автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение межремонтного ресурса дизелей путем адаптации формы поршневых колец к изношенной гильзе цилиндров при текущем ремонте

На правах рукописи

ЕРЮШЕВ МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ МЕЖРЕМОНТНОГО РЕСУРСА ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ АДАПТАЦИИ ФОРМЫ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ К ИЗНОШЕННОЙ ГИЛЬЗЕ ЦИЛИНДРОВ ПРИ ТЕКУЩЕМ РЕМОНТЕ (НА ПРИМЕРЕ ДВИГАТЕЛЯ ЯМЗ-2Э6)

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о • ■ - ~ --і

Саратов 2012

005017715

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».

Научный руководитель - Никитин Дмитрий Анатольевич,

кандидат технических наук

Официальные оппоненты: Межецкий Геннадий Дмитриевич,

доктор технических наук, профессор кафедры детали машин, подъемно-транспортные машины и сопротивление материалов ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова»

Гафиятуллин Асхат Асадуллович,

кандидат технических наук, доцент кафедры "Сервис транспортных систем" ФГБОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина»

Защита диссертации состоится 1 июня 2012 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

E-mail: dissovet@sgau.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ».

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл. 1, ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан «28» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С^^-О —-J

Н.П. Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основой продовольственной безопасности РФ с точки зрения технического обеспечения агропромышленного комплекса является энергонасыщенная высокопроизводительная автотракторная техника. Эксплуатация машин в сельском хозяйстве характеризуется сезонной нагрузкой, что требует высокой надежности всех агрегатов и систем. В наиболее напряжённые периоды сельскохозяйственных работ в агропромышленном комплексе занято до 65 % всей мобильной техники, от 60 до 80 % которой оснащено двигателями семейства ЯМЗ.

Одним из ресурсоопределяющих узлов современной мобильной техники в сельском хозяйстве является двигатель внутреннего сгорания, на его долю приходится до 50 % основных отказов и неисправностей мобильных машин и около 20 % трудоемкости технического обслуживания и ремонта. При этом отказы дизельных двигателей, впервые поступивших в ремонт, связаны, как правило, с изнашиванием и составляют 50-70 % от их общего количества. Основными проявлениями отказов являются: '

• сверхнормативный расход масла на угар, прорыв газов в картер (31-33 %);

• снижение мощности, повышенная дымность отработавших газов, затрудненный пуск (11-17 %);

• предельное снижение давления масла (7-9 %).

Наибольшее количество отказов и трудоемкость работ по техническому обслуживанию и ремонту двигателей приходится на детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Исследования тракторов с отремонтированными двигателями семейства ЯМЗ показали, что 30 % отказов двигателей приходится на ЦПГ.

Наиболее ответственными деталями с точки зрения обеспечения ресурса ЦПГ являются поршневые кольца.

Существующие в настоящее время способы расчета, изготовления и контроля точности воспроизведения формы поршневых колец не обеспечивают ресурс ЦПГ на уровне внедряемых в РФ экономических стандартов ЕЭК ООН Евро-2, Евро-3 и последующих версий. Доведение эксплуатационных показателей работы ЦПГ до уровня требований данных стандартов требует повышения точности расчетов и воспроизведения формы поршневых колец.

Все имеющиеся методы расчета формы поршневых колец в свободном состоянии имеют ряд допущений, несовместимых с современными требованиями.

Настоящая работа посвящена исследованию упругих свойств конструкционных материалов поршневых колец, их учету при расчете формы колец в свободном состоянии, конструированию оснастки для изготовления колец и контролю точности воспроизведения заданных параметров готовой продукции. Работа выполнялась в соответствии с темой «Проведение научных исследований по повышению надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве» приоритетного направления развития «Модернизация инженерно-технического обеспечения АПК» (Регистрационный номер 01201151795), разработанные методики использовались при выполнении государственных контрактов с МСХ РФ.

Цель работы - повышение межремонтного ресурса цилиндропоршневой группы совершенствованием метода расчета и технологии изготовления поршневых колец путем учета зависимости модуля упругости чугуна от напряжений изгиба.

Объект исследования - поршневые кольца ДВС.

Предмет исследования - закономерности, связывающие упругие свойства материалов поршневых колец с возникающими напряжениями изгиба, и их учет при расчете формы поршневых колец в свободном состоянии.

Методика исследований включала в себя лабораторные испытания физико-механических свойств конструкционных материалов поршневых колец, а также эксплуатационные испытания изготовленных колец в составе двигателей.

Лабораторным испытаниям подвергались образцы из специального серого чугуна. В частности, была эмпирически определена зависимость значения модуля упругости от величины изгибающих напряжений. Исследования проводились на самостоятельно изготовленном лабораторном оборудовании. В результате эксплуатационных испытаний определен остаточный ресурс восстановленных двигателей ЯМЗ-2Э6Д.

Научная новизна. Разработан метод расчета формы поршневых колец, учитывающий нелинейность упругих свойств конструкционных материалов.

Исследована зависимость упругих свойств специального серого чугуна от возникающих в результате изгиба нормальных напряжений.

Разработаны методики определения точности воспроизведения заданной формы поршневых колец и эпюры радиальных давлений.

Практическая ценность. На основании проведенных исследований предложена методика определения зависимости упругих свойств материала от возникающих при изгибе нормальных напряжений и учет этой зависимости при расчете поршневых колец, что позволяет увеличить ресурс двигателей семейства ЯМЗ в 1,15-1,2 раза по сравнению с двигателями, укомплектованными серийными кольцами.

Реализация результатов исследований. Изготовленная оснастка (копиры) для изготовления поршневых колец прошла апробацию на Ставропольском заводе поршневых колец (ОАО «СтапРи») в условиях массового производства.

Кроме того, результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в ремонтном производстве при восстановлении двигателей семейства ЯМЗ.

Основные положения, выносимые на защиту:

• теоретическое обоснование необходимости учёта зависимости модуля упругости материала поршневых колец от возникающих при их монтаже напряжений;

• теоретическое обоснование метода расчёта формы поршневых колец в свободном состоянии, учитывающего зависимость упругих свойств материала колец от возникающих при изгибе напряжений;

• способ определения зависимости модуля упругости материала колец от возникающих при изгибе нормальных напряжений;

• результаты экспериментального определения зависимости модуля упругости материала колец от возникающих при изгибе нормальных напряжений;

• методики контроля точности воспроизведения заданных формы и эпюры распределения радиальных давлений поршневых колец;

• результаты производственных испытаний технологической оснастки, эксплуатационных испытаний экспериментальных колец в составе двигателя и оценка технико-экономической эффективности работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Саратовского ГАУ (2006-2011 гг.); ежегодном межгосударственном постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, 2006-2011 гг.); Всероссийских научно-практических конференциях, посвященных 118-120-й годовщинам со дня рождения Николая Ивановича Вавилова (Саратов, 2006-2010 гг.), Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 70-летию Л.М. Игнатьева, (Саратов 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных в перечне ВАК. Общий объем публикаций 7,27 печ. л., из них соискателю принадлежит 2,27 печ. л.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 137 страницах. Состоит из семи глав, общих выводов, списка литературы и 15 приложений. Содержит 13 таблиц, 62 рисунка. Список литературы включает в себя 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во «Введении» обоснована актуальность темы и изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» проведен анализ условий работы деталей ЦПГ, конструкторских, технологических и эксплуатационных способов повышения их долговечности. В решение проблемы улучшения эксплуатационных показателей и повышения долговечности деталей ЦПГ в целом и поршневых колец в частности значительный вклад внесли такие видные ученые, как К. Энглиш, Гинцбург Б.Я., Александров А.Я., Молдованов В.П., Гончаренко В.Г., Голицын Ю.А., Загребин Г.Г., Данилов Ю.С., Савицкий Н.И., Пикман А.Р., Коган Ю.А., Адамович A.B., Афиневский С.А., Мартынов А.П. и многие другие.

Анализ проведенных ранее исследований и методов расчета формы поршневых колец в свободном состоянии позволил выявить ряд допущений, существенно влияющих на точность расчета, а следовательно, на качество работы поршневых колец и ЦПГ в целом. Одним из таких допущений является соответствие материала колец закону Гука.

Вместе с тем известно, что для чугуна закон Гука справедлив не в полной мере. То есть, чугуны проявляют нелинейность упругих свойств при различной нагрузке, что объясняется особенностью их структуры, формой, размером и ориентацией графитовых включений и еще рядом факторов.

Соответственно, вести расчет формы колец в свободном состоянии при таком разбросе изгибающих напряжений исходя из предположения, что модуль упругости материала постоянен по всему периметру кольца несправедливо, так как это вносит в результаты расчета погрешности, превышающие допуски на размеры колец.

Учитывая вышеизложенное, в соответствии с поставленной целью работы были сформулированы следующие задачи:

1. На основе литературных источников и анализа износа деталей цилиндро-поршневой группы при текущем ремонте выявить причины отказов ДВС.

2. Теоретически обосновать возможность повышения ресурса ЦПГ путем учета зависимости упругих свойств материалов поршневых колец от напряжений изгиба при расчете их формы и технологической оснастки. Экспериментально определить зависимость физико-механических свойств материала колец от напряжений изгиба.

3. Рассчитать форму поршневых колец и оснастки для их изготовления. Провести производственную апробацию оснастки для изготовления колец.

4. Разработать методы контроля точности воспроизведения заданной формы и эпюры радиального давления поршневых колец.

5. Провести эксплуатационные испытания двигателей, укомплектованных экспериментальными кольцами. Дать технико-экономическую оценку эффективности работы.

Во второй главе «Теоретические предпосылки к обоснованию методов расчёта поршневых колец и технологической оснастки для их изготовления»

с использованием уравнения изгиба кривого бруса обоснована возможность повышения ресурса деталей ЦПГ за счет повышения точности расчета формы поршневых колец в свободном состоянии путем учета нелинейности упругих свойств конструкционных материалов поршневых колец (чугунов).

В отечественной практике наибольшее распространение в качестве материала поршневых колец получили специальный серый и высокопрочный чугуны. Проведенный анализ литературных источников показал, что ни в одном из существующих методов расчета поршневых колец не учитывается нелинейность упругих свойств чугунов, что влияет на точность расчета и в конечном итоге на соответствие параметров поршневых колец требованиям чертежей.

Известно, что внутренние напряжения связаны с изгибающим моментом следующей зависимостью:

и'м=—> (1)

где: - момент сопротивления сечения кольца, м3;

М(ф) - изгибающий момент в сечении кольца с угловой координатой ф, Н/м.

Значение модуля упругости чугунов изменяется в зависимости от величины внутренних напряжений, что, по нашему предположению, необходимо учитывать при расчете формы колец в свободном состоянии.

С целью проверки данного предположения нами проанализирована эпюра радиальных давлений (ЭРД) новых поршневых колец, изготовленных в условиях ОАО «СтапРи» (рисунок 1).

Рисунок 1 — Сравнение заданной и реальной ЭРД: 1 — ЭРД, заданная чертежом; 2- реальная ЭРД готового кольца.

Как видно из представленной диаграммы, ЭРД существенно отличается от заданной. В частности - наблюдается снижение её интенсивности в зоне замка (так называемой степени коррекции).

Как известно из работ Гинцбурга, Гончаренко, Молдованова, Загребина и других авторов, это приводит к резкому снижению приспособляемости, т.е. способности кольца без просветов прилегать к стенкам деформированной гильзы, а, следовательно, к прорыву газов в картер и снижению ресурса двигателя.

С целью исключения из расчёта формы колец в свободном состоянии данной погрешности нами предлагается в уравнении изгиба кривого бруса:

(2)

Я р Ы

где: Я - номинальный радиус цилиндра, м;

р - радиус кривизны средней линии кольца в свободном состоянии, м; М — изгибающий момент, Нм;

Е - условный модуль упругости материала кольца, Па; .1 - момент инерции сечения кольца, м4.

использовать модуль упругости Е не как постоянную величину, а как зависимость от величины изгибающих напряжений, вызываемых деформацией кольца при его переходе из свободного в рабочее состояние. Тогда уравнение (2) примет следующий вид:

I__1 _ Щу) (3)

Я р {<р) Е(а(<р)).1'

где: о(ф) - величина изгибающих напряжений в сечении кольца с угловой координатой ф.

Соответственно, расчетные радиусы кривизны кольца в точке с угловой координатой ф определятся по следующей зависимости:

(4)

Алгоритм расчета формы колец в свободном состоянии при этом представлен на рисунке 2. В остальном расчет предлагается проводить по разработанной ранее методике. Метод определения зависимости модуля упругости от величины нормальных напряжений изложен в третьей главе диссертации.

ЗВОД ИСХОДНЫХ ДАННЫХ:

ГБОМЕГИИЮСИВ

ПАРАШИЫ, УПРУГОСТЬ, ОВАЛЬНОСТЬ, РАСШКЛВШШШ ЭРД

ОШ>ЕДГ;ЛШШ ^ АйИСИМОСШ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ОТ НАПРЯЖЕНИЙ £ =

(ЯИЖМб МИНУСОВ кяшюнн коящд 8 своволком состоянии:

ЭКШЕКМШ-тляъное сняла НЛГРУЗО'ШЫХ ХЛРАКТсТПСПХ

авяжшш фор-мн кольца В ДЕКАРТОВЫХ КТОРД!ШЛТАХ,ЗАМЫКЛНН£ ЗООНЭйММ___

ШШ ФОРМЫ кольца в своияном состоя»® ___

Рисунок 2 - Алгоритм расчёта формы поршневых колец в свободном состоянии

Анализ литературных источников и анализ кинематической схемы станка МК 6026 позволил повысить точность расчета оснастки (копиров) для изготовления поршневых колец.

В третьей главе «Программа и методика исследований» приведены общая программа и частные методы лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний, а также обработки экспериментальных данных.

Исследования включали в себя следующие мероприятия:

- теоретическое исследование влияния упругих свойств специального серого чугуна на процесс формообразования поршневых и уплотнительных колец;

- анализ химического состава, механических свойств и структуры специального серого чугуна;

- лабораторные исследования зависимости условного модуля упругости специального серого чугуна от нормальных напряжений, возникающих в материале кольца в результате его деформации;

- эксплуатационные испытания восстановленных двигателей и технико-экономическая оценка работы.

Исследование химического состава, механических свойств и структуры материала колец и образцов для проведения лабораторных исследований проводились в экспресс-лаборатории ОАО «КАМАЗ-Дизель» по стандартной методике завода. Анализ микроструктуры образцов проводился в соответствии с ГОСТ 3443-87 «Отливки из чугуна с различной формой графита.

На основе патента РФ № 2308016 была разработана методика определения зависимости модуля упругости материала колец от величины нормальных напряже-

ний, возникающих в результате деформации кольца при его переходе из свободного состояния в рабочее.

Суть методики заключается в следующем: образец испытуемого материала располагается на призматических опорах и в центральной точке подвергается воздействию вертикальной нагрузки. При этом фиксируется величина прогиба образца, которая является функцией его механических и геометрических характеристик, т. е. косвенно характеризует величину модуля упругости при изгибе, і Для проведения экспериментальных исследований нами было изготовлено ' устройство, схема которого представлена на рисунке 3, а фотография на рисунке

1 4.

Рисунок 4 - Внеш-

Рисунок 3 - Схема установки для проведения иий вид лаборатор-

эксперимента ной установки

Модуль упругости при этом определялся исходя из следующего выражения:

Р13

где: I- момент инерции сечения балки, определяемый по следующей формуле:

(6)

12

Р - величина сосредоточенной силы, Н; I - длина балки, м; Ь, И - размеры поперечного сечения балки, м.

Измерения проводились пятикратно на 4 образцах из серого специального чугуна при 7 различных значениях нагрузки, после чего значения усреднялись с целью минимизации погрешности проведения эксперимента.

Эксплуатационные испытания изготовленных комплектов поршневых колец проводились в условиях КФХ «Закирова» (Саратовский район) путем установки их в двигателе ЯМЗ-236Д на тракторе РТ-М-160 и в условиях ЕРСЦ «Кировец» (г. Ершов) на тракторе Т-150.

Перед эксплуатационными испытаниями испытуемые двигатели укомплектовывались экспериментальными и серийными кольцами.

В процессе эксплуатационных испытаний контролировали наработку двигателей и изменение компрессии.

При надежности опыта, равной 0,90, и коэффициенте вариации, не превышающем 15 %, минимальное количество опытных комплектов поршневых колец составит:

С2У2 1,652 -0Д52

= 8,5.

(7)

<?2 0,05

С учетом кратности числа гильз цилиндров в двигателях опытная партия с экспериментальными кольцами была доведена до 9 поршнекомплектов (36 колец).

В четвертой главе «Расчет и изготовление поршневых колец»

Расчет колец производился в соответствии с алгоритмом, представленным на рисунке 2. С целью детального анализа полученных результатов расчета в работе проведен сравнительный анализ полученных результатов с расчетами, проведенными по уравнению изгиба кривого бруса без учета изменения модуля упругости и по методике, изложенной в РТМ 24.060.36-81.

Результаты расчета представлены на рисунке 5.

- - Пэртм

О 12 24 36 45 72 S4 W 13в 130 132 1U 1S5 Ш ISO

•/пхяя* лнзгрм». rtwr.cv

Рисунок 5 - Результаты расчёта колец

Как видно из этого рисунка, наибольшие приращения радиус-векторов колец имеет кольцо, рассчитанное по РТМ, а наименьшие - кольца, рассчитанные с учетом предлагаемой методики. При этом при расчете по РТМ наибольшее отклонение от расчета без корректирующих функций составило 1,472 мм в точке с угловой координатой 121°, а по предлагаемой методике соответственно 1,483 в точке с угловой координатой 131°. Однако эти данные неудобны для анализа, хотя и дают представление о влиянии изменения модуля упругости на форму поршневых колец в свободном состоянии.

Для детального анализа сравним радиусы кривизны этих же колец, которые представлены на рисунке 6.

12 24 36 48 60 72 64 96 1С» 120 132 144 15в 168 18С Угловая координата, градусы

Рисунок 6 - Результаты расчетов радиусов кривизны 10

Анализ этого графика показывает, что радиусы кривизны кольца, посчитанного по РТМ, превышают радиусы кривизны, посчитанные без учета изменения упругих свойств, по всему периметру кольца, что, на наш взгляд, противоречит результатам замеров условного модуля упругости при различных нагрузках. Так, по результатам экспериментов, для данного материала и данного распределения нагрузки условный модуль упругости от спинки кольца до угловой координаты 104° выше табличного значения, а от этой точки и до замка - ниже (рисунок 6). Следовательно, в соответствии с зависимостью (4), радиусы кривизны кольца от 0 до 104° должны быть меньше, чем при расчете без учета изменения модуля упругости, а для угловых координат, превышающих 104° - больше. Такое характерное отклонения мы получаем при расчете кольца с использованием полученной в результате проведенных экспериментов зависимости упругости от величины нормальных напряжений, что подтверждает верность наших предположений.

Изменение формы колец в свободном состоянии повлекло за собой изменение формы технологической оснастки на формообразующей операции ^копиров.

С целью проверки сходимости результатов расчётов нами был проведен расчет изменения эпюры радиальных давлений (ЭРД) экспериментальных колец в процессе их эксплуатации. Для этого нами использовалась методика, предложенная Хохловым A.A. Форма новых колец в свободном состоянии замерялась на микроскопе БМИ-1.

Износ по периметру колец определялся по общеизвестному уравнению износа:

где т - радиальный износ кольца; Т - время износа; с - коэффициент пропорциональности.

После определения радиального износа пересчитывались массо-центровочные характеристики по периметру кольца и определялась ЭРД по методике, разработанной Ивашенцевым Г.А., с учетом полученных нами зависимостей величины модуля упругости от внутренних напряжений по следующей зависимости:

где Е(а) - величина модуля упругости; о - внутренние напряжения в текущей точке кольца; Яп - номинальный радиус кольца; х(ф) - кривизна кольца в точке с угловой координатой ср°.

Результаты расчётов представлены на рисунке 7.

Результаты моделирования износа показали, что ЭРД новых колец полностью соответствует заданной, а в процессе износа колец напряжённость эпюры снижается, но её характер остаётся неизменным, что свидетельствует о повышенной приспособляемости колец, а, следовательно, должно повысить межремонтный ресурс ЦПГ.

Кроме того в данной главе была уточнена методика и произведен расчет профиля копиров к токарно-копировальному станку МК 6026.

dr q

-= с = cq,

d Т b

(8)

(9)

Рисунок 7 - Изменение ЭРД в процессе эксплуатации: 1 - ЭРД, заданная чертежом; 2 -ЭРД экспериментальных колец новая; 3 - ЭРД после наработки 500 м.ч.; 4 - ЭРД после наработки 1500 м.ч.; 5 - ЭРД после наработки 2000 м.ч.

Производственная апробация изготовленных копиров производилась в условиях ОАО «СтапРи» в рамках выполнения хоздоговора 1/07.

Оценка проводилась путем сопоставления параметров готовых поршневых колец с требованиями чертежа. Комплексные результаты представлены в таблице.

Как видно из рисунков 8-10, все изготовленные кольца удовлетворяют требованиям чертежа, следовательно, учет нелинейности упругих свойств чугунов в зависимости от прилагаемой нагрузки при расчете поршневых колец и оснастки для их изготовления (копиров) положительно сказался на качественных характеристиках поршневых колец.

Результаты внедрения в условиях ОАО «СтаПри» копиров для изготовления

поршневых колец двигателей ЯМЗ

Параметр По чертежу У готового кольца Заключение

Диапазон Среднее значение

Прилегаемость Допускается точечный просвет на суммарной дуге не более 90° не ближе 15° к замку - - Годные

Упругость, кгс 2,1...2,9 2,2...2,9 2,7 Годные

Овальность, мм 0,1...0,9 0,1...0,8 0,4 Годные

Разность поперечников, мм, тах 0,15 0..Д13 0,07 Годные

Распределение овальности, упругости и разности поперечных сечений по ре^ зультатам измерения 40 колец представлено на рисунках 8, 9 и 10 соответственно.

Распределение упругости

14

'" ' -V

/у 8 ч

2,2 ... 2,34 ... 2,48 ... 2,34 2,48 2,62

2,62 ...2,76

2,76 .2,90

Рисунок 8 - Гистограмма распределения овальности изготовленных колец

Рисунок 9 - Гистограмма распределения упругости изготовленных колец

Распределение разности поперечников

14,00 12,00 10,00 8,00 •{ 6,00 4,00 2,00

12,0

-0,140 -0,084 -0,028 0,028 0,084 -0,084 0,028 0,028 0,084 0,140

Рисунок 10 - Гистограмма распределения разности поперечников изготовленных колец

В пятой главе «Разработка методов контроля точности воспроизводства заданных параметров поршневых колец» разработаны методики контроля формы поршневых колец в свободном состоянии и ЭРД колец по их форме в гибкой ленте.

Одним из основных параметров поршневых колец является эпюра радиальных давлений (ЭРД) кольца на гильзу цилиндра. В силу сложности контроля этого параметра с помощью эпюромеров, которые не обеспечивают требуемую точность измерений, в производственных условиях часто используют параметры, косвенно характеризующие ЭРД. Одним из таких параметров является форма кольца, сжатого гибкой лентой до теплового зазора в замке. Данный параметр в последнее время присутствует в чертежах колец.

Нами разработана методика определения взаимосвязи ЭРД и формы кольца в гибкой ленте.

Рассмотрим силы, действующие на кольцо, сжатое гибкой лентой до теплового зазора в замке. Поскольку кольцо симметрично относительно оси, проходящей через замок и спинку, в расчетной схеме можем ограничиться полукольцом с жесткой заделкой в спинке, сжатым гибкой лентой тангенциальной силой Т7 (Рисунок 11).

При решении задачи пренебрегаем силами трения между кольцом и гибкой лентой, считаем, что сама лента не обладает собственной упругостью и нерастяжима, а действующие силы приложены к средней линии кольца.

Рисунок 11 - Эквивалентная расчетная схема нагружения кольца, помешенного в гибкую ленту:

I - гибкая стальная лента; 2 - поршневое кольцо; 3 -средняя линия кольца; <р - угловая координата сечения кольца; - радиус-вектор в соответствующей точке кольца.

Форма кольца, сжатого гибкой лентой до теплового зазора тангенциальной силой Р, известна из результатов измерений формы на кругломере, а тангенциальная сила Р определяется при измерении на приборе для определения тангенциальной упругости.

Тогда, если привести все силы к средней линии кольца, расчётная схема примет вид, представленный на рисунке 12.

1

Р

р

Ш

Рисунок 12 - Расчётная схема: 1 — средняя линия кольца в свободном состоянии; 2 - средняя линия кольца, помещенного в гибкую ленту

Изгибающий момент, возникающий в произвольном сечении кольца при его переходе из свободного состояния в гибкую ленту, определится по следующей зависимости:

К = р(К'т-К С05(я-9>)), (10)

Здесь и далее апострофом помечены параметры кольца, помещенного в гибкую ленту.

В свою очередь, радиус кривизны точек геометрической оси кольца в свободном состоянии ^определится из уравнения (2):

Л-1

(

в р <р

1 М'р

уР<р

Ы

(И)

где р^ - радиусы кривизны точек средней линии кольца в гибкой ленте.

Радиусы кривизны точек средней линии кольца в гибкой ленте при этом определяются по следующей формуле:

Ре =-

2" 2

к5 +

V Р )

я:2 +2

«ю:

(12)

Зная радиусы кривизны гильзы цилиндра, а они соответствуют номинальному

размеру рс = рп = , из уравнения изгиба кривого бруса (2) определим

изгибающие моменты в сечениях кольца, помещенного в гильзу цилиндра номинального размера:

Г_1___1_

у

Тогда распределение радиальных давлений кольца определится по известной дифференциальной зависимости:

м; = ю

(13)

1

(14)

Таким образом, мы получили алгоритм определения ЭРД по форме кольца в гибкой ленте.

В шестой главе «Результаты экспериментов и эксплуатационных испытаний» проведено экспериментальное определение изменения модуля упругости материала в зависимости от величины нормальных напряжений, вызываемых деформацией кольца при его переходе из свободного состояние в рабочее (рисунок 13).

Рисунок 13 - Зависимость модуля упругости от величины нормальных напряжений

Полученная зависимость описывается степенным полиномом 3-й степени следующего вида:

Е(а)= 10"13 с 3 - 2-10"5а2 + 927.5с + 4-Ю10. (15)

Проведены эксплуатационные испытания изготовленных колец в составе ДВС и оценка остаточного ресурса.

'"Эксплуатационные испытания изготовленных комплектов поршневых колец проводились в соответствии с ГОСТ 27.410-87 «Методы контроля показателей надежности и планы контрольных испытаний на надежность» в условиях КФХ «Закирова» (Саратовский район) путем установки в двигателе ЯМЗ - 236 на тракторе РТ-М-160 и в условиях ЕРСЦ «Кировец» (г. Ершов) на тракторе Т-150.

Наработка двигателей ЯМЗ 236 к моменту контроля составила 2000 моточасов. Отказов за период эксплуатации по вине экспериментальных поршневых колец не имелось.

Компрессия на конец испытаний в цилиндрах укомплектованных серийными кольцами составила 3,44 МПа, а в цилиндрах укомплектованных экспериментальными кольцами 3,55 МПа.

При определении срока службы восстановленных двигателей использовали методику прогнозирования остаточного ресурса в соответствии с ГОСТ 21571-76 «Методы определения допускаемого отклонения параметра технического состояния и прогнозирования остаточного ресурса составных частей агрегатов машин».

При измерении давления нами использовался компрессометр К 74.36.

При прогнозировании остаточного ресурса исходили из предположения о линейном изменении диагностируемых параметров в зависимости от наработки. Остаточный ресурс ?„с, при этом определялся по формуле

V Л1/а

1/

-1

■Г,.

Л(ГК.)-Л„-ДЯ

(16)

где Пн - номинальное значение параметра; П„ - предельное значение параметра; ДП - показатель изменения параметра технического состояния за период приработки; ¡к - наработка составной части от начала ее эксплуатации или от возобновления эксплуатации после ремонта до момента контроля; /7(д.) -значение параметра, измеренное при наработке \ ип =|Пп - Пн |-ДЛ - предельное отклонение параметра технического состояния; а - показатель функции, аппроксимирующей изменение параметра, а = 1,0.

отклонение параметра технического состояния; а - показатель функции, аппроксимирующей изменение параметра, а = 1,0.

Остаточный ресурс составил ^ =3692 мото.-ч. Полный прогнозируемый ресурс работы Т восстановленных двигателей определяется:

Т = 07)

Таким образом, прогнозируемый срок службы двигателя до замены поршневых колец составит не менее 5692 моточасов работы при рекомендуемом заводом-изготовителем значении 4000-5000 моточасов. Прогнозируемый ресурс составляет 115 % ресурса нового двигателя. Теоретическая зависимость контролируемых параметров от наработки приведена на рисунке 14.

Р МПп

■'к п

— - *

-ч /

V

¡4

/%и

Рисунок 14 - Среднее значение прогнозируемого ресурса восстановленного дизеля: 1 - укомплектованного экспериментальными кольцами; 2 - укомплектованного серийными кольцами

Результаты проведенных эксплуатационных испытаний подтверждены соответствующими актами.

В седьмой главе «Технико-экономнческая эффективность работы» при

определении экономического эффекта учитывались изменения приведенных затрат при эксплуатации. Расчет проводился по разности приведенных суммарных затрат на единицу наработки трактора.

Годовой экономический эффект от внедрения рекомендаций определяется по формуле:

(18)

Годовой экономический эффект от внедрения рекомендаций по повышению долговечности за счет учета влияния нелинейности физико-механических свойств материалов поршневых колец составляет 297 руб. на один двигатель ЯМЗ - 236Д. При программе ремонта 200 двигателей в год экономический эффект составит 59320 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных данных и патентный поиск показали, что у мобильной техники, использующей в качестве энергетических установок двигатели ЯМЗ, наибольшее количество отказов (до 50 %) наблюдается у двигателей. После капитального ремонта этот показатель возрастает еще на 20 %. Основными причинами отказов являются износы, усталостные разрушения, коррозия ресурсоопределяю-щих агрегатов. Для двигателя такими являются детали цилиндропоршневой группы, на долю которых приходится до 44 % отказов.

2. Теоретически обоснована необходимость учета изменения модуля упругости поршневых колец в пределах изменения напряжений и практически подтверждено повышение на 12... 15 % ресурса двигателей, расчет колец которых проводился с учетом предложенной методики.

Разработаны установка и методика для определения зависимости модуля упругости конструкционных материалов от нормальных напряжений, возникающих при переходе колец из свободного состояния в рабочее.

Испытания образцов из серого специального чугуна показали, что в диапазоне изменяющихся в пределах кольца нормальных напряжений модуль упругости изменяется от замка к спинке кольца в пределах 22%.

3. Предложен уточненный метод расчета формы поршневых колец в свободном состоянии, позволивший исключить из существующих допущение о том, что материал колец подчиняется закону Гука. На основе разработанного метода рассчитана форма поршневых колец двигателя ЯМЗ в свободном состоянии. По результатам экспериментов условный модуль упругости от спинки кольца до угловой координаты 104° выше табличного значения, а от этой точки и до замка - ниже. Следовательно, в соответствии с предложенными зависимостями, радиусы кривизны кольца от 0 до 104° должны быть меньше, чем при расчете без учета изменения модуля упругости, а для угловых координат, превышающих 104°, - больше. Такое характерное отклонение мы получаем при расчете кольца с использованием полученной в результате проведенных экспериментов зависимости упругости от величины нормальных напряжений, что подтверждает верность наших предположений.

С использованием уточненной методики была рассчитана форма копиров и изготовлены копиры. Изготовленная оснастка прошла практическую апробацию в условиях ОАО «СтапРи».

Изготовленные кольца подвергались аттестации на предмет соответствия требованиям чертежа. Все контролируемые кольца соответствуют требованиям чертежа, что свидетельствует о точности использованных методов расчета.

Распределение всех контролируемых параметров (овальность, упругость, разность поперечников) подчиняется закону нормального распределения, что свидетельствует о стабильности технологического процесса.

4. Разработаны и рекомендованы к использованию методики контроля точности воспроизведения расчётной формы поршневых колец, разработаны методики контроля формы поршневых колец в свободном состоянии и эпюр радиальных давлений. Анализ ЭРД экспериментальных колец показал, что ЭРД новых колец практически соответствует заданной (с незначительным в 3...4% снижением в зоне замка), а в процессе их износа наблюдается некоторое снижение интенсивности ЭРД, но характер эпюры сохраняется, что подтверждает наше предположение о

18

необходимости учёта нелинейности упругих свойств чугунов при расчёте поршневых колец и подтверждает сходимость теоретических расчётов с полученными результатами.

6. Проведенные эксплуатационные испытания изготовленных колец в составе двигателей показали, что ресурс восстановленных двигателей, укомплектованных изготовленными кольцами, на 740 моточасов (12... 15 %) выше, чем у двигателей, укомплектованных серийными кольцами. Годовой экономический эффект от внедрения разработанных методик при годовой производственной программе 200 двигателей составил 59320 руб. '

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Никитин, Д. А. Учет нелинейности упругих свойств чугунов при расчете поршневых колец / Д. А. Никитин, Д. Е.Постников, М. В.Ерюшев // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2007. - №5. - С. 51-52 (0,19/0,06 печ.л.).

2. Никитин, Д. А. Влияние упругих свойств чугунов на ресурс цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания/ Никитин Д. А., Ерюшев М.В., Никитин П.Д. // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2011. - №9 - С. 34-36 (0,32/0,10 печ.л.).

3. Никитин, Д. А. Учет влияния рабочей температуры на упругие свойства чугунов при расчете уплотнительных колец / Никитин Д. А., Никитин П.Д. , Ерюшев М.В. // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. -2011.-№ 10-С. 59-60 (0,25/0,08 печ.л.).

4. Никитин, Д. А. Метод контроля воспроизводства заданной эпюры радиальных давлений поршневых и уплотнительных колец по их форме в гибкой ленте/ Никитин Д. А., Никитин П.Д., Ерюшев М.В. // Научное обозрение. - 2011. - № 3 -С. 8-12 (0,37/0,12 печ.л.).

В других изданиях

5. Никитин, Д. А. Учет нелинейности упругих свойств чугунов при расчете поршневых колец / Д. А. Никитин, Д. Е. Постников, М. В. Ерюшев // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2007. - №3(26) выпуск 1. - С. 67-70 (0,6/0,16 печ.л.).

6. Ерюшев М. В., Физико-механические свойства материалов поршневых колец Д. А. Никитин, Д. Е. Постников // Организация и управление производством. Сборник посвященный 70-летию Л.М. Игнатьева. - Саратов, 2008. - с. 139-142 (0,32/0,12 печ.л.).

7. Ерюшев М.В., Результаты производственной апробации копиров, изготовленных с учетом зависимости модуля упругости чугунов от воспринимаемой нагрузки / М. В. Ерюшев, Д. А. Никитин // Организация и управление производством. Сборник посвященный 70-летию Л.М. Игнатьева. -Саратов, 2008. - С. 143-146 (0,32/0,16 печ.л.).

8. Ерюшев, М. В. Определение формы поршневых колец в свободном состоянии с помощью большого инструментального микроскопа БМИ-1 / М.В.

19

Ерюшев, Д. А. Никитин // Вавиловские чтения - 2008 : материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 95-летию Сарат. госагроуниверситета, 26-27 нояб. 2008 г. - Саратов : ИЦ Наука, 2008. - Ч. 2. - С. 284-290 (0,82/0,3 печ.л.).

9. Ерюшев, М.В., Результаты экспериментального определения зависимости модуля упругости от изгибающих напряжений / М. В. Ерюшев, Д. А. Никитин, П. Д. Никитин // Вавиловские чтения - 2009 : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 25-26 нояб. 2009 г. - Саратов, 2009. - Ч. 2. - С. 241-244 (0,38/0,13 печ.л.).

10. Ерюшев, М.В., Результаты эксплуатационных испытаний тракторов, укомплектованных экспериментальными кольцами / М. В. Ерюшев, Д. А. Никитин, П. Д. Никитин // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания : материалы Межгосуд. науч.-техн. семинара. - Вып. 22. -Саратов, 2010. - С. 38-42 (0,3/0,12 печ.л.).

11. Метод контроля воспроизводства заданных параметров поршневых и уплотнительных колец по их форме в «гибкой ленте» : метод, рекомендации / Д. А. Никитин, М. В. Ерюшев [и др.]; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов: ИТУ «Лидер», 2008. - 28 с. (1,0/0,25 печ.л.).

12. Учет влияния рабочей температуры на физико-механические свойства конструктивных материалов при расчете поршневых и уплотнительных колец : метод, рекомендации / Д. А. Никитин, М. В. Ерюшев [и др.]; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов : ИТУ «Лидер», 2008. - 28 с. (1,75/0,44 печ.л.).

13. Учет нелинейности упругих свойств чугунов при расчете поршневых и колец : метод, рекомендации / Д. А. Никитин, М. В. Ерюшев [и др.]; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов : ИТУ «Лидер», 2008. - 16 с. (1,0/0,25 печ.л.).

14. Учет нелинейности упругих свойств чугунов при расчете поршневых колец / Никитин Д.А., Постников Д.Е.// Вавиловские чтения - 2007: материалы Междунар. науч.-практ. конф., 26-30 ноября 2007 - Саратов, 2007. с. 241-245 (0,25/0,09 печ. л.).

15. Определение формы поршневых колец в свободном состоянии с использованием элементов математической статистики / Никитин Д.А. // ИННОВАЦИИ, НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ XXI века - Международная научно-практическая конференция, посвященная 60-летию кафедры «ОУИР», Саратов, 2010. -с. 24-26 (0,22/0,11 печ.л.).

Подписано в печать 24.04.2012 г. Формат 60^84 1/16

_Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 162/162._

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» 410012, Саратов, Театральная пл., 1

61 12-5/2675

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

На правах рукописи

ЕРЮШЕВ МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ МЕЖРЕМОНТНОГО РЕСУРСА ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ АДАПТАЦИИ ФОРМЫ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ К ИЗНОШЕННОЙ ГИЛЬЗЕ ЦИЛИНДРОВ ПРИ ТЕКУЩЕМ РЕМОНТЕ (НА ПРИМЕРЕ ДВИГАТЕЛЯ ЯМ3 236)

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания

в сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Д.А. Никитин

Саратов 2012

РЕФЕРАТ

Диссертационная работа изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунков, 13 таблиц и 15 приложений.

В диссертационной работе показано, что надежность цилиндропоршневой группы во многом определяется качеством поршневых

колец.

В результате анализа существующих способов расчёта колец выявлено, что все существующие способы имеют допущения и погрешности, в конечном счёте сказывающиеся на качестве поршневых колец.

Теоретически установлено влияние изгибающих напряжений на модуль упругости чугуна.

Разработан новый способ определения зависимости модуля упругости конструкционных материалов от возникающих напряжений. Внесены изменения в методику расчёта поршневых колец, что позволило исключить из расчётов допущение о соответствии чугуна закону Гука.

Предложена методика расчёта поршневых колец, учитывающая нелинейность физико-механических свойств материала поршневых колец при их расчёте. Уточнена методика расчёта технологической оснастки (копиров) для изготовления поршневых колец. Разработаны методы контроля точности воспроизводства заданной формы и требуемой эпюры радиальных давлений колец.

Проведены эксплуатационные испытания двигателей, укомплектованных экспериментальными кольцами, которые показали, что ресурс двигателей увеличился в 1,2-1,3 раза по сравнению с двигателями, укомплектованными

серийными кольцами.

Технологическая оснастка внедрена в ОАО «СтаПри» (Ставропольском

заводе поршневых колец).

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..........................................................................................................................................................................^

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................10

1.1 Условия работы ЦПГ в связи с переходом на уровень требований ЕЭК ООН «Евро-2» и последующих версий..........................................................................................10

1.2 Условия работы и основные причины выхода из строя ЦПГ..............................13

1.3 Физико-механические свойства материалов поршневых колец........................24

1.4 Анализ методов расчёта поршневых колец......................................................................28

1.5 Выводы, цель и задачи исследования......................................................................................42

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ МЕТОДОВ РАСЧЁТА ФОРМЫ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ ДЛЯ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ..............................................................................................45

2.1 Расчёт формы поршневых и уплотнительных колец в свободном состоянии................................................................................................................................................................45

2.1.1 Расчёт формы поршневых и уплотнительных колец, материал

которых подчиняется закону Гука................................................ 45

2.1.2 Учёт нелинейности упругих свойств материалов поршневых и

уплотнительных колец при их расчёте....................................................................................55

2.2 Разработка метода расчёта профиля копира..............................................................57

2.3 Выводы по главе........................................................................................................................................63

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................65

3.1 Программа исследовании...................................................... °

3.2 Методика определения зависимости модуля упругости от

66

внутренних напряжении......................................................

3.2.1 Методика определения зависимости модуля упругости от величины нормальных напряжений на образцах в форме прямого

бруса................................................................................

3.2.2 Методика определения зависимости модуля упругости от

внутренних напряжений на образцах в форме кривого бруса............... 69

3.3 Методика эксплуатационных испытаний и оценка точности

.......... 75

измерения......................................................................

78

3.4 Выводы по главе....................................................................

4. РАСЧЕТ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ........................... 79

4.1 Выбор исходных данных и расчет формы колец в свободном

...... 79

состоянии...........................................................................................

4.1.1 Определение приведённых моментов инерции сечений поршневых

.......... 79

колец............................................................................

4.1.2 Определение величины средней погонной нагрузки............ 79

4.1.3 Определение эпюры распределения радиальных давлений.......... 81

4.1.4 Определение изгибающих моментов и внутренних напряжений... 83

4.1.5 Расчёт формы колец в свободном состоянии............................ 85

4.2 Анализ результатов расчёта формы кольца в свободном

91

состоянии..............................................................................

4.3 Расчёт оснастки для изготовления колец.................................. 94

95

4.4 Выводы по главе..................................................................

5. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ТОЧНОСТИ ВОСПРОИЗВОДСТВА ЗАДАННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ 96

5.1 Разработка методов контроля формы поршневых и уплотнительных колец в свободном состоянии............................... 96

5.1.1 Определение взаимосвязи эпюры радиальных давлений колец и их

формой в гибкой ленте.................................................................. 96

5.1.2 Определение формы поршневых колец в свободном состоянии с помощью большого инструментального микроскопа............................ 10(

5.3 Результаты производственной апробации изготовленных копиров... 10$

11

5.4 Выводы по главе.................................................................

6. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

ИСПЫТАНИЙ.............................................................................. 11:

6.1 Экспериментальное определение изменения модуля упругости материала в зависимости от внутренних напряжений......................................................113

6.2 Результаты эксплуатационных испытаний изготовленных колец в составе ДВС и оценка остаточного ресурса................................................................................114

6.3 Выводы по результатам испытаний................................................................................................120

7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ..............................122

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................................................................................124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................... 127

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................................................137

ВВЕДЕНИЕ

Повышение долговечности машин является важнейшей задачей отечественного машиностроения и ремонтного производства.

Экономические показатели дизелей и уровень их эксплуатационной надежности во многом определяются работоспособностью цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Она в большей мере предопределяет мощностные и экономические показатели дизелей, надежность и стабильность их работы, уровень создаваемого шума, а также токсичность и

дымность отработавших газов.

В процессе эксплуатации дизелей семейства ЯМЗ до 45 % всех отказов приходится на цилиндропоршневую группу (ЦПГ) [1], внешним проявлением чего являются:

- увеличение расхода масла на долив;

- ухудшение пусковых качеств двигателя;

- снижение мощностных и экономических показателей;

- увеличение расхода картерных газов.

Причин, вызывающих износ и выход из строя деталей ЦПГ, много: знакопеременные нагрузки при высоких скоростях и давлении газов, конструктивные особенности деталей, граничное трение (особенно у верхнего компрессионного кольца), воздействие коррозионной среды и др.

Высокая стоимость и точность изготовления, большой расход деталей для нужд ремонтных предприятий обусловливают необходимость повышения эффективности работы ЦПГ и долговечности её деталей.

Наиболее ответственными деталями с точки зрения обеспечения ресурса

ЦПГ являются поршневые кольца [2, 3].

Существующие в настоящее время способы расчёта, изготовления и контроля точности воспроизводства формы поршневых колец не обеспечивают ресурс ЦПГ на должном уровне, соответствующем

требованиям внедряемых в РФ экономических стандартов ЕЭК ООН Евро-4 и последующих версий. Доведение поршневых колец до уровня требований данных стандартов является актуальной задачей отечественного машиностроения.

Современные методы расчёта формы поршневых колец [4, 5] основаны на решении уравнения изгиба кривого бруса. Однако, при всех своих достоинствах, эти методы имеют ряд допущений, наличие которых снижает точность расчёта.

Для обеспечения соответствия поршневых колец требованиям экономических стандартов ЕЭК ООН Евро-4 и последующих версий необходимо модернизировать методы расчёта, путем исключения

имеющихся допущений.

Настоящая работа посвящена исследованию нелинейности упругих свойств конструкционных материалов поршневых колец, учёту нелинейности упругих свойств при расчёте формы колец в свободном состоянии, расчёте оснастки для изготовления колец и контроле точности воспроизводства заданных параметров готовой продукции.

Цель работы - повышение межремонтного ресурса цилиндропоршневой группы совершенствованием метода расчета и технологии изготовления поршневых колец путем учета зависимости модуля упругости чугуна от

напряжений изгиба

Объект исследования - поршневые кольца двигателей ЯМЗ. Предмет исследования - закономерности, связывающие упругие свойства материалов поршневых колец с возникающими напряжениями изгиба, и их учет при расчете формы поршневых колец в свободном

состоянии.

Методика исследований включала в себя лабораторные испытания физико-механических свойств конструкционных материалов поршневых колец, а также эксплуатационные испытания изготовленных колец в составе

двигателей.

Научная новизна. Разработан метод расчета формы поршневых колец, учитывающий нелинейность упругих свойств конструкционных материалов. Исследована зависимость упругих свойств специального серого чугуна от возникающих в результате изгиба нормальных напряжений. Разработаны методики определения точности воспроизведения заданной формы поршневых колец и эпюры радиальных давлений.

Практическая ценность. На основании проведенных исследований предложена методика определения зависимости упругих свойств материала от возникающих при изгибе нормальных напряжений и учет этой зависимости при расчете поршневых колец, что позволяет увеличить ресурс двигателей семейства ЯМЗ в 1,15-1,2 раза по сравнению с двигателями, укомплектованными серийными кольцами.

Достоверность результатов работы подтверждается результатами эксплуатационных испытаний, использованием современных методов и технических средств исследований, а также применением экспериментально-теоретических положений по планированию и проведению экспериментов.

Реализация результатов исследований. Изготовленная в результате выполнения работы оснастка (копиры) для изготовления поршневых колец прошла апробацию в условиях ОАО «СтапРи» при массовом производстве поршневых колец. Кроме того, результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в ремонтном производстве при восстановлении двигателей семейства ЯМЗ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов СГАУ в 2006-2011 гг.; ежегодном межгосударственном постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, 2006-2011 гг.); Всероссийских научно-практических конференциях, посвященных 118-й ... 120-й

годовщинах со дня рождения Николая Ивановича Вавилова (Саратов, 2006 -2010 г.г.), Всероссийской научно-практической конференции, посвященной

70-летию Л.М. Игнатьева, (Саратов, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 4

в изданиях, рекомендованных в перечне ВАК. Общий объем публикаций 7,27 печ. л., из них соискателю принадлежит 2,27 печ. л.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 137 страницах. Состоит из семи глав, общих выводов, списка литературы и 15 приложений. Содержит 13 таблиц, 62 рисунка. Список литературы включает в себя 94 наименования.

Научные положения, выносимые на защиту:

• теоретическое обоснование необходимости учёта зависимости модуля упругости материала поршневых колец от возникающих при их монтаже напряжений;

• теоретическое обоснование метода расчёта формы поршневых колец в свободном состоянии, учитывающего зависимость упругих свойств материала колец от возникающих при изгибе напряжений;

• способ определения зависимости модуля упругости материала колец от возникающих при изгибе нормальных напряжений;

• результаты экспериментального определения зависимости модуля упругости материала колец от возникающих при изгибе нормальных напряжений;

• методики контроля точности воспроизведения заданных формы и эпюры распределения радиальных давлений поршневых колец;

• результаты производственных испытаний технологической оснастки, эксплуатационных испытаний экспериментальных колец в составе двигателя и оценка технико-экономической эффективности работы.

-101. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Условия работы ЦПГ в связи с переходом на уровень требований ЕЭК ООН Евро 4 и последующих версий

Для мобильной техники наибольшее количество отказов (до 50 %) наблюдается у двигателей. После капитального ремонта этот показатель возрастает еще на 20 % [6, 7]. Основными причинами отказов являются износы, усталостные разрушения, коррозия ресурсоопределяющих агрегатов. Для двигателя такими являются детали цилиндропоршневой группы, на долю

которых приходится до 45 % отказов [1].

Основными направлениями в развитии двигателестроения являются форсирование ДВС с одновременным повышением удельной (литровой) мощности, увеличение ресурса, снижение расхода топлива, уменьшение расхода масла на угар, увеличение на порядок среднего пробега автомобилей до первого капитального ремонта, снижение затрат при изготовлении и эксплуатации дизелей, улучшение экологических показателей.

Ужесточение требований, предъявляемых к мобильной технике, таких, как ограничение токсичных выбросов, снижение расхода масла на угар, повышение удельной мощности нашло отражение и в экологических стандартах Европейской экономической комиссии (ЕЭК ООН) «Евро-1», «Евро-2» и последующих версий, внедряемых в настоящее время в России, обусловливает повышение эксплуатационных характеристик дизелей.

Если ранее двигатели, соответствующие требованиям европейской экономической комиссии ЕЭК ООН Евро 1, казались сверхъестественными, сверхчистыми и недостижимыми, то сейчас западные производители уже приступили к выпуску двигателей, соответствующих нормам Евро-5.

Всего десять лет назад Европа перешла на Евро-2, и производители двигателей автотракторной техники освоили выпуск соответствующих дизелей. За Евро-2 последовали Евро-3, а с октября 2006 все европейские

грузовики перевели на требования Евро-4.

С осени 2009 г. вступили в силу экологические нормы Евро-5, еще больше ужесточающие требования к выхлопным газам грузовиков, а всего через три года после этого можно ожидать и Евро-6. Чем отличаются эти нормы, показано в таблице 1.1 [8].

Таблица 1.1 - Характеристика требований ЕЭК ООН Евро

Нормы Масса вредных веществ в отработанных газах дизелей, г/кВт *ч

окись углерода (СО) углеводороды (СН) окислы азота (1ЧОх) твердые частицы дымность

Евро-0 11,2 2,4 14,4 - -

Евро-1 4,5 1Д 8 0,36 -

Евро-2 4 1,1 7 0,15 -

Евро-3 2,1 0,66 5 од 0,8

Евро-4 1,5 0,46 3,5 0,02 0,5

Евро-5 1,5 0,46 2 0,02 0,15

Евро-6 1,5 0,25 2 0,02 0,15

Из таблицы 1.1 следует, что при достижении Евро-4 выхлопные газы уже практически полностью очищены от сажи и углеводородов, и дальнейшая борьба развернулась на фронте борьбы с окислами азота, образующимися при работе двигателя. Требования к уменьшению выброса углекислого газа равнозначны повышению экономичности двигателя, чего можно достичь, обеспечивая более полное сгорание топлива. При этом требуется избыточное количество воздуха, которое, в свою очередь, приводит к повышению температуры в цилиндрах, в двигателе образуется большее количество окислов азота. В результате, с помощью одной только настройки топливной аппаратуры и электроники грядущих норм Евро- 4, а

тем более Евро-5 уже не достичь. Ведь в Евро-5 количество окислов азота в выхлопных газах должно быть на 30% меньше, чем в Евро-4, и на 60% меньше, чем в Евро-3. Чтобы добиться таких показателей, требуются новые,

радикальные решения.

С учетом требований ЕЭК ООН у современных форси�