автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Повышение долговечности двигателей применением присадок к товарным моторным маслам

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 629.432.3.:621.892.8 Седов Сергей Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИМЕНЕНИЕМ ПРИСАДОК К ТОВАРНЫМ МОТОРНЫМ

МАСЛАМ

Специальность 05.22.10 -эксплуатация автомобильного транспорта

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Давыдов H.A.

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................... 5

1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМАМ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ.....................11

1.1. Теоретические аспекты повышения долговечности двигателей внутреннего сгорания.............................. 11

1.2. Перспективные методы снижения трения и изнашивания в подвижных сопряжениях двигателей внутреннего сгорания.............................................................. 29

1.3. Определение целей и задач исследования...................................34

1.4. Выводы ............................................................................................36

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДВИЖНЫХ СОПРЯЖЕНИЙ ПУТЕМ ФОРМИРОВАНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С УЛУЧШЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ............................................................. 38

2.1. Теоретические предпосылки формирования триботехнической системы с улучшенными триботехническими параметрами......................>........... 39

2.2. Гипотеза совместности проявления действия компонентов присадок и факторов воздействия и их зависимости от материала основы присадок, выявление взаимосвязей прогивоизносных и антифрикционных свойств с триботехническими параметрами системы.......................... 54

2.3. Лабораторные испытания конструкционных и смазочных

материалов.............................................................................. 60

2.4. Экспериментально-теоретическое обоснование выбора факторов, определяющих условия совместности проявления действия компонентов присадок и факторов воздействия ....................................................................... 70

2.5. Выводы.................................................................................... 79

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДВИЖНЫХ СОПРЯЖЕНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ......................................................................... 82

3.1. Экспериментально-теоретические исследования триботехнических систем и практическое применение их результатов в эксплуатации и ремонте автомототранспортных средств....................................................................................... 83

3.2. Методика оптимизации триботехнической системы в процессе эксплуатации подвижных сопряжений ................... 89

3.3. Выводы..................................................................................... 109

4. ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДВИЖНЫХ СОПРЯЖЕНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИСАДОК К МОТОРНЫМ МАСЛАМ.. 111 4.1. Технология повышения долговечности подвижных сопряжений

двигателей................................................................................ 111

4.2. Технологии применения присадок для повышения

износостойкости подвижных сопряжений двигателей.......... 112

4.2.1. Стендовые испытания технологий применения присадок

к моторным маслам................................................. 115

4.3. Технико-экономическая оценка эффективности предлагаемых рекомендаций в процессе эксплуатации

автомобильных двигателей........................ ............................. 125

4.3.1. Расчет предполагаемого экономического эффекта от

внедрения методики применения присадок к моторным маслам...................................................... 126

4.4. Выводы................................................................................ ... 135

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ....................................... 137

СПИСОК ОСНОВНОЙ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...... 140

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ГРАФИКИ СРАВНЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ЭКСПЕРИМНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ... 151

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.................... 157

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. РЕЖИМЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ И ЗНАЧЕНИЯ

РЕЗУЛЬТИРУЮЩИХ ПРИЗНАКОВ ............... 161

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ДОКУМЕНТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ...................... 166

V

ВВЕДЕНИЕ

Развитие техники, в частности автомобилестроения, придало проблеме повышения долговечности двигателей огромную значимость и приобщило к этой проблеме широкий круг ученых разных специальностей. Это позволило заложить теоретический базис для рассмотрения вопросов об изнашивании трущихся деталей сопряжений двигателей и разработать основные направления повышения их долговечности.

Научно-технический прогресс в двигателестроении, практическая реализация требований к экономичности и повышению долговечности, составной частью которых является повышение износостойкости пар трения и снижение потерь на трение, а также другим свойствам автомобильной техники потребовали отдельного рассмотрения проблем систематического повышения их технико - экономической эффективности.

Решение проблемы поддержания и повышения технической готовности автомобильных двигателей существенно осложняется:

значительным увеличением номенклатуры эксплуатационных материалов для автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в том числе и присадок к товарным моторным маслам;

ограниченными возможностями авторемонтного потенциала; постоянно возрастающей стоимостью современных моторных масел на мировом рынке и отсутствием рекомендаций по их взаимозаменяемости, а также другими причинами.

Сложившаяся ситуация формирует перед специалистами задачи обоснованного продления ресурсов, межремонтных сроков автомобилей и двигателей, разработки методов и технологий повышения их износостойкости, разработки технологий безразборного восстановления

изношенных деталей двигателей внутреннего сгорания (ДВС), улучшения эксплуатационных свойств смазочных масел путем введения в их состав высокоэффективных добавок (присадок).

Возможности повышения объемных физико-механических свойств многих, традиционно используемых конструкционных материалов без их существенного удорожания в ряде случаев исчерпаны. Вместе с тем, различные инженерно-технологические методы управления структурой и рельефом поверхности, нанесения функциональных покрытий позволяет существенно улучшить эксплуатационные свойства при допустимых дополнительных материальных и энергетических затратах.

Одним из наиболее перспективных направлений, обеспечивающих высокую износостойкость взаимодействующих поверхностей деталей сопряжения, является использование противоизносных и антифрикционных добавок (присадок) для улучшения триботехнических параметров моторных масел.

В сочетании с использованием традиционных методов повышения долговечности деталей подвижных сопряжений, использование противоизносных и антифрикционных присадок к моторным маслам позволит значительно повысить ресурс двигателей без применения трудоемких и дорогостоящих технологий.

Из анализа научно-исследовательских работ, трудов ученых, патентно-технических изысканий, материалов открытой печати и других источников можно сделать вывод, что одним из наиболее перспективных методов повышения долговечности трибологически уязвимых пар трения двигателей является нанесение и формирование износостойких поверхностных слоев на поверхностях трения и одновременно является одним из наиболее гибких способов увеличения срока службы изнашивающихся деталей двигателей. Эффективность воздействия

присадок в подвижном сопряжении является результатом сложных процессов физико-химической механики в зоне фрикционного контакта и определяется влиянием значительного количества факторов.

И если учесть все возрастающие требования повышения и поддержания технической готовности автомобильных двигателей, то тема работы является весьма актуальной.

В связи с этим целью исследования является улучшение триботехнических показателей и активизация процессов снижения износа по мере изменения прогнозируемого состава (основы) присадок и выявление взаимосвязей противоизносных и антифрикционных свойств присадок с триботехническими параметрами системы, обеспечивающих эффективность воздействия.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие основные задачи исследования:

1. Проанализировано современное состояние проблемы реализации, поддержания и повышения заданного уровня долговечности двигателей и тенденции развития данного направления.

2. Уточнены закономерности изнашивания элементов трибоузлов ДВС в присутствии присадок к моторным маслам.

3. Выбраны на основе экспериментально - теоретического анализа факторы, наиболее влияющие на эффективность воздействия присадок для трибологически уязвимых сопряжений двигателя.

4. Разработаны методики учета совместного влияния различных факторов на эффективность воздействия присадок к моторным маслам.

5. Разработана расчетная модель комплексной оценки эффективности применения присадок к моторным маслам.

6. Выполнены экспериментальные исследования на физической модели с целью установления закономерностей износа сопряжений и проведена апробация модели.

7. Выполнено техническое и экономическое обоснование использования результатов работы на автотранспортных предприятиях.

В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, различные виды физического и математического моделирования. Применено математическое планирование экспериментов, обработка результатов экспериментальных данных выполнена с использованием ЭВМ и современных математических методов.

Методологической основой выполненной работы является системный анализ, теория трения, смазки и изнашивания; закономерности старения элементов трибосистем.

Достоверность полученных экспериментальных данных и теоретических результатов обеспечивается использованием современных проверенных средств контроля и измерений, корректным использованием известных математических методов обработки и систематизации экспериментальных данных, а также подтверждается согласованностью экспериментальных и теоретических результатов, полученных на машинах трения и двигателях.

На основании исследования процессов изнашивания трибосопряжений двигателей, характеризуемых наличием большого количества факторов воздействия, построен метод комплексной оценки влияния различных факторов.

В работе уточнены закономерности процессов изнашивания трибоузлов при применении присадок к моторным маслам.

Предложена стройная классификация присадок, дополнительно вводимых в моторные масла (по типу основы, назначению и характеру действия).

Обоснованы единые методики повышения износостойкости трибосопряжений двигателей путем введения противоизносных присадок к моторным маслам по мере изменения прогнозируемого состава таких присадок, концентрации и режимов работы.

Разработаны математические модели влияния различных факторов (режимы работы двигателя, концентрация присадок, типа основы) на противоизносные и антифрикционные характеристики трибосопряжений при улучшении свойства моторных масел присадками к ним. Определены их пороговые значения.

Уточнены закономерности взаимодействия присадок.

Разработаны новые технологические схемы их применения.

Диссертация носит прикладной характер. В ней разработаны практические рекомендации по подбору смазочных масел и присадок к ним, обоснована организация их взаимодействия.

Предложены методики улучшения эксплуатационных свойств моторных масел за счет применения присадок к ним.

Полученные графо-аналитические зависимости износа подвижных сопряжений позволяют решать задачи обоснованного выбора и применения присадок, обеспечивающих повышение долговечности.

Результаты исследований позволили разработать технологический схемы эксплуатации двигателей, обеспечивающий повышение их долговечности.

Достоверность результатов проведенных исследований достигалась применением: современного оборудования и методов исследования; методов математической обработки экспериментальных данных и

планирования эксперимента и обработки его результатов с применением ЭВМ; количеством экспериментальных реализаций, в количестве необходимом и достаточном для обеспечения требуемой точности; удовлетворительным совпадением данных теоретических и практических исследований.

Основное содержание и результаты исследований докладывались и обсуждались на 50-й и 51-й Международных научно-технических конференциях молодых ученых и студентов (1996-1997г.г.); на 54-й и 55-й научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (1997-1998г.г.); на международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию Автомобильно-дорожного института СПбГАСУ (1997г.); на научно-технической конференции в 29-ом КТЦ МО РФ (1997г.); 56-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (1999г.).

Полученные научные результаты и практические рекомендации внедрены в автомобильном хозяйстве строительного предприятия ООО "Винел", на Автотранспортном предприятии ОАО "Автопарк №6 "Спецтранс", в транспортном подразделении дорожно и производственно-строительного предприятия ООО "Перспектива" и в ООО "Балт-Сервис", химической компании ООО «НитрохимИмпэкс» республика Ингушетия РФ.

Основные положения диссертации отражены в 4-х статьях и 2-х тезисах докладов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержание работы изложено на 141 страницах машинописного текста и иллюстрировано 35 рисунками и 4 таблицами. Список литературы содержит 121 наименование.

Глава 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМАМ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1. Теоретические аспекты повышения долговечности двигателей внутреннего сгорания

Автомобильная отрасль отличается сравнительно небольшим спадом производства [1]. Значительная потребность [табл.1] народного хозяйства в автомобилях требует систематического повышения их технико -экономической эффективности, что придало проблеме повышения долговечности двигателей огромную значимость и приобщило к ней широкий круг ученых разных специальностей.

В двигателях постоянно решаются задачи повышения износостойкости трущихся узлов и, следовательно, повышения долговечности.

Развитие различных частей науки о трении и изнашивании было весьма неравномерным. Природа трения долго оставалась невыясненной. Толчком для ее понимания послужили представления русского ученого М.В. Ломоносова (1711-1765 г.г.) о молекулярной теории тел, объясняющей особенности строения и движения их свойствами составляющих атомов и молекул.

К концу XVIII в. относится начало изучения твердых тел, в 80-е г.г. XIX в. были заложены основы учения о гидродинамической смазке, а к первой четверти XIX в. можно отнести зарождение учения об изнашивании машин и их деталей: не вызывает сомнение, что при трении механическая

Таблица 1.1

Динамика производства автомобилей отечественными заводами по годам

Классификация автомобилей и наименование производителей автомобилей Годы выпуска

1994г. 1995г. 1996г.

Количество, шт.

Грузовые автомобили 72390 81619 79849 25859 20844 23000 19487 8766 13383 14002 9201 7282 26492 10191 4566

АО ТАЗ" АО "КамАЗ" УАЗ УралАЗ АМО-ЗИЛ

Легковые автомобили 530876 609213 659573 67868 40600 5021 118159 118673 113906 6117 8639 н/д 53178 44880 30843

АвтоВАЗ АЗЛК АО ТАЗ" КамАЗ-ОКА УАЗ

Автобусы и микроавтобусы н/д н/д. 4305 1330 1705 н/д 2031 444 264 27197 24972 20018

АО ТАЗ" АО "КамАЗ" ЛиАЗ УАЗ

Примечание: н/д - нет данных.

энергия превращается в теплоту. Впервые экспериментально это было доказано в 1798 г. Б. Румфордом, а в последующем диссипативность процесса трения подчеркивалась многими. Несколько позднее Р. Клаузисом заложены основы механической теории теплоты и введено понятие энтропии, физический смысл которой как степень неупорядоченности системы раскрыл в конце XIX в. Л. Больцман -создатель статической термодинамики.

Физическая природа трения была объяснена Ц.Р. Бриллюэном, который исходил из дискретности контакта трущихся тел. Он показал принципиальную возможность диссипации энергии при последовательном образовании и разрыве адгезионных связей. В последующем идея диссипации энергии при прохождении процесса обмена связями была развита в различных теориях трения советскими учеными В.Д. Кузнецовым и Г.И. Бартеневым, а также англичанином Д.А. Томплинсоном и другими.

В 1935 г. Б.В. Дерягин развил теорию трения, исходя из молекулярных представлений и применительно к внешнему трению, предложил двучленный закон. В последующие годы получила развитие молекулярно-механическая теория трения прежде всего благодаря работам И.В. Крагельского, Ф. Боудена и Д. Тейбора.

Режим трения определяется отсутствием или налич