автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение надежности пуска двигателя в процессе изнашивания путем увеличения частоты вращения

На правах рукописи УДК 621.43.232.2

РГ5 ОД

. - лен гт

МОСКАЛЕНКО ОЛЕГ АНАТОЛЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПУСКА ДВИГАТЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ ИЗНАШИВАНИЯ

ттчлтпц .Т Г»ТЖ-ГТТ,Т"5'ТЗ'ГТ Г Т .4 /"""ГГЛ'Х'Т. Т Т»"П А Т?T"t? ТТТ.Т П

li-V i £.ivi л D'ijll'' "i i i ra/i -i/iL t w iiii rtmliiiii/i

Специальность: G5.20.03 — Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - Пушкин 2ООО г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете и Ярославской сельскохозяйственной академии.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Сковородин В Л.; заслуженный деятель науки и техники РФ, академик, доктор технических наук, профессор Николаенко A.B.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники РФ,- доктор технических наук, профессор Аллилуев В.А., кандидат технических наук, доцент Бодров В.А.

i организация

»пот

1 w V i XUvvVi'uiii «ш!1

» ¿¿¿¿.и-*/ 2000г. в часов на заседании диссертационного совета К-120.37.05 в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 189620, г. Сашч-Петербург- Пушкин, Петербургское шоссе, 2ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петепб\т>гского госудаоственного агоапного унивеоситета.

Автореферат разослан « » ¿¿^¿ftf 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

В.Т. Cmhdhob

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Самыми сложными и наиболее изношенными узлами мобильных машин являются двигатели внутреннего сгорания, для эффективного функционирования которых предназначен надежный пуск.

Одной из важных задач по увеличению надежности пуска двигателя, является изучение износов, снижение которых многими авторами достигалось предварительным разогревом двигателей, а также путем сокращения времени работы с низким температурным режимом.

Известно, что для увеличения надежности пуска двигателя необходимо по мере снижения температуры двигателя и окружающей среды, сокращать время пуска т. Современные системы пуска вследствие ограниченной мощности не обеспечивают данного условия, тем самым снижая его надежность. Увеличение мощности пусковых систем, влечет за собой увеличение их веса.

Решение данного вопроса можно найти за счет применения мощных пусковых устройств кратковременного действия способных обеспечить высокие пусковые обороты.

Научная новизна. Предложено определение надежности пуска. Доказано, что увеличение пусковой частоты п„ в качестве компенсации потерь заряда основных сопряжений двигателя, увеличивающихся в результате износа позволяет повысить надежность пуска в процессе эксплуатации. Исследованы и установлены аналитические зависимости пусковой частоты от условий пуска и величин износив.

Цель исследований. Целью исследования является повышение надежности пуска.

Для достижения поставленной дели решались следующие задачи:

определить величины износов основных сопряжений КШМ при увеличении пусковой частоты п„;

исследовать параметры, характеризующие надежность

пуска;

установить зависимость п„ от Рс давления в цилиндре с учетом степени изношенности двигателя.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследования. В проведенных исследованиях даны практические рекомендации и предложены варианты повышения надежности пуска за счет увеличения пусковой частоты. Результаты исследований реализованы в совхозе «Юбилейный» Тургайской области, ТОО «Каймаккольский» Кустанайской области.

Апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в 10 работах в научно-производственном журнале «Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана». В тезисах докладов НПО «Целинсельхозмехани-зация», «Проблемы механизации сельскохозяйственного производства Се-

верного Казахстана», в трудах Ярославской ГСХА. Материалы диссертации докладывались на научно-технических конференциях Челябинского ГАУ (1992 г.), НПО «Целинсельхозмеханизация» (1992 г.), Кустанайский СХИ (1993 г.), Ярославская ГСХА (1996... 1999 гг.), С-Петербургского ГАУ (2000 г.).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений, списка литературы, включающего 120 наименований, в том числе 15 на иностранных языках. Текстовая часть изложена на 125 страницах компьютерного текста, содержит 28 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и первой главе рассмотрено состояние вопроса касающегося пуска двигателя. Работы в этом направлении проводили И.В. Казарцев, A.B. Николаенко, И.Н. Величкин, которые указывали на зависимость п„ от Рс, Тс, но без учета степени изношенности двигателя.

Следует считать, что увеличение пусковой частоты л- на настоящий момент целесообразно, т.к. применяемый на двигателях системы пуска не обеспечивают высоких скоростей вращения, а условия для пуска получают вращая коленчатый вал в течение длительного времени.

Во второй главе даны теоретические исследования надежности пуска.

Для обеспечения устойчивого пуска дизелей необходимо, чтобы температура воздушного заряда в цилиндрах в конце такта сжатия была выше температуры самовоспламенения топлива.

Надежность пуска - вероятность пуска двигателя за определенный про-мгжутоквремени.

Учитывая, что:

Мпу>М£ Те>Т„

Температура Тс, давление Рс при которых возможен надежный пуск двигателя определяется из соотношений:

^ _„ Пс_! ^ Пс /ts

Ic— Гс—raS

где Та - температура воздуха в начале сжатия, К; Рс - давление воздуха в конце сжатия, МПа; £ - степень сжатия; пс - показатель политропы сжатия.

Как видно из уравнения (1) увеличение Рс, т.е. давление в конце сжатия возможно за счет увеличения пс, которое достигается несколькими вариантами:

- уменьшение отдачи тепла через стенки цилиндра;

- снижение потерь заряда воздуха через зазоры в сопряжении «гильза-поршень». Получим:

l0gE

'Р -К 4

L с 14 и р

V 1 а У

:1,24-пМ15, (2)

где е - степень сжатия: Рс - давление конца сжатия; Кн - коэффициент изношенности двигателя; п - частота вращения двигателя, мин". Величину пп в зависимости от относительного износа выразим, как: п„ =1,5 -И + 150 (3)

Преобразовав формулу (2) получим:

jlog.

0,0151

fp,-К ^

J

»•= II—Т^' w

i ij- '

Как следует из формулы (4) величина пя зависит не только от Рс, и е но и от коэффициента износа К„ . Величина Ка определяется в зависимости от степени изношенности двигателя. Величина пп согласно формуле (4) определяется расчетом показателей Р„ е и Кн, и для нового двигателя равна 150

МИЛ .

Используя формулу (40) следует установить величину пп для предельно изношенного двигателя. Таким образом, можно рассчитать величину пп в зависимости от степени изношенности двигателя.

Представленные зависимости показывают отношения пп к условиям пуска, которые в немалой степени зависят от износов основных сопряжении двигателя. Как следует из формулы (4) изменение Ки приведет к изменению пп и соответственно надежности пуска, поэтому увеличение Ки неизбежное в процессе эксплуатации двигателя, вызывает повышение п„.

Как видно из соотношения (4) зависимость пп от Рс является прямой, откуда следует, что повышение пп увеличивает Рс. от которого зависит условие пуска и его надежность. Следовательно, для увеличения Рс а так же надежности пуска необходимо компенсировать величину износа Ки в основных сопряжениях двигателя увеличением пп.

На графике (Рис. 2) показана зависимость пп от величины Рс для двигателя Д -240, из которого следует, что для нового двигателя необходимой и достаточной является п„ = 150 мин'1. Увеличивать пп, не целесообразно в виду того, что Рс согласно графику изменяется незначительно.

4

DnW ,

350 300 250 ÎOO

tso 100 50 О

о 10 20 ao 40 50 80 ТО 80 90 1ÖQ/« Рис. 1. Зависимость n„ от И относительного износа

Рис. 2. Зависимость пп от Рс с учетом степени изношенности двигателя 1 -дм нового двигсиеля, 2-Д|ТЯ 25% изношенного; 3- «ля 50% изи&лгппого; 4- для 75% изношенного; 5- для 100% изношенного;

Для двигателя изношенного на 100 % величина пп =150 мин"1 является недостаточной, для обеспечении надежного пуска двигателя. Следовательно полученные зависимости на рис.2 указывают на необходимость повышения пп в процессе эксплуатации, для обеспечения надежного пуска. Указанный трафик на рис.1 является дополнительным подтверждением зависимости представленной на рис.2, согласно формуле (4). Расчет пш в зависимости от величины И производился по формуле (3), которая является линейной характеристикой. Из приведенных соотношении видно, что зависимость между пя и И прямая, т.е. увеличение И повлечет за собой повышение пп. Увеличение И приведет к снижению Рс и соответственно уменьшит надежность пуска. Следовательно для его компенсации необходимо повышать п„.

В третьей главе приведены общая и частные методики экспериментальных исследований. Для выполнения программы исследований использовались экспериментальные установки, одна из которых состояла из стенда, на котором был установлен двигатель внутреннего сгорания с гидропневматическим стартером, контрольно-измерительной аппаратуры, вспомогательных стендов, насосной установки, дополнительного оборудования (рис. 3).

Опыты проводились по следующему принципу: коленчатый вал двигателя проворачивался гидропневматическим стартером при одинаковых температурах двигателя, при одном и том же масле в двигателе, но при различных значениях пусковой частоты п„. Для определения износа при обычном пуске использовался отдельный, двигатель с электростартёром СТ212. Величины износа на нём определялись по методу вырезанных лунок, согласно ГОСТ 18509-88, в тех же поясах и сечениях, что и при ВСП.

Гидропневматический стартер (рис. 3) для пуска двигателя, в состав которого вхолили гкяропневматический аккумулятор 16. гидромотор 18, сливной бак 13, гидронасос 14, электродвигатель 19, манометры 15 подсоединялся к двигателю с помощью переходника. Двигатель был снабжен датчиком для измерении.

После пуска двигатель работал в течение 2 мин. Между двумя пусками делали перерыв не менее 10 ч.

Минимальная температура двигателя при проведении опытов была — 15°С, максимальная +5°С. Рабочей жидкостью в гидропневматическом аккумуляторе было моторное масло М101 Разница температуры двигателя относительно температуры окружающего воздуха составляла 1°С.

По результатам исследовании построены графики, достаточно точно показывающие характер происходящих процессов. Результаты исследований обрабатывались с применением методов математической статистики. Численное решение уравнений выполняли с помощью компьютера ШМ РС.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований. Установленные аналитические зависимости позволяют определять величину п„ учитывая степень износа двигателя. Максимальное значение п„ определяется предельным износом сопряжений. Увеличение п„ для нового двигателя, позволило установить зависимость пускового износа от п„, которые были определены экспериментально, для чего наибольшая величина пп =600 мин*1, а наименьшая п„ =150 мин"1.

Данные величин износов основных сопряжений КШМ при п„=150 мин"1 указаны отдельно от износов при пп=600 мин"1. Как видно разница между ними ничтожно мала и они практически одинаковы. Следовательно, можно утверждать, а статистические характеристики это подтверждают, что повышение пп не приведёт к повышенному изнашиванию основных сопряжений двигателя.

0,004

0,003

0,002

0,001

.0

О JS 20 30 40 SO

Рис. 4. Зависимость пускового износа от числа пусков

Проведенными исследованиями установлено, что величина износа гильзы цилиндра при п„=600 мин'1 достигает значения И=0,004 мм, данное значение является максимальным, откуда следует, что повышенных износов в гильзе цилиндра увеличение пп не вызвало.

Кроме того, полученные значения позволяют утверждать, что наиболее нагруженным является верхний пояс гильзы цилиндра, т.е. удаленный на 25 мм от верха, т.к. полученная максимальная величина износа при пп=600 мин"1 определена именно там.

Графически величина износа гильзы цилиндра при п„=600 мин"1 представлена на рис.6. На графике отчетливо видно, что основные величины износов находятся в плоскости качания шатуна. Кроме того необходимо особо отметить, что величины износов при п„=600 мин"'определялись при максимальном давлении ДР пневмогидроаккумуляторе.

700

600

500

т-

X 400

5

2 300

с

С

200

100

0

I I 2

I 1

! у у \ / I |

2 { \ 1

Л ) |

У ! ...............5" 1............. ~ ""ч,

{ I : :

0,0 0,1

0,2

0,5

0,6

0,3 0,4 Т, с

Рис. 5. Зависимость частоты вращения двигателя от времени его пуска 1-е элекгростартерной системой пуска; ¿■с гидриПльЕМиТичёскоц системой пускз^ О -положение пуска

0,0045 0,004 0,0035 0;003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0,0005 0

123456789 1011 12131415 161718192021222324

Рис.6. Величина износа гильзы цилиндра при п„=600мин"'

Проведенными экспериментальными исследованиями установлены величины износов при пп=600мин"' вкладышей подшипников. Максимальное значение Ип=0,0008 мм. Здесь же нужно отметить, что величины износов при Пп=600мин''определялись как и в случае с гильзой цилиндра, т.е. при максимальном давлении в пневмогидроаккумуляторе до ДР=10,0 Мпа.

Результаты эксперимента показали, что величина Ип при п„=150мин1 Ип=0,004 мм наблюдается в верхнем поясе гильзы последнего цилиндра и является одинаковой с Ип при п„=600мин"'. Следовательно, увеличение п„ не приводит к повышенному Ип.

Проведёнными исследованиями установлена величина Ип=0,001 мм вкладыша подшипника при по=150мин'\ которая одинакова с И„ вкладыша подшипника при п„=150мин"1.

Рассматривая результаты исследований, представленные на графиках (Рис.6...9), необходимо подчеркнуть, что характер изменения Ип при п„=600мин'!отличается от И„ при п„=600мин"\ как для гильзы цилиндра, так к для вкладыша подшипника, но их абсолютные величины одинаковы для обоих экспериментов, следовательно, увеличение п„ за 50 пусков не увеличивает абсолютную величину И„ и является целесообразным в качестве компенсации И.

Характер изменения И„ при пп=150мин' как для гильзы цилиндра, так и для вкладыша подшипника, не снижает абсолютные величины Ип = 0,004 и i L = 0,001. Следовательно, увеличение пя = 600 мин'1 абсолютную величину Ип не повышает, если количество пусков не превышает 50, поэтому повышение надёжности пуска обеспечивается.

На рис. 4 указана зависимость величины износа Ип от количества пусков Z, равная в обоих случаях Z=5Ö. Величина Иц=0,0039 мм при п„=600 мин'1 и Ип=0,0037 при п„=150 кип*1.

И, мм 0,0009 -г 0,0008 -1 0,0007 -0,0006 -0,0005 -0,0004 -0,0003 -0,0002 -

0,0001 -0 -

1 2 3 4.5 6 7 8 9 10 11 12

Рис. 7. Величина износа вкладыша подшипника при пп=600мин"'

11 13 15 17 19 21 23 Рис. 8. Величина износа гильзы цилиндра при п„=150мин1

И, мм

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Рис. 9. Величина износа вкладыша подшипника при пп=150мин"!

Как видно из графика (Рис.4) увеличение п„ не вызывает увеличение из-юса в абсолютной величине, если количество пусков не превышает 50, сле-ювательно ее повышение позволяет увеличить надежность пуска согласно шалитических зависимостей в главе 2.

Проведенные исследования позволяют предположить, что причиной увеличения И„ в процессе эксплуатации является количество пусков Z, а не зеличина п„.

Теоретические исследования в главе 2, а экспериментальные исследования в главе 4 наглядно подтверждают целесообразность повышения пп в процессе эксплуатации для увеличения надежности пуска.

Величина И„ в процессе эксплуатации будет увеличиваться при увеличении числа пусков Z, но не будет зависеть от величины пп. Следовательно повышение п„ является целесообразным.

Таким образом, чтобы не допустить повышение величины Ип в процессе эксплуатации, необходимо ограничивать количество пусков Z, а увеличение п„ применять для компенсации зазора А сопряжения «поршень-гильза».

Графическая зависимость И„ от Z, представленная на рис.4 имеет возрастающий характер, направление которого определяется величиной Z, а не Пр, следовательно увеличение пп являстсд рационлльньп«.

На рис.10 показаны величины износа И„ при пп=150 мин"1 и п„=600 мин"1 в первом поясе гильзы цилиндра. Максимальная величина износа при п„=600 мин'1 И„=0,0038 мм, а при пп=150 мин'1 Ип=0,0037 мм. Данный пояс, как следует из графика, является наиболее нагруженным и определяется серединой верхнего поршневого кольца. Наиболее нагруженной является плоскость качания шатуна, которая определяет максимальную величину И- в обоих случаях.

На рис. 11 показано расположение Ип во втором поясе гильзы цилиндра. Максимальная величина И„ при пп=600 мин"1 И„=0,0023 мм, а при пп=150 мин"1 И„=0,0014 мм. Данный пояс является менее нагруженным по сравнению с предыдущим, что характерно дня пусковых процессов.

Величина износа, как следует из графиков определяется количеством пусков, а не величиной п„.

0,00450,004 -0,0035 -0,003 -0,0025 -0,002 -0,0015 -0,001 -0,0005 -

0 -0

Рис.10. Величина Ип в I поясе гильзы цилиндра.

0 И __прип!!= 150 мин"1; А И _ _ при пп = 600 мин4

На рис. 12 указаны величины И„ в третьем поясе гильзы цилиндра. Как i на предыдущих графиках величины И„ указаны при различных данных п, При пп=600 мин"' И„=0,0013 мм, а при пп=150 мин"1 Ип=0,0024 мм. Как видш

з графика величина Ип при пп=150 мин"1 превышает величину И„ при п„=600 ин"1 . В отличие от второго пояса гильзы цилиндра, где величина Ип при „=600 мин"1 превышает величину Ил при пп=150 мин"1 в третьем поясе зави-имость обратная. Полученные данные характеризуют нижние пояса гильзы, е изменяя основной результат.

Рис. 11. Величина Ип во И поясе гильзы цилиндра. 0И — при пп = 150 мин"1; А И _ _ при пп = 600 мин~!

На рис. 13 показано расположение Ип в первом поясе вкладыша под-(ипника. При п-—600 мин"1 величина K-—0.ufifi7 мм, а при пг,=!50 мик"1 Гп=0,0009 мм, следовательно повышение пя величину Ия не увеличивает.

На рис. 14 рассмотрена величина И„ во втором поясе вкладыша под-шпника. Максимальная величина Ип=0,0008 мм при пп=600 мин"1, а при „=150 мин"1 Ип~0,0009 мм, как видно разброса данных ко наблюдается, сле-овательно увеличение П;, величину Ип не повышает.

И

»,004 5 0,004 1,0035 0,003 1,0025 0,002 1,0015 0,001

1,0005 0

Рис. 12. Величина Ип в 111 поясе гильзы цилиндра. 0.И _припп= 150 мин"1; ЛИ __ при пп = 600 мин-1

0,001 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 0

И

1 1 >

ч \

\ \ ч \ V \

1 ч\ ч\

X

Ркс. 13. Величина Ип в I поясе вкладыша подшипника.

0И

.припп = 150 мин*; А И__при пп = 600 мин"

На рис. 15 указан характер поведения Ип в третьем поясе вкладыша подшипника. Максимальная величина И„=С,0005 мм при п„--600 мин"1, а пг,=150 мин"1 Ип=0,0009 мм, как е на предыдущих графиках это показывает, что величина И„ значением п„не определяется.

Рис. 14. Величина Ип во II поясе вкладыша подшипника. 0 И -при пп= 150 мин"'; А И__при пп = 600 мин'1

0,001 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 0

И

< ►

—-

--, ¿c-ZL-

Рис. 16. Величина Ип в III поясе вкладыша подшипника.

0И

.припп = 150 мин"; А И — — припп = 600 мин"

Величина Ип в четвертом поясе вкладыша подшипника при различных тчениях п„ представлена на рис. 16. Результаты эксперимента показали, го величина Ип от данных пп не зависит и составляет при пп~600 мин"1 '„=0,0004 мм, а при п„=150 мин"1 Ип=0,0009 мм. Следовательно возрастаю-¡ий характер Ип зависит не от величины п„, а от количества пусков Ъ.

0,001 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 С

L

_

......

Рис. 16. Величина Ип n TV поясе вкттадштта подшипника. 0И_ припп = 150 мин"1; А И__припп = 600 мин"

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате выполненных теоретических исследований и обобщений экспериментальных данных по повышению надёжности пуска сделаны следующие выводы :

1. Увеличение пусковой частоты п„ позволяет компенсировать зазор основных сопряжений двигателя и повысить надёжность пуска.

2. Установленные при проведении исследований аналитические характеристики позволяют определять величину пп в зависимости от Р,. с учетом степени износа двигателя.

3. Повышение пп увеличивает надежность пуска в процессе эксплуатации, оставляя неизменным время пуска т =0,5 с.

4. Полученные в результате исследований зависимости указывают, что увеличение п„ необходима осуществлять пропорционально Кй.

5. Результатами испытаний установлено, что величина Ип зависит и прямо пропорциональна количеству пусков Z, а не пп=600 мин"1

6. Для повышения надёжности пуска в процессе эксплуатации и компенсации эксплуатационных износов основных сопряжений КШМ необходимо увеличивать минимальную пусковую частоту п„ = 150 мин"1

Основные положения диссертации опубликованы и следующих работах:

!. Москаленко O.A. Определение погрешности результатов испытаний при гидропневматическом пуске // Материалы научно-практической конференции / Проблемы механизации сельскохозяйственного производства Северного Казахстана в современных условиях. - Кустанай, 1992. - с. 83.

2. Москаленко O.A. Определение износа кривошипно-шатунного механизма при гидропневматическом пуске автотракторного двигателя // Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана. - Алма-Ата, 1992. - № 6-8. - с 105-107.

3. Кычев В.Н., Москаленко O.A. Определение зависимости угловое скорости от времени прокручивания коленчатого вала при гидропневматиче ском пуске // Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана. - Алма-Ата 1993.-№9-10.-с. 40-43.

4. Москаленко O.A. Статистическая модель долговечности кривошип но-шатунного механизма при высокоскоростном пуске дизельного двигателе // Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана. - Алматы. 1996.- № 5.- с 143-147.

5. Москаленко O.A. Исследования кривошипно-шатунного механизма ри высокоскоростном пуске дизельных двигателей // Материалы научно-етодической конференции ЯГСХА. —Ярославль, 1996. - с. 42-44.

6. Москаленко O.A. Расчет крутящего момента высокоскоростного ускового устройства // Материалы докладов межвузовской научно-етодической конференции ЯГСХА. - Ярославль, 1997. - с. 33-35.

7. Москаленко O.A. Экономическая эффективность применения г.ысо-эскоростного пуска // Материалы докладов - межвузовской научно-етодической конференции ЯГСХА. - Ярославль, 1997.-е. 42-44.

8. Москаленко O.A. Конструкции высокоскоростных устройств, при-еняемые при высокоскоростном пуске двигателей // Материалы докладов ежвузовской научно-методической конференции ЯГСХА. - Ярославль, ?98.-с. 172-175.

9. Москаленко O.A. Исследования высокоскоростного пуска дизель-ых двигателей // Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана. - Алма-■л, 1999.- № 10.

in ____________А __--С---------------------------------------

IV. ivjiuoKajicntvu v/.ri. пьиильзиааппл юыиилиикupu^l-

ого пуска // Сборник научных трудов. Часть II. - Ярославль, 1999. - с. 140-

43.