Диагностирование подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей по состоянию смазочного слоя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Янучков М.Р., Калимуллин Р.Ф.

Оренбургский государственный университет Е-mail: R<[email protected]

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ПОДШИПНИКОВ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПО СОСТОЯНИЮ СМАЗОЧНОГО СЛОЯ

В статье представлены результаты исследования закономерностей режима жидкостной смазки в подшипниках коленчатых валов автомобильных двигателей при изменении их технического состояния в эксплуатации. Обоснованы диагностический параметр и его нормативы, установлен режим диагностирования, получены диагностическая и прогностическая модели.

Ключевые слова: подшипники коленчатого вала, диагностирование, режим смазки.

Система технической эксплуатации автомобилей оказывает значительное влияние на уровень работоспособности парка и затраты на его поддержание. Особое внимание уделяется поддержанию работоспособности автомобильных двигателей. Так, для автобуса среднего класса на долю двигателей приходится 16...20% отказов, для устранения которых средняя трудоемкость составляет 3,5 чел.-ч., или 36.40%, затраты на запасные части - 42%, простои в ремонте - 37%. Одним из основных механизмов автомобильных двигателей, требующих значительных затрат на устранение их последствий и снижающих коэффициент технической готовности автомобилей, является кривошипно-шатунный механизм, дающий 10-30% отказов, в нем на долю шатунных и коренных подшипников коленчатого вала приходится 30-40% отказов по причине износа [1].

Существующие методы и средства диагностирования подшипников коленчатого вала не позволяют достоверно осуществлять контроль их функционирования и устанавливать степень нарушений функций в эксплуатации. Следствием этого является неопределенность в установлении требуемой периодичности и содержании профилактических и ремонтных воздействий для поддержания работоспособного состояния, а необнаружение катастрофического состояния нередко приводит к аварийным остановкам двигателя, преждевременному ремонту и, как следствие, дополнительным затратам. Решение данной проблемы возможно с позиций функциональной диагностики подшипников на основе оценки режима смазки в них при эксплуатации двигателя с помощью электронных средств и электрофизических методов трибомониторин-га, и в частности параметра и метода оценки качества смазочного процесса в «эквивалентном подшипнике» автомобильного двигателя [2, 3].

В связи с этим разработки в области обеспечения работоспособности автомобильного транспорта, связанные с совершенствованием технической и методологической базы диагностирования подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей, являются актуальными.

Объектом настоящего исследования являлось изменение технического состояния подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей в эксплуатации. Предметом исследования - закономерности режима смазки в подшипниках коленчатого вала при эксплуатации автомобильного двигателя типа 8Ч 9,2/8,0 (ЗМЗ-5234.10).

Цель работы состояла в повышении долговечности автомобильных двигателей за счет совершенствования диагностического обеспечения подшипников коленчатых валов в эксплуатации.

Теоретической базой функциональной диагностики является модель динамического состояния смазочного слоя в каждом шатунном и коренном подшипнике коленчатого вала при работе двигателя. Вероятность разрушения смазочного слоя обуславливается большим количеством случайных факторов. В заданных условиях эксплуатации, например нагрузочном, скоростном, тепловом режимах работы двигателя, вероятность разрушения смазочного слоя Ра подшипника коленчатого вала описывается моделью следующего вида:

р = рй (м , п I, й, д, гм, Ькр, А),

где М - крутящий момент на коленчатом валу, Н-м;

п - частота вращения коленчатого вала, мин.-1;

I - опорная длина шейки коленчатого вала,

мм;

а - диаметр шейки коленчатого вала, мм;

М - динамическая вязкость масла, Па-с;

Ьм - температура масла, 0С;

Нкр - критическая толщина смазочного слоя,

мкм;

А - диаметральный зазор в подшипнике,

мкм.

Система шатунных и коренных подшипников с общим валом рассматривается как один «эквивалентный подшипник» с обобщенными свойствами отдельных подшипников. Для оценки режима смазки в «эквивалентном подшипнике» использован параметр - «трибонапряженность подшипников коленчатого вала» Е(, значение которого определяется по следующей формуле:

>=т

Б=* •? П Р" П р”,

V ‘=1 з =1

где Р™ - параметр Ра в 1-м коренном подшипнике;

Р™ - параметр Ра в ] -м шатунном подшипнике;

к и т - соответственно количество коренных и шатунных подшипников коленчатого вала.

Значение параметра Е( изменяется от минимального (Б( )т1п = 0, характеризующего установившийся режим жидкостной смазки во всех без исключения подшипниках коленчатого вала, до максимального значения (Е( )тах = 1, при котором хотя бы один подшипник работает в режимах сухого трения или граничной смазки. Промежуточные значения параметра 0 < Е( < 1 имеют место в условиях переходного смазочного процесса при последовательном во времени чередовании жидкостной и граничной смазок (сухого трения).

При эксплуатации автомобильного двигателя диаметральный зазор А увеличивается вследствие изнашивания шеек и подшипников коленчатого вала. При одинаковых режимах работы, тепловом состоянии двигателя и свойствах моторного масла значения параметров М, п, Ьм, Нкр и М в модели (2) являются неизменными и появляется возможность определения значения среднего диаметрального зазора А в подшипниках коленчатого вала по параметру три-бонапряженности подшипников Е(, используя диагностическую модель А = А(Е().

Проведено теоретическое исследование режима смазки в подшипниках коленчатого вала автомобильного двигателя 8Ч 9,2/8,0 на холостом ходу в диапазоне частоты вращения коленчатого вала от минимально устойчивой

п =500 мин.-1 до повышенной п =2000 мин.-1

мин пое

при равномерном увеличении диаметрального зазора во всех подшипниках от начального значения Ан =80 мкм до предельного Ап = 230 мкм. Полученная зависимость Е( (А) является моно-тонно-возрастающей, без экстремумов, а среднее значение коэффициента чувствительности Кч = ¿Б г/¿А максимально при пмин =500 мин.-1 и уменьшается в два раза при ппое =1500.2000 мин.-1. Однако в данном диапазоне частоты вращения скорость изменения параметра минимально: ¿Б^йп ^ 0.

На основании проведенных теоретических исследований сделан вывод, что параметр Е( в достаточной мере отвечает требованиям, предъявляемым к диагностическим параметрам, и может быть использован для определения диаметрального зазора в подшипниках коленчатого вала. Выбор частоты вращения холостого хода тестового режима диагностирования определяется по результатам экспериментальных исследований.

В основу экспериментальных исследований положена укрупненная модель, содержащая входные (пробег автомобиля Ь, диаметральный зазор А, частота вращения холостого хода п) и выходные (параметр Е() переменные [4]. Для получения диагностической модели А = А(Е() проведены две серии опытов по определению закономерностей Е( = Е( (Ь) и А = А(Ь). Объектом экспериментального исследования являлись подшипники коленчатого вала двигателей модели ЗМЗ-5234.10 в составе автобусов ПАЗ-3205, прошедшие обкатку, эксплуатировавшиеся в условиях г. Оренбурга и пригорода.

Замер диаметральных зазоров шатунных и коренных подшипников проводился после разборки двигателя по ГОСТ 14846-81. По результатам микрометрирования шатунных и коренных шеек и вкладышей 22 коленчатых валов двигателей ЗМЗ-5234.10, поступивших в ремонт, был получен массив данных о значениях диаметральных зазоров в подшипниках в зависимости от пробега автобусов ПАЗ-3205.

По значениям диаметральных зазоров в каждом шатунном и коренном подшипниках были рассчитаны средние значения диаметральных зазоров (далее диаметральных зазоров) А для всего коленчатого вала на пробеге Ь. Опытные данные аппроксимированы моделью показательного вида:

Л = ДоесЬ, (1)

где Л - текущий диаметральный зазор, мкм;

Л0 - диаметральный зазор, приведенный на момент окончания приработки, мкм, Л0 =78 мкм;

с - коэффициент интенсивности износа, 1/тыс. км, с = 0,0053;

Ь - пробег автомобиля, тыс. км.

На рисунке 1 представлена экспериментальная зависимость диаметрального зазора Л в подшипниках коленчатого вала от пробега автобуса Ь.

Полученный вид модели (1) и значения коэффициента с согласуются с известными данными [1]. Качество аппроксимирующей модели подтверждено с 95% вероятностью использованием критерия Фишера.

Для замера параметра Е( использовалось разработанное средство функционального диагностирования подшипников коленчатого вала - измерительно-вычислительный комплекс «Автоматизированная система оценки смазочного процесса» (АСОСП) [5].

Опыты проводились после смены моторного масла при ТО-2 в производственных условиях автотранспортного предприятия ЗАО «Автоколонна1825» (г.

Оренбург). Условия испытания соответствовали основным положениям ГОСТ 14846-81. Двигатель испытывался на режимах холостого хода при разных уровнях частоты вращения коленчатого вала: п=1000, 1500, 2000 мин.-1. Количество проведенных опытов составило К=20, в каждом опыте М= 2 повторений.

Анализ опытов показал, что характер изменения мгновенных значений параметра Е( имеет вид неустановившегося процесса (рисунок 2). Значения параметра колеблются вокруг среднего значения с разной амплитудой в зависимости от пробега. Так, средние значения параметра при частоте вращения коленчатого вала п=1500 мин.-1 и пробеге Ь=150 тыс. км составляют

Е( =0,2122, а при пробеге Ь=46 тыс. км Е( =0,0267, что больше в 8 раз. Амплитуда при большем пробеге выше в 3 раза (0,1497 и 0,0488 соответственно).

Для каждого опыта были получены средние значения параметра Е(, что позволило провести аппроксимацию опытных данных и найти аппроксимирующие зависимости экспоненциального вида (рисунок 3, а):

Е( = аеЬЬ, (2)

где а - коэффициент;

Ь - коэффициент интенсивности изменения параметра от пробега, 1/тыс. км;

Ь - пробег автобуса, тыс. км.

Значения коэффициентов модели (2) приведены в таблице 1.

Однородность дисперсий опытных данных с 95% вероятностью подтверждена расчетом

, тыс.км

Рисунок 1. Экспериментальная зависимость диаметрального зазора Д в подшипниках коленчатого вала от пробега автобуса Ь

Время, с

Рисунок 2. Пример динамики мгновенных значений параметра при п=1500 мин.-1

Таблица 1. Значения коэффициентов

п, мин-1 а Ь, 1/тыс.км

1000 0,042 0,0159

1500 0,0166 0,0172

2000 0,0211 0,0141

критерия Кохрена, а адекватность моделей -критерия Фишера.

Чувствительность параметра Е{ по пробегу Ь определялась нахождением первой производной функции (2):

^ = аЬеь\

аь

(3)

Графики зависимости первой производной аЕ^аь от пробега для разных режимов диагностирования представлены на рисунке 3, б.

Используя модель (2), построили графики изменения значений параметра Е{ от частоты вращения п для разных пробегов автобуса Ь (рисунок 4, а).

Получена модель зависимости Е{ от частоты п режима диагностирования при трех пробегах Ь: 50, 100 и 150 тыс. км:

Е<: = Ь0 + Ь-|П + Ь2

(4)

где Ь0, Ь1, Ь2 - коэффициенты модели, значения которых приведены в таблице 2.

Чувствительность параметра Е{ по частоте п определялась нахождением первой производной функции (4):

аЕ

ап

(5)

Графики зависимости первой производной аЕ^ап от частоты режима диагностирования для разных пробегов представлены на рисунке 4, б.

Анализ полученных зависимостей показывает, что наблюдается существенное отличие в значениях параметра Е{, замеренное при частоте п=1000 мин.-1, по сравнению со значениями параметра, полученными при частотах п=1500 и 2000 мин.-1. Вместе с тем характер изменения

1_, ТЫС.КМ

1_, тыс.км

а)

б)

Рисунок 3. Зависимость значений параметра Е^ а) и скоростей его изменения аЕ^аЬ б) от пробега автобуса Ь при разных частотах вращения п

а)

б)

Рисунок 4. Зависимости значений параметра Е^ а) и скорости его изменения аЕ^ап б) от частоты вращения п для разных значений пробегов автобуса Ь

2

п

значений параметра при данных частотах практически идентичен на всем исследуемом диапазоне пробега. Значение параметра Б( чувствительно к частоте вращения вала и пробегу автобуса.

Установленная тесная корреляционная связь (с коэффициентом детерминации И2 = 0,877.0,913) между значениями параметра Б£ на разных частотах вращения вала (рисунок 5), полученными для двигателей с различным техническим состоянием, свидетельствует о достаточности измерения параметра при одной частоте вращения вала.

Выбор такого тестового скоростного режима должен быть рациональным, и для этого проведена оценка точности и эффективности режимов диагностирования на основе двух независимых измерений диагностического параметра при неизменном значении структурного (пробег автобуса).

Методика установления рационального режима диагностирования включает следую-

Таблица 2. Расчетные формулы для расчета показателей точности и эффективности диагностирования

Показатель | Расчетная формула

Расчет для к-го состояния двигателя, j-го скоростного режима

1. Среднее значение параметра Ер n X Ef kjm Ef j = — J M

2. Среднеквадратическое отклонение параметра Ef _ X (Efkjm - Ef.k )2

°Efkj V M -1

3. Относительная ошибка измерения параметра Ер, (%) SE = 100_ f k fJk Efk

Расчет для j-го скоростного режима

4. Среднее значение среднеквадратических отклонений (мкм) K X °E.f .kj ^ k=1 °Ef j = K

5. Средняя относительная ошибка измерения параметра Ер, % XSE.f .kj с k=1 SEf j = K

6. Коэффициент чувствительности диагностического параметра по пробегу, (тыс. км-1) KL = a b ebjLK K4 j ajbje

7. Коэффициент тесноты связи между диагностическим и структурным параметрами по пробегу, (тыс. км -1) K^j = Kij tÖEf.j

8. Коэффициент чувствительности диагностического параметра по частоте вращения, (мин) Kj = b1.j + 2b2 jnj

щие этапы расчета для выбранного k-го состояния двигателя, j-го скоростного режима и m-го повторения(таблица 3).

Критерием выбора рационального режима диагностирования является выполнение условия:

[(SEf ^ min) и (К^ ^ max) и (К" ^ min)]. (6)

Результаты оценки показателей точности и эффективности диагностирования сведены в таблицу 4.

Анализ полученных значений показателей точности и эффективности диагностирования показывает, что условие (6) не может быть однозначно применено к исследованным скоростным режимам диагностирования.

Таблица 3. Значения коэффициентов

L, тыс. км bo bi, мин b2, мин2

50 0,37081 -0,0003918 1,139 10-7

100 0,7489 -0,0007553 2,121 10-7

150 1,4956 -0,001421 3,803 10-7

Таблица 4. Результаты расчета показателей точности и эффективности диагностирования

Показатель Частота вращения вала, мин-1

1000 1500 2000

>?Е ,% Е/ 19,30 21,22 21,91

К1т , тыс. км-1 0,2578 0,3089 0,2009

ту-П Лч , мин 3,855 10-4 1,501 10-4 8,52 10-5

_ Значения средней относительной ошибки ^ для каждого режима близки между собой, и поэтому их можно не сравнивать между собой. Распределение значений по местам остальных показателей для каждого режима диагностирования выглядит следующим образом. Для режима п=1000 мин.-1 значение коэффициента тесноты связи К1т =0,2578 занимает промежуточное положение и находится на втором месте, а значение коэффициента чувствительности Кчи = 3,855-10-4 максимально и занимает третье место. Аналогично для режима п=1500 мин.-1 Кт =0,3089 максимально - первое место, К" = 3,855-10-4 - второе место. Для режима п=2000 мин.-1 Кт =0,2009 минимально - третье место, К" = 8,52-10-5 максимально - первое место.

Таким образом, рациональным по критериям точности и эффективности диагностирования следует признать режим п=1500 мин-1, поскольку для него наблюдается наилучшее сочетание значений показателей стабильности ( ^ ), информативности ( Кт ) и чувствительности ( К” ).

Синтезом зависимостей (1) и (2) получена диагностическая модель степенного вида:

Д = ёБ^, (7)

где ё - коэффициент, ё= 300 мкм;

g - показатель степени, g = 0,33842.

На рисунке представлена зависимость значений диаметрального зазора Д от параметра Б£.

Данная модель может использоваться для прогнозирования технического состояния подшипников коленчатых валов двигателей типа 8Ч 9,2/8,0.

Из модели (7) получена зависимость параметра Б£ от диаметрального зазора Д:

Б. = М = о,зз84/А! = 4,8 -10-8 Д2,955. (8)

£ \300 к '

Вид полученной зависимости хорошо согласуется с известными закономерностями изменения технического состояния динамически нагруженных подшипников [1].

250 Л, МКМ

200

Согласно нормативно-технической документации для двигателя ЗМЗ-5234.10, средние значения диаметрального зазора для подшипников скольжения составили: начальный А" =78 мкм, допускаемый А =140 мкм и предельный А" =230 мкм.

По модели (8) рассчитаны соответствующие нормативные значения диагностического параметра:

- начальное

Б(н = 4,8 10-8 ■ 782,955 = 0,02;

- допускаемое

Е/ = 4,8 10-8 ■1402'955 = 0,105;

- предельное

Е" = 4,8 10-8 ■ 2302'955 = 0,46.

Для использования диагностического параметра в практических целях проведена оценка соответствия его требованиям чувствительности, однозначности, стабильности, широты изменения и информативности.

Коэффициент чувствительности равен:

А=ЗООЕт°’3 842

Рисунок 6. Зависимость значений диаметрального зазора А от параметра Е{

Получена модель прогнозирования остаточного ресурса L0 (тыс. км):

К. =1000

Е" - Е"

Е/______Е/

А" -А"

= 1000

0,46 - 0,02

230 - 78

= 2,1

мм

Значение данного коэффициента указывает на высокую чувствительность диагностического параметра (в 2,3 раза больше по сравнению с базовым показателем диагностирования по давлению масла Кч=1,25 мкм-1).

Требование однозначности выполняется отсутствием экстремума ^Е^Д^О) функции Б( = Е((Д) в диапазоне от Д" =78 мкм до Д" =230 мкм:

НЕ

= (4,8 -10-8Д2'955)' = 1,4184-10-7Д1,955 > 0 при Дн<Д<Дп

аД

Диагностический параметр удовлетворяет требованиям стабильности на всем диапазоне значений, что подтверждают результаты расчета относительной ошибки ^е£ = 20%.

Диагностический параметр характеризуется значительной теснотой связи между диагностическим и структурным параметрами с коэффициентом:

= Кч. ]/оЕ/. ] = 2,89/0,0122 = 236,9 мм'1.

Теоретическая широта изменения диагностического параметра Е( составляет 0.1.

Е

ет

где Ьт - текущая наработка, тыс. км.

Модель позволяет прогнозировать остаточный ресурс Ь0 (тыс. км) подшипников коленчатого вала при известных текущих значениях пробега Ьт (тыс. км) и диагностического параметра Е^ . Например, для двигателя ЗМЗ-5234.10, у которого нормативные значения диагностического параметра составляют Е" = 0,02 и Е^ = 0,46 , при Ьт =100 тыс. км и Е^ =0,1 значение остаточного ресурса составит:

Ьо= 10^_0!

0,02

0,46

0,1

= 94,8 тыс. км.

Полученные в настоящем исследовании результаты обладают научной новизной и практической ценностью, а именно:

- диагностический параметр «трибонапря-женность подшипников коленчатого вала», характеризующий способность подшипников работать в условиях жидкостной смазки при эксплуатации двигателя;

- эмпирические закономерности изменения диагностического параметра в зависимости от диаметрального зазора в подшипниках коленчатого вала автомобильного двигателя типа 8- 9,2/8,0;

- способ, средство, нормативы и технология функционального диагностирования подшипников коленчатого вала, обеспечивающие повыше-

ние долговечности автомобильных двигателей ности прогнозирования технического состояния

вследствие увеличения достоверности и доступ- подшипников коленчатого вала в эксплуатации.

15.09. 2011

Список литературы:

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

2. Калимуллин, Р.Ф. Совершенствование методики оценки качества приработки подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей / Р.Ф. Калимуллин, А.П. Фот, Н.Н. Якунин // Вестник Оренбургского государственного университета. 2006. - №9. - С. 335-342.

3. Калимуллин, Р.Ф. Теоретическое обоснование нового диагностического параметра двигателя внутреннего сгорания / Р.Ф. Калимуллин // Вестник Оренбургского государственного университета. Приложение «Автотранспортные системы». - 2004. - С. 44-48.

4. Калимуллин, Р.Ф. Функциональная диагностика подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей / Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко, С.Б. Цибизов // Вестник Оренбургского государственного университета, 2011. - №5. -С. 158-163.

5. Патент RU№66046 U1, МПК G 01 M 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. 27.08.2007г. Бюл. №24. - 3 с.: ил.

6. 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.

Сведения об авторах:

Калимуллин Руслан Флюрович, доцент кафедры автомобильного транспорта транспортного факультета Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук, доцент

E-mail: [email protected] Янучков Михаил Романович, заведующий лабораториями кафедры автомобильного транспорта транспортного факультета Оренбургского государственного университета

E-mail: [email protected] 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел. (3532) 756399

UDC 621.89: 621.822 Yanuchkov M.P., Kalimullin R.F.

Orenburg State University, e-mail: [email protected]

DIAGNOSTICS OF BEARINGS OF CRANKED SHAFT OF AUTOMOBILE ENGINES ON THE CONDITION OF LUBRICATING LAYER

The article presents the results of the study of regularities of liquid lubrication in bearings of cranked shaft of automobile engines when changing their technical condition in operation. The author justified diagnostic parameter and its regulations, accorded the rate diagnosis, diagnostic and predictive models are obtained.

Key words: crankshaft bearings , diagnosis, lubrication rate.

Bibliography:

1. Avdonkin, F.N. Optimization of change of a technical condition of the car while in service / F.N. Avdonkin. - М: Transport, 1993. - 350 p.

2. Kalimullin, R.F. Development of a technique of an estimation of quality extra earnings of bearings of cranked shaft of automobile engines / R.F. Kalimullin, A.P Phot, N.N. Yakunin//the Bulletin of the Orenburg State University, 2006. - № 9. -p.335 - 342.

3. Kalimullin, R. F. A theoretical substantiation of new diagnostic parameter of an internal combustion engine / R.F.Kalimullin/ /the Bulletin of the Orenburg State University. The appendix «Motor transportation systems». - 2004. -p.44 - 48.

4 Kalimullin, R.F. Functional diagnostics of bearings of cranked shaft of automobile engines / R.F.Kalimullin, S.J.Kovalenko, S.B.Tsibizov//the Bulletin of the Orenburg State University, 2011. - №5. - С.158-163.

5. Patent RU№66046 U1, MPK G 01 M 13/04. The device for control of a condition of bearings / R.F. Kalimullin, S.J. Kovalenko, S.B. Tsibizov, M.R. Januchkov (Russian Federation). - №2007112656/22. - It is declared 4.4.2007 - the Decision on delivery of the patent from 4.4.2007 -Publ. 27.08.2007г., Bull. №24. - 3p.

6. Yakunin, N.N. Diagnosing of bearings of cranked shaft of automobile engines on parameters of lubricant process / N.N. Yakunin, R.F. Kalimullin, M.R. Januchkov//the Motor transportation enterprise. - 2009. - № 4. -p. 47 - 50.