный Ам =80 мкм, допускаемый Ад =140 мкм и предельный А” =230 мкм. По модели (6) рассчитаны нормативные значения диагностического параметра: начальное Eнf = 0,02; допускаемое Eдf = 0,105 ; предельное Enf = 0,46.

Установлено соответствие диагностического параметра Ef основным требованиям, предъявляемым к подобным параметрам:

- чувствительности - значение коэффициента чувствительности 2,89 мм-1, что свидетельствует о высокой чувствительности диагностического параметра;

- однозначности - отсутствует экстремум функции Ef = Ef(А) в диапазоне Ан... А”;

- стабильности - значение относительной ошибки составляет 20 %;

- информативности - коэффициент тесноты связи между диагностическим и структурным параметрами 237 мм-1;

- широты изменения - диапазон изменения параметра теоретически составляет 0.1.

На основе экспериментально установленного вида зависимости между значениями диагностического параметра и пробега автобуса, значений диагностических нормативов, измеренной величины диагностического параметра и текущего пробега разработана модель прогнозирования остаточного ресурса подшипников Ьо (тыс. км) вида

' E

L = L lof

о т с>

где Lm - текущий пробег, тыс. км.

E т

f у

(7)

Разработан метод диагностирования подшипников коленчатого вала, состоящий из алгоритма и правил. В алгоритме диагностирования установлен состав и порядок проведения проверок и правила анализа их результатов. Правила диагностирования включают: последовательность и технические требования к выполнению операций диагностирования; указания по применяемому средству диагностирования АСОСП «Комплекс трибодиагностики», по режиму работы двигателя при диагностировании, по регистрации и обработке результатов диагностирования и выдаче диагноза; требования безопасности при проведении диагностирования.

Разработанное диагностическое обеспечение подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей внедрено в ЗАО «Автоколонна 1825» (г. Оренбург). Технико-экономические показатели диагностирования автомобильных двигателей ЗМЗ-5234.10 автобусов ПАЗ-3205 составили: периодичность 52 тыс. км (через каждые четыре ТО-2); средние удельные затраты 360 руб./час; средняя оперативная трудоемкость 0,5 чел. - ч.

Предложенный метод диагностирования подшипников коленчатого вала применим на всех этапах эксплуатации различных двигателей, характеризуется незначительными удельными затратами и трудоемкостью. Практическое использование разработанного метода диагностирования способствует повышению долговечности и снижению количества внезапных аварийных отказов автомобильных двигателей, что дает автотранспортному предприятию экономический эффект.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авдонькин Ф.Н. Оптимизация изменения технического состояния автомобиля в процессе эксплуатации / Ф.Н. Авдонькин. М.: Транспорт, 1993. 350 с.

2. Пат. Яи№66046 и1, МПК О 01 М 13/04. Устройство для контроля состояния подшипников / Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко, С.Б. Цибизов, М.Р. Янучков (РФ). №2007112656/22. Заявлено

04.04.2007 - Решение о выдаче патента от 04.04.2007 г. Опубл. 27.08.2007. Бюл. №24. 3 с.

3. Пат. Яи№70414 и1, МПК Н 01 Я 39/64. Ртутный токосъемник /

Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко, С.Б. Цибизов, М.Р. Янучков (РФ). №2007136773/22. Заявлено

03.10.2007 Решение о выдаче патента от 03.10.2007 г. Опубл. 20.01.2008 г., Бюл. № 2. 2 с.: ил.

4. Свид. об отрасл. рег. разработки № 7845 «Программное обеспечение для автоматизированной системы оценки смазочного процесса» / Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко, С.Б. Цибизов, М.Р. Янучков.; заявитель и обладатель ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет». №50200700519; зарегист. 12.03.2007. 3 с.

5. Якунин Н.Н. Диагностирование подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей по параметрам смазочного процесса / Н.Н. Якунин, Р.Ф. Калимуллин, М.Р. Янучков // Автотранспортное предприятие. 2009. № 4. С. 47-50.

6. Янучков М.Р. Диагностирование подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей по состоянию смазочного слоя / М.Р. Янучков, Р.Ф. Калимуллин // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011. № 10. С. 125-132.

7. Янучков М.Р. Совершенствование диагностического обеспечения подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей / М.Р. Янучков // Молодой ученый. 2011. №8(31). Т. I. С. 92-99.

Калимуллин Руслан Флюрович -

кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта Оренбургского государственного университета

Янучков Михаил Романович -

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры автомобильного транспорта Оренбургского государственного университета

Ruslan F. Kalimullin -

PhD., Associate Professor of the Department of Automobile Transport Orenburg State University

Mikhail R. Yanuchkov -

PhD., Senior Teacher of the Department of Automobile Transport Orenburg State University

Сmаmья ”осшу”ила в редакцию 03.04.13, ”риняmа к опубликованию 30.04.13