автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Повышение износостойкости цилиндров автомобильных двигателей при восстановлении

На правах рукописи

005015606

Ратников Александр Станиславович

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОИКОСТИ ЦИЛИНДРОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ

Специальность 05.22.10 - эксплуатация автомобильного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2011

005015606

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых"

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Кириллов Александр Геннадьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Антропов Борис Сергеевич

кандидат технических наук, Алехин Дмитрий Борисович

Ведущая организация:

ООО «Авторемонтный комбинат» г. Владимир

Защита диссертации состоится

2011 г. в /^ч. на заседании диссертационного совета Д212.025.02 при Владимирском государственном университете им. А.Г. и Н.Г.Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.87,

Ознакомиться с диссертацией можно в научной библиотеке университета.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.87, ученому секретарю диссертационного совета Д212.025.02.

Автореферат разослан «/£? »

УГ 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Баженов Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. По данным статистических исследований отказов автомобильных двигателей, поступающих в ремонт, на детали цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) приходится до 20% всех отказов, а затраты на их восстановление составляют более 30% от всех затрат на капитальный ремонт двигателя.

При ремонте деталей ЦПГ одним из наиболее дорогостоящих и технически сложных является технологический процесс восстановления сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо». В связи с этим разработка новых эффективных методов и технологий при восстановлении цилиндров автомобильных двигателей, с целью повышения их износостойкости является актуальной задачей.

В результате многочисленных стендовых моторных и эксплуатационных испытаний в нашей стране и за рубежом установлено, что преобладающим видом изнашивания цилиндров, оснащенных современными устройствами для очистки масла и воздуха и изготовленных из коррозионностойких материалов, является молекулярно-механическое изнашивание (истирание). Анализ показывает, что снижение интенсивности этого вида изнашивания следует искать в направлении сокращения времени непосредственного контактирования трущихся деталей при одновременном повышении твердости их поверхности.

Среди ряда известных подходов к решению этой проблемы большой интерес представляют методы поверхностного пластического деформирования (ППД). Однако, как показывает анализ, распространенное объяснение повышения износостойкости ЦПГ в ходе ППД увеличением так называемой маслоемкости поверхности^ имеет расхождения с основными положениями гидродинамики и физики граничного трения, что сдерживает широкое внедрение этого метода в технологические процессы восстановления цилиндров автомобильных двигателей.

В данной работе предложена рабочая гипотеза, предполагающая возможность повышения износостойкости сопряжения «цилиндр -поршневое кольцо» за счет одновременного улучшения в нем условий гидродинамического и граничного режимов трения путем максимизации гидродинамической несущей способности (далее ГНС) и воздействия на структуру граничной пленки поверхностей трения.

Цель работы состоит в теоретическом обосновании, расчетной оценке и экспериментальной проверке эффективности применения технико-технологических решений, реализующих положения принятой рабочей гипотезы.

Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:

- выполнить гидродинамический анализ сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо», предусматривающий получение обобщенных соотношений для назначения рациональных величин шаго-высотных параметров микрорельефа цилиндров автомобильных двигателей, поступающих в ремонт;

-разработать расчетные модели изнашивания сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо» для компьютерной программы на базе этих моделей;

-выполнить расчеты минимальной толщины слоя смазочного материала, износа и мощности механических потерь в сопряжении «цилиндр-поршневое кольцо»;

-создать методики лабораторного тестирования, а также ускоренных триботехнических (на машине трения) и моторных (на полноразмерном двигателе) сравнительных ускоренных испытаний опытных объектов.

-провести испытания по разработанным методикам для подтверждения теоретических рекомендаций по повышению износостойкости цилиндров автомобильных двигателей при восстановлении;

Положения, содержащие научную новизну:

1) комплексный (гидродинамический и трибологический) подход к обеспечению износостойкости деталей ЦПГ;

2) метод гидродинамического анализа и теоретически выведенные на его основе обобщенные (пригодные для любой размерности двигателя) соотношения для назначения рациональных параметров микрорельефа цилиндра;

3) расчетные схемы изнашивания сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо», учитывающие характер контактирования деталей.

Методы исследования:

1) гидродинамический анализ ГНС смазываемой микрорельефной поверхности цилиндра;

2) расчет изнашивания поверхности поршневого кольца;

3) лабораторный, триботехнический и моторный эксперименты.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов

работы обусловлены применением классической теории гидродинамической смазки и физики граничного трения; использованием апробированного расчетного средства; подтверждением результатов расчета в ходе экспериментов, выполненных на типовом, метрологически аттестованном оборудовании.

Практическая ценность результатов работы состоит в рекомендациях по микропрофилированию цилиндров автомобильных двигателей, обеспечивающих повышение износостойкости сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо» при восстановлении методом ППД (получен патент на полезную модель); в технологии повышения износостойкости цилиндров при восстановлении, реализованной при нанесении

микрорельефа на опытный образец цилиндра; а также в методике сравнительных ускоренных испытаний опытных объектов на машине трения и двигателе.

Работа выполнена на кафедре «Автомобильный транспорт» Владимирского государственного университета. Эксперименты проведены в лаборатории двигателей кафедры «Тепловые двигатели и энергетические установки» ВлГУ. Разработанные рекомендации и технология повышения износостойкости цилиндров при восстановлении внедрены на авторемонтном предприятии ООО «НАРС», расчетные модели,

программа и результаты расчета используются в учебном процессе кафедры «Автомобильный транспорт» ВлГУ.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях: «Двигатель-2010» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 16 октября 2010 г.); «Научные проблемы развития ремонта, обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (ГОСНИТИ, Москва, 14-15 декабря 2010 г.); а также заседаниях кафедры «Автомобильный транспорт» ВлГУ в 2008-2011 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 в изданиях по списку ВАК.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Она включает 124 страницы основного текста, содержащего 10 таблиц и 74 рисунка, а также 15 страниц списка литературы из 150 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы, сформулированы цель и задачи работы, изложены методы исследования, приведены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе обсуждены принципы, методы и технико-технологические решения, связанные с повышением износостойкости сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо» при восстановлении цилиндров, показана актуальность объединения лучших сторон методов плосковершинного хонингования (ПВХ) и ППД, а также упрочнения поверхностей на молекулярном уровне для комплексного решения задачи.

Обзор ранее выполненных научно-исследовательских работ, относящихся к теме диссертации (Аникин С.А., Асташкевич Б.М., Бочков A.A., Григорьев М.А., Кошелев А.Г., Симдянкин A.A., Смелянский В.М., Соколенко И.Н., Усенко В.И., Энглиш К., а также Kruse Н., Bartz W., Palasios J., Todsen U. и др.), выявил не только перспективность, но и нерешенность ряда вопросов повышения износостойкости деталей ЦПГ, связанных, в частности, с совместным применением

микропрофилирования и трибологических составов (ТС), предназначенных для введения в моторное масло. Относительно маслоснабжения трущейся пары «цилиндр-поршневое кольцо» можно констатировать следующее: несмотря на наиболее распространенный и в целом несовершенный способ подачи моторного масла разбрызгиванием, дефицит смазочного материала в указанном сопряжении имеет место лишь при холодном пуске и аномальных ситуациях, связанных с нарушениями в работе системы смазки. Небольшого количества моторного масла, остающегося на стенке цилиндра в результате инерционного заброса из зазоров вращающейся шатунной шейки, оказывается достаточно для обеспечения установившегося режима трения и изнашивания.

Таким образом, моторное масло было и остается важнейшим компонентом триады трения «тело - смазочный материал - контртело». На основе сопоставления известных работ по химмотологии и гидродинамике, можно утверждать, что трибологическое действие моторного масла осуществляется на двух уровнях: микро- и макро. В первом случае речь идет об участии химических веществ, входящих в состав моторного масла, в формировании граничной пленки, подавляющей трение и изнашивание смазываемых поверхностей. Во-втором - масло выступает как вязкая несжимаемая жидкость, способная при определенных условиях создавать уравновешивающее внешнюю нагрузку противодавление - ГНС.

Из приведенного выше следует, что в установившемся режиме изнашивания по типу молекулярного истирания износ может быть подавлен одновременным повышением ГНС смазываемой поверхности и молекулярной твердости граничных пленок, покрывающих поверхность.

Разработка технологии восстановления цилиндров автомобильных двигателей, позволяющей решить указанные аспекты задачи повышения износостойкости сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо», составила цель и задачи диссертации, формулировка которых приведена выше.

Во второй главе приведено обоснование методов микропрофилирования и формирования противоизносной граничной пленки применительно к цилиндру автомобильного поршневого двигателя.

На теоретическом этапе, в целях получения максимально обобщенного аналитического решения, были приняты упрощающие допущения, традиционные дня гидродинамической теории смазки.

Согласно модели Дж. Арчарда линейный износ поверхности детали в режиме молекулярно-механического изнашивания может быть определен как

где к — эмпирический коэффициент фрикционного взаимодействия; ц — давление в контакте, определяемое по контактной теории Герца; V - скорость

движения тела; / - время контактирования деталей; Н — твердость изнашиваемого тела.

Из рассмотрения зависимости (1) следует, что при условии невмешательства в кинематику, режим работы и физические свойства пары трения (параметры V, N. <] и Н неизменны), для снижения износа необходимо стремиться к сокращению времени контактирования Л В условиях наличия смазочного материала в сопряжении «цилиндр-поршневое кольцо» добиться этого можно максимизацией ГНС. В частности, это достигается применением специального микрорельефа на зеркале цилиндра, содержащего канавки (треугольной либо круглой формы), обеспечивающие необходимое сужение профиля масляной пленки в направлении вектора скорости скольжения поршневого кольца.

Постановка задачи данного исследования состояла в аналитическом определении рациональных значений шаго-высотных параметров микрорельефа цилиндра, максимизирующих его ГНС. Для нахождения погонной (приходящейся на единицу ширины профиля) гидродинамической несущей способности (далее ПГНС) использовали решение уравнения Рейнольдса в виде распределения по осевой (в направлении вектора скорости г) координате х гидродинамического давления р для произвольной (интегрируемой) функции зазора И(х) на длине V.

р(х) = 6{л>

Г (¡X

Щх)'г с1х

(• ск

М*) у

ск

А'М

(2)

Применительно к расчетной схеме микрорельефа, представленного на рис.1, решение интегралов, входящих в функцию (2), и интегрирование полученного выражения после преобразований дает выражение для ПГНС:

Я

Здесь

^ ' З1 2 2(<?+1)2-¿(¿475 + 2)

(3)

(4)

где Я--

- относительная длина наклонного участка микрорельефа

(шаговый параметр); 8 =

Я,-Я, Я,

микрорельефа (высотный параметр).

относительный перепад высот

н. м Я;

1, й- Н X

£

Рис.1. Расчетная схема фрагмента микрорельефа цилиндра

Решение задачи сводится к нахождению значений шаго-высотных параметров

микрорельефа Л и 3, максимизирующих безразмерную функцию определяемую

выражением (4).

С учетом геометрии фрагмента микрорельефа на рис. 1, область существования значений относительной длины наклонного участка Я описывается неравенством 0£Я<0,5. Для относительного перепада высот микрорельефа д на основе

анализа параметров топографии выполненных конструкций область существования может быть определена как 0<<5<5. Аналитический способ нахождения глобального максимума функции двух переменных ^¿¡Л) весьма трудоемок, поэтому применяли графический прием (рис.2). Полученные в результате этого расчета рациональные значения параметров д и Л, а также связанного с ними глобального максимума функции Л) составили: ¿¿=1,121; Ло=0,344; #(<5ь,Ло)=0,01!.

Рис.2. Поле расчетных значений безразмерной функции ПГНС микрорельефа цилиндра

Подстановка в уравнение (1) параметров микрорельефа позволяет проследить распределение гидродинамического давления по длине зазора

и, таким образом, проанализировать характер грузоподъемности по участкам (рис.3). Из рассмотрения графика на рис.3 видно, что в условиях возвратно-поступательного (реверсивного) движения, характерного для кинематики поршневого кольца, как на прямом, так и на обратном ходе площадь положительной части эпюры давления всегда будет больше площади отрицательной части. Назначение рациональных значений шаго-высотных параметров максимизирует положительную площадь эпюры при прочих равных условиях. При этом, для замыкания решения необходимо задать шаг микрорельефа £ и выбрать минимальный зазор в сопряжении Я/.

Рис.3. Распределение гидродинамического давления по длине микрорельефа цилиндра

Очевидно, что при заданной осевой высоте поршневого кольца 5 возможны следующие основные варианты выбора шага микрорельефа ¿:

1. Соизмеримый шаг (¿=6);

2. Увеличенный шаг (£^5);

3. Уменьшенный шаг (¿<5).

В первом варианте в пределах осевой высоты поршневого кольца располагается один фрагмент микрорельефа; во втором - определенная его часть; в третьем, наоборот, несколько фрагментов. В целях обоснованности выбора шага микрорельефа было численно оценено, в каком из рассматриваемых вариантов сопряженные поверхности формируют наибольшую по значению ПГНС.

Для упрощения вычислений принимали единичные значения характерных высот и длин, при этом микрорельефу с соизмеримым шагом (вариант 1) задавали значения шаго-высотных параметров, близкие к вышеприведенным рациональным, а именно: (5=1,0; <1=0,333. Тогда

вариант 2 - это пропорционально увеличенное, а вариант 3 - уменьшенное в два раза фрактальные отображения варианта 1.

Воспользуемся формулой (4) для подсчета ПГНС треугольного микрорельефа. Прочими равными условиями корректного сравнения вариантов будут: геометрическое подобие форм микрорельефа; постоянство шага микрорельефа £ и высоты кольца 5, а также постоянство минимального зазора Дг.

Как следует из данных в табл.1, максимальную несущую способность при прочих равных условиях обеспечивает микрорельеф с соизмеримым по отношению к заданной высоте поршневого кольца шагом.

Таблица 1

Результаты расчета параметров микрорельефа с различными вариантами

шага: 1 —соизмеримый; 2 - увеличенный; 3 - уменьшенный

ПГНС (Pxjuv)

Вариант 8 Я Абсолютное значение Относительная разница, %

1 1,0 0,333 0,613 0

2 0,5 0,167 0,384 -37

3 0,5 0,333 0,258 -58

В итоге получаем, что рациональное значение шага микрорельефа L будет соизмеримо с осевой высотой поршневого кольца S (известная величина). Глубина канавки или абсолютный перепад высот профиля микрорельефа Я=//2-Я), а также длина его наклонного участка 1ц определяются из аналитически полученных ключевых соотношений: Н= 1,121-Я/ и //j=0,344-L Минимальный зазор в сопряжении «поршневое кольцо-цилиндр» Я/ назначается с учетом величины рабочего зазора в замке кольца сг Ht=cflK.

Решение задачи повышения молекулярной прочности граничных пленок на сопряженных поверхностях цилиндра и поршневого кольца получено из анализа физических предпосылок, указывающих на возможность и целесообразность применения в моторном масле металлических мыл, в частности, стеаратов цинка Zn(C|8H3502)2- Именно эти вещества, по сравнению с другими известными модификаторами трения (графит, слюда, политетрафторэтилен, сульфиды металлов, хлорпарафины и т.п.) отвечают комплексному требованию эффективности и экологической безопасности. ТС на основе стеарата цинка были рекомендованы к последующим лабораторным, триботехническим и моторным испытаниям.

В третьей главе представлена методика получения и анализ результатов сравнительного расчетного исследования износа поршневого кольца при работе в цилиндрах с различной топографией внутренней поверхности. Средство расчета - компьютерная программа RING,

ю

апробированная в известных работах к.т.н., доц. С.А. Аникина и кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана, была принята к использованию и доработана с целью учета наличия микрорельефа на цилиндре. Назначение программы: расчет динамики, гидродинамики и трибологии, включая линейный износ обращенной к цилиндру поверхности поршневого кольца, внесенный дополнительно в программу на основании результатов, представленных в гл. 2 данной работы. Математический аппарат программы базируется на уравнении Рейнольдса, а также на зависимостях, используемых для расчета сил трения и изнашивания кольца. Исследование велось применительно к конструкции и получаемому после приработки профилю (рис.4) второго компрессионного конического поршневого кольца малоразмерного быстроходного дизеля 14 8,5/8,0 (ТМЗ-450Д производства ОАО «АК «Туламашзавод»») на номинальном режиме его работы: эффективная мощность 8кВт, частота вращения коленчатого вала ЗбООмин"1.

Объектами исследования были выбраны четыре цилиндра, отличающихся формой

трущейся поверхности: 0 — без микрорельефа (база сравнения); 1 - с микрорельефом, имеющим рациональные (согласно

результатам гл.2) шаго-высотные параметры; 2-е типовым микрорельефом по технологии ППД (обкатка шариком); 3 - аналог объекта 1, но с увеличенным в два раза шагом микрорельефа; 4 - аналог объекта 1, но с уменьшенным в два раза шагом микрорельефа. Цель расчетов состояла в проверке основных теоретических положений, представленных в гл.2 данной работы и указывающих на эффективность микрорельефа с рациональными шаго-высотными параметрами как с гидродинамической, так и с трибологической точек зрения. Для достижения этой цели было намечено решение следующих задач:

1. Сравнение гидродинамической и трибологической эффективности микрорельефов цилиндра с различными, в том числе и рациональными, шаго-высотными параметрами;

2. Определение погрешности линейной аппроксимации формы круглой канавки фрагмента микрорельефа;

Рис.4. Профиль рабочей поверхности 2-го компрессионного конического поршневого кольца дизеля ТМЗ-450Д, принятый в расчетах

п

3. Формирование по результатам сравнительного расчетного исследования микрорельефа цилиндра для последующих моторных испытаний.

Профили как кольца, так и цилиндра (микрорельеф) задавались вручную по точкам с помощью встроенного в программу высокоточного графического метода кривых Безье.

По данным табл.2, можно установить определенное подтверждение эффективности применения микрорельефа вообще и микрорельефа с рациональными значениями шаго-высотных параметров, в частности.

В полном соответствии с теорией лучшие результаты по снижению износа и трения поршневого кольца были получены расчетом для объекта 1 (цилиндра с рациональными значениями шаго-высотных параметров микрорельефа).

Таблица 2

Сопоставление результатов расчета трибологических показателей для

различных объектов (микротопографии цилиндра) дизеля ТМЗ-450Д

№ объекта Абсолютное значение и разница контрольных показателей

Средний линейный износ порш-невого кольца за 1000моточасов Мощность механических потерь на трение поршневого кольца

/?„,мкм ЛА„,,мкм А^кВт Л/У,,,,кВт

0 33 - - 0,85 - -

1 26 -7 -21 0,69 -0,16 -19

2 31 -2 -6 0,84 -0,01 -1

3 30 -3 -9 0,83 -0,02 -2

4 28 -5 -15 0,79 -0,06 -7

Примечание: Л и 5 - соответственно абсолютное и относительное (в процентах) значение разницы показателя по сравнению с объектом 0.

С учетом полученных результатов и особенностей типовой технологии шариковой раскатки хонинговальной головкой, для изготовления и моторных испытаний опытного цилиндра был предложен технический эскиз микрорельефа, состоящего из последовательности сферических канавок глубиной 0,07мм, образуемых шариком 05мм и сопряженных с плоским участком, при этом длина наклонного участка (половина длины канавки) составляла одну треть шага микрорельефа. Подробное описание микрорельефа приведено в полученном патенте на полезную модель.

Четвертая глава содержит методику и результаты сравнительных испытаний объектов на машине трения и поршневом двигателе. В программу экспериментов входило:

-лабораторное исследование ТС на основе стеарата цинка, включавшее синтез и проверку совместимости состава с системой смазки двигателя;

-определение на машине трения коэффициентов трения и износа пары материалов «сталь - чугун» при отсутствии и наличии в моторном масле (минеральное М-10ДМ SAE 30 API CD) указанного ТС (концентрация по объему 3%);

-оценка влияния рационального микрорельефа цилиндра на износостойкость сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо» и энергоэкономические показатели двигателя.

Используемая в качестве средства испытаний материалов машина трения МИ-б представляла собой стандартный трибометр вращательного типа, соответствующий международному классу Алмен-Виланд согласно ASTM D-3233. Назначение машины - измерение коэффициента фения и износа смазываемой пары образцов типа «неподвижная колодка (чугун) -вращающийся диск (сталь)». Для антифрикционных испытаний материалов на машине был принят хорошо апробированный метод сопоставления диаграмм Штрибека (зависимостей коэффициента трения смазываемой пары образцов/от параметра нагрузки Л). При тестировании на износостойкость применяли ускоренную методику, для чего смазываемая пара трения переводилась в состояние неконформного контактирования (по линии) и далее испытывалась в течение фиксированного времени при постоянной нагрузке. Оценка износостойкости производилась по ширине полосы износа h на неподвижном образце (чугунной колодке) при прочих равных условиях испытаний: меньшая ширина А указывала на большую износостойкость и наоборот.

Результаты лабораторных испытаний обнаружили приемлемую совместимость ТС, представлявшего собой коллоидный раствор стеарата цинка в полиальфаолефине, с системой смазки по критерию проходимости фильтрующего элемента масляного фильтра.

1

'___

--- - —

V, L-—■ - Г

— _ 2

1

а 1 2

Рис.5. Диаграммы Штрибека (а) и ширина полосы износа (б) смазываемых образцов машины трения: I - моторное масло без ТС; 2 -моторное масло с ТС на основе стеарата цинка

В ходе триботехнических испытаний было подтверждено прогнозировавшееся (гл.1 и гл.2) снижение трения и изнашивания при наличии ТС в моторном масле (рис.5). С учетом инструментальной погрешности измерений (3%) разница сравниваемых величин коэффициентов трения во всем диапазоне измерений оказалась значимой (минимальная 6%). Максимальная разница значений коэффициента трения, равная 0,009 или 8%, пришлась на зону смешанного режима трения. Максимальные разницы значений коэффициента трения для левой и правой ветвей графика составили соответственно 0,006 (6%) и 0,008 (7%). Относительное повышение износостойкости пары трения, вызванное применением ТС в моторном масле, по результатам ускоренных испытаний на машине трения выразилось значением 38%.

Моторные испытания проводились также по специально разработанной ускоренной методике. Ускорение основывалось на применении известного принципа искусственных баз: в качестве такой базы была принята коническая рабочая поверхность 2-го компрессионного поршневого кольца средства испытаний - малоразмерного быстроходного дизеля ТМЗ-450Д.

Испытания велись 5-и часовыми последовательными циклами, в ходе которых двигатель работал на мощности 7кВт при постоянной частоте вращения ЗОООмин1. В конце каждого цикла двигатель останавливали, разбирали ЦПГ и измеряли осевую высоту полосы износа конического профиля контрольного поршневого кольца. Перед началом испытаний оценивали компрессию, а в конце испытаний снимали серию типовых характеристик - механических потерь, холостого хода и внешнюю скоростную - по ГОСТ 14846-81. Перед началом и после испытаний проводили микрометрирование зеркала цилиндра.

Объектами испытаний были серийный (без микрорельефа) и опытный (с микрорельефом) цилиндры, которые тестировали по указанной методике каждый раз с новым комплектом поршневых колец.

« „* 4 • • !■» Ч I* И ¿4 Г-'*

Рис.6. Схема измерения (я) и динамика относительного износа Л 2-го компрессионного конического поршневого кольца дизеля ТМЗ-450Д (б): сплошная линия - кольцо в серийном цилиндре, пунктирная - кольцо в опытном цилиндре

Л, МИ*-' и Г'кВг ч

а б

Рис.7. Характеристики механических потерь (я) и холостого хода (б) дизеля ТМЗ-450Д: 1 - серийный цилиндр; 2 — опытный цилиндр м„н. Компрессия в цилиндрах,

измеренная до испытаний, была в пределах статистической нормы для данного двигателя, а именно: от 2,6 до 2,8МПа. По результатам микрометрирования зеркала

цилиндров получено, что значимого износа за время испытаний (20ч) ни у серийного, ни у опытного цилиндров не произошло.

Как можно видеть из сравнения динамики износа конического поршневого кольца (рис.6), применение микрорельефа цилиндра позволило значимо снизить интенсивность изнашиваний кольца.

Разница в относительном износе рабочей поверхности 2-го компрессионного конического кольца А при переходе от серийного

цилиндра к опытному составила 6%.

N. -И

----- --------- ----- ——

/ /

У

/

г

----

Рис.8. Внешняя скоростная характеристика дизеля ТМЗ-450Д: сплошная линия -серийный цилиндр; пунктирная линия -опытный цилиндр

Работа двигателя по типовым характеристикам четко выявила преимущество опытного цилиндра над серийным. Так, из сопоставления характеристик механических потерь и холостого хода видно (рис.7), что применение опытного цилиндра с микрорельефом, имеющим рациональные значения шаго-высотных

параметров, вызвало снижение механических потерь во всем диапазоне скоростного режима дизеля ТМЗ-450Д. При этом максимальная разница мощности механических потерь (0,3кВт или 8%) достигнута в области средних и высоких частот вращения коленчатого вала двигателя, что указывает на гидродинамическую природу эффекта и согласуется с ранее принятой рабочей гипотезой о максимизации ГНС в сопряжении «цилиндр-поршневое кольцо».

При сравнении графиков, представленных на рис.8 видно, что отмеченное выше снижение механических потерь, обусловленное применением микрорельефа на цилиндре, вызвало соответствующее значимое повышение крутящего момента, мощности и, как следствие, снижение удельного эффективного расхода в области средних и высоких частот вращения коленчатого вала, в частности, на 13г/кВтч или 5% на номинальном режиме работы.

Итоговые показатели на номинальном режиме работы двигателя (табл.3) свидетельствуют о подтверждении эффективности представленных в данной работе рекомендаций, давших положительный эффект как по снижению износа, так и по улучшению энергоэкономичности.

Таблица 3

Итоговые значения снижения износа и улучшения энергоэкономических

показателей дизеля ТМЗ-450Д при использовании опытных объектов

Опытный объект Снижение (улучшение) показателя по отношению к серийному объекту, в %

Износ 2-го компрессионного поршневого кольца Мощность механических потерь Удельный эффективный расход топлива

Цилиндр с микрорельефом, имеющим рациональные шаго-высотные параметры 6 8 5

ВЫВОДЫ

1. В результате выполненных расчетно-экспериментальных исследований подтверждена гипотеза о возможности снижения износа сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо» за счет максимизации гидродинамической несущей способности и повышения молекулярной прочности граничной пленки поверхности трения цилиндра.

2. На основе гидродинамического анализа микрорельефа трущейся поверхности цилиндра предложена и исследована расчетная схема микрорельефа. В результате получены обобщенные соотношения для

назначения рациональных значений шаго-высотных параметров микрорельефа: шаг микрорельефа L соизмерим с осевой высотой поршневого кольца S; дайна его наклонного участка 0,344/,; глубина канавки //=1,121 Ht минимальный зазор в сопряжении «поршневое кольцо-цилиндр» Hi назначается с учетом величины рабочего зазора в замке кольца сг Н^оПк.

3. Разработаны и применены методики лабораторных, а также ускоренных триботехнических (ускорение основывалось на переводе смазываемой пары в состояние неконформного контактирования и оценке относительной износостойкости по ширине полосы износа) и моторных испытаний (ускорение основывалось на применении в качестве искусственной базы конической рабочей поверхности 2-го компрессионного поршневого кольца).

4.Трибологический состав (коллоидный раствор стеарата цинка в полиальфаолефине) выдержал испытания по разработанной ускоренной методике на машине трения, обеспечив снижение коэффициента трения смазываемой пары стальной диск - чугунная колодка на 8% и износа на 38%.

5. Восстановленный по разработанной технологии методом ППД опытный цилиндр прошел моторные испытания по разработанной ускоренной методике на поршневом дизельном двигателе ТМЗ-450Д, обеспечив по результатам испытаний существенное снижение износа, механических потерь и расхода топлива на 6%, 8% и 5% соответственно.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Из перечня ВАК России

1. Ратников A.C. Результаты гидродинамического исследования микрорельефа зеркала цилиндра / A.C. Ратников // Бюллетень транспортной информации.-2010.-№12.-С. 21-24.

2. Ратников A.C. Результаты расчетного исследования микрорельефа зеркала цилиндра / А.Г. Кириллов, A.C. Ратников // Труды Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка», 2011.-t.108.-C. 84-86.

3. Ратников A.C. Повышение износостойкости цилиндра автомобильного двигателя при использовании трибологических составов / А.Г. Кириллов, М.В. Латышев, A.C. Ратников. // Вестник Таджикского технического университета.-2011.-№3.-С.- 42-46.

В прочих изданиях:

4. Ратников A.C. Современные методы восстановления и повышения износостойкости гильз автомобильных двигателей / Айлаев А А., Ратников А.С //

Перспективы развития автосервиса: Материалы Межд. конф.-Владимир, 2008.-С. 15-18.

5. Ратников A.C. Оценка ремонтопригодности автомобилей / И.Н. Аринин, В.П. Овчинников, A.C. Ратников //Актуальные проблемы эксплуатации автотранспортных средств: Материалы Межд. конф.-Владимир, 2009.-С. 124-127.

6. Ратников A.C. Исследование износостойкости восстановленных гильз цилиндров автомобильного двигателя / И.Н. Аринин, A.C. Ратников //Актуальные проблемы эксплуатации автотранспортных средств: Материалы Межд. конф.-Владимир, 2009.-С. 130-133.

7. Ратников A.C. Задачи микропрофилирования внутренней поверхности цилиндра ДВС / A.C. Ратников // Двигатель-2010: Сб. научн. трудов Межд. конф.-М., 2010.-С. 105-107.

8. Патент на полезную модель № 104636 Российская федерация, МПК F02F1/20. Цшшндропоршневая группа / С.А. Аникин, А.Г. Кириллов, A.C. Ратников; заявитель С.А. Аникин, А.Г. Кириллов, A.C. Ратников; патентообладатель ВлГУ. - № 210149968/28; заявл. 06.12.2010; опубл. 20.05.2011.

Подписано в печать 08.11.11. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз.

заказ гъ5-ганг.

Издательство Владимирского государственного университета Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых 600000, Владимир, ул. Горького, 87.

61 12-5/1238

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

На правах рукописи УДК 629.113

РАТНИКОВ Александр Станиславович

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЦИЛИНДРОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ

05.22.10- эксплуатация автомобильного транспорта

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доцент Кириллов А.Г.

Владимир 2011

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

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

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

ЦИЛИНДРОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ....................................9

1.1. Режимы трения и изнашивания в ЦПГ автмобильных поршневых ДВС.....................................................................................9

1.2. Теоретические принципы повышения износостойкости деталей ЦПГ ДВС.................................................................................14

1.3. Математическое моделирование изнашивания деталей ЦПГ............24

1.4. Влияние режима работы и свойств моторного масла на износостойкость ЦПГ..........................................................................28

1.5. Известные конструкторско-технологические решения, направленные на снижение изнашивания цилиндра..........................................34

1.6. Микропрофилирование путем пластического деформирования внутренней поверхности цилиндра..........................................39

1.7. Выводы, постановка цели и задач исследования..........................43

2. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТЫ

ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЦИЛИНДРА

С МИКРОРЕЛЬЕФОМ НА ТРУЩЕЙСЯ ПОВЕРХНОСТИ...................46

2.1. Постановка задачи................................................................46

2.2. Основные допущения при анализе гидродинамики сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо».................................................47

2.3. Получение и анализ выражения гидродинамической несущей способности в сопряжении «цилиндр-поршневое кольцо» при отсутствии микрорельефа на зеркале цилиндра............................47

2.4. Анализ форм микрорельефа и оптимизация его шаго-высотных параметров...........................................................................53

2.5. Анализ соотношения шага микрорельефа на цилиндре с длиной (осевой высотой) поршневого кольца.......................................67

2.6. Ключевые соотношения для выбора рациональных значений параметров микрорельефа......................................................73

2.7. Обоснование допущения плоскостности поверхностей микрорельефа.....................................................................74

2.8. Физические предпосылки к выбору способа повышения твердости поверхности для снижения изнашивания.....................76

2.9. Разработка модели изнашивания сопряжения «поршневое кольцо-цилиндр»..................................................................78

2.10. Выводы.............................................................................81

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ МИКРОРЕЛЬЕФА НА ИЗНАШИВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЦПГ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ И ПРОГРАММЫ............83

3.1. Описание расчетной модели и программы.....................................83

3.2. Цель, задачи и объекты расчетного исследования............................86

3.3. Сравнение гидродинамической и трибологической эффективности микрорельефов на зеркале цилиндра.............................................95

3.4. Определение погрешности линейной аппроксимации формы круглой канавки фрагмента микрорельефа................................................99

3.5. Формирование микрорельефа для последующих моторных испытаний............................................................................100

3.6. Выводы...............................................................................101

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

ОПЫТНЫХ ОБЪЕКТОВ,,,,,,,,,.........................................................102

4.1. Лабораторный этап.................................................................102

4.1.1. Цель экспериментов.......................................................102

4.1.2. Объекты исследования, оборудование и результаты............... 102

4.2. Триботехнический этап............................................................105

4.2.1. Цель испытаний............................................................105

4.2.2. Объекты испытаний.......................................................105

4.2.3. Средство испытаний.......................................................105

4.2.4. Методика испытаний......................................................106

4.2.5. Результаты испытаний....................................................107

4.3. Моторный этап......................................................................109

4.3.1. Цель испытаний............................................................109

4.3.2. Объекты испытаний.......................................................109

4.3.3. Средство испытаний и оборудование.................................110

4.3.4. Регистрируемые показатели и погрешность измерений...........112

4.3.5. Методика испытаний......................................................113

4.3.6. Результаты испытаний....................................................115

4.4. Выводы...............................................................................121

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на значительный прогресс автомобилестроения и двигателе-строения, вызвавший в последние 10-15 лет существенное повышение технического уровня конструкций, проблема обеспечения надежности автотранспорта, в значительной мере связанная с износостойкостью основных трущихся деталей двигателя, по-прежнему актуальна.

По данным статистических исследований отказов автомобильных двигателей, поступающих в ремонт, на детали цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) приходится до 20% всех отказов, а затраты на их восстановление составляют более 30% от всех затрат на капитальный ремонт двигателя.

При ремонте деталей ЦПГ одним из наиболее дорогостоящих и технически сложных является технологический процесс восстановления сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо».

Процесс изнашивания деталей ЦПГ сопровождается сложными физико-химическими явлениями, учет которых позволяет разрабатывать и внедрять в ремонтное производство технико-технологические решения при восстановлении деталей, повышающие долговечность двигателей в эксплуатации. Развитие теорий о трении и износе привело к созданию физико-математических моделей подвижного контакта, которые в ряде случаев заметно облегчают анализ механизмов изнашивания и поиск путей их оптимизации. Применительно к трению наиболее разработанными на сегодняшний момент являются модели гидродинамического режима смазки и граничного трения, для описания изнашивания -модели усталостно-механического истирания. Тем не менее, в каждом конкретном случае применение этих моделей требует решения ряда специфических задач, связанных с проблемой идентификации и назначения граничных условий. В итоге лучший результат повышения износостойкости и улучшения показателей энергоэкономичности достигается там, где теоретические основы и расчеты находятся в тесной связи с качественно поставленным экспериментом.

В результате многочисленных стендовых моторных и эксплуатационных исследований в нашей стране и за рубежом установлено, что преобладающим видом изнашивания цилиндров, оснащенных современными устройствами для очистки смазки и воздуха и изготовленных из коррозионностойких материалов, является молекулярно-механическое изнашивание (истирание), интенсивность которого увеличивается с ростом скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя.

Очевидно, что снижение износа указанного типа следует искать на пути сокращения времени непосредственного контактирования трущихся деталей при одновременном повышении твердости их поверхности.

Одним из способов улучшения условий смазки и трения в сопряжении ЦПГ выступает применение так называемой плосковершинной топографии для трущейся поверхности цилиндра, которая помимо обеспечения хороших условий смазки, способствует также повышению качества и сокращения длительности приработки в период обкатки двигателя. Технологически получать плосковершинные поверхности стало достаточно просто после широкого внедрения процессов алмазного хонингования, обеспечивающих достижение стабильных показателей обработанной поверхности. Вместе с тем, следует заметить, что многочисленные испытания двигателей с цилиндрами, обработанными по технологии плосковершинного хонингования (ПВХ), в целом ряде случаев показали заметное увеличение расхода масла на угар. Это обстоятельство требует поиска новых технико-технологических решений повышения износостойкости цилиндров, лишенных указанного ограничения. Среди ряда известных подходов к решению этой проблемы наибольший интерес представляют методы поверхностного упрочнения и, в частности, поверхностного пластического деформирования (ППД). Однако этот подход также не свободен от принципиальных недостатков, связанных с уменьшением маслоемкости поверхности, а также резкого повышения трудоемкости и стоимости технологических операций при восстановлении цилиндров автомобильных двигателей.

Компромиссное решение может быть найдено на пути объединения лучших сторон технологии ПВХ и ППД, что и составило рабочую гипотезу исследования, предполагающую возможность повышения износостойкости цилиндра за счет одновременного улучшения гидродинамического и граничного режимов трения в сопряжении «цилиндр-поршневое кольцо».

Цель данной работы состоит в теоретическом обосновании, расчетной оценке и экспериментальной проверке применения комплексной трибологиче-ской подготовки внутренней поверхности чугунного цилиндра, обеспечивающей повышение износостойкости сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо».

Для достижения поставленной цели в работе предусматривается решение следующих задач:

- выполнить гидродинамический анализ сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо», предусматривающий получение обобщенных соотношений для назначения рациональных величин шаго-высотных параметров микрорельефа цилиндров автомобильных двигателей, поступающих в ремонт;

-разработать расчетные модели изнашивания сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо» для компьютерной программы на базе этих моделей;

-выполнить расчеты минимальной толщины слоя смазочного материала, износа и мощности механических потерь в сопряжении «цилиндр-поршневое кольцо»;

-создать методики лабораторного тестирования, а также ускоренных триботехнических (на машине трения) и моторных (на полноразмерном двигателе) сравнительных ускоренных испытаний опытных объектов;

-провести испытания по разработанным методикам для подтверждения теоретических рекомендаций по повышению износостойкости цилиндров автомобильных двигателей при восстановлении.

Положениями, содержащими научную новизну и выносимыми на защиту, в данной работе являются:

1) теоретические основы комплексного метода профилирования и модификации трущейся поверхности цилиндра повышенной износостойкости;

2) расчетные результаты проверки эффективности предложенных кон-структорско-технологических решений повышения износостойкости цилиндра;

3) методики лабораторной и моторной экспериментальной оценки про-тивоизносных свойств и механических потерь при ускоренных сравнительных испытаниях серийного и опытного цилиндров.

Основная практическая ценность результатов работы состоит в комплексной технологии повышения износостойкости цилиндров при восстановлении, объединяющей положительные качества ПВХ и ППД технологий.

Работа выполнена на кафедре «Автомобильный транспорт» Владимирского государственного университета. Эксперименты проведены в лаборатории двигателей кафедры «Тепловые двигатели и энергетические установки» ВлГУ. Разработанная технология повышения износостойкости цилиндров при восстановлении внедрена на авторемонтном предприятии ООО «НАРС» (г.Владимир), расчетные модели, программа и результаты расчета используются в учебном процессе профильной кафедры ВлГУ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ

ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЦИЛИНДРОВ ПОРШНЕВЫХ две

1.1. Режимы трения и изнашивания в ЦПГ поршневых ДВС

Износостойкость детали может быть определена как способность противостоять изнашиванию - процессу формоизменения подвижно контактирующей поверхности, сопровождающемуся необратимой потерей массы изнашиваемого тела. Износ в этом случае рассматривается как выраженный в тех или иных единицах результат изнашивания. Количественно износостойкость часто оценивают в размерности времени - как отношение предельно допустимого износа детали к скорости изнашивания:

где - предельно допустимый износ детали; ^-скорость изнашивания (отношение фактического износа детали к времени работы сопряжения).

На износ деталей машин вообще и ДВС, в частности, помимо внешней нагрузки, скорости движения, условий контакта и смазывания влияет множество факторов, параметры которых часто могут носить случайный характер: состав и структура покрытий, твердость и топография поверхностей трения, качество очистки впускаемого воздуха и применяемого смазочного материала, режим работы двигателя, характеристики топливоподающей аппаратуры и др. Поэтому при анализе износа чаще всего пользуются осред-ненными данными, дающими более объективную картину как причин, так и результатов изнашивания.

Практика эксплуатации показывает, что износостойкость автомобиля определяется, главным образом, износостойкостью его наиболее энергоемкого агрегата - ДВС. В свою очередь, износостойкость ДВС обусловливается износостойкостью наиболее нагруженных его деталей: цилиндра, поршневых колец, поршня и пальца, составляющих так называемую цилиндро-поршневую группу (ЦПГ).

Проблема повышения износостойкости ЦПГ поршневых машин традиционно привлекает внимание достаточно большого количества как отечественных, так и зарубежных специалистов. Этот интерес обусловлен тем, что от рациональной организации и протекания указанных процессов в этом узле трения в значительной мере зависят такие важнейшие показатели работы и технического уровня двигателя как топливная экономичность, расход масла на угар, надежность и ресурс. В ЦПГ, как ни в каком другом сопряжении поршневого ДВС, сосредоточены максимальные силовые потоки, механические и температурные напряжения; именно там достигают наивысших значений относительные скорости движения конструкционных и сдвига смазочного материалов. Немаловажен также и сам характер движения основных деталей - реверсивный, что, в отличие от одностороннего вращательного движения других сопряжений трения (например, подшипников коленчатого вала), резко ухудшает условия создания гидродинамического разделения движущегося тела и неподвижной опоры, приводя к увеличению времени непосредственного контактирования, а, значит, интенсивного трения и изнашивания деталей.

Среди исследователей, занимающихся проблемой снижения трения и повышения износостойкости деталей ЦПГ, до сих пор нет полного единства взглядов на то, какой режим трения и изнашивания превалирует в наиболее нагруженном сопряжении ЦПГ, а именно: «цилиндр-поршневое кольцо». В итоге, к настоящему времени сложились три взгляда на эту проблему:

1. Режим трения граничный, ведущий вид изнашивания - усталостно-механический, поскольку сила трения слабо зависит от скорости и масло-обеспечения, а износ пропорционален нагрузке на детали сопряжения [99, 116, 122, 136];

2. Режим трения на подавляющей длине хода поршня (кольца) гидродинамический, поскольку износ деталей ЦПГ имеет место лишь в зонах реверса хода поршня и носит преимущественно абразивный характер [16-21, 54, 68, 77-79, 86, 88, 119, 143, 148, 150];

3. Наиболее вероятный режим трения в сопряжении «цилиндр-поршневое кольцо» - переход от смешанного к граничному, т.к. экспериментально измеренные толщины слоя масла, а также значения сил трения и износа существенным образом зависят от характеристик поверхности и наличия антифрикционно-противоизносных присадок в моторном масле [98, 103].

Как следует из вышеприведенного, подавляющее большинство отечественных и зарубежных исследователей принимает гипотезу гидродинамического режима, что позволяет использовать хорошо разработанный математический аппарат этой теории для решения сложных задач. Однако, очевидна и слабость такого подхода, заключающаяся в заведомом упрощении действительной картины явлений трения и изнашивания в указанной паре. Таким образом, компромиссное решение видится в применении комплексного подхода, включающего как математическое моделирование, так и экспериментальное изучение процессов в подвижном контакте «цилиндр-поршневое кольцо».

Общеизвестно, что по характеру режима трения можно достаточно надежно судить о виде изнашивания смазываемой пары деталей. Как видно из рис. 1.1., где приведены расчетные данные о распределении режимов трения в сопряжении «цилиндр-поршневые кольца» и «цилиндр-поршень» автомобильного дизеля [93], вклады в износ цилиндра, обусловленные его контактированием с поршневыми кольцами и поршнем, существенно отличаются, а именно: есл�