автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение долговечности капитально отремонтированных тракторных дизелей применением гидроаккумулятора в смазочной системе

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Потапов Сергей Владимирович

УДК 621.436:621.822.

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КАПИТАЛЬНО ОТРЕМОНТИРОВАННЫХ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПРИМЕНЕНИЕМ ГИДРОАККУМУЛЯТОРА В СМАЗОЧНОЙ СИСТЕМЕ

Специальность 05.20.03 - Эксплуатация, восстановление

и ремонт сельскохозяйственной техники

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель докт. техн. наук , профессор Научный консультант канд. техн. наук, доцент

В.И. Суркин Ю.В. Рождественский

Челябинск, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. СОСТО ЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИ Я.... 9

1.1. Условия сельскохозяйственной эксплуатации тракторных дизелей..................................................................................................................................................................................9

1.2. Влияние различных факторов на долговечность ДВС..............12

1.3. Анализ существующих методов расчета и моделирования смазочных систем............................................................................................................................30

1.4. Обоснование цели и задач исследования...............................33

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СМАЗОЧНОЙ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛ ЯД-440 С ГИДРОАККУМУЛ ЯГОРОМ..................................................36

2.1. Общие принципы моделирования........................................................................................37

2.2. Макромодепи элементов смазочной системы............................................47

2.2.1. Насосы....^..........................................................................................................................................................................47

2.2.2. Клапаны.....................................................................................................................49

2.2.2.1. Клапан напорный предохранительный......................................................................49

2.2.2.2. Обратный клапан...................................................................................................50

2.2.3. Фильтр........................................................................................................................................................................................51

2.2.4. Масляный радиатор.................................................................................................................51

2.2.5. Гидролиния.................................................................................... 52

2.2.6. Источник постоянного давления.....................................................................52

2.2.6.1. Источник постоянного давления при движении жидкости

по каналам кривошипа..................................................................52

2.2.6.2. Источник постоянного давления при движении жидкости

по каналам шатуна................................................................................53

2.2.7. Гидравлические сопротивления..............................................................................................53

2.2.7.1. Гидравлическое сопротивление при входе в канал

коренной шейки коленчатого вала с канавкой..............................................53

2.2.7.2. Гидравлическое сопротивление при выходе из каналов шатунных шеек............................................................................. 56

2.2.7.3. Гидравлическое сопротивление коренного подшипника..... 57

2.2.7.4. Гидравлическое сопротивление шатунного подшипника.... 57

2.2.7.5. Гидросопротивление внезапное расширение....................... 58

2.2.7.6. Гидросопротивление внезапное сужение............................... 58

2.2.7.7. Гидросопротивление диффузора............................................. 59

2.2.8. Гидроаккумулятор........................................................................ 60

2.3. Комплексный алгоритм расчета смазочной системы........... 61

2.4. Решение тестовых примеров..................................................... 65

2.5. Результаты расчета смазочной системы................................ 68

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..... 78

3.1. Общая методика экспериментальных исследований........... 78

3.2. Методика исследования основных оценочных

параметров.................................................................................... 82

3.3. Обработка экспериментальных данных.................................. 96

3.4. Оценка погрешностей измерений............................................. 100

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ ТРИБОСИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛ ЯД-440

НА ТРАКТОРЕ ДТ-75МВ В УСЛОВИ ЯК ЭКСПЛУАТАЦИИ.....105

4.1. Исследование параметров трибосистемы на установившихся режимах.............................................................................105

4.1.1. Исследование давления подачи масла................................... 105

4.1.2. Исследование минимальных зазоров...................................... 111

4.1.3. Исследование гидродинамических давлений......................... 116

4.1.4. Исследование подачи масла через коренной подшипник..... 122

4.1.5. Исследование температуры подшипников............................. 126

4.1.6. Исследование давления масла после насоса........................ 130

4.2. Исследование параметров трибосистемы на некоторых

неустановившихся режимах...................................................... 131

4.2.1. Исследование параметров трибосистемы при пуске двигателя ............................................................................................. 131

4.2.2. Исследование параметров трибосистемы при работе трактора на эксплуатационных режимах................................ 136

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ПРИМЕНЕНИ Я ГИДРОАККУМУЛ ЯГОРА НА ДВИГАТЕЛЕ 147

ВЫВОДЫ....................................................................................... 151

ЛИТЕРАТУРА................................................................................153

Приложения.................................................................................. 167

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях актуальной задачей машиностроения является повышение долговечности машин. Наибольшее применение на тракторах, автомобилях и других машинах, используемых в сельском хозяйстве, промышленности и на транспорте получили двигатели внутреннего сгорания и дизели в частности.

В большинстве новых и капитально отремонтированных двигателей долговечность лимитируется главным образом парами трения, на которые приходится основная доля механических потерь.

Известно, что до 70% всех дизелей, эксплуатируемых в сельском хозяйстве, хотя бы один раз подвергались капитальному ремонту. Их ресурс по данным ГОСНИТИ составлял до настоящего времени всего 40...60% ресурса новых двигателей аналогичных марок [48]. ГОСТ 18524-85 на технические условия выпускаемых из капитального ремонта двигателей требует от ремонтных предприятий такого качества ремонта, при котором этот показатель был бы не ниже 80%. Понижение ресурса приводит к частой повторяемости капитальных ремонтов и обуславливает повышенные эксплуатационные, материальные и трудовые затраты. В наибольшей степени у капитально отремонтированных дизелей снижается долговечность - одна из основных характеристик надежности.

Новые и капитально отремонтированные двигатели эксплуатируются на одних и тех же предприятиях, примерно в одинаковых условиях. Это дает основание предположить, что значительное снижение долговечности капитально отремонтированных дизелей связано с особенностями технологических воздействий на них в период ремонта.

Ресурсные отказы дизелей, лимитирующие их долговечность, проявляются, в основном, в виде износов деталей ресурсоопределяю-щих сопряжений "гильза цилиндра - поршень" и "шейка коленчатого вала - вкладыш" [111]. На скорость их изнашивания с технологической

точки зрения, оказывает влияние большое количество факторов.

Долговечность двигателя зависит от качества ремонта основных агрегатов и узлов, а также от правильного подбора смазочного материала, режима его применения, от соблюдения правил эксплуатации машины, культуры ее обслуживания. Исследованиями установлено, что долговечность двигателя также в значительной степени зависит от функционирования смазочной системы. Для долговечной работы двигателя смазочная система должна обеспечить при пуске и при работе подачу смазки к парам трения своевременно и в требуемом количестве.

В реальной эксплуатации даже при положительных температурах окружающей среды при пуске автотракторных двигателей длительное время отсутствует смазка в основных парах трения, что приводит к граничному и сухому трению, а значит к повышенному их износу.

При эксплуатации трактора на основных сельскохозяйственных операциях двигатель работает на неустановившихся режимах, характерных переменной частотой вращения коленчатого вала и переменными нагрузками. Такие режимы работы двигателя вызывают пульсацию давления в смазочной системе от номинального значения до нуля, что приводит к масляному голоданию пар трения и, как следствие, к их повышенному износу. Это особенно усугубляется на капитально отремонтированных двигателях.

Для устранения указанных недостатков выдвинута гипотеза о возможности использования гидравлического аккумулятора в смазочной системе как для предварительной прокачки маслом в период пуска, так и стабилизации давления при неустановившимся режиме работы. Зарядка гидроаккумулятора (г/а) производится при работающем двигателе.

Цель работы - повышение долговечности капитально отремонтированного дизеля применением гидроаккумулятора в смазочной сис-

теме.

Объектом исследования является рабочий процесс смазочной системы и подшипников коленчатого вала.

Предметом исследования является установление закономерностей изменения параметров трибосистемы в условиях сельскохозяйственной эксплуатации.

Научная новизна заключается в следующем:

Разработана математическая модель рабочего процесса смазки ДВС с гидроаккумулятором, позволяющая определять основные параметры смазочной системы (расход и давление масла по элементам), взаимосвязь их с основными характеристиками пар трения (толщина и температура слоя смазки, гидродинамическое давление в нем, расход смазки).

Выявлено влияние эксплуатационных режимов (пуск, холостой ход и работа под нагрузкой трактора) на основные параметры смазки подшипников коленчатого вала.

Показана эффективность применения гидроаккумулятора для повышения долговечности пар трения на примере подшипников коленчатого вала капитально отремонтированного дизеля.

Практическая ценность. Разработанная методика расчета смазочной системы позволяет при конструировании и модернизации существующих систем смазки моделировать аварийные режимы, прогнозировать распределение потоков масла по мере износов в процессе эксплуатации. Предлагаемая смазочная система с гидроаккумулятором позволяет не менее, чем на 50% увеличить ресурс подшипников коленчатого вала отремонтированного двигателя.

Реализация результатов исследования. Смазочная система с гидроаккумулятором внедрена на тракторных двигателях А-41 и Д-440 в КСХП "Гудок" и АО "Октябрьское" Почепского района Брянской области и показала положительные результаты.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных конференциях Челябинского государственного агроинже-нерного универсисета [1992...1999 гг.], Брянской государственной сельскохозяйственной академии [1992... 1998 гг.].

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 8 публикациях: Вестнике Челябинского ГАУ, Материалах межвузовских научно-практических конференций (Брянск, БГСХА), а также в научно-техническом отчете.

На защиту выносятся:

- математическая модель рабочего процесса смазочной системы с гидроаккумулятором;

- метод улучшения параметров слоя смазки и повышения после-ремонтного ресурса коренных подшипников капитально отремонтированного дизеля Д-440 применением гидроаккумулятора в смазочной системе;

- результаты экспериментальных исследований, подтвердивших достоверность математической модели, эффективность предлагаемого метода повышения долговечности дизеля.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов. Общий объем работы составляет 182 страницы, из которых 14 страниц список литературы, состоящий из 138 наименований и 16 страниц приложений.

Автор обязан за сотрудничество и помощь в работе к.т.н., доцентам Русанову М.А., Сидорову В.Н., инженерам Иванюге М.М., заведующим лабораторий Лаврову В.И., Потаповой Т.Е., студентам Бондаренко Л.М„ Жевлакову С.А., Егорову П.С., Буйневичу Г.В.

1. СОСТО ЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИ Я

1.1. Условия сельскохозяйственной эксплуатации тракторных дизелей

Особенность эксплуатации сельскохозяйственных тракторов состоит в том , что их работа происходит в неблагоприятных условиях, связанных с сезонностью работ, ограниченностью сроков посева и посадки культур, уборки урожая или других полевых компаний. При этом тракторы работают на форсированных режимах, в условиях высокой мобильности. В связи с этим составные элементы трактора, в том числе и двигатель, испытывают высокую динамическую нагруженность. Этому также способствуют взаимодействия между собой агрегатов, воздействия почвы, рельефа и других факторов. Интенсивное абразивное изнашивание происходит в результате повышенной запыленности и загрязненности узлов и деталей, хранения техники без достаточной защиты от неблагоприятных атмосферных воздействий и осадков. Как правило, при постановке сельскохозяйственной техники на долгосрочное хранение не используются эффективные средства консервации.

Важнейшими факторами, во многом определяющими долговечность трактора, и двигателя в частности, являются природно - климатические условия, к которым относятся: температура окружающей среды, влажность и запыленность воздуха, атмосферное давление, уровень солнечной радиации, агрессивность внешней среды, количество выпавших осадков.

Наибольшее влияние на работу дизеля оказывает температура окружающего воздуха. Колебания температуры в одной и той же местности могут достигать в нашей стране от 40...60 до 100...110°С.

При высокой температуре окружающего воздуха будет высокой и температура агрегатов и деталей двигателя, что повлияет на его работу в целом. Низкая вязкость топлива способствует его утечкам в плун-

жерных парах топливного насоса, в результате чего уменьшается цикловая подача и давление впрыска, утечкам через отверстия форсунок, вызывая образование нагара при сгорании топлива в цилиндрах.

При температуре окружающего воздуха свыше 32...35°С работа трактора на малой скорости с повышенными нагрузками может привести к нагреву масла и охлаждающей жидкости двигателя до Ю0...110°С 156]. Масло, нагретое в картерах до высоких температур, вытекает через сапун, плоскости разъема, сальниковые уплотнения и крышки подшипников. Нагрев масла влияет на скорость его окисления: чем больше температура, тем выше скорость окисления. В результате окисления масло теряет свои основные качества.

С понижением температуры воздуха степень использования и производительность трактора понижаются. Особенно сложна проблема пуска двигателей зимой при безгаражном хранении машин. Пуск двигателей в зимний период требует значительных затрат труда и времени, а в случае отказа системы пуска является причиной простоя трактора.

Нарушение необходимых условий эксплуатации и отсутствие средств для соответствующей подготовки техники к местным условиям вызывает задержки выезда машин на работу. Снижение производительности, повышение затрат квалифицированного труда механизаторов, наносит значительный ущерб хозяйствам.

Снижение температуры окружающего воздуха на 10°С вызывает уменьшение температуры охлаждающей жидкости двигателя на 7...8°С, масла в картере - на 4..5°С, мощности двигателя на 0,6...2%, повышения износа поршневых колец на 6%, удельного расхода топлива на 1,4...5% [108].

В реальных условиях эксплуатации двигатель зачастую является работоспособным, но неисправным. При этом системы и узлы требуют технического обслуживания и ремонта, однако двигатель продолжают

эксплуатировать. Проведенные Н.В. Храмцовым исследования в хозяйствах Тюменской области показали, что значительная часть узлов, систем и сопряжений тракторных дизелей, находящихся в эксплуатации требует регулировочных, смазочных, ремонтных и иных воздействий, лишь половина проверенных параметров этих двигателей соответствует нормативно - технической документации [122]. Внешний осмотр тракторных двигателей показал, что у большинства из них в результате подтекания топлива и смазки высока загрязненность поверхностей. На некоторых тракторах отсутствовали крышки маслозалив-ных горловин, пробки бензобака пускового двигателя и радиатора. Обнаружены ослабление крепежа и смятие резьбы. Сравнение состояния новых и капитально отремонтированных двигателей показало, что из них только 55% новых и 46,2% капитально отремонтированных соответствуют нормативным показателям, а также о существующем отличии (8,2%) уровня эксплуатационной дефектности новых и капитально отремонтированных двигателей.

Качество ремонта автотракторных двигателей на многих ремонтных предприятиях ниже нормативного из-за отклонений в технологической дисциплине, вследствие "упрощения" технологических операций исполнителями, недостатка и низкого качества запасных частей и материалов, невысокой точности и недостаточности ремонтно - технологического оборудования, оснастки, приспособлений и инструмента. Пониженный межремонтный ресурс и его недоиспользование ведут к возрастанию количества капитальных ремонтов двигателей. Ресурс двигателя должен восстанавливаться только при достижении им предельного состояния. Однако в