CC BY
108
УДК 62-57:621.892.096.1:62-233.132
С.Ю. Коваленко, И.Т. Ковриков, В.А. Сологуб
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПУСКОВЫХ ИЗНОСОВ ПОДШИПНИКОВ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА
Рассмотрены условия работы подшипников коленчатого вала двигателя в условиях низкотемпературного режима пуска, проведен анализ влияния факторов на интенсивность изнашивания пар трения двигателя при прогреве. Представлены результаты исследований по оценке влияния свойств моторного масла на износостойкость подшипников коленчатого вала на режиме пуска.
Подшипники коленчатого вала, режим пуска, изнашивание, моторное масло, вязкость
S.Yu. Kovalenko, I.T. Kovrikov, V.A. Sologub
SETTLEMENT EXPERIMENTAL ASSESSMENT STARTING WEAR OF BEARINGS OF
THE CRANKED SHAFT
Operating conditions of bearings of a cranked shaft of the engine in the conditions of a low-temperature mode of start-up are considered, the analysis of influence offactors on intensity of wear of couples offriction of the engine is carried out at warming up. Results of researches on an assessment of influence ofproperties of engine oil on wear resistance of bearings of a cranked shaft on a start-up mode are presented.
Bearings of a cranked shaft, start-up mode, wear, engine oil, viscosity
Приоритетным направлением развития экономики автотранспортной отрасли является повышение эффективности эксплуатации транспортных средств, одним из путей достижения которого является разработка и совершенствование средств и методов обеспечения работоспособности двигателей подвижного состава.
Ресурс двигателя определяется в большей степени режимами и условиями эксплуатации, наиболее негативное влияния из которых оказывают климатические условия и переходные режимы работы двигателя. Одним из таких режимов, считающийся наиболее неблагоприятным с точки зрения протекания рабочих процессов, особенно в низкотемпературных условиях эксплуатации, является режим пуска, включающий стадии запуска и прогрева двигателя.
Среди пар трения, определяющими ресурс двигателя и, вместе с тем, наиболее подверженные пусковым износам, являются подшипники коленчатого вала ввиду их конструктивных особенностей, которые подразумевают работу подшипников в режиме жидкостного трения. На режиме пуска, особенно в низкотемпературных условиях, фактором, влияющим в большей степени на интенсивность изнашивания подшипников коленчатого вала, является скоростной режим работы двигателя [1, 2].
Вместе с тем, немалозначимую роль в интенсивности изнашивания подшипников на режиме пуска в низкотемпературных условиях играют вязкостно-температурные свойства моторного масла. Так, при понижении температуры окружающей среды вязкость масла резко возрастает, что ведет к повышению сопротивления проворачиванию коленчатого вала и снижению эффективности запуска двигателя, а также к несвоевременной и в недостаточном количестве подаче масла к парам трения, что ведет к работе подшипников коленчатого вала в режиме граничной смазки и сухого трения, тем самым резко повышая интенсивность их изнашивания.
Основным назначением моторных масел является снижение трения и износа трущихся деталей двигателя при обеспечении ряда функций, таких как отвод теплоты от трущихся деталей, удаление из зон трения продуктов изнашивания, защита рабочих поверхностей от коррозионного воздействия, сохранение вязкостных характеристик в широком температурном диапазоне и др. Причем, сохранение номинальных значений вязкости при отрицательных температурах является особенно акту-
альным для условий эксплуатации, присущих Российской Федерации, более 80 % территории которой расположено в зонах с умеренным и суровым климатом.
Таким образом, представляет практический интерес оценка влияния вязкостнотемпературных свойств масла на протекание смазочных процессов в подшипниках коленчатого вала и их изнашивание на режиме пуска.
Анализ известных методов определения пусковых износов подвижных сопряжений двигателя показал, что основными их недостатками являются большие трудовые и материальные затраты при подготовке двигателей и проведении исследований. В связи с этим, целесообразнее использовать для определения изнашивания двигателя на режиме пуска методику безразборной оценки параметров смазочного процесса в системе подшипников коленчатого вала, в основе которой лежит расчетноэкспериментальное определение параметра Её «интегральная степень существования смазочного
слоя» [3-5]. Для замера данного параметра используется автоматизированная система оценки смазочного процесса, разработанная на кафедре автомобильного транспорта «Оренбургский государственный университет» [6].
Интенсивность процессов изнашивания наибольшая при контактном взаимодействии поверхностей, относительная продолжительность которых равна Ек = 1 — Её .
Математическая модель изменения технического состояния подшипников коленчатого вала вследствие изнашивания при переходном смазочном процессе имеет вид [2]:
где 1псп - величина линейного износа поверхностей трения, мкм; й - диаметр шейки вала, мм; I -опорная длина подшипника, мм; х - показатель степени, зависящий от вида фрикционных связей, х>1; т - количество интервалов времени; Ы/ - внешняя нагрузка, действующая на подшипник на /-м
интервале времени, Н;к - коэффициент пропорциональности между интенсивностью изнашивания с механическими фрикционными связями и нагрузкой Ы, приходящей на единицу площади скользящей поверхности (I й); Щ - частота вращения вала на /-м интервале времени, мин-1.
Анализ модели (1) показывает, что величина линейного износа 1псп пропорциональна значению параметра Ь^ «суммарная протяженность контактов», определяемого по формуле
Сделан вывод, что для сравнительного анализа смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала на режиме пуска достаточно использовать значение параметра Ьк^, полученное за базовое
время с начала прогрева. С учетом сомножителя к появляется возможность для сравнительной
оценки изменения величин линейного износа подшипников при различных условиях пуска.
В основу экспериментальной методики оценки параметров смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала при прогреве положена укрупненная модель, содержащая входные (начальная температура двигателя д и частота вращения коленчатого вала п) и выходные (параметр Её и
определяемая зависимость ЬкЪ = /^дв, п) ) переменные.
При оценке влияния вязкостно-температурных свойств масел на интенсивность изнашивания подшипников коленчатого вала были выбраны для сравнения моторные масла одной фирмы с различными вязкостными характеристиками 5W40, 10W40 и 15W40. Масло класса вязкости 10W40 является наиболее востребованным, и было выбрано базовым. Базовым скоростным режимом прогрева был выбран п=1500 мин-1, т.к. он является наиболее рациональным исходя из ранее приведенных исследований [1, 2].
Анализ полученных экспериментальных результатов и известных кривых характеристик вязкости исследуемых масел указывает на линейную зависимость между Ь^ и динамической вязкостью рассматриваемых масел V (рис. 1):
(1)
т
(1 — Е,г )рйп
(2)
Ьк1 = 59,203п- 4724,3.
(3)
1000 2000 3000 4000 5000
динамическая вязкость /і, Па-с
Рис. 1. Зависимость параметра Ьк^ от динамической вязкости масел р
Определены значения суммарной протяженности контактов Ьк^ для каждого класса вязкости на рассматриваемом температурно-скоростном режиме пуска, результаты которого представлены на рисунке 2.
Математические модели параметра ЬкХ от начальной температуры двигателя для каждого класса вязкости имеют следующий вид:
Т = 24492^ _0 0813дв •
Ьк110№40 =33664е дв ; (4)
т = 47590е “00836?дв
Ьк115№ 40 4 7 590е •
Анализ полученных зависимостей (4) для исследуемых масел позволяет утверждать, что при использовании масла класса вязкости 5W40 величина суммарной протяженности контактов Ьк^ между трущимися поверхностями, а, следовательно, пускового износа подшипников коленчатого вала на всем рассмотренном температурном диапазоне в 1,4...1,6 раза меньше по сравнению с маслом 10W40, а для масла 15W40 Ьк^ по сравнению с 10W40 в 1,3.1,4 раза выше.
-25 -20 -19-10-5 0
Температура («•?С
Рис. 2. Зависимость Ьк^ от класса вязкости при различных начальных температурах двигателя їг)в
Таким образом, на основе предлагаемой методики было экспериментально подтверждено, что интенсивность изнашивания подшипников коленчатого вала на режимах низкотемпературного пуска значительно зависит от вязкостно-температурных свойств масла.
По модели (1) получен относительный износ подшипников коленчатого вала на режиме пуска двигателя в условиях Оренбургской области на рассматриваемых маслах за весь срок службы двигателя. Для определения количества дней с отрицательными температурами был проведен анализ зимних периодов с 2007 по 2012 годы, в результате которого была получена выборка количества дней с температурами, присущими исследуемым температурным диапазонам каждого рассматриваемого зимнего периода. Из анализа полученных результатов было установлено, что доля износов подшипников коленчатого вала на режиме пуска в низкотемпературных условиях в общем эксплуатационном износе составила: для масла 5W40 - 7 %, для масла 10W40 - 11 % и для масла 15W40 - 15 %. Полученные результаты указывают на значительное влияние вязкостно-температурных свойств моторного масла на интенсивность изнашивания пар трения двигателя на режиме пуска.
Во многих источниках долю пусковых износов представляют не в процентах от общего ресурса двигателя, а в эквивалентном пробеге автомобиля 1?™ при нормальном температурном режиме
двигателя. На основе представленных выше результатов с учетом данных, полученных при проведении дополнительных исследований, появляется возможность выявить соотношение доли пусковых износов за один прогрев двигателя, приведенной к эксплуатационному пробегу. Для этого были экспериментально получены значения параметра Тк^ при движении автомобиля ВАЗ-2107 на прямой передаче со скоростью 90 км/ч по ровной горизонтальной дороге в сухую безветренную погоду при температуре воздуха 20 °С.
Сравнение проводилось для ранее выбранных классов вязкости масла на режиме прогрева 1500 мин-1. Результаты сравнительной оценки соответствия пусковых износов для масел различного класса вязкости с эксплуатационными износами в движении представлены на рисунке 3.
Математические модели соотношения пусковых износов от начальной температуры двигателя
для каждого класса вязкости эквивалентному эксплуатационному пробегу автомобиля ЦКв имеют следующий вид:
Тэкв — 53 9951е_0>0814дв . а 40 -'->,-^-'«5 ,
Тэкв — 73 793е-0,0876?дв .
а 10W 40
тэкв — 10317е
Та 15^ 40 103,17е
-0,0839д
(5)
гэкв "а -
Рис. 3. Зависимость эксплуатационного пробега автомобиля Ьа эквивалентного пусковым износам в зависимости от начальной температуры двигателя Хдв
Анализ полученных результатов показал, что величина износа за разовый запуск и прогрев двигателя эквивалентна износу при эксплуатационном пробеге автомобиля от 54 до 273 км для масла 5W40, от 74 до 426 км - для 10W40 и от 105 до 570 км для 15W40 при температурах окружающей среды от 0 до -20 °С.
С учетом полученных результатов проведен ориентировочный расчет затрат на эксплуатацию до капитального ремонта двигателя, включающих в себя степень изменения ресурса и затраты на масло для каждого класса вязкости. Полученные результаты технико-экономической оценки указывают, что для условий эксплуатации Оренбургской области наиболее эффективным с точки зрения
экономии средств при обеспечении нормативного ресурса двигателя является использование масла класса вязкости 10W40 (ориентировочные общие затраты на эксплуатацию 4261,25, руб ./год по ценам на 2012 год).
Исходя из полученных экспериментальных данных представляет практический интерес в получении модели для определения пусковых износов для различных климатических условий эксплуатации. Например, зная количество дней, попадающих в соответствующий рассматриваемый диапазон температур, можно определить общую суммарную протяженность контактов Ьк^ при прогреве двигателя в интересующем временном интервале. С учетом поставленной задачи для рассматриваемых сортов масел значения параметра Ьк^ примут следующий вид:
W40 = £ n -24492е-0’0813Ч i=1
i=m
Law40 = £ ”, 33664е, (6)
i=1
i=m
т = V n .47590е_0’0836t*»
LkS15W40 Z.ini 4/59°e
i=1
где i - количество диапазонов температур; п, - количество дней в году в каждом температурном диапазоне.
После преобразований зависимость линейного износа подшипников коленчатого вала на пусковых режимах в рассматриваемых климатических условиях эксплуатации для исследуемого двигателя примет следующий вид:
m ( -\r\xi=m
1псп = £ 1пспг = k^■а ■ ebtdd , (7)
где а, b - коэффициенты, соответствующие вязкостным характеристикам масла.
Таким образом, применение полученных результатов на практике позволит решить ряд вопросов эксплуатации автомобильного транспорта, в частности в низкотемпературных условиях, связанных с обоснованием выбора моторных масел в зависимости от условий эксплуатации и технического состояния двигателя. Также используемая методика проведения исследований может применяться, например, при производстве для оптимизации физико-химических свойств масел для различных двигателей и условий эксплуатации, при эксплуатации - для оценки эффективности применения присадок к моторным маслам, оценки износостойкости подвижных сопряжений двигателя от свойств масла и др.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коваленко, С.Ю. Эксплуатация автомобильных двигателей. Обеспечение долговечности на режиме пуска: монография / С.Ю. Коваленко, Р.Ф, Калимуллин. Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. 115 с.
2. Якунин, Н.Н. Оценка приспособленности автомобильных двигателей к режимам пуска и прогрева по параметрам смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала / Н.Н. Якунин, Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко // Транспорт Урала. 2008. № 2. С. 110-114.
3. Калимуллин Р.Ф. Разработка диагностического обеспечения подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2012. № 5. С. 101-108.
4. Калимуллин Р.Ф. Теоретическое обоснование нового диагностического параметра двигателя внутреннего сгорания // Вестник Оренбургского государственного университета. Приложение «Автотранспортные системы». 2004. С. 44-48.
5. Коваленко, С.Ю. Функциональная диагностика подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей / С.Ю. Коваленко, С.Б. Цибизов, Р.Ф. Калимуллин // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011. № 5. С. 158-163.
6. Пат. Яи№66046 Ш, 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.
Коваленко Сергей Юрьевич -
кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры автомобильного транспорта Оренбургского государственного университета
Ковриков Иван Тимофеевич -
доктор технических наук, профессор кафедры машин и аппаратов химических и пищевых производств Оренбургского государственного университета
Сологуб Владимир Арсентьевич -
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автомобилей и безопасности движения Оренбургского государственного университета
Sergey Y. Kovalenko -
Ph.D., senior teacher of chair of the motor transport of the Orenburg state university
Ivan T. Kovrikov -
Dr. Sc., professor of chair of cars and devices of chemical and food productions of the Orenburg state university
Vladimir A. Sologub -
Ph.D., associate professor of cars and traffic safety of the Orenburg state university
Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13
