автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение безотказности автотракторных двигателей путем снижения деформаций шатунных вкладышей

На нравах рукописи

САХАПОВ ИРЕК АНАСОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОТКАЗНОСТИ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ШАТУННЫХ ВКЛАДЫШЕЙ

Специальность 05.20.03 -Технологии и средства технического обслуживании в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2009

003473522

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия»

Научный руководитель: доктор технических наук

Кулаков Александр Тихонович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Басков Владимир Николаевич

кандидат технических наук, доцент Буйлов Валерий Николаевич

Ведущая организация: ФГОУ ВПО "Казанский государственный

аграрный университет"

Защита диссертации состоится «2 » июля 2009 г. в 12 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» но адресу: 410056 г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного аграрного университета имени Н.И. Вавилова.

Автореферат диссертации разослан «У » июня 2009 г. и размещён на сайге: www.sgau.ru.

Ученый секретарь совета

но защите докторских и кандидатских ¿foe.

диссертаций

Волосевич НИ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В процессе эксплуатации автомобилей, тракторов, комбайнов и других машин происходит изменение их технического состояния, основными причинами которого являются изнашивание, усталостное разрушение, пластическая деформация, коррозия. Пластическая деформация и разрушение являются следствием конструктивно-технологических недоработок или нарушения правил эксплуатации. Указанные явления вызывают проворачивание шатунных вкладышей, что является одной из основных причин ремонта автомобильных двигателей ЗИЛ, ЯМЗ, ГАЗ, КАМАЗ. До 25% отказов двигателя КАМАЗ-740 вызвало проворачиванием шатунных вкладышей коленчатого пала.

Массовость этого дефекта и многочисленность исследований, посвященных ему, свидетельствуют о том, что все же недостаточно раскрыта физическая сущность проворачивания вкладышей. Нет четкого обоснования влияния конструктивных, технологических, эксплуатационных факторов на механизм развития отказа: большинство исследователей объясняют этот отказ либо ухудшением смазки шатунного подшипника и схватыванием поверхностей по этой причине, либо абразивным изнашиванием трущихся поверхностей. Поэтому исследование причин деформации и проворачивания шатунных вкладышей двигателя КАМАЗ-740 (84 12/12), безусловно, актуально в настоящее время.

Работа выполнялась в соответствии с НИР и программой по основным научным направлениям ИНЭКА "Разработка рекомендаций по повышению эксплуатационной надежности автомобильной техники на основе многофакторного анализа условий ее эксплуатации, информации об отказах и инженерного анализа".

Цель исследования: повышение безотказности автотракторных двигателей путем снижения деформаций шатунных вкладышей в процессе эксплуатации.

Объект исследования: шатунные вкладыши двигателя КАМАЗ-740.

Научная новизна:

1. Впервые разработана трехмерная компьютерная модель шатунного вкладыша, позволяющая задавать различные режимы шфужепия, соответствующие реальной эксплуатации, а также производить расчеты на прочность.

2. Разработана универсальная схема нагружения шатунных вкладышей, позволяющая рассчитывать значения их деформаций при различных условиях работы.

3. При использовании разработанной трехмерной модели обоснована деформация только стальной основы шатунного вкладыша.

4. Разработаны теоретические предпосылки работы предохранительных элементов для снижения деформаций шатунных вкладышей в эксплуатации.

На защиту выносятся:

1. Методика- компьютерною моделирования деформаций шатунных шдпшшшкот.

2. Способы обеспечения стабильности геометрических параметров шатунных вкладышей в эксплуатации. г

3. Модель работы пред охранительных элементов вкладышей.

Практическая ценность. Разработаны и внедрены практические рекомендации но снижению деформаций шатунных вкладышей, позволяющие значительно увеличить ресурс как подшипников коленчатого вала, так и двигателя в целом. Предложено производить предупредительную замену вкладышей на основе их технического состояния, определяемого при диагностировании автомобиля и использовать разработанные способы снижения деформаций.

Применение способов снижения деформаций, в частности прогиба, позволило в эксплуатации увеличить наработку на отказ двигателей КАМАЗ па 42,44% и снизить на 20,8% количество отказов на один автомобиль по провороту шатунных вкладышей (подшипников).

Реализация результатов работы. Предложенные разработки внедрены на ОАО «Завод подшипников скольжения», г. Тамбов, и ОАО «Кузембетьевский РМЗ», Республика Татарстан, и прошли производственную проверку в эксплуатации. Результаты исследований также используются в учебном процессе в Г'ОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия», Г'ОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Апробация результатов работы. Основные научные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях:

1. Красноярский государственный технический университет, Международная научно-техническая конференция «Политранспортные системы - 2007» (Красноярск, 2007);

2. Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Научно-техническая конференция «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России» (Пенза, 2008);

3. Саратовский государственный технический университет, Научно-техническая конференция (Саратов, 2008);

4. ОАО "Завод подшипников скольжения", Научно-практический семинар (Тамбов, 2008);

5. ОАО "Кузембетьевский ремонтно-механический завод", Научно-практический семинар (Кузембегьево, 2008).

6. Камская государственная инженерно-экономическая академия, заседания кафедры "Сервис транспортных систем" (Набережные Челны, 2007-2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе две статьи в изданиях, указанных в Перечне... ВАК РФ. Общий объем публикаций составляет' 4,19 п. л., из которых 1,48 п.л. принадлежат лично соискателю.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 108 наименований, в том числе 4 источника на иностранных языках, и приложений. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 66 рисунков, .18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, представлена общая характеристика работы и определены основные направления исследования.

В первой главе «Состояние вопроса но отказам шатунных подшипников и задачи исследования» приводится анализ типичных отказов двигателей КАМАЗ. На основании работ Ф.Н. Авдонькина, Д.Н. Гаркунова, М.А. Григорьева, В.А. Доледкого, A.C. Денисова, В.И. Казарцева, Е.С. Кузнецова, B.C. Лукинского, В.М. Михлина, И.А. Мишина, A.B. Николаснко, Г.И. Суранова, А.М. Шейнина, М.А. Масино, В.А. Шадричева, А.Т. Кулакова, Н.И. Светличного, АА Гафшпуллииа определена причина проворота шагушюго вкладыша

На двигателях внутреннего сгорания (ДВС), в том числе и на быстроходных дизельных, широкое распространение в качестве коренных и шатунных подшипников коленчатого вала получили тонкостенные многослойные вкладыши. Несмотря на большой опыт применения тонкостенных вкладышей в подшипниках коленчатого вала, их постоянное совершенствование, доля их дефектов остается значительной.

На основании обзора технической литературы и анализа практики эксплуатации было установлено, что наиболее часто встречается проворот шатунных вкладышей из-за Деформации (23,8%).

Зазор в шатунных подшипниках, состояние поверхностей шейки и вкладыша, изменение геометрической формы, развитие абразивных процессов определяют вероятность перехода сопряжения в аварийное состояние. В большинстве исследований устанавливается связь отказов шатунных подшипников с износными процессами в них, определяющими их ресурс, разрабатываются способы диагностирования шатунных подшипников и различные мероприятия (конструктивные, технологические, эксплуатационные) для снижения отказов.

Для достижения поставленной цели исследования сформулированы следующие задачи исследования:

1. Обобщить и разработать способы снижения деформации шатунных вкладышей в процессе эксплуатации.

2. Разработать методику исследования напряженно-деформированного состояния ншуннощ вкладыша при работе в сшедовых и экстауаагациовных условиях.

3. Теоретически обосновать зависимость показателей напряженно-деформированного состояния шатунного вкладыша от конструктивно-технологических и режимных факторов и смоделировать напряженно-деформйрованое состояние с использованием специального программного обеспечения.

4. Проверить предложенные ранее и разработанный способы в стендовых и эксплуатационных условиях.

5. Дать технико-экономическую оценку внедрения выполненных разработок. Во второй главе «Методика расчетно-экспериментального исследования

деформирования вкладышей» приведены общая методика и методика компьютерного моделирования деформации вкладыша, а также методики стендовых исследований изменения деформации шатунных вкладышей.

Разработана методика исследования шатунного вкладыша путем создания его трехмерной модели в сложно нагруженном состоянии с учетом геометрических параметров, тепловых и силовых воздействий, а также деформации на основе программного обеспечения АРМ WinMachine 2006 (v.9.0). Дан анализ различных вариантов конструктивно-технологического исполнения и разработаны практические рекомендации по снижению деформаций шатунных вкладышей в процессе эксплуатации.

Моделью для расчета является трехмерная модель шатунного вкладыша. Трехмерная модель шатунного вкладыша разрабатывается в программе Autodesk Inventor .Series 10 с размерами, соответствующими реальным условиям, и сохраняется в формате *.stp, для возможности дальнейшего импорта этой модели в среду «АРМ Studio».

Для задания параметров теплового и напряженно-деформированного состояния вкладыша (рис. 1) необходимо: во-первых, в меню «АРМ Studio» выбрать пункт «Конечно-элементный анализ».

В данном режиме задаются следующие параметры:

1. Ограничения по перемещению вкладыша: закрепление по двум осям - по крайним граням вкладыша и по торцам (кроме оси по направлению оси коленчатого вала), рабочая поверхность заушается только по оси коленчатого вала;

2. Прикладываются нагрузки: с торца радиальная распределенная сила К, в зависимости от распрямления; усилие на плоскость торца Т рассчитывается в зависимости от геометрических параметров вкладыша;

3. Температурная нагрузка закладывается как разница температур на рабочей поверхности и тыльной стороне вкладыша.

Для проведения стендовых исследований двигатель КАМАЗ-740.3.10 устанавливался на испытательный стенд фирмы «АУЛ,» с гидротормозом фирмы «ЖШГ'ЖЖ». Первым этапом проведения эксперимента является приработка деталей двигателя. Приработка продолжается 50 часов, после чего двигатель разбирается и проводится визуальный контроль состояния шатунных вкладышей. На втором этапе эксперимента после запуска двигателя и его прогрева регулировкой вентиля крана устанавливается давление в системе смазки Р = 0,42 МПа, принудительно сливая масло в поддон картера через масляный фильтр. Для этого в техиологаческое отверстие на корпусе

Рисунок 1. Температурные монтажные нагрузки и закрепления

б

фильтра устанавливается кран, который соединяется посредством трубки со штуцером, установленным на поддоне картера двигателя. На третьем этапе эксперимента после запуска двигателя и его прогрела регулировкой вентиля крана давление принудительно снижается до 0,23 МПа. От масляного фильтра слив масла осуществляется в поддон, двигателя, для чего в технологическое отверстие на корпусе фильтра и вместо дифференциального клапана устанавливаются краны и соединяются посредством трубки и тройника со штуцером, установленным на поддоне картера двигателя.

В третьей главе «Аналитические исследования изменения напряженно-деформированного состояния ншунных вкладышей» приводится исследование напряжешо-деформированнош состояния ншунных подшипников.

Основой описания процесса развития проворачивания шатунного подшипника является его напряженно-деформированное состояние. Суммарное усилие на торец вкладыша при монтаже составляет (рис. 2)

Tz=TK+rB-Ty, (1)

где Tg - усилие на стык вкладыша, создаваемое при нагружепии контрольным усилием, 7д - усилие при затяжке в постели на величину выступания, Ту ~ усилие от увеличения диаметра постели при затягивании вкладышей. Из расчетов получено, что ~ ИДЗ кН.

ГЛ = Сс-* = бД*Н, (2)

где Сс = 61 кН/мм - жесткость вкладыша, определенная в лабораторных условиях, t = 0,1 мм - средняя величина выступания вкладышей под контрольной нагрузкой.

Гу = Ct ■«„■/ = 1,07кН, (3)

где еш =0,13-КГ3 - относительное удлинение шатуна; I - 135 мм - длина вкладыша; Сс = 61 кНУмм - жесткость.

Средние напряжения сжатия от монтажа в поперечном сечении вкладыша:

асж 159 МПа, (4)

U ' О

где 6=28 мм - ширина вкладыша; S = 2,5 мм - толщина вкладыша.

При установке вкладыша в шатун размер его диаметра в свободном состоянии DCB уменьшается до диаметра расточки в нижней головке шатуна DHr lia величину распрямления S, что приводит к появлению боковой силы R и напряжению изгиба в поперечном сечении вкладыша. Максимальные напряжения возникают по оси симметрии вкладыша на внутренней поверхности

где R - боковая сила, которую необходимо приложить к вкладышу для уменьшения размера его диаметра в свободном состоянии до диаметра

постели, г - радиус вкладыша (г=42,5 мм),1У; ¿•Л"3

2-3

- момент сопротивления

на юхиб, 3 -

12

: - момент инерции сечения вкладыша.

Используя геометрические параметры вкладыша и параметр жесткости вкладыша на изгиб при среднем значении распрямления <5=0,05 мм, изгибающие напряжения в сечении вкладыша составляют сгЁ - 7,65 МПа. Во внутренних слоях вкладыша при изгиба появляются напряжения сжатая, а в наружных - растяжения.

Средняя величина суммарных напряжений на внутренней поверхности составляет ат = 166,7 М11а. С учетом того, что параметры вкладыша -выступание I и распрямление 3 могут отличаться от средних значений в большую или меньшую сторону, а также с учетом допуска по ширине вкладыша Ь — 28 - 0,28 и толщины, напряжения сжатия и изгиба, в стальной основе вкладыша могут принимать значения в интервале от минимальных до максимальных: асж=14б ... 179 МПа, аи =± 3,8... 12,2 МПа.

Рисунок 2. Схема для расчета посадки вкладыша в шатун: Т - торцевое усилие; К - радиальное усилие от распрямления; д - давление вкладыша на постель; р - давление отрыва вкладыша от постели; ? -величина выстунания

Разница между суммарными максимальными напряжениями сжатия и пределом текучести на сжатие - 33,4 МПа. Поскольку в процессе работы двигателя возникают тепловые напряжения во вкладыше, то возможно превышение предела текучести и накопление остаточных деформаций.

При работе двигателя, особенно на переходных режимах, возможны два вида перепадов температур в шатунном подшипнике:

1) внутреннего ¿у и наружного £ слоев вкладыша/!^ (перепад по толщине вкладыша);

2) между вкладышами tз и телом шатуна (/^г)-

Более нагретые внутренние слои вкладыша стремятся удлиниться на величину А1 но окружности и величину АЬ по ширине вкладыша

1, (6) Ыэ-Ь-а-Рй^ (7)

где а ~ температурный коэффициент расширения (а = 12-Ю"6 1/°С); / - длина вкладыша; Ь - ширина вкладыша; А^ - перепад температур по толщине

вкладыша. Поскольку удлинению вкладыша по окружности препятствует сопряженный вкладыш, в нем возникают.' дополнительные напряжения сжатия

Ощ = а • Af, • Е = 7,2 мпа, (8)

где а - температурный коэффициент расширения (а ~ 12-10"6 1/"С); Atj - перепад температур по толщине вкладыша; Е - модуль упругости. Под действием перепада температур середины вкладыша и шатунавкладыш стремится удлиниться, и в нем появляются дополнительные напряжения сжатия по всему поперечному сечению

aäh ^a-At2 Е = 31 мпа, (9)

где ß - температурный коэффициент расширения (а = 12-10"6 1/°С); Atz -перепад температур между вкладышем и шатуном; Е — модуль упругости. Подсчитанные по средним значениям суммарные напряжения во внутренних слоях вкладыша при работе двигателя достигают предела текучести, а но максимальным - превышают предел текучести, что приводит к остаточным деформациям этих слоев (рис. 3). Так как деформация вдоль образующей (но ширине) вкладыша не ограничена, то её относительное удлинение при двухосном напряженном состоянии составит

е*~~Е(Ю)

где ех - относительное удлинение; ах - напряжение но оси х; ву — напряжение по оси у\ т - коэффициент Пуассона, для стали т - 0,3; Е - модуль упругости. При отсутствии сопротивления вдоль образующей гт^-О. Определим относительное удлинение (по ширине) внутреннего слоя относительно наружною.

Рисунок 3. Эпюры напряжения во вкладыше от перепадов температур (а, б) и суммарные монтажные и тепловые (в)

Определим при этом прогиб вкладыша через радиус кривизны в поперечном направлении вкладыша (рис. 4).

Л, = 60864,2 мм, (11)

где Кх - радиус кривизны в поперечном сечении вкладыша; Ь ~ ширина вкладыша; 5 - толщина вкладыша; ЛЬ - увеличение ширины вкладыша.

ЬАЬ

Рисунок 4. Схема поперечной деформации вкладыша

Из геометрических соотношений определим прогиб

д = дх- =0,016мм>

(12)

где Их - радиус кривизны в поперечном сечении вкладыша; Ъ - ширина вкладыша. Как видно, величина прогиба вкладыша составляет 20-25% от величины радиального зазора в шатунном подшипнике (70... 128 мкм). Следовательно, при работе двигателя повышается вероятность непосредственного контактирования середины вкладыша с шейкой вала.

Схема нагружения обычного вкладыша без предохранительных элементов (в дальнейшем предохранителей), приведенная на рис. 5, показывает, что при действии напряжений сжатия происходит поперечная деформация. По оси у (по окружности вкладыша) деформаций нет, так как им препятствует сопряженный вкладыш. Деформациям в радиальном направлении (г) с одной стороны препятствует' шатун или крышка, а с другой стороны на величину до радиального зазора ничего не препятствует. Нет препятствий также деформациям вдоль образующей вкладышей (направление х). Таким образом, при чистом сжатии размеры сечения вкладыша будут возрастать в соответствии с законом поперечной деформации (10) по двум осям: по образующей в две стороны; по радиусу в сторону шейки коленчатого вала на величину до радиального зазора (рис. 5). При наличии напряжений изгиба от распрямления вкладыша и различия температур на его внутренней и наружной сторонах внутренняя сторона деформируется больше, образуя прогиб по образующей (рис. б).

Рисунок 5. Схема поперечной Рисунок 6. Схема поперечной деформаций вкладыша при чистом деформации вкладыша при сжатии,

сжатии

изгибе и неравномерном нагреве: Т - торцевое усилие; Ми -изгибающий момент

Для снижения вероятности превышения предела текучести сгт и образования остаточного прогиба вкладышей но образующей ранее были разработаны предохранители различных вариантов, один из которых приведен на рис. 7. В этом случае при превышении предела текучести остаточную деформацию имеют в основном элементы фаски. При этом возможности деформации по оси г (радиально) гораздо больше, чем радиальный зазор. В области упругих деформаций справедлив закон Гука

<? = Е-е, (13)

где сг — напряжение; £ - деформация; Е - модуль упругости.

Отсюда можно выразить деформацию с учетом 1гомефических параметров вкладышей

а Е

£- — ■=■-— (14)

Е Е-Ь-с' к '

где Р - суммарная сила сжатия, действующая вдоль по окружности вкладыша (направление х); Е - модуль упругости; Ь - ширина вкладыша; с— толщина вкладыша.

Из формулы (14) видим, что даже н пределах упругости деформация обратно пропорциональна толщине вкладыша или рабочей поверхности его торца, а за пределами упругих деформаций эти соотношения нарушаются, но остается соотношение пропорциональности остаточных деформаций и действующих напряжений, близких и превышающих предел текучести.

Рисунок 7. Предохранитель вкладыша в виде фаски на стыке: Т - торцевое усилие; Ми - изгибающий момент

Экспериментально определено, что сжимающие напряжения на торце вкладыша достигают предела текучести, когда его поверхность составляет не ниже 55-60% от толщины вкладыша. При отсутствии предохранительной фаски суммарные напряжения сжатия на внутренней стороне среднего сечения вкладыша на 30-35% превышают предел текучести.

Таким образом, несмотря на простое конструктивное и технологическое решение вопроса предохранителя вкладыша в виде фаски, оно характеризуется ограниченными возможностями. Во-первых, основное свое назначение предохранитель выполняет в основном в нриработочный период, за пределами которого существенно снижается выстунание, а следовательно, и эффективность предохранителя. Во-вторых, такой предохранитель только снижает прогиб вкладыша но образующей, а не устраняет его совсем в процессе эксплуатации.

Следующим вариантом предохранителя является увеличение толщины вкладыша. Известно, что ремонтный вкладыш для двигателей КАМАЗ-740

п

толще номинального на 1мм или на 40%. В соответствии с формулой (5) это снижает напряжение, а следовательно, и деформацию по формуле (14) на 49%. Кроме 'rovo, повышение толщины вкладыша увеличивает его жесткость и сопротивление образованию прогиба но образующей. Однако большая толщина вкладыша способствует большему градиенту температур внутренней и наружной поверхности вкладыша, что повышает прогиб по образующей. В целом это снижает вероятность превышения предела текучести, но не исключает проворачивание вкладышей.

Поскольку максимальный прог иб вкладыша по образующей наблюдается в его середине, то следующим вариантом предохранителя является механическое крепление его к шатуну и к крышке шатуна. Такое закрепление но расчетам в соответствии с приведенными формулами должно сократить прогиб в два раза. Однако карги на прогиба на каждой половине вкладыша остается. Кроме того, конструктивно-технологическое выполнение этого закрепления затруднено.

Поэтому следующим вариантом предохранителя является распределение ослаблений сечения вкладыша (пазов) равномерно но тыльной стороне вкладыша. Такая конструкция является более гибкой или приспосабливаемой к повышению напряжения.

В соответствии со схемой нагружен ия вкладыша (рис. 2) эпюра суммарных напряжений по длине вкладыша неравномерна (рис. 8). Максимальные напряжений наблюдаются в середине вкладыша (сечение А-А) на внутренней стороне. Здесь же должны быть и максимальные деформации по оси .у (вдоль вкладыша). Но поскольку им препятствует сопряженный вкладыш, то sy = 0 и появляется поперечная деформация сх (рис. 8). Эта деформация также неравномерна по толщине вкладыша. Максимум ее приходится на внутренние слои, что и вызывает появление прогиба по образующей.

Рисунок 8. Эпюры напряжений сжатия - ас, изгиба - ои, и суммарных напряжений - о^ по длине вкладыша

При отсутствии предохранителей на внутренних слоях на глубине I (рис. 9, а) напряжения превышают ст,., и, следовательно, будут остаточные деформаций ну, так как ех =0. При наличии предохранительного паза глубиной И} с тыльной стороны вкладыша (рис. 9, б) суммарные напряжения

возрастают, что может увеличивать еу. Однако в этом случае появляется третье направление деформации г (по радиусу). Деформация ег появляется как внутри предохранительного паза, так и на рабочей поверхности вкладыша (рис. 9, б). При а£>ах, эта деформация будет остаточной.

С ростом величины предохранительного паза до Й2 (рис. 9, в) суммарные напряжения нозрастают, что соответственно повысит и ку и ег. При повышении числа таких предохранительных пазов суммарные напряжения в каждом пропорционально снижаются (рис. 10), что понижает вероятность превышения егт и появления остаточных деформаций.

Соотношение деформаций еу и ег. зависит от размеров вкладыша (ширина, толщина). Поперечные предохранительные пазы снижают остаточные деформации еу за счет остаточных деформаций однако вероятность проявления прогиба (в том числе и остаточного) не исчезает, /(ля снижения вероятности появления остаточного прогиба целесообразно изготовить продольные предохранительные пазы (рис. 11, б) по всей длине вкладыша с тыльной стороны. В обычном вкладыше наблюдается неравномерность тепловых напряжений сгт по ширине (рис. 11, а), что способствует- увеличению прогиба А.

А 0

Рисунок 9. Эпюры суммарных напряжений и деформаций и сечении А-А при отсутствии предохранителя (а), при малой (б) и большой (в) глубине

предохранителя

а б

Рисунок 10. Эпюра суммарных напряжений по длине вкладыша с одним (а) и с несколькими (б) предохранителями в виде пазов

При наличии продольных предохранительных пазов (рис. 11, б) деформация ех сокращается за счет увеличения деформации Часть этой деформации появляется в пазах, часть - на рабочей поверхности вкладышей (рис. 11, б).

. . и ■ б

0Ш5| ОРТ

аош

ад

2®

а»

Рисунок 11. Эпюра тепловых напряжений о"( по ширине вкладыша и его деформация Д без предохранителей - а и деформация с продольными предохранителями - б

Рисунок 12. Зависимость максимальных значений прогиба при различной толщине вкладыша по результатам моделирования

С увеличением числа поперечных предохранительных пазов вследствие продольной деформации суммарные напряжения будут снижаться, что приведет ■ к снижению деформаций вкладышей. Однако чрезмерное увеличение пазов усложняет изготовление вкладышей и ведет к повышению контактных давлений д^ в сопряжении их с головками шатунов, что повышает интенсивность фретганг-изнашивания.

С учетом линейного характера эпюр напряжений по толщине вкладыша (рис. 9) и закона Гука в пределах упругих деформаций для деформаций £х можно записать линейную зависимость от числа предохранительных пазов N

(15)

где ~ деформация при отсутствии предохранительных пазов (Л/- = 0); к ~ козффивдет; пропорциональности (определяется расчешо и эксперименгалько).

Эта зависимость носит стохастический характер, поэтому определять ее параметры целесообразно экспериментально, а расчет деформаций при

различном сочетании числа и глубины предохранительных пазов целесообразно выполнять с использованием метода конечных элементов.

В результате наблюдения за двигателями после капитального ремонта па ОАО "Ремдизель" отмечено снижение отказов отремонтированных двигателей в результате выхода из строя шатунных вкладышей. Как известно, шатунные вкладыши, применяемые на двигателях КАМАЗ, имеют различную толщину. То есть толщина стальной основы увеличивается, повышая тем самым стабильность геометрических параметров вкладыша (рис. 12).

Как вариант устранения прогиба шатунного вкладыша можно применить жесткую фиксацию подшипника в точке симметрии. Одним из множества вариантов закрепления является закрепление с помощью винта. При жесткой фиксации вкладыша целесообразно уменьшить его диаметр в свободном состоянии, тем самым создав условия для снижения монтажных напряжений в собранном узле, что, в свою очередь, как и фиксация, будет служить предпосылкой для уменьшения значений прогиба вкладыша.

Уменьшение величины выступания Г на 40 мкм с предельного отклонения +120 до +80 по верхней границе способствует снижению общего напряженного состояния вкладыша и, соответственно, уменьшению значений прогаба вкладышей.

При снижении величины выступания со 120 мкм до 80 мкм для вкладышей номинальных размеров значение прогиба снижается на 20% (по результатам компьютерного моделирования (рис. 13)).

В результате проведенного компьютерного моделирования при сравнении вкладышей с предохранительной фаской и без нее получено, что применение фаски снижает прогиб вкладыша на 12,5%.

Для снижения величин деформации шатунных вкладышей и увеличения стабильности их геометрических параметров был разработан способ снижения напряженно-деформированного состояния вкладыша путем создания рельефной тыльной стороны стальной основы.

В ходе компьютерного моделирования было просчитано несколько вариантов по количеству и глубине пазов. На рис. 14 приведены зависимости среднего прогиба от числа поперечных пазов при одном и двух продольных пазах. Из рис. 14, а видно, что с ростом числа пазов N деформация снижается по линейной зависимости (16) с высокой степенью достоверности расчетных и

А, мм 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03

Рисунок 13. Зависимость прогиба вкладыша от его толщины и величины выступания

2,5 2,75 3 3,25 3,58, м

1 -120 мкм; 2 - 80 мкм

аналитических данных (г2-0,96). Зависимость среднего прогиба вкладышей от глубины пазов приведена на рис. 14, б.

Из рис. 14, 6 видно, что с ростом глубины пазов значения деформации снижаются, что подтверждает' зависимость (14). Практически после глубины 50% снижение А заканчивается.

На рис. 15 приведена двухфакторная зависимость деформаций вкладыша от числа я глубины пазов. Из нее видно, что большее влияние на деформацию оказывает число пазов. Относительное изменение деформации в заданных пределах глубины составляет 20%, а относительное изменение деформации в заданных пределах числа пазов - 33%. При числе пазов N=13 снижение площади контакта составляет 27%, дальнейшее увеличение количества пазов еще больше снижает площадь контакта и способствует раннему проворачивани ю вкладыша.

а б

Рисунок 14. Зависимость среднего прогиба вкладышей от числа поперечных пазов при одном - 1 и двух - 2 продольных пазах (а) и от глубины пазов (I - глубина пазов в % от толщины) (б)

После 1-50% снижение прогиба незначительно, а на рабочей поверхности появляются следы остаточной деформации, что нарушает масляный клин.

> ... • ;'"}. О;0О?7х^О,ОО13х-у«Ж5Н-5уг

Рисунок 15. Двухфакторная зависимость прогиба вкладыша от глубины пазов I и от числа поперечных пазов N 1б

В четвертой главе «Анализ результатов экспериментальных исследований» по полученным экспериментальным данным был проведен анализ изменения напряженно-деформированного состояния в процессе испытаний.

Исследование деформирования шатунных вкладышей при работе двигателя проведено в стендовых условиях 1000 часовых испытаний. На двигатель был установлен контрольный комплект шатунных вкладышей, которые измеряли через первые 50 часов и каждые последующие; 200 часов; при этом измеряли распрямление, выступание и прогиб вкладышей.

Самую большую величину деформации в процессе испытаний получили вкладыши шестого цилиндра (рис. 16), которые имели самые большие исходные напряжения - после наработки 200 часов нижний вкладыш получил незначительные деформации, а на верхнем вкладыше обнаружен характерный натир в средней части вследствие полученного первичного прогиба, что подтверждает аналитические предпосылки развития процесса проворачивания вкладышей.

200 400 600 ООО т, час

Рисунок 16. Изменение выступания I и напряжения а на внутренней

поверхности стальной основы верхнего шатунного вкладыша шестого цилиндра в процессе работы дизельного двигателя в зависимости от

наработки т

Уточнена зависимость изменения выступания и напряжения стальной основы шатунного вкладыша от наработки. Изменение параметров £ и а в процессе испытаний можно описать следующей формулой:

У = 0,93 • т"0'249, (16)

где 0,93 - аппроксимирующий коэффициент;

г - наработка в часах;

Уровень достоверности полученной зависимости /?*=0,93.

Разработанная зависимость учитывает влияние исходных геометрических параметров вкладыша и напряжений в стальной основе, на полученные в процессе испытаний значения от наработки.

Изменения геометрических параметров шатунных вкладышей устанавливают определяющую роль в развитии отказа состояния самого вкладыша, а именно его напряженного состояния.

Как показали стендовые исследования, при увеличении толщины стальной основы вкладыша на 20% и прочих равных условиях, его прогиб снижается на 20%.

Прогиб наблюдается у всех вкладышей. Но по отсутствию характерного следа на четырех вкладышах с отверстиями можно сделать вывод о том, что вкладыши, которые были жестко закреплены в постели, не имели деформации

17

в процессе работы двигателя, в свою очередь, незакрепленные вкладыши имели характерный след натира в средней части.

Данные, полученные в результате сравнительных испытаний вкладышей, показали, «по снижение выступания со 120 мкм до 80 мкм уменьшает прогиб на43%.

В результате стендовых исследований получено также, что применение фаски снижает прогиб вкладыша на 12,5%.

При сравнении обычных вкладышей и вкладышей с предохранительными пазами но результатам стендовых исследований установлено, что средний прогиб экспериментальных вкладышей в 5,2 раза меньше, чем обычных вкладышей.

Сравнительный анализ результатов компьютерного моделирования и экспериментальных данных показал, что относительное расхождение не превышает 15% и в среднем составляет 10,85%.

В результате эксплуатационных исследований получены данные о снижении количества отказов двигателей из-за проворачивания вкладышей, которые свидетельствуют, что после внедрения предложенных разработок количество отказов на один автомобиль при наработке 150...200 тыс. км снизилось на 20,8%, а наработка на отказ увеличилась на 42,44%.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка эффективности результатов исследования» проведена оценка использования ресурса двигателей и оценка эффективности результатов исследования.

В настоящее время доля затрат на техническое обслуживание и текущий ремонт в себестоимости перевозок по автомобилям КАМАЗ достигает 15%. На двигатель КАМАЗ в среднем приходится 27,7% всех отказов автомобиля. Доля отказов двигателей по причине отказа вкладышей составляет 25%. Относительное снижение себестоимости перевозок определяется умножением этих долей. Результаты расчетов показали, что годовой экономический эффект' составил 3731 руб. на один двигатель.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Снижение вероятности проворачивания вкладышей возможно за счет: увеличения толщины стальной основы вкладыша; снижения величины выступания вкладыша; использования закрепления вкладыша в постели; изготовления предохранителей по стыку в виде фасок. Впервые прдложено улучшение стальной основы вкладыша поперечными и продольными пазами. Разработаны аналитические предпосылки влияния параметров предохранительных пазов (количество и глубина) на напряженно-деформированное состояние вкладышей.

2. Для расчета деформаций шатунного вкладыша разработана трехмерная модель вкладыша и схема его нагружения в среде «АРМ WinMachine». Схема нагружения учитывает геометрические параметры вкладыша, монтажные и тепловые нагрузки, возникающие при работе вкладыша. Для проведения стендовых сравнительных испытаний разработаны методики, позволяющие получить прогиб шатунных вхсладытей в короткий срок.

3. Значительная часть двигателей (до 25 %) поступает в капитальный ремонт из-за проворачивания шатунных вкладышей. Отказ в большинстве случаев считают внезапным, однако он имеет определенную закономерность

развития из-за изменения их напряженно-деформированною состояния и образования прогиба по образующей. Интенсивность этого процесса во мнох'ом зависит от геометрических параметров вкладыша и режимов работы двигателя. Для снижения деформации вкладышей необходимо снизить их напряженно-деформированное состояние. Расчетами установлено, что максимальные суммарные напряжения во вкладыше прешдшают предел текучести (па 30 МПа), что обуславливает остаточную деформацию в виде прогиба по образующей (0,016 мм), соизмеримого с величиной радиального зазора. Снижать напряженно-деформированное состояние вкладышей можно, изменяя сечение, условия монтажа и использованием предохранительных элементов.

4. По результатам стендовых исследований получено, что повышение толщины вкладыша на 20% снижает его прогиб па 20%, применение фиксатора (винта MB) - на 7%, снижение выступания (патяга) со 120 мкм до 80 мкм - на 43%, применение предохранителей на стыке - на 12,5%, улучшение стальной основы с помощью предохранительных пазов - па 80%. Результаты расчетных и экспериментальных значений параметров различаются в среднем на 10,85%. Показатель достоверности г' в полученных зависимостях находится в пределах от 0,905 до 0,98, что свидетельствует о достаточной достоверности моделей.

5. Осуществлено внедрение разработанного способа снижения деформаций за счет улучшения стальной основы на предприятиях ОАО «Завод подшипников скольжения», г. Тамбов, и ОАО «Кузембетьсвский РМЗ», Республика Татарстан. Внедрение этих рекомендаций позволяет снизить количество отказов на 20,8%, а наработку на отказ повысить на 42,4% и получить годовой экономический эффект в размере 3731 руб. на один двигатель.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Сахапов И.А. Применение информационных технологий для определения причин износа шатунных вкладышей / А.Т. Кулаков, Р.Г. Хабибуллин, И.В. Макарова, ДО. Жданов, И.А. Сахапов II Прил. к журналу «Открытое образование». Материалы XXXIII междунар. конф. и диск. науч. клуба «Информац. технол. в науке, социологии, экономике и бизнесе» IT+SE'06, Ялта-Гурзуф, 2006. С. 169-171 (0,25/0,05 пл.).

2. Сахапов И.А. Диагностирование шатунных вкладышей дизельных двигателей / А.Т. Кулаков, A.A. Макушин, И.А. Сахапов И Ресурсосберегающие технологии технического сервиса. Ч. 2. Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов и оборудования: материалы международной научно-практической конференции. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2007. С. 72-79 (0,56/0,19 пл.).

3. Сахапов И.А. Разработка прибора для измерения зазора между шатунной шейкой коленчатого вала и шатунным подшипником / A.A. Макушин, И.А. Сахапов, O.A. Кулаков II Ресурсосберегающие технологии технического сервиса. Ч. 2. Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов и оборудования: материалы международной научно-практической конференции. - Уфа: Башкирский ГАУ, 2007. С. 99-102 (0,375/0;125 пл.).

4. Сахапов И.Л. Разработка метода диагностирования состояния шатунных вкладышей дизельных двигателей / A.A. Макуншн, И.А. Сахапов, O.A. Кулаков // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сборник статей III Международной научно-технической конференции. -Пенза, 2007. С. 111-115 (0,375/0,125 ил.).

5. Сахапов И.Л. Исследование деформаций шатунных вкладышей дизельных двигателей / А.Т. Кулаков, A.A. Макушин, И.А. Сахапов // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сборник статей 1П Международной научно-технической конференции. - Пенза, 2007. С. 115-118 (0,25/0,08 пл.).

6. Сахапов И.Л. Применение IT-технологий для повышения эксплуатационной надежности автомобильной техники / Р.Г. Хабибуллин, И.В. Макарова, И.Л. Сахапов // Наука и образование - 2007: материалы международной научно-технической конференции. - Мурманск: МГТУ, 2007. С: 994-998 (0,25/0,08 пл.).

7. Сахапов И.А. Диагностирование формоизменений шатунных вкладышей дизельных двигателей / А.Т. Кулаков, И.А: Сахапов, O.A. Кулаков // Автотранспортное предприятие. 2008. №1. С. 47-49 (0,56/0,19 п.л.).

8. Сахапов И.А. Влияние градиента температур по толщине вкладыша на его деформацию / А.Т. Кулаков, И.А Сахапов // Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России: материалы V международной научно-технической конференции. Пепза,21~23 мая 2008 г. - Пенза: ПГУАС, 2008. С. 49-54 (0,375/0,019 пл.).

9. Сахапов И.А. Улучшение работы шатунного вкладыша изменением конструкции стальной основы / A.C. Денисов, А.'Г. Кулаков, И.А. Сахапов // Совершенствование технологии и организации обеспечения работоспособности машин: сборник научных трудов. - Саратов: Саратовский ГТУ, 2008. С. 15-19 (0,5/0,167 пл.).

10. Сахапов ИА. Диагностика и предупрсдитсльи ый ремонт шатунных подшипников в дизелях / А.Т. Кулаков, И.А. Сахапов // Тракторы и сельхозмашины. 2009. №2. С. 42-43. (издание, рекомендованное в Перечне ВАК РФ) (0,31/0,16 пл.).

11. Сахапов И.А. Разработка метода диагностирования состояния шатунных вкладышей дизельных двигателей / A.A. Макушин, И.А. Сахапов, O.A. Кулаков // Контроль. Диагностика. 2009. №2. С. 51-53. (издание, рекомендованное в Перечне ВАК РФ) (0,375/0,125 п.л.).

Подписано в печать 01.06.09 Формат 60x84 1/16

Кум. офсет. Усл. печ.л. 1,0 Уч.-изд.л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 267 Бесплатно

Сараголский государстлешшй технический университет 410054, Caparon, Политехническая ул., 77 Отпечатано п РИЦ СГ'ГУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ОТКАЗАМ ШАТУННЫХ ПОДШИПНИКОВ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Отказы двигателей КАМАЗ в эксплуатации.

1.2. Анализ причин отказов шатунных подшипников.

1.3. Анализ характерных особенностей проворачивания шатунных вкладышей в эксплуатации и способов их снижения.

1.4. Выводы и задачи исследования.

2. МЕТОДИКА РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ВКЛАДЫШЕЙ.

2.1. Программа и общая методика исследования.

2.2 Методика компьютерного моделирования деформации вкладыша.

2.2.1 Алгоритм решения задач по оценке напряженного состояния и деформации в процессе работы.-.

2.3 Методика стендовых исследований.

2.3.1 Методика стендовых исследований вкладышей с утолщенной стальной основой.

2.3.2 Методика стендовых исследований вкладышей с фиксацией в точке симметрии.

2.3.3 Методика стендовых исследований вкладышей с различным натягом.

2.3.4 Методика стендовых исследований вкладышей с предохранительной фаской по стыку.

2.3.5 Методика стендовых исследований вкладышей с предохранительными пазами в стальной основе.

2.4. Методика измерения геометрических параметров вкладыша.

2.5. Эксплуатационные исследования.

3. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ШАТУННЫХ ВКЛАДЫШЕЙ.

3.1. Расчетно-аналитическое исследование изменения напряженно-деформированного состояния шатунного вкладыша при работе.

3.2. Аналитические предпосылки изменения напряженно деформированного состояния вкладышей с использованием предохранительных элементов.

3.3. Анализ результатов компьютерного моделирования вкладышей различных вариантов.

3.3.1 Вкладыш, как одно целое с постелью.

3.3.2 Вкладыш с утолщенной стальной основой.

3.3.3 Фиксация вкладыша в точке максимального прогиба.

3.3.4 Улучшение условий монтажа вкладыша в шатун.

3.3.5 Вкладыши с предохранительной фаской по стыку.

3.3.6 Вкладыши с предохранительными пазами в стальной основе.

3.4. Выводы.

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Изменение напряженно-деформированного состояния шатунных вкладышей на приработочном этапе работы двигателя в процессе испытаний.

4.2. Анализ результатов стендовых исследований вкладышей различных вариантов.

4.2.1 Вкладыш с утолщенной стальной основой.

4.2.2 Фиксация вкладыша в точке максимального прогиба.

4.2.3 Улучшение условий монтажа вкладыша в шатун.

4.2.4 Вкладыши с предохранительной фаской по стыку.

4.2.5 Вкладыши с предохранительными пазами в стальной основе.

4.3 Реализация рекомендаций исследования на предприятиях и результаты эксплуатационных исследований.

4.4 Выводы.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1 Оценка эффективности использования ресурса двигателей.

5. 2. Экономическая оценка результатов исследования.

5.3. Выводы.

В процессе эксплуатации автомобилей, тракторов, комбайнов и других машин происходит изменение их технического состояния, основными причинами которого являются изнашивание, усталостное разрушение, пластическая деформация, коррозия. Пластическая деформация и усталостное разрушение являются следствием конструктивно-технологических недоработок или нарушения правил эксплуатации. Указанные явления вызывают, в том числе, проворачивание шатунных вкладышей, что является одной из основных причин ремонта автомобильных двигателей ЗИЛ, ЯМЗ, ГАЗ, КАМАЗ [12,.13, 17, 18, 21, 22, 31, 33, 36-38, 43, 56].

Эксплуатационные характеристики подшипников зависят, в основном, от таких факторов, как минимальная толщина масляной пленки, перепады температуры, наличие абразивных частиц, несоответствие расположения элементов системы подачи масла.

Несмотря на большое количество работ, посвященных причинам проворачивания шатунных вкладышей [4, 5, 7, 8, 10- 12, 14-16, 20, 23, 24, 26, 28, 33, 36, 37, 39, 40, 45, 47, 48, 84, 85], проблема повышения надежности двигателя КАМАЗ путем выявления и устранения причин проворачивания вкладышей полностью не решена до настоящего времени.

Простои автомобилей КАМАЗ в эксплуатации вызваны отказами, в основном, двигателей, главным образом из-за проворачивания шатунных вкладышей. На протяжении всего периода эксплуатации автомобилей КАМАЗ этот отказ относится к категории эксплуатационных; причинами отказа считаются низкое качество масла и попадание абразивных частиц в подшипники. Эксплуатирующими предприятиями предпринимались определенные меры по выполнению требований завода-изготовителя, касающихся организации технического обслуживания (ТО), применяемых масел, защиты двигателя от попадания пыли. В конструкцию двигателя также был введен ряд улучшений, направленных на повышение эффективности очистки масла от абразивных частиц. Проведённые мероприятия, однако, не исключили отказов двигателей КАМАЗ-740 из-за проворачивания шатунных вкладышей, а с 1981 года даже наметилась тенденция по увеличению отказов в период гарантийного пробега.

Эксплуатационную надежность и долговечность двигателей определяют, в большинстве случаев, детали двух основных групп сопряжений: шатунно-кривошипной и цилиндро-поршневой [1, 27, 42]. Исследованию путей снижения затрат на поддержание автомобиля в технически исправном состоянии в процессе экплуатации посвящены многочисленные работы таких ученых: М.А. Масино, Н.И. Иващенко, Ф.Н. Авдонькина, М.А. Григорьева, Н.Я. Говорущенко, Н.С. Ханина, А.Г. Липкинда, В.А. Шадричесва, А.И. Липгарта, E.G. Кузнецова, И.Е. Дюмина, Т.В. Крамаренко.

Анализу причин проворачивания шатунных вкладышей посвящены работы [4, 12, 16, 29, 30, 32, 35, 36, 58, 61, 65, 73, 75, 78, 98, 102]. В них утверждается связь отказов шатунных подшипников с износными характеристиками, определяющими величины предельных износов шеек и вкладышей, и разрабатываются способы диагностирования шатунных подшипников по износу, а также различные мероприятия (конструктивные, технологические, эксплуатационные) для снижения износов.

Увы, массовость этого дефекта и многочисленность исследований, посвященных ему, свидетельствуют о том, что все же недостаточно раскрыта физическая сущность проворачивания вкладышей. Нет четкого обоснования влияния конструктивных, технологических, эксплуатационных факторов, режимов, работы двигателя на механизм развития отказа:, большинство исследователей объясняют этот отказ либо ухудшением смазки шатунного подшипника и схватыванием поверхностей по этой причине, либо абразивным разрушением трущихся поверхностей. Поэтому исследование причин деформации и проворачивания шатунных вкладышей у современного, выполненного на уровне зарубежных образцов двигателя КАМАЗ-740 (84 12/12), безусловно, актуально в настоящее время.

Данная работа отвечает на ряд вопросов по устранению отказов шатунных подшипников. Для этого был проведен комплекс исследований: 1) по оценке работоспособности шатунных подшипников в эксплуатации, 2) раскрытию причин отказа, 3) выявлению закономерностей развития отказа в эксплуатационных условиях, 4) разработаны способы снижения деформаций шатунных вкладышей и практические рекомендации для снижения их отказов в процессе эксплуатации. Исследования выполены на примере двигателей КАМАЗ-740.

Цель исследования: Повышение безотказности автотракторных двигателей путем снижения деформаций шатунных вкладышей в процессе эксплуатации.

Объект исследования: Шатунные вкладыши двигателя КАМАЗ-740.

Предмет исследования: Напряженно-деформированное состояние вкладышей.

Научная новизна:

1. Разработана трехмерная модель шатунного вкладыша, позволяющая задавать различные режимы нагружения соответствующие реальной эксплуатации, а также производить расчеты на прочность.

2. Разработана универсальная схема нагружения моделей шатунных вкладышей, позволяющая рассчитывать значения деформаций вкладышей при различных условиях работы.

3. При использовании разработанной трехмерной модели обоснована деформация стальной основы шатунного вкладыша.

4. Разработаны теоретические предпосылки работы предохранительных элементов для снижения деформаций шатунных вкладышей в эксплуатации.

На защиту выносятся:

1. Методика компьютерного моделирования деформации шатунных подшипников.

2. Модель работы предохранительных элементов вкладышей.

3. Обоснование способа обеспечения стабильности геометрических параметров шатунных вкладышей в эксплуатации.

Практическая ценность: Разработаны и внедрены практические рекомендации по снижению деформаций шатунных вкладышей, позволяющие значительно увеличить ресурс как подшипников коленчатого вала, так и двигателя в целом. Предложено производить предупредительную замену вкладышей на основе их технического состояния, определяемого при диагностировании автомобиля и использовать разработанные способы снижения деформаций.

Применение способов снижения деформаций, в частности, прогиба, позволило в эксплуатации увеличить наработку на отказ двигателей КАМАЗ на 42,44% и снизить -на 20,8% количество отказов на один автомобиль по провороту шатунных вкладышей (подшипников).

Реализация результатов работы: Предложенные разработки внедрены на ОАО «Завод подшипников скольжения» и ОАО «Кузембетьевский РМЗ» и прошли производственную проверку в эксплуатации. Результаты исследований также используются в учебном процессе в ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия», ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Апробация результатов работы. Основные научные положения диссертационной работы обсуждались на научно практических конференциях:

1. Красноярский государственный технический университет, Международная научно-техническая конференция «Политранспортные системы - 2007» (Красноярск, 2007 г.);

2. Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Научно-техническая конференция «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России» (Пенза, 2008);

3. Саратовский государственный аграрный университет, XXI Межгосударственный постоянно действующий научно-технический семинар (Саратов, 2008);

4. "Завод подшипников скольжения", Научно-практический семинар (Тамбов, 2008);

5. Кузембетьевский ремонтно-механический завод, Научно-практический семинар (Кузембетьево, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе две статьи в изданиях, указанных в "Перечне. ВАК". Общий объем публикаций составляет 4,19 п. л., из которых 1,48 п.л. принадлежат лично соискателю.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 108 наименований, в том числе 4 источника на иностранных языках, и приложений. Работа изложена на 151 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 18 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Значительная часть двигателей (до 25 %) поступает в; капитальный ремонт из-за проворачивания шатунных вкладышей. Отказ, в большинстве случаев, считают внезапным, однако, он имеет определенную закономерность развития из-за изменения их напряженно-деформированного состояния и образования прогиба по образующей. Интенсивность этого процесса во многом зависит от геометрических параметров вкладыша и режимов работы двигателя. Для снижения вероятности проворачивания вкладышей необходимо улучшить их напряженно-деформированное состояние за счет: увеличения толщины стальной основы вкладыша; снижения величины выступания1 вкладыша; использования закрепления- вкладыша в постели; изготовления предохранителей по стыку в виде фасок.

2. Для расчета деформаций шатунного, вкладыша разработана трехмерная модель вкладыша' и схема его нагружения в среде «АРМ WinMachine». Схема нагружения учитывает геометрические параметры вкладыша, монтажные и тепловые нагрузки, возникающие при работе вкладыша. Для проведения стендовых сравнительных испытаний разработаны методики, позволяющие получить прогиб шатунных вкладышей в короткий срок.

3. Впервые предложено улучшение стальной основы вкладыша поперечными и продольными пазами. Разработаны аналитические предпосылки влияния параметров предохранительных пазов (количество и глубина) на напряженно-деформированное состояние вкладышей. Проведено компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния вкладышей с использованием метода конечных элементов и программного обеспечения "АРМ* WinMachine", которое позволило оценить эффективность способов снижения напряженно-деформированного состояния. Получена двухфакторная зависимость прогиба от глубины предохранительных пазов и количества поперечных пазов. Расчетами установлено, что максимальные суммарные напряжения во вкладыше превышают предел текучести (на 30 МПа), что обуславливает остаточную деформацию в виде прогиба по образующей (0,016 мм) соизмеримый с величиной радиального зазора.

4. По результатам стендовых исследований получено, что повышение толщины вкладыша на 20% снижает его прогиб на 20%, применение фиксатора (винта М8) - на 7%, снижение выступания (натяга) со 120 мкм до

80 мкм - на 43%, применение предохранителей на стыке - на 12,5%, улучшение стальной основы с помощью предохранительных пазов - на 80%.

Результаты расчетных и экспериментальных значений параметров 2 различаются в среднем на 10,85%. Показатель достоверности г в полученных зависимостях находится в пределах от 0,95 до 0,99, что свидетельствует о достаточной достоверности моделей.

5. Разработанный способ снижения деформаций за счет улучшения стальной основы внедрен на предприятиях ОАО «Завод подшипников скольжения» г. Тамбов и ОАО «Кузмбетьевский РМЗ» Республики Татарстан. Внедрение этих рекомендаций позволяет снизить количество отказов на 20,8%, а наработку на отказ повысить на 42,4% и получить годовой экономический эффект в размере 3731 руб. на один двигатель.

1. Авдонькин Ф.Н. Текущий ремонт автомобилей. / Ф.Н. Авдонькин. М.: Транспорт, 1978. 269 с.

2. Андрианов Ю.П. Определение причин проворачивания вкладышей подшипников г коленчатого вала дизеля лесовозного автомобиля / Ю.П. Андрианов, М.А. Григорьев, Б.М. Бунаков // Химия и технология топлив и масел. 1976. № 3. С. 45-48.

3. Ахвердиев К.С. Расчет подшипника жидкостного трения с учетом деформации опорной поверхности / К.С. Ахвердиев, Ю.А. Евдокимов, Т.С. Головко // Трение и износ. 1987. Том 8. №4. С. 671-677.

4. Бабушкин А.К., Безуглов Ю.И. Исследование эксплуатационной надежности автомобилей КамАЗ в регионе Оренбужья / Бабушкин А.К., Безуглов Ю.И. В сб.: Повышение эффективности использования автомобильного транспорта. Саратов, СПИ, 1983, с. 26-30.

5. Барун В.Н. Автомобили КамАЗ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации / В.Н. Барун. Москва: Машиностроение, 1981. 447 с.

6. Барун В.Н. Причины и устранение случаев задира и проворачивания вкладышей подшипников коленчатого вала автомобильного дизеля КамАЗ В.Н. Барун, М.А. Григорьев и др. // Двигателестроение. 1983. №4. С. 3-5.

7. Басков В.Н. Влияние условий эксплуатации на изменение технического состояния двигателей КамАЗ-740 / В.Н. Басков // Повышение эффективности эксплуатации автомобильного транспорта: Межвуз. науч. сб/Сарат. политехи, ин-т Саратов, 1982. - С.50-56.

8. Ю.Баулин М.И. Контактные напряжения и усталостные разрушения автотракторных подшипников / М.И. Баулин // Автомобильная и тракторная промышленность. 1955. №5. С. 5-7.

9. П.Болтинский В.Н. Теория, конструирование и расчет тракторных и автомобильных двигателей / В.Н. Болтинский. М., Изд-во с/х лит., журн. и плакатов, 1962. С. 391

10. Буравцев Б.К. Качество сборки подшипников коленчатого вала и надежность дизельных двигателей / Б.К. Буравцев // Автомобильный транспорт. 1982. № 12. С.41-42.

11. Буравцев С.К. Повышение надежности шатунных подшипников коленчатых валов двигателей / С.К. Буравцев, Б.К. Буравцев // Двигателестроение. 1983. № 3. С. 3-7.

12. Буше Н.А. Подшипники из алюминиевых сплавов / Н.А. Буше, А.С. Гуляев, В.А. Двоскина, К.М. Раков. М.: Транспорт, 1974. 256 с.

13. Быков В.Г., Салтыков М.А., Горбунов М.Н. Новый способ обеспечения стабильности геометрических параметров вкладышей для высоконагруженных подшипников дизелей / В.Г. Быков, М.А. Салтыков, М.Н Горбунов //Двигателестроение, 1985.

14. Быков В.Г. Причины необратимых формоизменений тонкостенных вкладышей и пути повышения надежности подшипников высоконагруженных дизелей / В.Г. Быков, М.А. Салтыков, М.Н Горбунов // Двигателестроение. 1980. № 6. С. 34-37.

15. Венцель Е.С. Теория вероятностей / Е.С. Венцель. М.: Наука, 1969. -435с.

16. Воинов К.Н. Прогнозирование надежности механических систем. JL: Машиностроение, 1978. - 208с.

17. Восстановление автомобильных деталей: технология оборудования / В.Е.Конарчук, А.Д.Чигринец, Л.Л.Гоцк, П.М.Шоцкий. М.: Транспорт, 1995- 303с.

18. Гафиятуллин А.А. Обеспечение работоспособности шатунных подшипников автотракторных дигателей путем создания неразрывности масляного потока / А.А. Гафиятуллин. Дис. канд. техн. наук. Саратов, 2005.130 с.

19. Говорущенко Н.Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте / Н.Я. Говорущенко. М.:Транспорт,1990. -135 с.

20. ГОСТ 14846 69 Двигатели автомобильные, методы стендовых испытаний. - М.: Издательство стандартов; 1970. - 15 с.

21. ГОСТ 17510-79 Надежность изделий машиностроения. Система сбора и обработки информации. Планирование наблюдений. М.: Издательство стандартов, 1972. - 15 с.

22. ГОСТ 27002 83 Надежность в технике. Термины и определения. Введение 01.07.84 г. - 30 с.

23. ГОСТ 503-71 Лента холоднокатанная из низко углеродистой стали. Технические условия.

24. ГОСТ 9340 71 Вкладыши коренных и шатунных подшипников дизелей и газовых двигателей: технические требования. - М.: Издательство стандартов, 1971. - 15 с.

25. Григорьев М.А. Износ и долговечность автомобильных двигателей / М.А.Григорьев, Н.Н. Пономарев. М.: Машиностроение, 1976. 248 с.

26. Григорьев М.А. Очистка масла в двигателях внутреннего сгорания / М.А.Григорьев. М.: Машиностроение, 1983. 148 с.

27. Григорьев М.А. Обеспечение надежности двигателей / М.А. Григорьев,

28. B.А. Долецкий. М-.: Изд-во стандартов, 1978. 324 с.

29. Григорьев М.А. Износ и долговечность автомобильных двигателей / М.А.Григорьев, Н.Н. Пономарев. М.: Машиностроение, 1976. 248 с.

30. Григорьев М.А. и др. Исследование распределения потока масла в автомобильном двигателе / М.А. Григорьев, В.Г. Смирнов. В сб.: Труды НАМИ. Вып. 117. М.: 1979.

31. Григорьев Н. А. Влияние конструктивных особенностей систем смазки на надежность двигателя / Н. А. Григорьев, Б.М. Павлисский -Автомобильная, промышленность, 1976, №7, с. 5-8.

32. Денисов А.С. Аналитическое исследование измения условий смазки шатунных подшипников в процессе эксплуатации / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, А.А. Гафиятуллин, Д.Л. Панкратов // Саратов: Весник Сарат. гос. техн. ун-т. 2005. №3. С. 69-75.

33. Денисов А. С. Режим работы и ресурс двигателей / А.С. Денисов, В.Е. Неустроев. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1981. 112 с.

34. Денисов А. С. Исследование зависимости работоспособности подшипников коленчатого вала от изменения геометрической формы шейки / А. С Денисов. Дис. канд. техн. наук. Саратов, 1975. 210 с.

35. Денисов А.С. Влияние износа на режимы смазки шатунных подшипников дизеля КамАЗ-740 / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, Н.И. Светличный // Современные проблемы транспорта. Межвуз. научн. сб. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. 2000. С. 25-28.

36. Денисов А.С. Диагностирование шатунных вкладышей двигателей КамАЗ / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков // Повышение эффективности использования автомобильного транспорта: Межвуз. науч. сб. Сарат. политехи, ин-т. Саратов, 1986.- С.12-17.

37. Денисов А.С. Обеспечение надежности автотракторных двигателей /

38. A.С. Денисов, А.Т. Кулаков. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2007. -422 с.

39. Денисов А.С. Основы формирования эксплуатационно-ремонтного цикла автомобилей / А.С. Денисов. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. 1999. 352с.

40. Денисов А.С. Улучшение смазки шатунных подшипников двигателя КамАЗ / А.С. Денисов, Н.И. Светличный, А.Т. Кулаков // Восстановление и упрочнение деталей машин. Межвуз. научн. сб. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. 2000. С. 30-33.

41. Денисов А.С. Эффективный ресурс двигателей / А.С. Денисов. Саратов: Изд-во Сарат. гос: ун-та, 1983; 108 с.

42. Денисов А.С. Анализ надежности автомобилей КамАЗ / А.С. Денисов,

43. B.В. Кйтастый, Т. А. Кузнецова, А.И. Яблоков // Повышениеэффективности использования автомобильного транспорта: Межвуз. науч. сб. Сарат. политехи, ин-т. Саратов, 1982. С. 26-33.

44. Денисов А.С. Анализ причин эксплуатационных разрушений шатунных вкладышей двигателей КамАЗ-740 / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков// Двигателестроение. 1981. №9. С. 37-40.

45. Денисов А.С. Анализ этапов процесса проворачивания вкладышей коленчатого вала / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков // Повышение технической готовности автомобильного транспорта: Межвуз. науч. сб. Сарат. политехи, ин-т. Саратов, 1985. С. 14-18.

46. Денисов А.С. Изменение условий смазки шатунных подшипников в процессе эксплуатации автомобильного дизеля / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков // Двигателестроение. 1986. №4. С.44-46.

47. Дюмин И.Е. Ресурс двигателей можно увеличить//Автомобильный транспорт, 1989. № 1. С.34-35.

48. Ермолов JI.C. Основы надежности сельскохозяйственной техники / JI.C. Ермолов, В.М. Кряжков, В.Е. Черкун. М: Колос. 1982. 271 с.

49. Ждановский Н.С. Диагностика автотракторных дизелей / Н.С. Ждановский, А.В. Алилуев, А.В. Николаенко. JL: Колос, 1977. 264 с.

50. Ждановский Н.С. Надежность и долговечность автотракторных двигателей / Ждановский Н.С., Николаенко А.В. JI.: Колос, 1974. 223 с.

51. Загородских Б.П. Ремонт и регулирование топливной аппаратуры автотракторных и комбайновых двигателей / Б.П.Загородских, В.В.Хатько. М.: Россельхозиздат, 1986. 141 с.

52. Исавнин Г.С. Определение температур вкладышей коленчатого вала автомобильного двигателя / Г.С. Исавнин, С.С. Наумов // Автомобильная промышленность. 1973. № 12, с. 7-9.

53. Исследование условий нарушения гидродинамического режима смазки шатунного подшипника двигателя КамАЗ. Технический отчет НТЦ АО «КамАЗ». Набережные Челны. 1993. 214 с.

54. Казарцев В.И. Ремонт машин. М.: Сельхозиздат, 1961. - 485с.

55. Карамзин А.В. Исследование работы подшипников скольжения быстроходных двигателей / А.В. Карамзин. Дис. канд. техн. наук. Москва, 1968, 206 с.

56. Карасев А.И. Теория вероятностей и математическая статистика / А.И. Карасев. М.: Статистика, 1970. 344 с.

57. Каратышкин С.Г. Динамически нагруженные подшипники судовых двигателей внутреннего сгорания / С.Г.Каратышкин. М.: Судостроение, 1968. 182 с.

58. Колосов Р.Е. Оптимальные сроки замены вкладышей коленчатого.вала и поршневых колец двигателей ЯМЗ / Р.Е. Колосов, А.С. Денисов // Автомобильная промышленность. 1978. № 3. С. 5-7.

59. Королев В.И. Упругопластические деформации оболочек. -М.: Машиностроение, 1971, с. 113-128.

60. Костецкий Б.И. Надежность и долговечность машин / Б.И. Костецкий, И.Г. Носовский. Киев: Техника, 1975. 408с.

61. Кошкин К. Работоспособность шатунных подшипников / К. Кошкин, 3. Финкелыитейн, А.Липкинд // Автомобильный транспорт. 1972. №1. с. 29-30.

62. Крипицер М. Исследование надежности двигателей / М. Крипицер, Р. Шахмаметов, Г. Михлин // Автомобильный транспорт. 1975. № 9. с. 2729.

63. Кугель Р.Ф. Надежность машин массового производства. М.: Машиностроение, 1981. - 238с.

64. Кузнецов Е.С. Теоретические основы технической эксплуатации автомобилей. М.: МАДИ, 1979. - 111 с.

65. Кузнецов Е.С. Техническая эксплуатация автомобилей в США. М.: Транспорт, 1992- 352с.

66. Кузнецов Е.С. Управление технической эксплуатацией автомобилей. -М.: Транспорт, 1990. 272с.

67. Кулаков. А.Т. Нестабильность зазоров в шатунных подшипниках из-за образования прогиба вкладышей / А.Т. Кулаков, А.С. Денисов // Вестник Саратовского гос. тех. ун-та. 2006. №3. С. 83-91.

68. Кулаков А.Т. Обеспечение надежности шатунных подшипников автотракторных двигателей / А.Т. Кулаков, А.С. Денисов, А.А. Гафиятуллин // Силовым агрегатам КамАЗ высокую надежность. Сб. статей. Набережные Челны: Камский политехи, ин-т. 2005. С 82-84.

69. Кулаков А.Т. Разработка способа диагностирования шатунных подшипников двигателей и практических рекомендаций для снижения их отказов в процессе эксплуатации (на примере КамАЗ-740) / А.Т.Кулаков. Дис. канд. техн. наук. Саратов, 1986. 173 с.

70. Курицин А.Б. Машины для ускоренных испытаний вкладышем коленчатого вала / А.Б. Курицин // Автомобильная промышленность. 1967. №7. с. 11-13.

71. Липгарт А.А., Износ деталей кривошипно-шатунного механизма бензиновых двигателей / А.А. Липгарт, Н.Ф. Струнников. В кн.: Исследования в области конструирования автомобиля, М., Машгиз, 1953, с.5 - 93

72. Липкинд А. Г. Ремонт автомобиля ЗИЛ-130 / А. Г. Липкинд, П. И. Гринберг, А.И. Ильин. М.: Транспорт, 1978. 356 с.

73. Лукинский B.C. Определение надежности автомобильных двигателей. -М.: НИИНавтопром, 1982. 42с.

74. Лукинский B.C., Надежность автомобильных двигателей КамАЗ в рядовой эксплуатации / B.C. Лукинский, В.Ю. Новодворский, B.C. Соколов//Двигателестроение. 1983. № 11. С.34-36.

75. Макаров М. Предупредительная замена вкладышей подшипников коленчатого вала дизелей / М. Макаров, Ю.Радин // Автомобильная промышленность. 1975. № 7. с. 35-37.

76. Малышев А.И. Перспективы развития системы фирменного обеспечения технической эксплуатации автомобилей КамАЗ//Эффективность использования автомобилей КамАЗ: Материалы семинара/Моск. дом научн.-техн. пропаганды. М., 1982. -С.35-39.

77. Межецкий Г. Д. Сопротивление материалов: Учебник / Г. Д. Межецкий, Г. Г. Загребин, Н. Н. Решетник, А. А. Слепов / , Под общ. ред. Г. Д. Межецкого, Г. Г. Загребина. — М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2008. — 444 с.

78. Михлин В.М. Управление надежностью сельскохозяйственной техники. М.: Колос, 1984. - 335с.

79. Надежность и долговечность машин и оборудования/Под ред. Проникова А.С. М.: Изд-во стандартов, 1972. - 316с.

80. Надежность строительных машин/Г.П.Гриневич, Е.А.Каменская и др. М.: Стройиздат, 1975. 296с.

81. Отчет № 71/77 Определение причин проворота вкладышей подшипников шатуна двигателей ЯМЗ-240, 240Н. 1977г.

82. П.Н. Романенко. Гидродинамика и тепломассообмен в пограничном слое (Справочник). М., «Энергия», 1974, 464 с. с ил.

83. Положение о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава автомобильного транспорта. Ч. П (нормативная). Автомобили семейства КамАЗ. ПО-200-РСФСР-12-0115-87.-М.: Минавтотранс РСФСР, 1987. 92 с.

84. Проников А.С. Надежность машин. М.: Машиностреоние, 1978. -592с.

85. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968. - 282 с.

86. Румянцев С.И., Синельников А.Ф., Штоль Ю.Л. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей. М.: Высшая школа, 1989. -272с.

87. Самохвалов Я.А., Левицкий М.Я., Григораш В.Д. Справочник техника-конструктора. Киев: Техника, 1978. - 591 с.

88. Светличный Н.И. Повышение надежности двигателей камаз путем снижения отказов шатунных подшипников в эксплуатации / Н.И. Светличный. Дис. Канд. Тенх. Наук. Саратов, 2001. 160 с.

89. Селиванов А.И. Основы старения машин. М.: Машиностроение, 1971. - 408с.

90. Суркин В.И., Попов Т.П. Оптимизация параметров шатунного подшипника тракторного дизеля. Двигателестроение, 1984, №3, с. 4143.

91. Сыркин П.Э., Нурмухамедов Б.Д., Кузмин А.А. Условия подвода смазки и повышение надежности шатунных подшипников двигателей//Автомобильная промышленность, 1976. № 8. С.7-9.

92. Техническая эксплуатация автомобилей/Под ред. Е.С.Кузнецова. М.: Транспорт, 1991. - 413с.

93. Титунин Б.А., Старостин М.Т., Мушниченко В.М. Ремонт автомобилей КамАЗ. Л.:Агропромиздат,1987. - 288с.

94. Финкелыптейн Э., Соболев А., Фролов Ю. Причины преждевременных повреждений подшипников отремонтированных двигателей. Автомобильный транспорт, 1966, № 3, с. 38-41.

95. ЮЗ.Храмцов Н.В. Надежность отремонтированных автотракторных двигателей. М.: Росагропромиздат, 1989. - 159с.

96. Цой И.М., Гурвич И.Б., Вопилов Л.П. Влияние исходного давления масла на износ подшипников коленчатого вала// Автомобильная промышленность. 1969, №5. с.3-5.

97. F.A.Martin Developments in engine bearings. "Tribol Retiprocat.Engines.Proc.9-th Leeds-Lyon Symp.Tribol 7-10 sept. 1982.",p.9-28.

98. Johnson G. Failure of components // Automobile engineers,March,l996/ -P.108-111.

99. Paul R.Mernik Lubrikant flow to connekting-rod bearing through a rotating crankshaft. SAE TPS GM laboratpries, 1986, 7p

100. Znamizovsky K. a Kol.Provozni spolehlivost strou a agregatu. -Praha:SNTL,1981. 331s.