Geum.ru

Расчетно-экспериментальное исследование

Вид материалаИсследование
Подобный материал:
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ВЛИЯНИЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ
ВОССТАНАВЛИВАЮЩИХ ДОБАВОК В МАСЛО
НА ПОКАЗАТЕЛИ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ И ИЗНОСА
СОПРЯЖЕНИЙ ТРЕНИЯ ПОРШНЕВОГО ДВИГАЕЛЯ


Э.М. Мохнаткин, АНО ЦСТР, Санкт-Петербург,

А.Ю. Шабанов, А.Б. Зайцев, А.В. Тимофеев, СПбГПУ, Санкт-Петербург


Одним из основных допущений, принимаемых при моделировании работы трибологических узлов двигателя, является идеальное состояние рабочих поверхностей. При этом не учитываются ни факторы увеличения зазоров при износе, ни наличия дефектов трения на этих поверхностях. Однако в реальной эксплуатации двигателя, эти факторы существенно влияют и на величину механических потерь, и на скорость износа сопряжений трения ДВС.

В настоящем докладе предлагается один из возможных подходов к описанию работы трибологического узла (плоского или цилиндрического подшипника), находящегося в условиях нестационарного нагружения, при наличии произвольных факторов износа, в частности, дефектов трения, произвольным образом расположенных на рабочих поверхностях подшипника.

В качестве иллюстрации работы предлагаемой методики рассматриваются результаты расчетно-экспериментального исследования работы узлов трения поршневого двигателя при изменении геометрии и степени поврежденности рабочих поверхностей, осуществляемой путем воздействия на них различными группами антифрикционных восстанавливающих препаратов – гемодификаторов трения различной фракционности и металлоплакирующих составов.

Основное отличие модели работы узла трения с произвольной степенью износа от классической модели идеальной пары трения, является ввод специального коэффициента, учитывающего снижение несущей способности подшипника, зависящего от количества, среднего размера и расположения поверхностных дефектов трения. Этот коэффициент вводится как отношения усредненной величины гидродинамической подъемной силы реального изношенного подшипника к аналогичному параметру идеального подшипника в аналогичных условиях. Данный коэффициент Θ был назван коэффициентом эффективности использования поверхности.

Для определения поля изменения коэффициента Θ в зависимости от количества, формы и расположения дефектов трения, был проведен расчетный эксперимент, при котором моделировалась работа плоского и цилиндрического подшипника при стационарной нагрузке в широком поле изменения значений числа Рейнольдса, а также при различной степени поврежденности поверхностей. Моделирование проводилось на базе численного решения полного уравнения Навье-Стокса для произвольной формы расчетной области. При этом использовался метод конечных элементов в реализации расчетного пакета Cosmos 2.9.

Полученные зависимости позволили связать степень поврежденности поверхности с величиной реальной подъемной силы узла трения. Ввод этой зависимости в модели работы плоских подшипников «поршневое кольцо-втулка цилиндра» и «тронк поршня – втулка цилиндра», а также в модель работы цилиндрических подшипников коленчатого вала поршневого четырехтактного двигателя с барботажной системой смазывания, позволил учесть реальное состояние поверхностей трения в расчетах процессов трения и износа узлов ДВС.

Одним из наиболее простых и эффективных способов влияния на изношенные поверхности трения двигателя непосредственно в процессе его эксплуатации является его обработка определенными видами антифрикционных восстанавливающих добавок в масло. В рамках проведения настоящей работы использовались два геомодифицирующих состава (условно называемых ГМТ-1 и ГМТ-2), а также металлоплакирующий состав на базе мелкодисперсных порошков мягких металлов (условное название МПС-1). Различие составов ГМТ-1 и ГМТ-2 заключалось в фракционности порошка активной компоненты. У состава ГМТ-1 размер частиц составлял 1…5 мкм, у состава ГМТ-2 – 10…15 мкм.

Для проведения экспериментальной части работы были взяты три однотипных бензиновых автомобильных двигателя ВАЗ-2108 с примерно одинаковой начальной степенью износа. Двигатели были разобраны, отдефектованы, произведено снятие начальных микропрофилей рабочих поверхностей типичных пар трения. Тем самым было зафиксировано наличие, размер и расположение типичных дефектов поверхностей.

Далее двигатели были собраны, обкатаны по типовой программе, исключающей возникновение новых дефектов трения. Далее были сняты базовые характеристики двигателя – замерены мощность, расход топлива, а также момент механических потерь двигателя. Одновременно, с помощью разработанной методики, было произведено моделирование работы трибологических узлов реальных двигателей с начальной степенью их износа. Были рассчитаны нагрузки на трибологические узлы, мгновенные локальные толщины смазочных слоев в узлах трения, протяженность участков с нарушением зон гидродинамического трения, а также мощность механических потерь.

После этого была произведена обработка каждого из двигателей одним из восстанавливающих составов. В процессе испытаний постоянно производился замер параметров, характеризующих динамику приработки двигателя с восстанавливающим составом. После наработки 30 моточасов была произведена частичная разборка двигателей, при которых были вскрыты по одному цилиндру для исследования степени изменения геометрии рабочих поверхностей. Далее – моторы были снова собраны и испытания продолжались вплоть до наработки 60 моточасов. После чего была произведена итоговая дефектация состояния рабочих поверхностей узлов трения.

Рис.1. Динамика изменения момента механических потерь двигателей ВАЗ-2108 в процессе приработки с различными составами, n=1500 об/мин, Ме=50 нм

По итогам расчета изменения коэффициентов эффективности использования поверхностей Θ, произведенного по результатам промежуточной и итоговой диагностики, было произведено повторное моделирование работы узлов трения в реальных двигателях. Полученные результаты были сопоставлены с данными, полученными при испытаниях.

Рис. 2. Динамика изменения коэффициента эффективности использования поверхности коренного подшипника двигателя ВАЗ-2108 при приработке с различными составами

В процессе расчетно-экспериментального исследования были выявлены характерные особенности работы всех трех видов восстанавливающих добавок.

Так, динамика улучшения параметров работы узлов трения при использовании мелкофракционного геомодифицирующего состава ГМТ-1 имеет устойчивую положительную направленность. При этом наблюдается некоторое выравнивание профиля, уменьшение глубины больших и полная ликвидация мелких дефектов трения. Все это приводит к повышению несущей способности плоских подшипников цилиндропоршневой группы и цилиндрических подшипников коленчатого вала. Это сопровождается снижением мощности механических потерь и уменьшением пути сухого и граничного трения в трибологических узлах.

С другой стороны, обработка двигателя крупнофракционным составом ГМТ-2 дала обратный эффект – и промежуточная, и итоговая диагностика показала ухудшение состояния поверхностей трения с увеличением количества дефектов. Это привело к отрицательной динамике изменения параметров работы трибологических узлов.

Ввод в двигатель металлоплакирующего состава МПС-1 привел к быстрому росту положительного эффекта на начальной стадии обработки, что, очевидно, объясняется высокой эффективностью укрытия дефектов трения путем их плакирования мягкими металлами. Однако, после этого, по мере наработки двигателя, наблюдалась устойчивая динамика снижения параметров работы трибологических соединений. Результаты анализа структуры поверхностей на начальной, промежуточной и итоговой стадии выявил причину этого явления – постепенное разрушение защитного металлоплакирующего слоя, начинающееся по мере срабатывания активного компонента, введенного в масло.

Следует отметить, что основной положительный эффект обработки отмечается в зонах эксплутационных режимов работы двигателя, наиболее неблагоприятных для формирования несущей способности подшипниковых узлов – при малых относительных скоростях перемещения поверхностей, высоких нагрузках и температурах смазочного материала. Но именно эти зоны в первую очередь отвечают за ресурсные показатели пар трения. В зонах же средних частот вращения коленчатого вала, малых и средних нагрузок, степень влияния обработки на мощность механических потерь и протяженность зон износа резко падает.

В целом, полученные экспериментальные данные, подтверждаются и результатами моделирования работы реальных узлов трения.