автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Научные основы повышения долговечности автомобильных двигателей совершенствованием методов оценки технического состояния и технологий восстановления их основных элементов

На правах рукописи

Асоян Артур Рафикович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИХ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

005049838

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

21 ФЕВ 2013

Волгоград-2012

005049838

Рабата выполнена на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.».

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Денисов Александр Сергеевич.

Официальные оппоненты: Славуцкий Виктор Михайлович

доктор технических наук, профессор, Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Автотракторные двигатели», профессор;

Родионов Юрий Владимирович

доктор технических наук, профессор, Автомобильно-дорожный институт Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, директор;

Бондаренко Елена Викторовна

доктор технических наук, профессор, Оренбургский государственный университет, кафедра «Техническая эксплуатация и ремонт машин», профессор.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-

дорожный государственный технический университет (МАДИ)».

Защита диссертации состоится 29 марта 2013 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д212.028.03 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «.}/ » января 2013 г.

Ученый секретарь ¡Г)Л~л Ожогин Виктор Александрович

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Развитие грузового автомобильного транспорта оказывает существенное влияние на деятельность всех отраслей экономики страны, обеспечивая перевозки в перерабатывающей промышленности, сельском хозяйстве, торговле и других отраслях.

В структуре российского парка грузовых автомобилей доля автомобилей КамАЗ занимает более 22%. Проводя индустриальную модернизацию автомобилей КамАЗ, ОАО «КАМАЗ» производит формирование и выпуск модельного ряда современного семейства форсированных двигателей, соответствующих экологическим стандартам ЕЭК ООН EURO - 1, EURO - 2, EURO - 3 и EURO - 4.

Увеличение мощности двигателя более чем в 1,5 раза относительно базового (табл. 1), без значительного изменения размеров его основных деталей (коленчатый вал, шатун, блок цилиндров и др.), повлияло на долговечность и конкурентоспособность силового агрегата. При этом все актуальнее стоит вопрос сокращения издержек на всем жизненном цикле автомобиля.

Таблица 1

Характеристика двигателя

Наименование параметра, единица измерения Модель двигателя

КамАЗ-740.10 КамАЗ -740.11240 КамАЗ -740.13260 КамАЗ -740.30 КамАЗ -740.50

Номинальная мощность, кВт, (л. с.) 154 (210) 176 (240) 191 (260) 191 (260) 265 (360)

Давление масла в прогретом двигателе при номинальной частоте вращения коленчатого вала, кПа (кгс/см2) 195-388 (3,5-4) 392-539 (4-5,5) 392-539 (4-5,5) 392-539 (4-5,5) 392-539 (4-5,5)

Максимальный крутящий момент, Н>м (кгс-м) 667 (68) 833 (85) 931 (95) 1079 (110) 1470 (150)

Диаметр цилиндра, мм 120 120 120 120 120

Ход поршня, мм 120 120 120 120 130

Одним из важнейших показателей конкурентоспособности автомобилей, в соответствии со стандартами ИСО 9000, является соотношение затрат на обеспечение работоспособности за весь срок эксплуатации к затратам на изготовление. В развитых европейских странах, в Америке это соотношение составляет в среднем 120%, в то время как в России это более 400%, что и обусловливает проблемную ситуацию.

Анализ надежности автомобилей КамАЗ показывает, что 32-39% отказов приходится на силовой агрегат. Двигатели после капитального ремонта имеют еще более низкие показатели надежности. Это связано со значительно более низким уровнем технологии ремонта по отношению к технологии производства.

Большой вклад в изучение изменения технического состояния и долговечности автомобилей, а также процессов их восстановления внесли работы: Ф.Н. Авдонькина, В.А. Бабенко, Ф.Х. Бурумкулова, Д.Н. Гаркунова,

Б.В.Гольда, Н.Я. Говорущенко, A.C. Гребенникова, A.C. Денисова, В.Е. Ка-нарчука, В.Н. Казарцева, Е.С.Кузнецова, Б.И. Костецкого, К.Т. Кошкина, Р.В. Кугеля, И.В. Крагельского, Г.В. Крамаренко, B.C. Лукинского, JI.M. Лельчу-ка, Л.В. Мирошникова, В.М. Михлина, М.П. Мелкова, A.C. Проникова, Д.Н. Решетова, Р.В. Ротенберга, C.B. Серенсена, A.M. Шейнина, С.Ф. Щетинина, М.М. Хрущева, A.B. Чичинадзе и других.

Однако с форсированием двигателей проблема повышения их долговечности остается актуальной.

В основном показатели надежности двигателя определяются техническим состоянием таких элементов как подшипники коленчатого вала, ци-линдропоршневая группа, шатун, турбокомпрессор, блок цилиндров, на которые приходится 35% отказов и 62% затрат на ремонт. Поэтому в работе акцент сделан на повышение долговечности именно этих элементов двигателя (коленчатый вал, шатун, турбокомпрессор, блок цилиндров), достаточно дорогих, как по стоимости, так и в услугах на ремонт (их замену). Цель работы - повышение долговечности автомобильных двигателей и снижение затрат на обеспечение их работоспособности, путем совершенствования технологических процессов восстановления основных деталей двигателей по их техническому состоянию.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи исследования:

1. Обобщить и развить аналитические зависимости показателей технического состояния двигателей от наработки.

2. Обобщить и развить закономерности формирования свойств поверхности деталей при восстановлении.

3. Разработать методологию и измерительный комплекс для определения отклонений размеров и формы рабочих поверхностей основных деталей двигателей, вследствие их напряженно-деформированного состояния.

4. Экспериментально проверить аналитические зависимости показателей технического состояния двигателей от наработки в эксплуатационных условиях и получить их параметры для установления предельного состояния.

5. Сформировать технологические основы восстановления деталей двигателей по их техническому состоянию, с разработкой оборудования и оснастки.

6. Разработать способы функционального тюнинга элементов двигателя, повышающие его долговечность.

7. Усовершенствовать структуру эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей и дать технико-экономическую оценку результатов исследования. Предмет исследования - процессы изменения технического состояния двигателя и технологические процессы восстановления его основных элементов. Объект исследования - автомобильные двигатели и их основные элементы. Методы исследований - теоретические исследования выполнены с использованием основных положений динамики двигателя внутреннего сгорания (ДВС), технической эксплуатации автомобилей, теоретической механики, теории надежности, теории вероятностей и математической статистики, методов моделирования, системного подхода, термодинамики, термодиффузии. Экспериментальные исследования изменения размеров и формы рабочих по-

верхностей деталей, тепловых, термодеформационных процессов проводились в лабораторных и производственных условиях с обработкой результатов исследования статистическими методами, с использованием современных измерительных средств и компьютерных технологий, в научной лаборатории кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» СГТУ имени Гагарина Ю.А., а также в конструкторских и технологических лабораториях, на испытательной станции в ОАО «КАМАЗ» г. Набережные Челны. Достоверность и обоснованность результатов, принятых в диссертационной работе, обеспечиваются:

методологией исследования, основанной на фундаментальных положениях физики, теоретической механики, математики, электрохимической кинетики;

согласованием выводов теоретического анализа с результатами модельных и натурных экспериментов.

Научная новизна заключается в комплексном подходе к решению проблемы повышения долговечности автомобильных двигателей путем:

- обобщения и развития закономерностей изменения технического состояния основных элементов двигателей, в процессе эксплуатации;

- развития и обоснования закономерностей формирования металлопокрытий при восстановлении основных элементов двигателей;

- вероятностного прогнозирования показателей технического состояния элементов двигателей на базе обоснованных зависимостей и кинетики предотказного состояния, для определения их предельных значений;

- усовершенствования структуры эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей на основе активизации профилактической стратегии;

- разработки методологии оценки эффективности использования восстановительных технологий по критерию долговечности;

- разработки методологии дефектовки деталей и совершенствования технологических процессов их восстановления.

Практическая ценность.

1. Разработанные в диссертации теоретико-методологические и практические положения, модели и методики составляют научную основу построения системы повышения долговечности автомобильных двигателей на 75-80% и могут быть использованы предприятиями на всех этапах жизненного цикла автомобиля.

2. Предлагаемые методики и усовершенствованные технологии дают возможность разработать эффективные управленческие решения, позволяющие снизить удельные затраты на ремонт на 75%, простои в ремонте - на 72%.

3. Новизна предложенных устройств и технологий защищена патентами РФ: №68755, №104691, №2082835, №93462, №118427.

4. Усовершенствованная структура эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей автомобилей позволяет снизить затраты на поддержание их в работоспособном состоянии в процессе эксплуатации не менее чем на 75% по сравнению со сложившейся в настоящее время.

Реализация результатов работы осуществлялась внедрением в технологические процессы текущих (ТР) и капитальных ремонтов (КР) силовых агрегатов, измерительных устройств, автономной системы смазки турбокомпрессо-

ров, усовершенствованной системы эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей автомобилей в ОАО «Завод двигателей», ЗАО «Ремдизель» г. Набережные Челны, ООО «Саратовский Автоцентр КАМАЗ», ООО «Авторемонт-Т» г. Саратов и ряде других предприятий Саратовской области. Материалы работы используются в лекционных курсах, дипломном и курсовом проектировании студентов специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами. Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях «Концепция развития и высокие технологии индустрии ремонта транспортных средств» (Оренбург, 1993 г.), «Отделочно-упрочняющая технология в машиностроении» (Минск,1994 г.), «Повышение эффективности проектирования, испытаний и эксплуатации двигателей автомобилей, специальных строительных и дорожных машин» (Нижний Новгород, 1994 г.), «Поддержание и восстановление работоспособности транспортных средств» (Академия транспорта РФ), (Саратов, 1995 г.), «Проблема транспортного строительства и транспорта» (Саратов,1997 г.), ежегодных внутривузовских научно-технических конференциях кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» СГТУ имени Гагарина Ю.А. в 1993-2012 гг., Межгосударственном научно-техническом семинаре в СГАУ 2001-2010 гг. в г. Саратове; 14-й Международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» в г. Пензе в 2010, 2012 гг.; Шестом Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций в 2011 г.; Научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ в г. Москве в 2012 г. Структура и объем. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка использованной литературы, содержащего 346 наименований, в том числе 15 зарубежных. Содержание работы изложено на 384 страницах текста, включая 149 рисунков, 33 таблицы, 7 приложений на 69 страницах. На защиту выносятся:

1. Теоретическое обоснование механизма изнашивания подшипников форсированных двигателей на основе динамической вероятностной модели контактирования для получения закономерности изменения их технического состояния в процессе эксплуатации.

2. Разработка математических моделей, изменения геометрической формы опорных поверхностей подшипников.

3. Обоснование выбега вала ротора турбокомпрессора как диагностического параметра и закономерность его изменения в процессе эксплуатации.

4. Методология восстановления деталей электролитическим железным покрытием и наплавочными металлопокрытиями под слоем флюса с созданием на поверхности трения плакирующего медного покрытия.

5. Методология и комплекс измерительных устройств, для определения отклонений размеров и формы рабочих поверхностей основных деталей, вследствие их напряженно-деформированного состояния.

6. Усовершенствованная на основе кинетики предотказного состояния структура эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 печатных работ, в том числе 2 монографии, 20 статей в журналах из списка, рекомендованного ВАК, 5 патентов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы научная проблема и цель исследования, даны общая постановка решаемых задач и краткое содержание диссертации, определены научная новизна и практическая ценность полученных результатов. В первой главе рассмотрены методы оптимизации изменения технического состояния автомобильных двигателей.

Оптимизировать изменение технического состояния двигателей в процессе эксплуатации можно при обосновании зависимостей изменения технического состояния силовых агрегатов от пробега автомобиля с начала эксплуатации и критерия предельного состояния основных сопряжений двигателя, которые позволят определить оптимальный пробег автомобиля до предупредительного и капитального ремонта. Данные зависимости дают возможность прогнозировать изменение технического состояния двигателей. Так как эти изменения являются следствием процессов изнашивания и изменения геометрической формы деталей сопряжений, необходимо определить зависимость износа и отклонения макрогеометрии деталей форсированных двигателей от пробега автомобиля.

Для прогнозирования износа, параметров технического состояния и остаточного ресурса элементов двигателей, которые в большинстве являются динамически нагруженными, предложены различные формы кривых изнашивания. Наиболее обоснованной является полученная профессором Ф.Н. Ав-донькиным экспоненциальная зависимость износа от наработки

S = SQebl, (1)

где S0 - износ в конце периода приработки, приведенный к началу эксплуатации; Ъ- изменение интенсивности изнашивания на единицу износа.

Все типы подвижных сопряжений деталей им разделены на три вида: динамически нагруженные, саморазгружающиеся и с неизменным давлением в зоне трения по мере изнашивания деталей. С учетом экспоненциальной зависимости зазора от наработки профессор A.C. Денисов получил зависимость давления масла от наработки

Р = -^—Г = Р0е~Ьр' (2)

пт тЫ 0

sо е

где Р0 = а/т - давление в конце приработки, приведенное к началу эксплуатации; bp = т ■ Ъ - экспериментальный параметр; а — конструктивный и режимный параметр.

Закономерное снижение давления в системе смазки двигателей изменяет условия трения подшипников коленчатого вала. Проведенные расчетно-аналитические и экспериментальные исследования A.C. Денисовым и И.К.

Даниловым показали, что толщина масляного слоя (ТМС) в зависимости от наработки снижается по экспоненциальной зависимости

А = Vй (3)

9

где Н0 - ТМС в конце приработки, приведенная к началу эксплуатации, определяемая конструктивно-технологическими параметрами подшипника, режимом работы двигателя, свойствами масла; Ъ- параметр, учитывающий влияние износа на интенсивность изменения технического состояния подшипника.

Для показателей технического состояния саморазгружающихся сопряжений, в частности, для показателей цилиндропоршневой группы (ЦПГ), по результатам исследований Ф.Н. Авдонькина, можно записать в общем виде.

У = Уо+У1(\-е~Ы\ (4)

где у о - параметр, определяемый по методу наименьших квадратов.

Таким образом, приведенные данные показывают, что закономерное изнашивание деталей агрегатов автомобиля приводит к закономерному изменению диагностических параметров и повышает вероятность недопустимых повреждений деталей (задиры, проворачивание вкладышей, заклинивание и другие), что целесообразно предупреждать путем использования методов и средств диагностирования, восстановления и функционального тюнинга. Во второй главе рассмотрены методики экспериментального исследования.

Целью экспериментального исследования являются проверка аналитических предпосылок изменения технического состояния основных деталей форсированных двигателей в процессе эксплуатации, получение параметров этих зависимостей и их погрешностей, а также исследование свойств металлопокрытий, используемых при восстановлении изношенных поверхностей основных деталей двигателей, с целью совершенствования технологических процессов восстановления.

В соответствии с поставленной целью и сформулированными задачами работы разработана программа, включающая этапы теоретических, экспериментальных исследований и практических рекомендаций (рис. 1).

На этапе аналитических исследований проведен анализ конструктивных особенностей, условий работы основных элементов двигателя. Обоснованы математические модели изменения параметров технического состояния рассматриваемых деталей в процессе эксплуатации. Эти модели носят стохастический характер, так как обусловлены действием многих, в том числе и случайных факторов.

После обоснования математических моделей для реальной оценки состояния элементов двигателя в процессе эксплуатации, определяли их параметры по экспериментальным данным с использованием корреляционно-регрессионного и дисперсионного анализа. Для определения экспериментальных данных по фактическому состоянию исследуемых элементов разработаны соответствующие методики стендовых, моторных и эксплуатационных исследований. На основе результатов экспериментальных исследований разработаны практические рекомендации по совершенствованию технологии ремонта основных деталей двигателя.

По результатам внедрения опытной технологии дается технико-экономическая оценка результатов исследований.

Рис. 1. Схема программы и общей методики исследования

Измерение деталей проводили измерительными средствами, в соответствии с методикой РД 5090-86. Для измерения соосности постелей блока двигателя КамАЗ было изготовлено специальное приспособление (патент №104691), схема определения соосности приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема измерения соосности постелей блока двигателя КамАЗ

Точность и достоверность результатов микрометража определяли с допустимой из инженерных соображений точностью статистической оценки средних значений искомых параметров в пределах 5-10% при доверительной вероятности 0,85-0,9. Математическую обработку результатов вели на основе методов теории вероятности и математической статистики с применением программных средств 8ТАТ18Т1СА-6, МАТЬАВ. Для определения напряжённо-деформированного состояния исследуемых деталей использовали метод конечных элементов (МКЭ), позволяющий провести углубленный анализ геометрической формы, включая участки сложной конфигурации, зоны концентрации напряжений и области контактного взаимодействия в рабочих по-

верхностях деталей. Вычисления осуществлялись с помощью программы -АРМ Win Machine 9.7, определяющей усилия, действующие на каждый конечный элемент.

Для проверки полученных аналитических зависимостей были проведены стендовые моторные исследования на двигателе КамАЗ-740. Использовали испытательный стенд фирмы «AVL», с гидротормозом фирмы «SCHENCK», укомплектованный необходимым оборудованием и приборами, точность которых соответствует требованиям ГОСТ 14846-81. Все приборы стенда аттестованы и тарированы.

Оценку состояния турбокомпрессоров ТКР7Н-1 и ТКР7С, возвращенных по рекламации в ООО «Саратовский Автоцентр КАМАЗ» г. Саратов, ОАО «КАМАЗ» г. Набережные Челны, проводили с целью определить характер дефектов турбокомпрессоров при заклинивании ротора и течи масла. Исследования проводили в лаборатории кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» СГТУ имени Гагарина ЮЛ. г. Саратов, лаборатории испытаний двигателей ОАО «КАМАЗ» г. Набережные Челны.

В ходе эксплуатационных исследований были собраны экспериментальные данные по изменению геометрических параметров технического состояния шеек коленчатого вала, постелей блока и шатунов. Диаметр нижней и верхней головок шатуна измеряли нутромером (точность 0,01 мм). Для контроля деформации стержня и корсетности нижней головки шатуна было разработано и изготовлено измерительное устройство (патент РФ № 68755), общий вид которого приведен на рис. 3. Для оценки эффективности исследования при выполнении капитального ремонта двигателей КамАЗ-740 восстановили партию шатунов (40 штук) по предложенной технологии и установили в 5 двигателей. Затем в процессе эксплуатации по этим двигателям, а также по неремонтированным двигателям (5 штук) и по двигателям после капитального ремонта (5 штук) без восстановления нижней головки шатуна (замена шатунных вкладышей) проводили диагностирование прогиба шатунных вкладышей. Измерения проведены на двигателях с пробегом до 80 тыс. км.

Для оценки электрохимического состояния восстановленных поверхностей деталей, влияния температуры и разреженной среды на кинетику осаждения электролитического железа в начальный период катодной поляризации использован метод поляризационных измерений. Поляризация рабочего электрода осуществлялась с помощью потенциостата П-5827М в гальваностатическом режиме. Регистрация потенциала как функции от тока у = f(I)

£

Рис. 3. Схема определения корсетности нижней головки шатуна на приспособлении

осуществлялась планшетным потенциометром ПДГМ. Электрохимические исследования проводились при температуре (°С): 20; 55; 80. Разрежение в ячейке создавалось вакуумным насосом. Степень разрежения контролировалась вакуумметром ГОСТ 6521- 60. Величина разрежения устанавливалась: при температуре 20 °С - 2,5 х 103 Па, при 55 °С - 1,5 х 104 Па, при 80 °С - 4,7 х 104 Па. При исследовании использовался электролит состава: хлористое железо (БеС^^НгО) -350*'г/л, кислота соляная - 1,5 ± 'г/л. Для исследования количественных значений плотности тока, обеспечивающих получение равномерных, гладких, бестрещиноватых слоев электролитического железа, толщиной 0,4 - 0,8 мм, в условиях разреженного пространства над уровнем электролита, была создана специальная установка, позволяющая создавать разрежение над зеркалом электролита при электролизе железа.

Технологическая операция нанесения наплавочных металлопокрытий на поверхности коленчатых валов дизельных двигателей проводилась на наплавочной установке УД-209. Для нанесения металлопокрытий применяли наплавочную проволоку Нп-ЗОХГСА (ГОСТ 10543-98). Покрытия наносили на образцы, которыми служили коренные и шатунные шейки коленчатых валов дизельных двигателей марки КамАЗ-740. Для повышения усталостного сопротивления галтелей коленчатых валов было изготовлено приспособление, позволяющее обкатывать галтели, создавая упрочненный слой (напряжения сжатия) в галтели шириной до 3 мм и глубиной до 0,5 мм. Для повышения антизадирных свойств восстанавливаемых поверхностей шеек коленчатых валов была изготовлена установка по созданию на них металлоплаки-рующего медного покрытия, методом электрохимического натирания. Исследования трибологических характеристик покрытия проводились на четырех-шариковой машине в соответствии с ГОСТ 9490-75. Исследование влияния технологических факторов на уровень и характер дефектов проводилось на специально приготовленных микрошлифах в соответствии с ГОСТ 5640-68. Анализ макроструктуры образцов проводили на микроскопе МИМ-6.

Таким образом, предложенные методики позволяют исследовать изменение технического состояния основных деталей двигателей в процессе эксплуатации, а также исследовать свойства металлопокрытий, используемых при восстановлении изношенных поверхностей деталей, с целью совершенствования технологий восстановления.

В третьей главе рассмотрены теоретические предпосылки изменения технического состояния элементов автомобильных двигателей в процессе эксплуатации.

В основе методологии совершенствования технологий восстановления основных элементов двигателя лежит причинно-следственная связь условий работы объекта, изменение поверхностных слоев сопряжений, определяющих эксплуатационный срок службы автомобиля, возникновение и развитие процессов изнашивания деталей, их напряженно-деформированное состояние, определяющее вероятностный характер отказов и эксплуатационную надежность автомобиля, технологические процессы, обеспечивающие восстановление работоспособности деталей двигателя, определяющие структуру эксплуатационно-ремонтного цикла и нормативы обеспечения работоспособности автомобиля (рис. 4).

КОНСТРУКТИВНЫЕ ФАКТОРЫ

ТЕХНОЛОГИ ЧЕСКИ Е ФАКТОРЫ

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ

Дорожные, транспорт«.»,

природно-климатические

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ

УСЛОВИЯ НАГРУЖЕИИЯ ДЕТАЛЕЙ И СОПРЯЖЕНИЙ

Средний уровень: нагрузки на детали, скорость скольжения, температуры деталей, переменность этих показателей во времени

ОРГАНИЗАЦИОННО-

ТЕХНИЧЕСКИЕ

Даеторы Система ТО и Р. уровень организации и управления, производственно-техническая база,

резервирования

ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

КИНЕТИКА (отапы развитии) ПРЕДОТКАЗНОГО СОСТОЯНИЯ — * *

ИЗНОС(зазо14 .1

ДЕФОРМАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ

СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

Г -1

У ТУ РА

НОРМАТИВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

Рис. 4. Схема причинно-следственной связи факторов и нормативов технической эксплуатации автомобилей

Форсирование дизелей повышает требования к долговечности высоко-нагруженных деталей двигателей. К числу таких высоконагруженных узлов и деталей, в тепловом и механическом отношениях, относятся шатун, коленчатый вал, постели блока цилиндров, турбокомпрессор.

На работающем дизеле на шатун действуют (рис. 5):

Рг - сила давления газов; Р, - сила инерции; Ртр -сила трения поршневой группы; Рш - сила, действующая вдоль оси шатуна; И— боковая сила. Как показано на рис. 5, сила, действующая вдоль оси шатуна, является составляющей суммарной силы

Рш = /УсобД или Ре = Рш- соэД (5) Суммарная сила складывается из сил инерции, сил давления газов и силы трения с учетом знаков

Р^Ъ + Рг -Рч

(6)

Рис. 5. Схема сил, действующих на шатун

Исходя из последнего выражения, сила трения будет равна

ЛР = (Р, + РГ) - Рш- соз/?. (7)

В верхней головке шатуна в процессе эксплуатации происходит изнашивание втулки и поршневого пальца. Исходя из анализа условий работы шатуна это сопряжение можно отнести к динамически нагруженным, для которых, как доказано в трудах профессора Ф.Н. Авдонькина, справедливо экспоненциальное уравнение износа 5 от наработки / (1).

Максимальные нагрузки действуют по оси шатуна, поэтому максимальный износ втулки верхней головки наблюдается вдоль оси шатуна, что обусловливает овальность отверстия под поршневой палец. Овальность отверстия будет возрастать в процессе эксплуатации. Для обоснования вида зависимости овальности от наработки, примем допущение о том, что параметр Ь в зависимости (1) одинаков и для плоскости оси шатуна и для перпендикулярной ей плоскости. Это допущение справедливо, так как обработка многочисленных экспериментальных данных по износу деталей шатунно-кривошипной группы двигателей показывает, что разница в параметре Ъ составляет 10-15%. Овальность отверстия е - это разница диаметров по оси шатуна и в перпендикулярном направлении. Поскольку считаем, что исходная овальность равна нулю, то овальность в процессе эксплуатации - это разница износов по оси шатуна Б] и в перпендикулярной плоскости С учетом уравнения (4) получим

е = - 52 = 501еы - 502еьг = (501 - 502)еьг = е0еы, (8)

где £0= Бог Б о2 — овальность отверстия в конце приработки, приведенная к началу эксплуатации.

В сопряжении втулки с шатуном в процессе эксплуатации изменяются условия посадки. Поскольку на шатун действуют нагрузки с высокочастотным колебанием, то возникает фреттинг-изнашивание. В результате разрушаются микронеровности, плотность посадки снижается и она может стать подвижной, что недопустимо. Предельным износом здесь является средняя величина микронеровностей, что схематично показано на рис. 6. Вероятность разрушения микровыступов по мере снижения их высоты (изнашивания) снижается. Следовательно, с увеличением износа интенсивность изнашивания (разрушения микровыступов) снижается. Зависимость эту можно принять линейной с учетом формы микровыступов (конус, пирамида)

а = а0 — ЬБ, (9)

где ОС о — интенсивность изнашивания в конце периода приработки, приведенная к началу эксплуатации; Ь - изменение интенсивности изнашивания на единицу износа; 5 - износ (рис. 7).

Рис. 6. Взаимодействие микронеровностей шатуна и втулки (а) и схема условных микронеровностей (б)

Поскольку интенсивность изнашивания - это производная от износа по пробегу (наработке), то есть а = (1Б/(II, то интегрирование дифференциального уравнения (9) позволяет получить зависимость С1 от I и 5 от I

а0-Ь5

<И "" ' " аг0-Ь5 ь где Си - постоянная интегрирования, смысл которой определяется из начальных условий: 5 = 0 при 1 = 0.

После преобразования уравнения (10) получим

-Ь„Ц-Си) _

= сеп0 — ЬпБп или при начальных условиях е После преобразований запишем

апое'к> = ап0 - ЬпБ = ап, или «„ = апое'ь"'.

КСи

(П)

Следовательно, интенсивность изнашивания в процессе эксплуатации снижается. Решив уравнение (11) относительно 5, получим

а„

о„

(12)

а,„

где —^ = $„ - износ в конце приработки, приведенный к началу эксплуатации

Ь„

(рис. 7). По аналогичной зависимости возрастает и овальность верхней головки шатуна

а

а

а

а

I

I

а б

Рис. 7. Характер зависимости интенсивности изнашивания а от износа 5 (а)

и пробега I (б), износа 5 от пробега Сопряжение нижней головки шатуна с вкладышами также является неподвижным. Однако характер работы сопряжения существенно отличается от характера работы сопряжений верхней головки. При работе двигателя в нижней головке шатуна действуют циклические нагрузки. Наибольшие нагрузки возникают в плоскости оси шатуна, максимальные усилия продольного сжатия шатуна возникают в период сгорания топлива при 4^10° у.п.к.в. после ВМТ. В период максимального давления сгорания (-1-Н-110 у.п.к.в.) шатун совершает продольные колебания. Частота продольных колебаний на различных режимах работы дизеля находится в достаточно узком диапазоне 2150-^2250 Гц. Данные колебания шатуна являются собственными колебаниями системы: поршень — поршневой палец — шатун, и вызываются импульсом от быстрого повышения давления сгорания топлива. Давление газов в цилиндре растет с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Коэффициент динамичности в зависимости от частоты вращения коленчатого вала находится в пределах кд= 1,15-И,22 (по данным В.Н. Никишина).

Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) шатуна, с использованием МКЭ, и твердотельное моделирование, с автоматическим построением конечно-элементной сетки (рис. 8), подтверждают результаты исследования рассеивания размеров и форм рабочих поверхностей деталей, вследствие действия нагрузок в процессе эксплуатации.

Рис. 8. Распределение напряжений стг (МПа) в нижней и верхней головках шатуна

В процессе эксплуатации амплитуда динамических нагрузок в подшипниках увеличивается вследствие роста зазоров. Зазоры от номинальных до предельных увеличиваются в 2,5-3 раза, что вызывает пропорциональный рост динамических (инерционных) нагрузок. Поскольку зазоры в процессе эксплуатации возрастают по экспоненциальной зависимости, то аналогично изменяется и амплитуда динамических нагрузок. Это приводит к изменению геометрической формы нижней головки шатуна и вкладыша (в свободном состоянии вкладыша появляется изгиб по образующей (прогиб Д); снижается размер вкладыша в свободном состоянии; на рабочей поверхности вкладышей появляются характерные натиры в средней части в форме эллипса; на наружной стороне вкладыша появляются характерный след перегрева средней части в виде темной полосы и кавитационные каверны; происходит усадка вкладыша вдоль окружности (снижение натяга по сравнению с новыми вкладышами).

В результате появления и роста прогиба повышается вероятность непосредственного контакта вкладышей с шейкой коленчатого вала, приводящего к повышению трения в подшипнике, задиру, схватыванию и проворачиванию вкладышей. Схватывание и проворачивание вкладышей является заключительным вероятностным этапом их деформирования. Поэтому даже при отсутствии проворачивания вкладышей изнашивание нижней головки шатуна по образующей происходит неравномерно. Сдеформированный вкладыш своими краями в процессе работы будет изнашивать края нижней головки шатуна и изнашиваться сам также по краям со стороны шатуна (рис. 8).

В результате этого будет возрастать корсетность нижней головки шатуна. Величина корсетности прямо пропорциональна величине прогиба вкладыша. Это объясняется тем, что с увеличением остаточного прогиба повышается его упругость, что аналогично действию пружины с линейной характеристикой, то есть (рис. 9)

Р = сД, (13)

где £ - сила деформации (по краям вкладыша £72); Д- прогиб вкладыша; С — характеристика (жесткость) пружины (вкладыша).

1'

Рис. 9. Схема деформации вкладыша

с прогибом Д, силой (1 - шейка; 2 -вкладыш; 3 - шатун)

В соответствии с работами A.C. Денисова и А.Т. Кулакова зависимость остаточного прогиба Д вкладыша от наработки двигателя I экспоненциальная

Д=Д0еьг, (14)

где Д0 - относительный прогиб в конце приработки, приведенный к началу эксплуатации; Ь - параметр интенсификации.

С учетом этого и зависимости (13) корсетность нижней головки шатуна К (рис. 9) в процессе эксплуатации также возрастет по экспоненциальной зависимости

K = K0ebl, (15)

где К0 - корсетность в конце приработки, приведенная к началу эксплуатации; b - параметр интенсификации.

С учетом зависимости (14) даже при отсутствии проворачивания вкладышей нижняя головка шатуна имеет уже не цилиндрическую, а более сложную форму. Поэтому при ремонте двигателя и замене вкладышей условия контактирования вкладышей и шатуна ухудшаются. Это проявляется в снижении площади контактирования вкладышей и шатуна, ухудшении теплообмена между ними. Момент трения в контакте вкладыша с шатуном составит

Мк = \Дг b{l-H)gzf, (16)

где Д - диаметр постели шатуна; Ь- ширина вкладыша; Н - часть площади, на которой вкладыш не контактирует с постелью шатуна; /- коэффициент трения стали по стали.

Из формул (15) и (16) видно, что в процессе эксплуатации возрастает корсетность и снижается момент трения Мк. Поэтому при ремонте двигателя необходимо тщательно контролировать форму нижней головки шатуна по образующей поверхности и восстановлять при достижении предельного значения корсетности.

Основной причиной задиров шатунных шеек в эксплуатации, после пробега 120-160 тыс. км, является нарушение гидродинамической смазки из-за недостаточного количества масла, поступающего в шатунные подшипники в связи с большим расходом через коренные подшипники. Это обусловлено снижением давления в масляном слое из-за уменьшения его клиновидности, а также увеличением угла а между направлением нагрузки Р и результирую-

щей Л сил давления масляного слоя по мере перемещения вала к центру подшипника по полукругу Гюмбеля (рис. 10). Снижение давления масла и толщины масляной пленки повышает вероятность перехода в область граничной смазки (рис.10) с высоким коэффициентом трения, достигающим 0,05-0,08. В пусковой период, когда скорость вращения вала незначительная и преобладает граничная смазка, вал смещается в сторону, противоположную вращению, на угол <р, тангенс которого равен коэффициенту трения граничной смазки (рис. 10, а). По мере увеличения скорости вращения вала возникает полужидкостная смазка, коэффициент трения уменьшается, и вал перемещается в сторону вращения до тех пор, пока не произойдёт разобщение микронеровностей вала и подшипника.

В области жидкостной смазки положение вала определяется параметром X. С увеличением этого параметра центр вала перемещается к центру подшипника по траектории, близкой к полуокружности, диаметром, равным радиальному зазору 6. При бесконечно большом значении X центр вала совпадает с центром подшипника. При этом толщина масляной плёнки ктщ = д, клиновидность зазора исчезает, и давление в масляном слое становится равным нулю. Такое состояние может наступить при отсутствии внешней нагрузки. Траектории перемещения вала в подшипнике показаны на рис. 10,е.

Рис. 10. Положение вала в подшипнике и схема образования циклических вихревых движений вала Таким образом, небольшие колебания режима работы вызывают в этой области значительные смещения вала, которые легко переходят в циклические вихревые движения. В результате этого резко возрастают трение и тепловыделение в подшипнике. В масляном слое возникают кавитационные процессы, приводящие к разрушению материала подшипника.

Поскольку потеря устойчивости работы подшипника во многом определяется эксплуатационными факторами, то связь коэффициента трения с величиной зазора в подшипнике носит вероятностный характер. В качестве допущений при получении аналитической зависимости интенсивности изнашивания от зазора в подшипнике примем линейный характер связи между интенсивностью изнашивания а и коэффициентом трения/в виде

а = с/, (17) где с - коэффициент пропорциональности.

Для обоснования второго допущения рассмотрим характер взаимодействия микровыступов поверхностей трения при неустойчивой работе подшипника (рис. 11).

Рис. 11. Схема взаимодействия микронеровностей поверхности трения при постоянном и переменном режимах (толщина масляной пленки h)\ т„ж, 1пж - соответственно время работы и путь трения в полужидкостном режиме; Pki, Рк2 - вероятность взаимодействия микровыступов

При устойчивой работе подшипника в режиме жидкостного трения и средней толщине масляного слоя ho, равной сумме средних высот микровыступов вала и подшипника, контакта их не происходит. Коэффициент трения/ при этом равен коэффициенту жидкостного трения /ж. Величина ho при этом практически не меняется (линия 1 на рис. 11).

При неустойчивой работе подшипника с небольшой амплитудой колебаний вала (кривая 2 на рис. 11) возникают условия полужидкостной смазки т„ж (или 1пж) и вероятность контакта микровыступов Р¡¡¡. При этом появляется приращение коэффициента трения за счёт полужидкостного трения /пж. Общий коэффициент трения при этом составит

/=/«+/« (18)

С ростом зазора в подшипнике амплитуда циклических вихревых движений вала увеличивается (кривая 3 на рис. 11). Это увеличивает время гпж (Jrac) и вероятность контакта микровыступов Рк2, а также приращение /пж. С учётом формы кривых распределения высоты микровыступов, а также формы сечения самих микровыступов (треугольный), можно принять второе допущение о прямой пропорциональности приращения зазора Д5 в подшипнике вследствие износа и /ж

f=jbic + с'-AS, (19)

где с' - коэффициент пропорциональности.

С учётом допущений (17) и (19) для интенсивности изнашивания вала и вкладышей можно записать

а = а0 + b-AS, (20)

где b = с-с'- изменение интенсивности изнашивания на единицу приращения зазора (на единицу износа); а0 - интенсивность изнашивания при устойчивом режиме работы подшипника (в конце периода приработки).

Аналогичная форма зависимости получена в работах профессора Ф.Н. Авдонькина исходя из прямолинейной зависимости интенсивности изнашивания от работы удара инерционных сил. Однако, как показывает анализ режимов работы подшипника с гидродинамической смазкой, удар в нём практически не возможен. Кроме того, работа удара является интегральным показателем, а интенсивность изнашивания - дифференциальным, поэтому установление зависимости между ними является не вполне корректным.

Дифференциальное уравнение (20) можно записать

dS U ACT

a = - = a0+b-AS. (21)

После преобразований получим

I _ f dS _ Г dS ~ J ~а ~ J (a0+bAS) (22)

Найдем неопределенный интеграл

I = ^\n(a0+bAS) + cu. (23)

Постоянную интегрирования с„ определим из начальных условий: 4S = 0 при / =0

с„=--1па0. (24)

С учетом этого выражение (23) примет вид

Ь а0

Из уравнения (25) определим зависимость износа от наработки

(25)

(26)

Выражение ~т~~ представляет собой значение износа в конце прира-

п

ботки Бп0, поэтому общий износ в процессе эксплуатации возрастает по экспоненциальной зависимости

а интенсивность изнашивания с учетом уравнений (22) - (26) возрастает также по экспоненциальной зависимости

„Ь„1

(28)

где ап0, д'ия - соответственно интенсивность изнашивания и износ в конце приработки, приведенные к началу эксплуатации (/ = 0); Ъ„ - изменение интенсивности изнашивания на единицу износа деталей. Таким образом, обоснованные зависимости могут быть основой прогнозирования изменения технического состояния подшипников коленчатого вала и других гидродинамически нагруженных сопряжений в процессе эксплуатации автомобиля.

Силы, воспринимаемые шатуном, передаются на коленчатый вал, который подвержен действию радиальных и тангенциальных составляющих сил, приложенных к его шатунным шейкам, центробежных сил вращающихся масс, реакций опор, а также момента сопротивления вращению трансмиссии, периодическое действие которых вызывает появление упругих колебаний коленчатого вала (изгибных и крутильных), особенно высокие нагрузки несут шатунные шейки и щеки (рис. 12). Вследствие действия рассмотренных нагрузок основными повреждениями коленчатых валов являются: задир шеек вала, трещины в шейках вала, излом вала по шейкам или щекам. Характер разрушений элементов КВ показывает на преимущественное действие изгибающих моментов и меньшее действие крутящего момента. Усталостные разрушения (трещины) начинаются в области концентраторов напряжений (галтели, отверстия для смазки).

Нарастание степени усталостных разрушений в элементах КВ в процессе эксплуатации носит преимущественно стохастический характер, наиболее часто усталостное разрушение вала происходит по щеке в зоне перекрытия шатунных и коренных шеек.

Для нормальных напряжений от изгибающей нагрузки си справедливо:

где Ми- изгибающий момент (в процессе эксплуатации практически не меняется); IV- момент сопротивления сечения на изгиб.

где Миз - величина изгибающего момента; 20 — реакция опоры в плоскости кривошипа; а- расстояние от опоры до середины кривошипной шейки; Р„р -центробежная сила инерции от вращения противовесов; Рс - центробежная сила инерции от вращения кривошипа; с - расстояние от опоры до щеки вала.

Результаты расчетов НДС кривошипа методом конечных элементов, используя твердотельное моделирование с автоматическим построением конечно-элементной сетки, показаны на рис.13.

Наибольшие напряжения находятся в зоне галтелей шатунной и коренной шеек в результате действия изгибающих моментов.

Повреждением коленчатого вала, лимитирующим пробег двигателя до капитального ремонта, являются также задиры шатунных и коренных шеек.

Рис. 12. Классическая расчетная схема коленчатого вала

(30)

Рис.13. Распределение напряжений

(МПа) в коленчатом вале двигателя КамАЗ-740

Анализ технического состояния поступивших в капитальный ремонт отечественных двигателей показывает, что наиболее часты случаи выхода из строя двигателей из-за задиров шатунных шеек. Существенную роль в повышении работоспособности этого узла играет улучшение условий их смазки. Основными гидравлическими параметрами систем смазки двигателей, которые определяют надежность работы подшипников, являются давление подачи и расход масла непосредственно в подшипниках. Давление масла на входе в коренной подшипник равно

Р = К-Рг.м., (31)

а на входе в шатунный подшипник

Рш=Р,и.к'+у^-\г1-г1) , (32)

где Рг.м. - давление масла в начале главной магистрали; к, к' - коэффициент снижения давления масла соответственно на пути до коренного подшипника и до входного отверстия в коренной шейке для подвода масла к шатунному подшипнику; гш - расстояние от оси коленчатого вала до входного отверстия масляного канала к шатунной шейке; г* - радиус коренной шейки.

В зависимости от изношенности двигателей к = 0,55 0,97; к1 = 0,44 -н 0,94. При недостаточном давлении масла, подводимого к подшипникам, могут нарушаться условия гидродинамического трения, в результате чего толщина масляного слоя может стать ниже критической (0,3 мм), что повышает вероятность задиров и проворачивания вкладышей.

Количество теплоты, выделяющейся в подшипнике, вследствие повышенного коэффициента полужидкостного трения (/) увеличивается. Также увеличивается мощность, затрачиваемая на трение

И=Р/У=Рп/30-10~3-с1-//2. (33)

Суммарная величина прогибов (А) верхнего и нижнего вкладышей сравнима с величиной диаметрального зазора в шатунном подшипнике, таким образом, относительный зазор может быть при работающем двигателе при полной выборке зазора равным нулю

у/=БМ=0. (34)

Состояние теплового равновесия (Я=Я1) нарушается и повышение температуры масла и самого подшипника становится критическим

А ^2,34 Р У-//0р с. (35)

Поэтому сохранение цилиндричности подшипников коленчатого вала, как техническое требование к конструкции, с целью обеспечения гидродинамической смазки, следует закладывать контролем нижних головок шатунов и постелей блока при ремонте и созданием на шейках коленчатых валов тонкого слоя твердой смазки на основе меди, предотвращающей процессы схватывания при работе двигателя.

В коренных опорах корпуса блока упругим деформациям подвергается крышка. Поскольку двигатель КамАЗ-740 У-образный, нагрузки на опору отклонены от вертикали в обе стороны на 45° (рис. 14). Следствием действия равнодействующей газовых сил (2 являются изменения размеров и формы коренной опоры блока. Горизонтальная составляющая равнодействующей силы (¿х образует изгибающий момент. Это вызывает увеличение зазора и возникновение дополнительных динамических нагрузок.

Рис. 14. Схема действия равнодействующей газовых сил Q

\

Аналогично и часть горизонтальной составляющей <2'х:

е;=&/„„, о6)

где /т - коэффициент трения, нагружает изгибающим моментом крышку коренной опоры. Здесь максимум изгибающего момента наступает на стыке картера и крышки. Оценка НДС коренной опоры блока цилиндров методом конечных элементов, используя твердотельное моделирование с автоматическим построением конечно-элементной сетки, показана на рис.15.

Рис. 15. Распределение

напряжений С"г (МПа) в коренной опоре блока цилиндров КамАЗ-740

~ : ИI 616 7*1 66.1 -Щ

| 618 'B.i Э]9 *ЗЭ й 6 et О Ю З Й2.6

Из рисунка видно, что поля напряжений в коренной опоре блока цилиндров КамАЗ-740 отличаются значительной неравномерностью распределения, наибольшие напряжения находятся в нижней части бугеля по направлениям действия равнодействующих газовых сил. Действующие динамические нагрузки в коренной опоре вызывают фреттинг-изнашивание в неподвижном сопряжении картера с крышкой, а также вследствие повышения ам-

плитуды вибраций - в сопряжении вкладыш-крышка. Это обусловливает неравномерное изнашивание крышки коренной опоры. В результате она приобретает форму овала. В перпендикулярной плоскости жесткость вкладышей минимальна, так как усилие сюда передается через упругий вкладыш. Следовательно, здесь будут максимальные амплитуда вибраций и скорость изнашивания. Это подтверждается следами фреттинг-изнашивания на коренной опоре и на обратной стороне вкладышей (рис. 16).

_ ШШ

а б

Рис. 16. Следы фреттинг-изнашивания на крышке коренной опоры (а) и на обратной стороне коренных вкладышей (б)

В соответствии с обоснованными профессором Ф.И. Авдонькиным зависимостями интенсивности изнашивания от износа:

«,=«„,+¿5",; (37)

а2=а02+Ь32, (38)

где а,,а2 —соответственно интенсивность изнашивания в вертикальной и горизонтальной плоскости, мкм/тыс. км; а01,а02 —интенсивность изнашивания в конце приработки, мкм/тыс. км; Ь — изменение интенсивности изнашивания за единицу износа, 1/тыс. км; ¿"„^ — износ, мкм, выражение для интенсивности овализации Да будет иметь вид

А а = а,-а2, (39)

или

А а = а01- а02 + 65, - ЬЯ2 = Аа„ + ¿(Я, - $2). (40)

Следовательно, интенсивность овализации Да в процессе изнашивания возрастает прямо пропорционально величине овальности. Это приводит к увеличению овальности коренной опоры и ухудшению условий монтажа вкладыша после замены, поэтому необходимо при ТР контролировать и при необходимости устранять макрогеометрические отклонения в коренных опорах блока.

Следующим элементом двигателя, на который приходится до 7% от общего числа отказов, является турбокомпрессор, при этом средняя наработка на отказ составляет 41550 км. Поэтому в период до капитального ремонта приходится дважды менять турбокомпрессор.

После остановки дизеля подача масла к подшипникам прекращается, а вал ротора турбокомпрессора продолжает вращаться ещё 20...30 с (выбег вала). В процессе выбега температура подшипникового узла значительно по-

вышается, что вызывает закоксовывание узла и схватывание уплотнительных колец с валом. Для анализа основных факторов тепловыделения и теплообмена составим уравнение теплового баланса для корпуса турбины и подшипника:

1. Для корпуса турбины:

аГГТ

с\т\ ~7Г = ~Чот > (41)

т_ _ йт

кДж .

где с1 - удельная теплоёмкость материала корпуса турбины, ШЕ.; от; - масса

кг* К

турбины, кг; Тт - температура корпуса турбины, °С; т - время, с; дот - отвод тепла от турбины подшипнику и окружающей среде:

Чот=Чп+Чо«р, (42)

где цп - тепло, отведенное к подшипнику; цокр - тепло, отведенное в окружающую среду. Эти величины определяются соответственно из выражений:

д^а^СГ.-Гя); (43)

Чокр = аЛ(Тт -Ток?) (44)

5

где К], ^ - площади поверхности отвода тепла от турбины к подшипнику, от турбины к окружающей среде, соответственно, м ; Тт, Тп, Тою» - температуры, соответственно, турбины, подшипника, окружающей среды, °С. 2. Для подшипника:

дТ

сгтг = Чп~ Чокр п (45)

дт

где с2 - удельная теплоёмкость материала подшипника, ; т2 - масса подшипника, кг; чокр_п - отвод тепла от подшипника к окружающей среде:

Чокр_п = аъ ^ (Тп — ТОКР) ^^

здесь ^ - площадь поверхности отвода тепла от подшипника к окружающей среде, м2.

Учитывая, что Ци в уравнениях (43) и (45) - величина постоянная, решим дифференциальные уравнения с применением программного средства «МаНаЬ 6.5». Решение этой системы уравнений теплового баланса даёт следующие выражения для температур корпуса турбины и подшипника соответственно:

- для корпуса турбины:

1 1 Е*0*а.*Е*с, 1 £*а,*К,*0*с,

-Уг^^^с,----Та----^

(47)

1 1 \^Е*с,*а,*Ь*Р

2 ТА 2 ТА 2

^С*Д«а,«Ус2 \ ^С*а2*Р2*В*с2 1 ,С«с, *Д*а,

+ 2 * ТА + 2 7л 2 ТА Л.^^'Л.С.Ща,.^) ;

- для подшипника:

тп = Т0КР + ^(-УГА*Т01(Р-Т0К1,* а, а, * ^ * с2 *Т ш+

+ а2 * *с2*Т0КР -а1*Р1*с1 *Т тн-с, *а, *Т0КР + с, *а, * Р, *Т тн--с1*а,*Р3*ГОКР + с1*аз*Р3*Ттн+^А*Ттн+2*Тпи*а1*Р1*с2)*

*е2 * г « г " 2 « ^/^-±(-7^*0,*/^- (48)

-в1*^*с2*Ттн+а2*^*с2*Гои,-а2*/;*с2*Ттн-с1*о1*^»7'оя,+ +с, * а, * ^ * Т тн- с, * а3 * Рэ * Токр + с, * а3 * Р3 * Т тн+ VI * Токр -

^ 1 /«а,«^ \1*а2*Г2 1/»а3«^ \fJ~A

-77*Ттн+2*Тпн*ах*Рх*сг)*е 2 " 2 " 2 ,

где ТТн, ТПн - начальные температуры, соответственно, корпуса турбины и подшипника, °С; I - время с момента остановки двигателя, с; А, В, С, О, Е -коэффициенты, учитывающие взаимосвязи между конструктивными параметрами турбокомпрессора, такими как материал, масса деталей, а также площадь их поверхностей.

Эти коэффициенты в свою очередь представляют собой сложные выражения, определяемые зависимостями от параметров а„ сь /7 Рост температуры значительно снижает величину коэффициента надежности, который уже при температуре 150 °С уменьшается в два раза.

Кроме того, вследствие высоких температур в корпусе турбокомпрессора создаются термические напряжения, которые при работе суммируются с монтажными напряжениями. При постоянном напряжении в условиях высоких температур наблюдается ползучесть материала. Предел ползучести материала зависит от температуры и существенно ниже предела текучести, поэтому в нагретой зоне предел ползучести снижается, и напряжения сжатия сравниваются с пределом ползучести или превышают его. Вследствие этого в наиболее нагретой части корпуса происходят пластические деформации.

Рис. 17. Поверхность зависимости коэффициента надежности подшипника от совокупного влияния диаметрального зазора и температуры масла

Для моделирования деформаций корпуса турбокомпрессора проведено исследование его теплонапряженности МКЭ. Исходными данными для расчета деформаций корпуса являются температурные поля, полученные в ходе экспериментальных исследований. Поля тепловых напряжений в корпусе турбокомпрессора отличаются значительной неравномерностью распределения, вследствие этого наибольшие деформации находятся в средней его части (рис.18), соединенной с турбинной улиткой, обдуваемой выхлопными газами.

Описанный процесс деформирования носит вероятностный характер. Для его аналитического описания следует принять некоторые допущения.

Первое допущение о прямой пропорциональности остаточной деформации 5 вероятности превышения предела ползучести Р(стп) в виде

5 = 50+ Ь-Р(ап), (49)

где Ь- коэффициент пропорциональности; 50- остаточная деформация от других факторов при Р(сгп)=0.

Рис.18. Распределение деформаций в корпусе подшипников I турбокомпрессора

Второе допущение о прямой пропорциональности предела ползучести сгп от температуры Т в виде

а„=апо-ЬТ, (50)

где сгп0 - предел ползучести при Т=0; Ь'- коэффициент пропорциональности. Эти допущения обусловлены незначительными интервалами изменения Т и

Третье допущение - о нормальном законе распределения напряжений сжатия в модели. Определим вероятность Р(ст„) при температуре Т1

<7„, <т„, _(£=£)1 0--1 (а-*)2

р1(стп)= \ \ - \ е - (51)

<Гп о &пО

где в- среднеквадратическое отклонение напряжений сжатия; ап! - предел ползучести при температуре Т|.

При температуре Т2 вероятность Р](ап) составит

егп2 (сг-а)2

(52)

где аП2-предел ползучести при температуре Т2 увеличивается.

В этих условиях влияние температуры Т на остаточную деформацию ст носит характер кумулятивной кривой. Однако вследствие незначительных

интервалов изменения температуры допустима линейная зависимость в виде

5 = б0+ Ь'Т, (53)

где Ь"- коэффициент пропорциональности.

Это ведет к повышению вероятности изменения соосности подшипников вала ротора турбокомпрессора, касания крыльчаток о корпус улиток, появления дисбаланса, износа вала ротора, подтекания масла.

Таким образом, в результате обобщения расширена классификация сопряжений деталей с учетом гидравлически нагруженных, дополнительно обоснованы зависимости таких показателей технического состояния форсированного двигателя от наработки, как износ и овальность верхней и нижней головок шатуна, корсетность нижней головки шатуна, геометрические формы коренных опор блока цилиндров, деформации корпуса турбокомпрессора, выбег вала ротора турбокомпрессора после остановки ДВС. В четвертой главе исследована физика процессов формирования металлопокрытий при восстановлении деталей форсированных двигателей.

Решение поставленных задач при электролитическом осаждении покрытий осуществляется путем исследования совместного катодного разряда ионов железа и водорода. Качество первоначальных слоев электролитического железа определяется путем изучения микроструктуры и микротвердости образцов, а также на основании механических испытаний на срез покрытий с образцов. Распределение электролитического железного покрытия по длине образцов определялось микрометрированием.

В результате исследований влияния условий электролиза на точность размеров и формы заготовок получен ряд математических моделей, адекватно описывающих область исследованного факторного пространства и обеспечивающих достаточную точность приближения расчетных данных к экспериментальным точкам, т.е. соблюдалось условие, при котором Ррас< Ртабл

Уравнения, показывающие зависимость исследуемых функций от частных параметров электролиза, имеют следующий вид:

- для пояса 1

(71= 41,094 - 0Д03Т- 1,229ДК-34,712т- 0,005ТДК+ 0,148 Дкт+0,002Т2 + +0,273ДК2 +12,4963т2 ; ( 54)

Ррас= 0,857 < Рта6л= 3,630 ,

- для пояса 2

а2= 23.417 +0Д44Т- 0,646 Дк - 23,966т - 0,002 ТДК - 0,048 Дкт -

-0,001Т2 + 0,014 Дк 2 +8,279т2 ; (55)

Ррас =1,785 < РТабл= 4,490 ,

- для пояса 3

ст3 = 190,66 - 3,757Т- 1,915 Дк -48,323т +0,004 ТДК +0,086 Дкт + +0,025Т2+0,028 Дк 2 +18,358т 2 ; (56)

Ррас =1,739 < Ртабл=2,740 ,

- отклонение профиля продольного сечения

Р1 = 88,829 +2,021Т +1,798 Дк +65,908т+0,004 ТДК +0,153 Дкт + 0,016Т2 --0,052 Дк 2 -23,731т2 ; (57)

Ррас= 2,171 < Рта6л= 3,630,

Согласно полученным математическим моделям, среднеквадратическое отклонение диаметра заготовки, как мера его рассеивания, определяющая точность для всех трех поясов замера, зависит от всех трех исследуемых режимов электролиза: температуры электролита (Т), катодной плотности тока (Дк) и продолжительности электролиза (т), увеличиваясь по совокупному влиянию элементов линейной и нелинейной частей полинома при их увеличении. Зависимость их неоднозначна и резко возрастает в ряду названных элементов режима электролиза для первого и третьего поясов замера. Поверхность отклика в исследуемом факторном пространстве в зависимости среднеквадратического отклонения (о) от продолжительности электролиза (т) и плотности тока (Дк) при фиксированном значении температуры электролита Т=70°С представлена на рис.19.

Рис. 20. Адсорбция пузырьков водорода на поверхности образца

Рис. 19. Поверхность отклика в исследуемом факторном пространстве в зависимости среднеквадратического отклонения (о) от продолжительности электролиза(т) и плотности тока (Дк) при фиксированном значении температуры электролита Т=70 °С

Исследования по электроосаждению железа показали, что формирование покрытий электролитического железа следует связывать концентрационными изменениями в прикатодном слое, возникающие в результате совместного выделения железа с водородом. Водород, адсорбируясь на катоде, экранируя его (рис. 20), приводит к повышению истинной плотности тока.

Пузырьки водорода препятствуют тангенциальному подводу электролита, что приводит, даже при небольших плотностях тока, к образованию слоистых осадков. Важным обстоятельством, связанным с выделением водорода, является то, что части атомов водорода остаются на поверхности катода в адсорбированном состоянии и происходит наводораживание металла. Неравномерность распределения силовых линий в ванне, в процессе электролиза, а также сопутствующий процесс выделения водорода на деталях не позволяют обеспечивать одинаковую плотность тока на поверхности детали. Это

приводит к неравномерной толщине электролитического покрытия и рассеиванию его физико-механических свойств.

Радикальным параметром процесса электролиза, способствующим уменьшению времени задержки на поверхности и размеров пузырьков водорода, является создание над уровнем электролита разреженного пространства (патент на изобретение №2082835).

При электролизе железа в обычных условиях выделяющийся водород экранирует поверхность образца (рис. 20), тем самым идет перераспределение силовых линий большей частью по краям образца и покрытие имеет сильно выраженную седлообразную форму. Создавая разрежение над зеркалом электролита, пузырьки водорода не задерживаются на поверхности и большая часть образца остается открытой, силовые линии при этом равномерно распределяются по образцу, краевой эффект все равно наблюдается, но уже в меньшей мере. Поднимаясь вверх, пузырьки водорода создают конвективный перенос ионов железа в прикатодный слой, что также улучшает распределение железного покрытия по длине образца.

Наилучшие результаты по качеству покрытия и распределения наблюдаются при температуре 60 - 70°С и разрежении 65 - 45%. Внешний вид поверхностного слоя покрытия также значительно лучше, чем на образцах, полученных в обычных условиях. Вследствие длительной задержки водорода на образце под пузырьком водорода не осаждается железо, что приводит к питтингу, а при уменьшении расчетной площади образца экранирующим водородом, перераспределяя ее на открытых между пузырьками участках, приводит к образованию дендритов. На образцах, полученных в разреженных условиях, этих дефектов не наблюдается, пузырьки водорода, движущиеся вверх, улучшают фронт «питания» растущего покрытия, а получаемые при этом осадки железа достаточно равномерные по длине и гладкие.

Таким образом, установлены закономерности процесса железнения, позволяющие повысить точность размеров и однородность свойств формируемой заготовки. Получен ряд математических моделей, позволяющих при заданных режимах электролиза определить искомые показатели точности размеров формируемой заготовки. Детали, формируемые в условиях разрежения над зеркалом электролита, обладают более высокой точностью размеров и формы (1Т=10), чем детали, полученные в обычных условиях (1Т=17). В пятой главе рассмотрены вопросы совершенствования системы смазки турбокомпрессора и технологий восстановления изношенных поверхностей деталей агрегатов.

Анализ данных по отказам турбокомпрессоров (ТКР) в течение гарантийного периода эксплуатации позволяет сделать вывод о том, что эти отказы носят внезапный характер. Более 70 % всех отказов ТКР связано с высокой теплонапряженностью деталей ТКР (перегрев вала ротора, закоксовывание масла и т.д.). Задачей данного исследования является повышение надежности работы ТКР, совершенствуя систему смазки турбокомпрессора, обеспечивая подачу масла в трущиеся сопряжения независимо от работы общей системы смазки двигателя, т.е. создав автономную систему смазки.

Сущность предложенного решения (патент №93462) заключается в

возможности смазывать трущиеся поверхности турбокомпрессора перед запуском двигателя, за счет создания давления в системе смазки посредством масляного насоса 6 (рис. 21), вращаемого от электродвигателя 5, на который подается напряжение при повороте ключа зажигания, при незапущенном двигателе автомобиля, тем самым обеспечивая нормальную работу сопряжений в предпусковой момент, в процессе работы и после остановки двигателя.

Рис. 21. Автономная система смазки турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания: 1-масляный радиатор; 2- трубопроводы; 3- масляный бак; 4-масляный фильтр; 5-электродвигатель постоянного тока; 6-шестеренчатый масляный насос; 7-турбокомпрессор; 8-заливная пробка; 9-сливная пробка; 10-крышка масляной емкости; 11- датчик температуры масла;12-перепускной клапан; 13-датчик давления масла

После остановки двигателя вращающиеся по инерции детали турбины будут смазываться маслом до тех пор, пока не отключится турботаймер. Данное техническое решение позволяет применять для системы смазки турбокомпрессора специальные турбинные масла синтетического происхождения, не склонные к коксованию, имеющие более высокую устойчивость при работе с высокими температурами и приспособляемость к меняющимся в процессе эксплуатации условиям работы, что позволяет снизить теплонапря-женность деталей и повышает долговечность работы турбокомпрессора и всего агрегата в целом.

При восстановлении деталей машин электролитическим покрытием за основу взят технологический процесс железнения с двойной анодной обработкой деталей перед нанесением покрытия, имеющий широкие технологические возможности. В то же время, анализ предыдущих исследований позволяет сделать вывод, что существующий технологический процесс имеет структурное несовершенство. Оно проявляется в неравномерном распределении силовых полей по восстанавливаемой поверхности, что приводит к рассеиванию микротвердости покрытий, внутренних напряжений, толщины покрытия по длине восстанавливаемой поверхности (припуска на механическую обработку) и уменьшению технологической надежности по прочности сцепления наносимого покрытия с основой. С целью получения прочносцепляющихся электролитических покрытий железа с бестрещиноватой, однородной структурой, с равномерным распределением осадков по всей длине восстанавливаемой поверхности деталей предложено проводить электролиз с созданием разрежения над зеркалом электролита (патент №2082835).

Структура покрытий, полученных в условиях разрежения над зеркалом электролита, отличается от покрытий, полученных в обычных условиях, отсутствием слоистости в них и меньшим числом трещин, что свидетельствует о более монолитном покрытии, с меньшим содержанием гидроокиси и более высокой прочностью самого осадка (рис. 22).

г г

основа а покрытие

покрытие

Рис. 22. Структура покрытий электролитического железа, полученного в обычных условиях (а) и при разрежении над зеркалом электролита (б)

Использование данного технического решения при восстановлении постелей блоков цилиндров позволило улучшить физико-механические свойства наносимого покрытия и повысить долговечность двигателя.

Схема технологического процесса вневанного железнения постелей блока двигателей КамАЗ представлена на рис. 23.

Предварительная подготовка постелей блока к желетнению

1

Очистка

Механическая обработка

Монтаж вневанного Обезжиривание Промывка холодном

приспособления венской известью водом

] Электрохимическая подготовка деталей ~] j Анодное травление в 10 %-м р-ре HCl | Промывка холодной водой

I Анодная очистка в 30%-м р-ре Н^Ол 3 Промывка в горячей воде (55-60 "С)

X

Заливка электролита в электролитическую ячейку н создание разрежения нал зеркалом электролита

Постепенное увеличение катодной плотности тока D„ 1--

Обработка после железнения

Промывка

Нейтрализация в щелочном растворе

Промывка горячей водой

Демонтаж вневанного приспособления

Механическая обработка

Рис. 23. Схема технологического процесса вневанного железнения постелей блока двигателя КамАЗ

При восстановлении деталей машин наплавочными металлопокрытиями за основу взят технологический процесс наплавки под слоем флюса (по технологии лаборатории восстановления деталей наплавочными металлопокрытиями, кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» СГТУ). Наплавка под слоем флюса АН-348А обеспечивает стабильность структуры и твердости наплавленного металла восстанавливаемых коленчатых валов. Наплавляют легированной проволокой Нп-ЗОХГСА при режиме: напряжение дуги - 25...30 В; сила тока - 180...220 А; шаг наплавки - 4...6 мм/об; скорость подачи проволоки - 1,6...2,1 м/мин; частота вращения вала - 2...2,5 мин" -при наплавке коренных и 2,5...3 мин"' - при наплавке шатунных шеек. Наплавленный металл монолитен, не имеет трещин, пор, обладает твердостью 32...40 НЯС, поддается механической обработке резцом, возникающие в поверхностном слое полезные сжимающие остаточные напряжения имеют значительную величину. В то же время технологический процесс нанесения наплавочных металлопокрытий под слоем флюса не обеспечивает необходимый ресурс восстановленной детали кривошипа.

В связи с этим, для повышения усталостной прочности, предложено обкатывать галтели кривошипа на глубину до 0,5 мм, а для повышения зади-ростойкости создавать на поверхности шеек коленчатых валов, электрохимическим натиранием, металлоплакирующий слой меди (рис. 24), позволяющий уменьшить коэффициент трения и приводящий к значительному снижению износа пары трения.

Рис. 24. Внешний вид металлоплакирующего слоя меди на шейке вала

Результат достигается за счет равнопрочное™ антифрикционного слоя вкладыша и плакирующего слоя медного покрытия на шейке вала (контртела) и равенства положительных градиентов механических свойств между телами 1-3 и 2-3 - при этом обеспечивается равновесие микропереноса и достижение эффекта безызносности (рис. 25):

; при <71=02, (58)

5М,_з _ дМ2_з

дг зг

где д^'"3 . градиент механических свойств на границе разделов между тела-дТ,

ми 1-3; Сь <72 - прочность тел 1 и 2.

Рис. 25. Модель оптимального трибосопряжения по И.В. Крагельскому

1 г -V.

л 2

Твердая - и прочная основа

Сущность процесса оптимального трибосопряжения аналогична процессу, который происходит при избирательном переносе, возникающем при создании, в паре трения, защитной медной пленки толщиной 1-2 мкм. В предлагаемом техническом решении создается слой медного покрытия, толщиной 2-3 мкм, на шейках коленчатого вала электрохимическим натиранием. В результате протекания на поверхности контактирующих тел химических и физических процессов происходит образование самоорганизующихся систем автокомпенсации износа и повышение антизадирных свойств сопряжения. Данные выводы подтверждают исследования, проведенные на машине трения (рис. 26). Видно, что при средних значениях нагрузки (300-400 Н) момент трения у исследуемых образцов с медным покрытием в 1,8 раза ниже, чем без покрытия.

Нагрузка, Н

Рис. 26. Результаты исследования момента трения от нагрузки на 4-шариковой машине трения

На основе проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработан технологический процесс восстановления коленчатых валов дизельных двигателей. Схема технологического процесса представлена на рис. 27.

Рис. 27. Схема технологического процесса восстановления коленчатых валов двигателя КамАЗ

Таким образом, предложены технологические процессы восстановления основных элементов двигателей, основанные на закономерности формирования свойств поверхностных слоев, позволяющие существенно повысить их вторичный ресурс.

В шестой главе представлены практические рекомендации результатов исследования.

Для оценки эффективности предложенной технологии восстановления шатуна были проведены эксплуатационные исследования по методике, изложенной в главе 2. Результаты эксплуатационных экспериментальных исследований двигателей КамАЗ-740 с высокой теснотой связи подтвердили справедливость полученных аналитических зависимостей (8), (14), (15). Овальность втулки верхней головки в процессе эксплуатации на пробеге до 240 тыс. км в третьей категории условий эксплуатации возрастает в 7,25 раза, верхней головки - в 12 раз, нижней головки - в 9,4 раза, корсетность нижней головки - в 8 раз. С учетом коэффициентов вариации этих показателей их изменения в процессе эксплуатации являются значимыми по критерию Стьюдента. Результаты наблюдений приведены на рис. 28 и в табл. 2. Из приведенных данных следует, что интенсивность изменения технического состояния шатунных подшипников в процессе эксплуатации после восстановления по предложенной технологии в среднем на 15% ниже, чем после замены

вкладышей без ремонта шатунов и на 11% выше, чем у новых двигателей. Следовательно, использование предложенной технологии восстановления шатунов позволяет повысить ремонтный ресурс двигателей в среднем на 15%.

Значительная часть двигателей (до 25 %) поступает в капитальный ремонт из-за проворачивания шатунных вкладышей и задиров шеек коленчатого вала (КВ). Из всех КВ, поступивших в КР, 16% являются неремонтопригодными. Предложена оптимальная технология восстановления коленчатых валов двигателей КамАЗ, позволяющая увеличить эксплуатационный срок службы восстановленных валов, повысить усталостную прочность и задиро-устойчивость. Создание плакирующего медного покрытия на шейках коленчатых валов позволяет предотвратить задиры шеек и выбраковку коленчатых валов при критических условиях смазки.

I, тыс.км

Рис. 28. Зависимость диагностического параметра (прогиба) шатунных вкладышей от наработки двигателей КамАЗ-740: 1 - неремонтированные (новые) двигатели;

2 - после восстановления шатунов по предлагаемой технологии; 3 - после капитального ремонта ( КР), с заменой вкладышей без ремонта шатунов

Таблица 2

Коэффициенты зависимости диагностического параметра (прогиб) шатунных вкладышей от наработки двигателей КамАЗ-740

Параметры

Группы двигателей уо, мкм Ь,1/тыс.к м г2

1. Неремонтированные (новые) двигатели 22,73 0,004 0,968

2. После восстановления шатунов по предлагаемой

технологии 23,62 0,005 0,933

3. После КР с заменой вкладышей без ремонта шатунов 26,89 0,005 0,971

Собранные статистические данные по приведенной во второй главе методике подтверждают аналитические зависимости, что частично показано на рис. 29. Параметры зависимости приведены в таблице 3.

Полученные в работе данные по изменению технического состояния основных деталей двигателей в процессе эксплуатации являются основой для обоснования содержания основных этапов технологического процесса восстановления.

50 100 150 200 250 300 350 400

I, тыс км.

Рис. 29. Износ коренных шеек в зависимости от наработки: 1- КамАЗ-ЕВРО; 2 - КамАЗ-740

Таблица 3

Параметры зависимости показателей технического состояния от наработки

Наименование показателей Параметры

технического состояния 5 0 Ъ 2 Я

Износ шатунных шеек, мкм Износ коренных шеек, мкм Зазор в шатунных подшипниках, мкм Зазор в коренных подшипниках, мкм Давление в системе смазки, МПа: 8,148 12,19 95,79 108,2 0,005 0,004 0,002 0,002 0,936 0,883 0,952 0,981

при 2200 мин 0,521 0,0017 0,971

при 600 мин 0,244 0,0019 0,956

В настоящее время сложилась структура эксплуатационно-ремонтного цикла (ЭРЦ) двигателей, состоящая из капитальных ремонтов и устранения случайных отказов при текущих ремонтах. При этой структуре удельные затраты сразу же растут после второго капитального ремонта, то есть он не обеспечивает нормативного вторичного ресурса, и оптимальным с экономической точки зрения при этом следует считать ресурс двигателей 270 тыс. км.

Проведенные аналитические и экспериментальные исследования изменения технического состояния элементов двигателей в процессе эксплуатации позволяют упорядочить структуру ЭРЦ через систему плановых текущих ремонтов (ПТР), предупредительных (ПР) и капитальных ремонтов (рис. 30). Это дает возможность существенно сократить затраты на поддержание работоспособности двигателей за счет повышения степени использования ресурса элементов и сокращения числа внезапных (аварийных) отказов, что в конечном итоге дает существенный экономический эффект.

\ 1

к

\

\

\

\ S

\

!

ЛТР ПР ПТР КР ПТР ПР ПТР СП птр'

2

\

\ N N

\ \

N

) 100 ISO 200 250 BOO 350 400

I- тыс.км I. тыс.KM

ПТР - плановый текущий ремонт; ПР - предупредительный ремонт;

КР - капитальный ремонт; СП - списание Рис. 30. Изменение удельных затрат на обеспечение работоспособности двигателей КамАЗ-ЕВРО в процессе эксплуатации: 1 - при предлагаемой структуре ЭРЦ; 2 - при существующей структуре ЭРЦ

Во-первых, существенно сокращаются затраты на ремонт за весь срок службы. В основном это обусловлено сокращением количества дорогостоящих и пока еще малоэффективных капитальных ремонтов двигателя. Кроме того, проведение ПР значительно снижает число аварийных повреждений деталей двигателя, а следовательно, и объем и стоимость ремонта. Во-вторых, сокращаются трудоемкость и время ремонта двигателя, что ведет к повышению технической готовности автомобиля. В-третьих, наличие четкой структуры ремонтов двигателей способствует усовершенствованию снабжения ремонтных предприятий основными запасными частями для ремонта, а также выпуску запасных частей заводами-изготовителями. В-четвертых, предлагаемая структура ЭРЦ двигателей основана на предельных значениях показателей технического состояния основных элементов двигателей, что повышает точность прогнозирования по результатам диагностирования в зависимости от исходных свойств и особенностей эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В диссертационной работе решена актуальная научно-практическая проблема, состоящая в повышении долговечности автомобильных двигателей и снижении затрат на обеспечение их работоспособности за счет предупреждения отказов и своевременного их устранения на основе прогнозирования технического состояния и управляемого формирования свойств поверхностей ресурсоопределяющих деталей при восстановлении.

2. Сформулированы научные основы, методология повышения долговечности автомобильных двигателей, использование которых позволяет повысить эффективность эксплуатации автомобильного транспорта, что подтверждает значимость полученных результатов для экономики страны.

3. Обоснован комплекс экспоненциальных зависимостей (8), (15), (27), (28) показателей технического состояния силового агрегата от наработки, позволяющих прогнозировать их остаточный ресурс, а также закономерности формирования свойств поверхностного слоя деталей при восстановлении на основе их напряженно-деформированного состояния, которые необходимо учитывать при разработке технологического процесса восстановления.

4. Разработаны методология и комплекс измерительных средств для оценки показателей технического состояния основных элементов двигателей и оборудование для их восстановления.

5. Получены зависимости показателей технического состояния элементов двигателей от наработки в эксплуатационных условиях, которые с высокой степенью достоверности подтверждают справедливость аналитических зависимостей и используются для определения их предельного состояния.

6. Усовершенствованы технологии восстановления элементов двигателей:

- электролитическим осаждением железоникелевых покрытий в условиях контролируемого разрежения над зеркалом электролита, позволяющим получать равномерные осадки покрытия с меньшим припуском на механическую обработку и однородными физико-механическими свойствами;

- наплавочным металлопокрытием под слоем флюса с последующим созданием плакирующего медного покрытия на шейках коленчатых валов, играющего роль твердого смазочного материала, что позволяет предотвратить задиры шеек при критических условиях смазки.

7. Разработана концепция повышения долговечности турбокомпрессоров за счет автономной системы смазки, обеспечивающей их стабильное тепловое состояние на всех режимах работы двигателя.

8. Усовершенствована структура эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей КамАЗ-ЕВРО, что позволило повысить долговечность (75-80%) и снизить удельные затраты на ремонт (75%), простои в ремонте (72%).

Список основных публикаций по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Асоян А.Р. Теоретические предпосылки изменения технического состояния шатунов автотракторных двигателей в процессе эксплуатации / A.C. Денисов, А. Р. Асоян, В.М. Юдин // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2008. - №3. - Вып. 2. - С. 47-54.

2. Асоян А.Р. Совершенствование технологии ремонта нижней головки шатуна двигателя/ A.C. Денисов, А. Р. Асоян, А.Т. Кулаков, В.М. Юдин // Ремонт. Восстановление. Модернизация. - 2008. - №3. - С. 12 - 15.

3. Асоян А.Р. Особенности технологии восстановления коренных опор блока цилиндров для повышения надежности дизельных двигателей/ А. Р. Асоян, A.C. Денисов, A.A. Суханкин // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2009. - №3. - Вып. 2. - С. 70-74.

4. Асоян А.Р. Оценка эффективности гидроаккумулятора для смазки турбокомпрессора/ A.C. Денисов, A.A. Коркин, А.Р. Асоян, A.A. Гафиятул-лин // Вестник Саратовского государственного технического университета. -2010. - №2.-С. 63-68.

5. Асоян А.Р. Анализ факторов, влияющих на работоспособность подшипникового узла турбокомпрессора / A.C. Денисов, А. Р. Асоян, А. А. Коркин // Вестник Саратовского государственного технического университета. -2010. - № 4. - С. 44-49.

6. Асоян А.Р. Повышение надежности турбокомпрессоров модернизацией системы смазки/ A.C. Денисов, А. Р. Асоян, А. А. Коркин, A.C. Синягин //Автотранспортное предприятие.-2011. -№2. - С. 48-51.

7. Асоян А.Р. Контроль макрогеометрических отклонений шатуна при ремонте, для повышения ресурса двигателя внутреннего сгорания/ A.C. Денисов, А. Р. Асоян, В.П. Захаров // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - №52. - С. 55-61.

8. Асоян А.Р. Анализ изменения технического состояния ресурсоопреде-ляющих элементов дизелей КамАЗ в процессе эксплуатации / А.С.Денисов, А.Р. Асоян, В.П.Захаров // Известия Волгоградского государственного технического университета. - 2011. - №8. - С. 32-35.

9. Асоян А.Р. Условия осаждения равномерных покрытий электролитического железа при восстановлении изношенных поверхностей деталей машин / А. Р. Асоян // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - №2. - С. 18-21.

10. Асоян А.Р. Анализ напряженно-деформированного состояния коренных опор блока цилиндров двигателя КамАЗ / A.C. Денисов, А.Р. Асоян, A.A. Суханкин // Вестник Саратовского государственного технического универси-тета.-2011. -№ 2. - С. 38-41.

11. Асоян А.Р. Анализ деформаций и теплонапряженности корпуса турбокомпрессора двигателей КамАЗ-ЕВРО/ A.C. Денисов, А.Р. Асоян, Н.В. Орлов // Вестник Саратовского государственного технического университета. -

2011. -№3. - С. 21-24.

12. Асоян А.Р. Повышение межремонтного ресурса коленчатых валов дизелей, восстановленных наплавкой под слоем флюса / A.C. Денисов, А. Р. Асоян, Б.Ф. Тугушев // Мир транспорта и технологических машин. - 2011. -№4. - С. 9-14.

13. Асоян А.Р. Повышение надежности подшипников коленчатого вала двигателя КамАЗ при ремонте / A.C. Денисов, А.Р. Асоян // Научное обозрение / СГАУ. - 2012. - № 1. - С. 42-47.

14. Асоян А.Р. Моделирование температуры подшипникового узла турбокомпрессора после остановки автомобильного двигателя/ A.C. Денисов, A.A. Коркин, А. Р. Асоян // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2012. - № 1.-С. 16-20.

15. Асоян А.Р. Анализ работоспособности подшипникового узла турбокомпрессора в зависимости от технического состояния и режима работы/ A.C. Денисов, А.Р. Асоян, A.A. Коркин // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2012. - №2. - С.34-36.

16. Асоян А.Р. Анализ напряженного состояния и геометрической формы верхней и нижней головок шатунов двигателя КамАЗ-ЕВРО / А.Р. Асоян // Мир транспорта и технологических машин. - 2012. - № 1. - С. 3-8.

17. Асоян А.Р. Анализ физико-механических свойств металла коленчатых валов, восстановленных нанесением наплавочных металлопокрытий/ A.C. Денисов, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина, А. Р. Асоян // Автотранспортное предприятие. - 2012. - №4. - С. 45-48.

18. Асоян А.Р. Потенциал функционального тюнинга грузовых автомобилей/ A.C. Денисов, А. Р. Асоян, Н.В. Орлов, А.Б. Кокушкин // Грузовик. -

2012,-№5.-С. 17-19.

19. Асоян А.Р. Обеспечение работоспособности блоков цилиндров автотракторных двигателей при ремонте/ A.C. Денисов, А.Р. Асоян, A.A. Сухан-кин // Автотранспортное предприятие. - 2012. - №7. - С. 23-25.

20. Асоян А.Р. Повышение долговечности шатунных подшипников двигателя КамАЗ, путем совершенствования технологии ремонта шатунов/ A.C. Денисов, А.Р. Асоян, В.М. Юдин // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - № 3. - С.43-48.

Монографии:

21. Асоян А.Р. Восстановление шатунов автотракторных двигателей/ A.C. Денисов, А. Р. Асоян, В.М. Юдин. - Саратов: СГТУ, 2008. - 100 с.

22. Асоян А.Р. Обеспечение работоспособности турбокомпрессоров автотракторных двигателей / A.C. Денисов, А. Т. Кулаков, А.Р. Асоян, А. А. Коркин. - Саратов: СГТУ, 2012. -176 с.

Патенты:

23. Патент №2082835. Способ электролитического железнения/ Бабенко В .А., Пашенных A.M., Асоян А.Р. - 1997 г.

24. Патент №68755. Устройство для проверки геометрии шатунов двигателей внутреннего сгорания / Денисов A.C., Асоян А.Р., Юдин В.М.- 2007 г.

25. Патент №93462. Система смазки турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания / Денисов A.C., Асоян А.Р., Синягин A.C.- 2010 г.

26. Патент №104691. Устройство для определения несоосности коренных опор блока цилиндров/ Денисов A.C., Асоян А.Р., Суханкин A.A.- 2011 г.

27. Патент №118427. Устройство для нанесения электролитических железных покрытий при восстановлении коренных опор блоков цилиндров автомобильных двигателей/Денисов A.C., Асоян А.Р., Суханкин A.A.- 2012 г.

Прочие публикации по теме работы, опубликованные в сборниках научных трудов, материалах конференций и семинаров - 39 шт.

Асоян Артур Рафикович

НАУЧНЬ1Е(КНОВЬ1ПОВЬ1ШЕШ1ЯДОЛГОВЕЧНОСП1АВТОМОБГШ.НЬ1ХДВ11ГАТЕЛЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИХ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Автореферат

Подписано в печать 30.11. 2012 г. Формат 60x84x1/16.

Бумага офсет. Усл. печ. л. 2,0. Уч. - изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 47

ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо» 410031 г. Саратов, ул. Волжская, 28. Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо» 410031 г. Саратов, ул. Волжская, 28., тел. (8452) 90-24-90

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

На правах рукр4 иси

05201350713

Асоян Артур Рафикович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИХ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор А.С. Денисов

Волгоград - 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................................6

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ............................................................................................................................................17

1.1. Анализ изменения технического состояния силовых агрегатов в процессе эксплуатации..................................................................................................................................................17

1.1.1. Изнашивание деталей..............................................................................................................................20

1.2. Изменение геометрической формы элементов силовых агрегатов автомобилей в процессе эксплуатации..............................................................................................................37

1.3. Анализ дефектов основных элементов деталей двигателя КамАЗ -740..........39

1.3.1. Анализ дефектов коленчатых валов............................................................................................39

1.3.2. Анализ дефектов блоков цилиндров............................................................................................49

1.3.3. Анализ дефектов шатунов....................................................................................................................53

1.3.4. Анализ дефектов турбокомпресоров..........................................................................................57

1.4. Обоснование необходимости совершенствования структуры эксплуатационно-ремонтного цикла двигателей КамАЗ........................................................................67

1.5. Выводы, цель и задачи исследований..........................................................................................73

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................................................................75

2.1. Программа и общая методика исследования........................................................................75

2.2. Методика аналитического исследования..................................................................................77

2.3. Методика измерения деталей................................................................................................................79

2.3.1. Методика оценки состояния турбокомпрессоров..........................................................83

2.3.2. Методика измерения температуры элементов турбокомпрессоров..........84

2.3.3. Методика проведения испытаний автономной системы смазки турбокомпрессора..................................................................................................................................................................85

2.4. Методика электрохимических исследований........................................................................87

2.4.1. Методика исследования структурных преобразований в электролитическом железе................................................................................ 90

2.4.2. Методика исследования адгезионной связи покрытий электролитического железа с основой.................................................................... 91

2.5. Методика исследования равномерности распределения толщины электролитического железного покрытия................................................. 92

2.6. Методика определения трибологических характеристик..................... 95

2.7. Методика стендовых моторных исследований................................. 97

2.8. Методика эксплуатационных исследований.................................... 98

2.9. Выводы.................................................................................... 99

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДВИГАТЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ.................................... 100

3.1. Анализ условий развития процессов изнашивания основных элементов двигателя..................................................................................... 101

3.1.1. Изменение технического состояния шатуна................................ 101

3.1.2. Изнашивание верхней и нижней головок шатуна в процессе эксплуатации......................................................................................... 103

3.1.3. Анализ напряженно-деформированного состояния шатуна в процессе эксплуатации................................................................................ 109

3.2. Изменение технического состояния коленчатого вала........................ 114

3.3. Изменение технического состояния опор блока цилиндров................ 130

3.4. Изменение технического состояния турбокомпрессора..................... 136

3.5. Выводы....................................................................................... 153

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОПОКРЫТИЙ ПРИ

ВОССТАНОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ.............................. 155

4.1. Формирование металлопокрытий электролитического железа в условиях контролируемой разреженной атмосферы............................................. 155

4.1.1 .Формирование структуры электролитического железа...................... 155

4.1.2. Выбор условий для начального периода осаждения железа в условиях разреженной атмосферы.................................................................. 163

4.2. Исследование электрохимического состояния осаждаемой поверхности детали при начальной катодной поляризации в условиях разреженной атмосферы...................................................................................... 170

4.3. Исследование структурных преобразований в электролитическом железе............................................................................................ 173

4.4. Исследование адгезионной связи покрытий железа с восстанавливаемой поверхностью детали................................................................ 177

4.5. Влияние элементов режима железнения на точность формообразуемых заготовок, при восстановлении изношенных деталей.............................. 180

4.6. Исследование равномерности распределения покрытий электролитического железа в зависимости от плотности тока и степени разреженности пространства над уровнем электролита............................................... 185

4.6.1. Условия формирования равномерных электролитических покрытий железа......................................................................................... 185

4.6.2. Влияние газовых пузырьков водорода на дефекты и равномерность электролитического слоя железа, осаждаемого на поверхность железоуглеродистых сплавов........................................................................... 190

4.6.3. Влияние газовых пузырьков на распределение тока на катоде........... 194

4.6.4. Влияние разрежения над зеркалом электролита на точность размеров, формы и качество поверхностного слоя заготовок.................................. 196

4.7. Выводы.................................................................................. 208

ГЛАВА 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ДВИГАТЕЛЯ ПО ИХ ТЕХНИЧЕСКОМУ СОСТОЯНИЮ...................... 210

5.1. Обоснование нормативов ресурса и предельного технического состояния элементов двигателя.................................................................. 210

5.2. Совершенствование системы смазки турбокомпрессоров двигателей КамАЗ-Евро................................................................................ 219

5.3. Технологии восстановления деталей электролитическим железным покрытием.................................................................................. 233

5.3.1. Совершенствование технологии восстановления шатунов двигателей КамАЗ.................................................................................. 233

5.3.2. Совершенствование технологии восстановления деталей электролитическим железным покрытием......................................................... 242

5.3.3. Совершенствование технологии восстановления опор блока цилиндров............................................................................................ 243

5.4. Технология восстановления деталей наплавочными металлопокрытиями............................................................................................... 250

5.5. Технология создания плакирующего медного покрытия на поверхностях трения................................................................................. 258

5.6. Выводы.................................................................................. 263

ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ТЕХНИКО -ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................ 265

6.1. Эффективность совершенствования восстановительных технологий........ 265

6.2. Эффективность совершенствования эксплуатационно-ремонтных циклов двигателей............................................................................... 267

6.3. Результаты внедрения рекомендаций и технологических процессов в производство........................................................................................... 270

6.4. Технико-экономическая оценка эффективности исследования.............. 271

6.5. Выводы................................................................................... 275

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ............................................ 276

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................................... 278

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................... 314

ВВЕДЕНИЕ

Автомобилестроение - одна из ведущих отраслей машиностроительного комплекса - является системообразующим элементом экономики, влияющим на уровень и качество жизни. Развитие грузового автомобильного транспорта оказывает существенное влияние на деятельность всех отраслей экономики страны, обеспечивая перевозки в перерабатывающей промышленности, сельском хозяйстве, торговле и других отраслях.

В то же время доля транспортных издержек в России довольно высока. Для членства в ВТО необходимо существенно повысить конкурентоспособность товаров и услуг, как за счет повышения их качества, так и за счет снижения цены. Одним из важнейших показателей конкурентоспособности автомобилей, в соответствии со стандартами ИСО 9000, является соотношение затрат на обеспечение работоспособности за весь срок эксплуатации к затратам на изготовление. В развитых европейских странах, в Америке это соотношение составляет в среднем 120%, в то время как в России это более 400%, что и обусловливает проблемную ситуацию.

Транспортной стратегией России, которая определяет направление развития транспортной системы, основные задачи, формы и содержание деятельности государства в транспортной сфере на период до 2025 года, предусмотрено совершенствование транспортных технологий и транспортной техники.

Как сказано в транспортной стратегии России [290]: «Государство должно в первую очередь поддерживать те программы в отраслях транспортного машиностроения, которые, наряду с производством транспортной техники, предусматривают эффективные коммерческие схемы её продвижения на рынок, а также сопровождения на всем жизненном цикле (индустриальная модернизация, техническое обслуживание и ремонт транспортных средств и оборудования, находящихся в эксплуатации)».

В настоящее время увеличивается потребность в тяжелых грузовых автомобилях [61]. В целях повышения конкурентоспособности отечественного грузового автомобилестроения ОАО «КАМАЗ» проводит расширение модельного ряда ав-

томобилей, предлагается более 20 базовых моделей. На рынок выходят как сред-нетоннажные (КамАЗ - 4308), так и тяжелые автомобили (семейство 6520), седельные тягачи (семейства 5460 и 6460), полноприводные самосвалы (6522), автобусы НЕФ АЗ, спецтехника на базе автомобилей КамАЗ [274].

Система обеспечения работоспособности силовых агрегатов автомобилей основывается на закономерностях изменения их технического состояния в процессе эксплуатации. Эти закономерности зависят от групп факторов [124] (рис. В1).

Рис. В1. Схема факторов, определяющих эффективность технической эксплуатации

автомобилей

Как видно из схемы, основными элементами, определяющими эффективность технической эксплуатации автомобилей (ТЭА), являются конструктивно-технологические факторы, которые в значительной степени влияют на качество выпускаемых агрегатов и автомобиля в целом.

Общепризнанна существующая острая проблема качества в автомобилестроении России. Отечественное автомобилестроение для достижения уровня развитых стран, особенно в области долговечности и экологической безопасности, имеет существенный резерв [300, 301, 302].

Около 60% всех рекламаций в гарантийный период обусловлены несовершенством конструкторско-технологической разработки и процесса производства. Поэтому, для обеспечения надежности автомобиля, задачи, связанные с качеством выпускаемого изделия, необходимо решать в процессе проектирования и изготовления изделия, а проявляться оно будет в процессе эксплуатации автомобиля [292].

Достижение высоких показателей по экологическим нормам дизелей, по показателям функционирования и долговечности неразрывно связано с повышением качества изготовления деталей, восстановления их при ремонте, применением новых технологий и материалов.

Одним из основных элементов автомобиля, от которого во многом зависит его эффективность, является силовой агрегат (двигатель). Проводя индустриальную модернизацию автомобилей КамАЗ, ОАО «КАМАЗ» производит формирование и выпуск модельного ряда современного семейства двигателей, соответствующих экологическим стандартам ЕЭК ООН EURO - 1, EURO - 2, EURO - 3 и EURO - 4.

Модернизация началась с двигателя модели 740.10 ( мощность 210 л.с., номинальная частота вращения коленчатого вала 2600 мин-1, максимальный крутящий момент 850 Нм). Создан двигатель модели 740.11.240, отвечающий требованиям EURO - 1 (мощность 240 л.с., номинальная частота вращения коленчатого вала 2200 мин-1, максимальный крутящий момент 850 Нм). Затем начался выпуск двигателей, отвечающих EURO - 2. Это - двигатели 740.30-260, 740.50-360, созданные на базе двигателей 740.11.240. Следующим этапом модернизации современного семейства двигателей стал выпуск силовых агрегатов, соответствующих требованиям EURO - 4.

Увеличение мощности двигателя более чем в 1,5 раза относительно базового (табл. В1) [7], без значительного изменения размеров его основных деталей (коленчатый вал, шатун, блок цилиндров и др.), повлияло на долговечность и конкурентоспособность силового агрегата. При этом все актуальнее стоит вопрос сокращения издержек на всем жизненном цикле автомобиля, что заставляет внимательно изучать зарубежный опыт.

Таблица В1

Характеристика двигателя

Наименование параметра, единица измерения Модель двигателя

КамАЗ-740.10 КамАЗ -740.11240 КамАЗ -740.13260 КамАЗ -740.30 КамАЗ -740.50

Номинальная мощность, кВт (л.с.) 154(210) 176 (240) 191 (260) 191 (260) 265 (360)

Давление масла, кПа (кгс/см ) 195-388 (3,5-4) 392-539 (4-5,5) 392-539 (4-5,5) 392-539 (4-5,5) 392-539 (4-5,5)

Максимальный крутящий момент, Н«м (кгс*м) 667 (68) 833(85) 931 (95) 1079 (110) 1470 (150)

Диаметр цилиндра, мм 120 120 120 120 120

Ход поршня, мм 120 120 120 120 130

Несмотря на тенденцию к обновлению парка автомобилей, средний возраст автомобилей значителен. Доля автомобилей марки «КамАЗ» старше 15 лет также значительна и составляет более 60% их парка [306].

Форсирование силовых агрегатов автомобилей КамАЗ и совершенствование их конструкции и технологии изготовления изменили их надежность.

Надежность автомобиля является одним из основных комплексных показателей, характеризующих изменения его качества в процессе наработки. Анализ распределения отказов по элементам двигателя КамАЗ позволяет выявить наименее надежные элементы автомобиля с целью их дальнейшего конструктивно-технологического усовершенствования, обосновать расход запасных частей в

конкретных условиях эксплуатации, установить рациональные нормативы технического обслуживания и ремонта (рис. В2).

Рис. В2. Распределение отказов по элементам двигателя КамАЗ, собранных за период 2005-2006 гг. в условиях ООО «Саратовский автоцентр КАМАЗ»:

□ Коленвап и вкладыши ■ Блок цилиндров □ ГРМ

□ Головка блока ■ Турбокомпрессор □ тнвд

■ Форсунки □ Система охлаждения ■ Система смазки

□ Остальное

Обслуживание и ремонт автомобилей опираются на положения теории трения, смазки, износа и старения их элементов. Приоритет в этой области принадлежит российским ученым и инженерам. Основоположниками гидродинамической теории смазки были академик С.А. Чаплыгин, профессора Н.П. Петров, Н.Е. Жуковский, Н.И. Мерцалов и другие, труды которых легли в основу многих исследований по износу и ремонту машин, механизмов, сельскохозяйственной техники. Большой вклад в развитие науки о трении и износе внесли профессора В.Д. Кузнецов, Б.И. Костецкий, И.В. Крагельский, М.М. Хрущев и другие. Вопросы изучения трения с применением износостойких масел с различными присадками рассмотрены Г.В. Виноградовым, трения при граничных условиях смазки - Б.В. Дерягиным, A.C. Ахматовым, сухого трения - И.В. Крагельским и другими.

Научные положения в технологии ремонта и восстановлении деталей машин также принадлежат отечественным ученым и изобретателям: инженерам Н. Г. Славянову и Н. Н. Бернардосу - основоположникам электродуговой сварки; академику Б. С. Якоби - основоположнику электролитического осаждения металлов; академику Е. О. Патону - автору автоматизации сварочных процессов, Г.П. Клековкину - автору вибродуговой наплавки и т. д. Благодаря большой исследовательской работе российских ученых В.И. Казарцева, В. В. Ефремова и других многие вопросы ремонта и эксплуатации машин получили теоретическое обоснование, используя которое, удалось решить ряд сложных практических проблем в области эксплуатации и технологии восстановления деталей машин и механизмов, повышая при этом качество автомобиля в целом.

Качество