автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Восстановление турбокомпрессоров автомобильных дизелей применением усовершенствованного ремонтного комплекса подшипникового узла

На правах рукописи

005044103

ГАФФАРОВ Айрат Гаптельхаковнч

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПРИМЕНЕНИЕМ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО РЕМОНТНОГО КОМПЛЕКТА ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Автореферат диссертации »а соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 мдй ?012

Оренбург-2012

005044103

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Камская государственная инженерно-экономическая академия» (ИНЭКА).

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

доктор технических наук, профессор Кулаков Александр Тихонович

Бондаренко Елена Викторовна,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», профессор кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей;

Аюкин Зульфат Ахатович,

кандидат технических наук, ЗАО «Ремдизель» (г. Набережные Челны), главный инженер

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

Защита состоится 29 мая 2012 г. в 9:30 на заседании диссертационного совета Д 212.181.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан 27 апреля 2012 г.

Ученый секретарь ^

диссертационного совета I В.И. Рассоха

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Автомобильный парк России неоднороден по марочному и возрастному составу, и наряду с современными автомобилями в эксплуатации находится значительное количество ранее выпускаемых моделей, которые требуют поддержания работоспособного состояния ремонтами и имеют более высокие затраты на эксплуатацию. В Федеральном законе РФ от 10.01.2002 г. № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», а также Постановлении Правительства РФ от 12.10.2005 г. № 609 «Об утверждении специального технического регламента "О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ"» намечено прекращение выпуска устаревших моделей и модернизация модельного ряда дизелей для повышения их технико-эксплуатационные показателей путем применения турбонаддува, совершенствования топливной системы и других мероприятий,

ОАО «КАМАЗ» с 2005 года осуществил переход в серийном производстве на выпуск дизельных двигателей, отвечающих нормативам ЕВРО-2. В то же время в эксплуатации находится около 350 тыс. автомобилей классов ЕВРО-О и ЕВРО-1, хотя их производство, кроме выпуска на запасные части, прекращено.

На долю турбокомпрессоров (ТКР) приходится более 25 % отказов, и они являются одними из самых ненадежных узлов дизелей КАМАЗ 740.11-240. В эксплуатации, в соответствии' с требованиями закона №7-ФЗ, проводится подтверждение экологических характеристик автомобилей на установленном уровне путем регулярных проверок во время проведения государственного технического осмотра и осуществления контроля в процессе эксплуатации транспорта. Запрет на эксплуатацию автомобилей из-за превышения норм содержания вредных веществ в отработавших газах часто является следствием отказа ТКР. Поскольку автомобили находятся за пределами гарантии, восстановление ТКР и поддержание экологического класса производится средствами и силами эксплуатирующей организации при ремонте, что приводит к высоким затратам на эксплуатацию. В ряде руководств по эксплуатации полная разборка и ремонт ТКР не допускается, на практике при отказах заменяется весь узел целиком, что при цене одного ТКР около 7 тыс. руб. и наработке до отказа в среднем не более 40 тыс. км весьма дорого для эксплуатации.

Более 80 % отказов ТКР 7Н-1 приходится на подшипниковый узел вала ротора. При проведении ремонта простыми заменами деталей не устраняются недостатки, допущенные при проектировании и производстве, не обеспечиваются заданные экологические и экономические параметры дизелей, послеремонтный ресурс, установленный документацией, что вновь приводит к нарушению работы ТКР, отказам и повторному ремонту. Анализ технико-эксплуатационных показателей дизелей после ремонта показал, что одним из наиболее перспективных методов восстановления экологических и экономических параметров является ремонт ТКР, включающий изменение параметров подшипникового узла с использованием усовершенствованного ремонтного комплекта (УРК). Поэтому совершенствование технологии восстановления ТКР является актуальной задачей.

3

Объект исследования - технология восстановления турбокомпрессоров ТКР 7Н-1 дизелей КАМАЗ 740.11-240 в эксплуатации.

Предмет исследований - смазочный процесс в подшипниковом узле турбокомпрессора и его совершенствование в ремонтном комплекте.

Цель работы - повышение эффективности эксплуатации автомобилей и обеспечение ресурсных и технико-эксплуатационных показателей дизелей за счет восстановления турбокомпрессоров применением усовершенствованных ремонтных комплектов.

Задачи исследования:

1) теоретически обосновать систему восстановления работоспособности турбокомпрессоров и основные требования к параметрам УРК подшипникового узла ТКР;

2) разработать программу и методику экспериментальных исследований подшипникового узла ТКР и оценить эффективность изменения параметров ТКР с применением УРК;

3) разработать теоретические основы и практические рекомендации технологического процесса и руководства по восстановлению ТКР с использованием УРК подшипникового узла в эксплуатации.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. Теоретические исследования выполнены с использованием теории надёжности автомобилей; гидродинамической теории смазки; теории автомобильных двигателей; теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования выполнялись в стендовых и производственных условиях с использованием как общепринятых методик и оборудования, так и разработанных лично автором. Достоверность научных положений работы обуславливается использованием методологической базы исследования, обоснованностью принятых допущений при разработке расчетных моделей, хорошей сходимостью экспериментальных данных с результатами собственных теоретических исследований и данными других авторов.

Научную новизну составляют положения, выносимые на защиту:

- математическая модель подшипникового узла, характеризующая совмещенные процессы смазки, охлаждения и потери мощности ТКР;

- методика теплового и мощностного расчета подшипникового узла ТКР. учитывающая механические потери на гидроторможение вала ротора;

- методика экспериментальной оценки потерь мощности в подшипниковом узле, позволяющая определить их по параметрам турбины и компрессора;

- зависимости температуры масла и корпуса подшипникового узла от расхода масла в ТКР, полученные за счет восстановления с использованием УРК.

Практическая значимость работы состоит в обеспечении:

- возможности восстановления турбокомпрессоров модели ТКР 7Н-1 по разработанному руководству и технологии на автотранспортных предприятиях путем применения УРК;

- улучшения технико-эксплуатационных показателей при эксплуатации автомобильных дизелей, оснащенных восстановленными ТКР, повышения ресурса ТКР и моторного масла дизеля.

Реализация результатов работы.

Технология восстановления ТКР 7Н-1 прошла производственную проверку на Заводе двигателей ОАО «КАМАЗ», ЗАО «Ремдизель» и внедрена в эксплуатации в 10 автотранспортных предприятиях Татарстана, Башкортостана, Самарской и Саратовской областей.

Результаты исследования используются в учебном процессе Камской государственной инженерно-экономической академии, Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А. и Оренбургского государственного университета в виде руководства по ремонту турбокомпрессоров ТКР 7Н-1.

Апробация работы. Материалы исследования докладывались и получили положительную оценку на международной научно-технической конференции по силовым агрегатам КАМАЗ (Набережные Челны, 2005 г); межвузовской молодежной конференции, посвященной 25-летию КамПИ «Студенчество. Интеллект. Будущее» (Набережные Челны, 2005 г.); международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии технического сервиса» (Уфа, 2007 г.); международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2011 г.); 1 всероссийской научно-технической конференции «Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы», (Рубцовск, 2011 г.); межкафедральных научно-практических семинарах автомеханического факультета ИНЭКА (2003-2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в числе которых 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников из 137 наименований, 8 приложений и содержит 167 страниц, в том числе 66 рисунков и 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, приведены общая характеристика работы, научная новизна положений, выносимых на защиту, практическая значимость и основные направления исследования.

В первой главе приводится анализ эффективности дизелей в эксплуатации, рассмотрены условия работы и факторы, влияющих на отказы ТКР, а также способы восстановления при ремонте. Большой вклад в разработку основных принципов обеспечения ремонта автомобилей внесли такие ученые, как Ф.Н. Авдонь-кин, В.П. Апсин, В.А. Бондаренко, H.H. Волошкин, II.Я. Говорущенко, Б.В. Гольд, М.А. Григорьев, Г.В. Крамаренко, Р.В. Кугель, Е.С. Кузнецов, В.М. Михлин, A.C. Проников, Р.В. Ротенберг и другие. Повышению надежности ТКР посвящены работы Э.В. Аболтина, С.А. Анисимова, JI.B. Арсеньева, JI.B. Горюнова, A.C. Денисова, В.Н. Каминского, И.И. Кириллова, А.Г. Костюка, В.И. Крутова, К.П. Селезнева, Н.С. Ханина и других.

Полученные в реальной эксплуатации данные по надежности автомобилей с двигателями КАМАЗ 740.11-240 показали, что на ТКР приходится 25,9 % отказов, наработка на отказ для ТКР в среднем составляет 40 тыс. км, что, наряду с большими затратами на запасные части и трудовыми затратами, приводит к неэффек-

5

тивной эксплуатации автомобилей. 80...85 % всех отказов ТКР составляет торможение и заклинивание вала ротора, признаками которого при работе является течь масла со стороны турбины. Наряду с этим происходит сильный перегрев масла, быстрое его старение и образование отложений на деталях турбокомпрессора. Существующие методы поддержания работоспособности ТКР в эксплуатации сводятся к ограничению режимов работы двигателя с повышенной температурой выхлопных газов, недопущению остановки двигателя без предварительного охлаждения ТКР работой на холостом ходу, недопущению холодных запусков двигателя без подогрева. Проводившиеся ранее в производстве улучшения ТКР не привели к снижению отказов в эксплуатации.

В условиях заводских испытаний была изучена физическая картина отказа (рис. 1). Отказ ТКР получали в течении 10 минут работы при стендовых испытаниях достижением температуры газов перед турбиной 700 °С при позднем опережении впрыска топлива.

& ■ >

а) б) в)

Рис. 1 - Износы поверхностей подшипникового узла со стороны турбины: а - поверхность втулки; б - вал ротора и кольцедержатель; в - крышка в зоне работы колец

Признаками отказа является характерный свист, течь масла со стороны турбины, неустойчивая работа дизеля. При разборке отказавшего ТКР подшипниковый узел не разбирается без расточки (втулка не выходит через отверстие в крышке корпуса). Иногда возможен ремонт заменой на стандартный подшипниковый узел, но ТКР за короткий период отказывает повторно, так как надежность узла остается на прежнем уровне. При ремонте необходимо использовать усовершенствованный ремонтный комплект подшипникового узла ТКР для увеличения прокачки масла, снижения теплонапряженности, исключения деформаций корпуса и заклинивания вала ротора, увеличения срока службы масла, повышения эффективности эксплуатации автомобилей. |

Вторая глава посвящена аналитическому обоснованию технологии восстановления ТКР использованием УРК в условиях эксплуатации. Изучение процессов подачи масла в подшипниковый узел (рис 2, а), а также наблюдения в эксплуатации по низкому наддуву, непродолжительному выбегу ротора, недостаточной приемистости ТКР и быстрому старению масла позволили предложить следующий механизм, объясняющий ухудшение смазочного процесса в ТКР. Масло для смазывания и охлаждения ТКР не может пройти в необходимом количестве через полость, образованную между опорными поясками моновтулки. Этому препятствуют малые проходные сечения, а также действие центробежных сил на масло со стороны вала ротора, вращающегося с частотой до 90000 мин'. Это яв-

6

ляется причиной перегрева корпусов, масла и снижения выходных параметров ТКР (низкое избыточное давление 0,06 МПа при высокой температуре газов перед турбиной 680...700 °С), торможения и потери мощности на валу ротора. Рассмотрение процессов с этой точки зрения является новым подходом в исследованиях отказов ТКР.

При существующей схеме подвода масла в подшипниковый узел масло от системы смазки двигателя подается под давлением Р„ =0,4 МПа в гидравлическую систему, состоящую из трех объемов (рис. 3, точки 1, 2, 3).

Рис. 3 - Модель взаимодействия масла и вращающегося вала в подшипниковом узле ТКР при возрастании угловой скорости вала

Переход из одного положения микрообъема масла в другой определяется уравнением Бернулли. В точке 1 энергия микрообъема масла определяется давлением внешней системы Рм = 0,4 МПа. Переход в замкнутую полость 2 определяется добавлением кинетической энергии от вращения масла вслед за валом с окружной скоростью. Нахождение масла на поверхности вала в точке 3 и прохождение масла в зазоры определяется достаточностью энергии для удержания частиц масла в поверхностном слое. Условием этого является вращение слоя масла с той же окружной скоростью, что и поверхность вала, и, следовательно, превышение внешнего давления над центробежными силами Рм > Р,/б. Расчеты показывают, что до со = 8000 с"1 (п = 84000 мин ') внешнее давление превышает давление от

центробежных сил, а при со > 8000 с"1 они сравниваются. При этом происходит отрыв масла от поверхности вала с образованием области пустот, разрывов и кавитации (положение 2 на рис. 3). При больших угловых скоростях, в том числе при расчетных со = 9420 с"', проход смазки в зазор проблематичен, и возможно граничное или сухое трение в радиальных и торцевых подшипниках. Это область неустойчивой смазки и отказов подшипникового узла. Вероятно, что область превышения угловой скорости более ш > 8000 с"' является недопустимой и недостижимой при данной конструкции, потому, что вступают в работу увеличивающиеся силы трения в подшипниках, которые замедляют скорость вращения ротора. То есть существует зона саморегулирования 8000 < со < 9420 с"1, граничащая с зоной отказов. Таким образом, подшипниковый узел работает на границе отрыва потока и не может развить большую частоту вращения, поскольку создаваемые окружные скорости в поверхностном слое создаются за счет отбора энергии от вала ротора путем его торможения.

В эксплуатации, вследствие снижения давления в системе смазки, критическая частота вращения ротора будет снижаться. В разработанной модели обосновываются потери мощности на гидроторможение ротора, обусловленные гидродинамическими процессами в потоке масла, их влияние на отказы ТКР в эксплуатации, необходимость усовершенствования подшипникового узла. Обобщенное уравнение баланса мощности, передаваемой компрессору:

= (1) где N. - мощность, получаемая компрессором; Ыт - мощность, отдаваемая турбиной; Л/у/. - мощность трения на участке подшипникового узла: Ып> Ь/У,-,, где Ыд - потери мощности трения в зазорах подшипника; Ыгг - потери мощности на гидродинамическое торможение, в которые входят следующие составляющие: Ыт = Л^ + Л^+Л^+Л^ . (2)

В выражении (2) учтены составляющие сопутствующих потерь мощности, которые определяют работоспособность подшипникового узла и параметры ТКР.

Необходимая энергия объема масла Л^ для удержания на поверхности вала и прохода через зазоры - это кинетическая энергия, приобретаемая потоком жидкости от вращающегося ротора.

Составим уравнение Бернулли для точек 1 и 3 (рис. 3). Давление масла Рм в точке 1 равно давлению в главной масляной магистрали двигателя, для точки 3 на поверхности вала важно соотношение давлений внешнего и от действия центробежных сил: Рм - — -г2(а2.

Для того, чтобы при рабочей частоте вращения ротора масло проникало в зазоры, необходимо, чтобы оно приобрело энергию и вращалось вместе с валом в прилегающем слое. Мощность, приобретаемая потоком, отнимается от вала ротора и является мощностью гидроторможения. Ее значение определяется по формуле А^ = 0,520)-/?,' и составляет = 37 кВт, где р - плотность масла, 0 - расход, со - угловая скорость, Я, - радиус вала.

Значительная часть энергии ИТ1 диссипируется в тепло в радиальном зазоре между валом ротора и статором в замкнутой полости. Мощность, расходуемая на

преодоление трения в полости, определяется через элементарную силу трения на выделенной площадке контакта вала с объёмом смазочного материала и элементарный момент трения:

с!У с1У , м У - У

ап ап НИ гу .

с1У ап

откуда:

01о '1 Г2

сЬ= ]

о

2 ух-У2

г /Р-¿1

сЬ.=2 л / г2[1—^ , (3)

где // - динамическая вязкость масла; / - длина участка вала с полостью гидротормоза; К, - У2 - разность скоростей вала и втулки; г]-г2=И - разность радиусов вала и втулки.

При !72 =0 йУ - \\ - К, тогда МТР = 2л/г2// —■

И

Мощность гидравлических потерь в полости гидротормоза определяется как:

г п 900- И 450- к '

и при г =5,5 мм, Л=2 мм составляет ЫП =11 Вт.

При больших скоростях вращения зависимость сил вязкого трения от градиента скоростей возрастает нелинейно. В этом случае а = 1 ...3, потери гидроторможения, создаваемые потоком масла в замкнутой полости, возрастают в десятки раз, и выражение (4) приобретает вид:

пЧг1

ЛГП=—ц-и"1. (5)

п 450/7 ^

На основе анализа смазочного процесса в ТКР разработана схема УРК подшипникового узла (рис. 2, б), в котором исключена замкнутая полость в подшипниковом узле и изменена схема подвода масла к парам трения.

Для исследования и моделирования процессов работы УРК подшипника и сравнения его с серийным разработаны схема, физико-математическая модель и методика расчета, эквивалентные схемы совмещенных гидравлических и тепловых потоков (рис. 4). Проведен анализ условий смазки и теплопередачи в серийном подшипниковом узле и в усовершенствованном ремонтном комплекте. Важной технической особенностью схемы является то, что весь поток масла, обеспечивающий охлаждение ТКР, проходит через гидравлические сопротивления, создаваемые в радиальных и торцевых подшипниках С,,, С^, С,7. Этот поток определяется, прежде всего, исходя из работы подшипников, а не необходимой величиной прокачки, обеспечивающей отвод тепла от деталей ТКР. В этом состоит одно из несовершенств конструкции, которое необходимо устранять разделением потоков, идущих на смазку и на охлаждение. Другая особенность состоит в том, что вал ротора проходит через замкнутую полость, где часть полезной мощности от

вала ротора превращается в мощность гидроторможения и тепло. Поэтому в эквивалентной схеме УРК подшипникового узла при разделении потоков предложено убрать давление масла в полости.

а) б)

1т1, Чтъ Ятз - тепловые потоки от отработавших газов газовой турбины; <?„„, - тепловой поток дополнительного охлаждения от масла на входе турбокомпрессора; Г, - температура на фланце корпуса подшипников на диаметре 120 мм; Т2 - температура на фланце корпуса подшипников на диаметре 90 мм; Т3 - температура на фланце корпуса подшипников на диаметре 70 мм; Т4 - температура на бобышке (держателе) подшипника на диаметре 32 мм; Т5 - температура на крышке корпуса подшипников на диаметре 32 мм; Тм,,Тм2 - температуры масла, соответственно, на входе и выходе ТКР

Рис. 4 - Совмещенная схема гидравлических и тепловых потоков ТКР 7Н-1: а) в серийном подшипниковом узле; б) с УРК

В отличие от схемы серийного ТКР, поток масла для смазки подшипников на входе разделяется на два потока ц2 и д, поток масла д3 разделяется на потоки ц5 и ц7, которые проходят через местные гидравлические сопротивления С,5 и Дополнительно созданный поток дтл, для охлаждения попадает на внутренние стенки корпуса ТКР, охлаждает его и стекает в картер к отводящему патрубку. Расход масла на охлаждение составляет 2 - 2,5 л/мин, расход масла через подшипники сохранился 2 л/мин. При расчетах подшипникового узла с УРК приняты допущения, что вязкость масла взята при температуре 140 "С, а также использованы полученные в экспериментах расходы масла через ТКР: максимальный 2 л/мин - в серийном и минимальный 4 л/мин - с УРК. По двум моделям вычислена тормозящая мощность по параметрам турбины до и после усовершенствования, а также приращение температур масла на выходе из турбокомпрессора. Определена мощность гидроторможения, которая составляет 0,45 кВт. Приращение температуры в смазочном слое при расходе 2 л/мин составляет Л/ = 30 °С (после модернизации 5,3 °С). Температура масла на выходе из ТКР при температуре масла в системе 1Ю = 110 °С составляет ^ = 140 °С (с УРК /1ТИХ = 115 °С). Аналитическое исследование показало улучшение смазки и охлаждения ТКР, снижение температуры масла и деталей путем использования УРК подшипникового узла.

В третьей главе в соответствии с поставленной целью и сформулированными задачами разработана программа экспериментальных исследований, вклю-

10

чающая алгоритм, план и методики проведения исследований. Исследования включали в себя стендовые испытания ТКР, стендовые и эксплуатационные испытания двигателей КАМАЗ. Стендовые испытания ТКР проводили в цехе испытания турбокомпрессоров Завода двигателей ОАО «КАМАЗ», что позволило оценить деформацию корпуса подшипника, температуры масла и деталей ТКР на оригинальном стенде, структурная схема которого представлена на рис. 5.

а) б)

I - компрессорная ступень, 2 - подшипниковый у им. 3 - турбинная ступень, 4 - мерный коллектор входа, 5 - насос масляной ступени, 6 - механизм регулирования давления подачи масла, 7 - теплообменник, 8 - нагнетатель масла, 9 - магистраль подачи масла, 10 - магистраль слива масла, II - газовоздушная магистраль, 12 - магистраль сжатого воздуха, 13 - камера сгорания, 14 - топливный насос высокого давления, 15 - механизм регулирования подачи топлива, 1.6 - магистраль высокого давления, 17 - магистраль подачи топлива, 18 - тжектор, 19 - механизм регулирования подачи сжатого воздуха

Рис. 5 - Структурная схема стенда для испытания ТКР (а) и схема установки термодатчиков (б) (1 - 13 места установки термодатчиков)

Температуру деталей и масла при проведении стендовых испытаний определяли с помощью термодатчиков, установленных в ТКР (рис. 5, б). Методика экспериментальной оценки потерь на гидроторможение в подшипниковом узле предусматривала измерение параметров турбины при разных моделях подшипников для получения одинаковых выходных параметров компрессора.

Стендовые испытания двигателей КАМАЗ с использованием УРК проводились на штатных испытательных стендах лаборатории испытания Завода двигателей ОАО «КАМАЗ» по разработанным методикам и плану эксперимента на режимах снятия внешней скоростной характеристики. При проведении испытаний оценивали влияние УРК подшипникового узла турбокомпрессора на мощностные и экономические показатели работы двигателя.

Для оценки надежности в реальных условиях наблюдались автомобили с серийными подшипниковыми узлами и с УРК, эксплуатирующиеся в рядовых автотранспортных предприятиях на территориях Башкортостана, Татарстана, Самарской и Саратовской областей. Эти исследования позволили получить информацию о наработке ТКР до отказа, а также о доле отказов, простоев в ремонте и затратах на запасные части и трудовых затратах.

Четвертая глава посвящена анализу результатов экспериментальных исследований при испытаниях ТКР и двигателей.

При стендовых испытаниях ТКР определяли и сравнивали температуру кор-

пуса с серийным подшипниковым узлом и УРК в точках согласно схеме установки термодатчиков (рис. 6), а также расход и температуру масла на входе и выходе из ТКР (рис 7, табл. 1).

I, мм

Рис. 6 - Распределение температур корпуса подшипника ТКР при 7>= 680 °С по расстоянию (¿) измеряемому в направлении от датчика 1 до датчиков 2, 3, 9, 8, 7 при вариантах комплектации: 1 - серийная; 2-е УРК

500 1000 1500 2000 п, И'

Рис. 7 - Зависимость фактического расходг масла через ТКР от частоты вращения коленчатого вала: 1 - серийный; 2-е УРК;; - импортный аналог ТОР «Швитцер»

Таблица 1 - Результаты сравнения теплонапряженности турбокомпрессора с серийным подшипниковым узлом и УРК

^ Тт1, "С 600 650 680

Темп. корпуса ¡1, серийн. УРК Д,% серийн. УРК Д,% серийн УРК Д,%

1/ 0120 294 214,6 27 308 227,7 26,1 321 237,3 26.1

>2 262 193,1 26,3 274 204,4 25,4 285 212,6 25,4

Ь 090 228 170,6 25,2 237 180,6 23,8 245 187,3 23,6

и 251 177,3 29,4 260 187,6 27,8 270 194,5 28,0

и 070 ' 240 170,6 28,9 247 180,7 26,8 255 187,8 26,4

и 233 177,6 23,8 243 188,2 22,6 251 194,7 22,4

Ь 145 126,9 12,5 148 131 11,5 151 133,2 11,8

148 126,9 14,3 150 131,5 12,3 153 133,8 17 5

¡9 181 163,5 9,7 186 173 7,0 189 179,7 4,9

Ьо 190 163,1 14,2 196 174,5 11,0 199 179,2 99

¡11 0120 низ 301 205 31,9 311 217 30,2 323 226,7 29,8

1/2 1 масла на входе 112 108,2 3,4 111 109,4 1,4 113 110,8 1.9

из 1 масла на выходе 144 126,4 12,2 147 131,8 10,3 149 133,2 10,6

В таблице: Тт, - температура газа со стороны турбины, °С; и ¡и - температуры на фланце корпуса подшипников на 0120 мм, °С; 12 - температура на фланце корпуса подшипников на 090 мм, °С; 13, - температуры на фланце корпуса

подшипников на 070 мм, °С; Г/, 18 -температуры на бобышке (держателе) подшипника корпуса подшипников на 032 мм, °С; ¡9, 11д - температуры на крышке корпуса подшипников на 032 мм, °С; 1,2 - температура масла на входе в подшипниковый узел турбокомпрессора, °С; 1,3 - температура масла на выходе из корпуса подшипников, °С; А - изменение температуры, %.

Анализ полученных результатов показал снижение температуры корпуса ТКР

12

от 4,9 до 31,9 % в различных точках, а температура масла на входе снизилась от 1,4 до 3,4 % на входе в ТКР и от 10,3 до 12,2 % на выходе из него в зависимости от температурного режима работы, что говорит о несомненной эффективности УРК с точки зрения снижения теплонапряженности ТКР, и, как следствие, снижения температурных деформаций корпуса. При использовании серийного подшипникового узла температура масла на выходе из ТКР поднималась выше 150 °С, что является для масла критической.

При использовании УРК температура масла не достигает критических значений, что увеличивает срок его службы. В сравнительных испытаниях ТКР показателем улучшения технико-экономических параметров взята температура газов на входе в турбинное колесо для создания избыточного давления воздуха за компрессорным колесом до 0,07 МПа. У серийного ТКР эта температура составляет tmi = 560 °С, с УРК - tmi = 480 °С. Давление топлива перед рабочей форсункой камеры сгорания составляет 0,5 и 0,34 МПа соответственно.

Представленные в табл. 2 данные показывают высвобождение части мощности при использовании УРК, ранее затрачиваемой на гидроторможение в замкнутой полости, которая превращается в полезную энергию на увеличение адиабатной мощности в компрессоре, то есть давления наддува и расхода воздуха. Произведена проверка адекватности математической модели и соответствия расчетных параметров экспериментальным данным.

Таблица 2 - Параметры ТКР 7Н-1 после ремонта с УРК по результатам сравнительных стендовых испытаний с серийным

Турбокомпрессоры Параметры

Рмк Ртоп t,, tmi tm2 Рml Р„2 Мткр

■ Серийный 130 0,05 70 6 560 480 0,065 0,07 91 84100

УРК 130 0,034 71 3 480 410 0,065 0,07 93 84000

В таблице: Р,1К - перепад давления (разрежения) воздуха на мерном коллекторе входа в компрессорную ступень, мм вод. ст.; Ртоп - давление топлива перед рабочей форсункой камеры сгорания, МПа; /,„ - температура масла перед подшипниковым узлом, °С; Лу(!:1 - суммарное виброускорение корпуса компрессора, м/с2; 1,„; - температура газов перед турбиной, °С; - температура газов за турбиной, °С; Рт1 - статическое давление газов перед турбиной, МПа; Р^ - статическое давление газов за колесом компрессора, кгс/см2; ¡к2 - температура воздуха за компрессором, °С; пткр - частота вращения ротора, мин"1.

Сравнительные стендовые испытания двигателя КАМАЗ 740.11-240 в вариантах, укомплектованных серийными ТКР и с УРК, на режимах внешней скоростной характеристики показали: на номинальном режиме при одинаковой мощности (± 1,25 %) максимальный крутящий момент увеличился на 18 Н-м (2,12 %), давление наддува - на 0,014 МПа (20,6 %). Минимальный эффективный расход топлива снизился на 4 г/л.с. ч. (2,5 %), что свидетельствует о высокой эффективности УРК подшипникового узла ТКР 7Н-1 для снижения теплонапряженности

корпуса, увеличения срока службы моторного масла, повышения технико-эксплуатационных показателей работы двигателя.

В пятой главе представлено практическое использование результатов исследований, направленное на повышение эффективности эксплуатации автомобилей с двигателями, укомплектованными ТКР 7Н-1, путем восстановления турбокомпрессоров с УРК в эксплуатации. Для оценки ремонтопригодности и выбора метода ремонта проводился анализ ТКР с заклиниванием ротора и течами масла из ТКР, поступавших из эксплуатации. При обследовании и микрометрировании по разработанным методикам выявлены характерные деформации корпуса подшипников величиной до 0,2...0,4 мм по разным поверхностям. Это было выбрано в качестве исходных данных для выбора технологии ремонта и оценки ремонтопригодности.

Для эксплуатирующих предприятий предложена технология ремонта ТКР с использованием разработанных УРК, состоящих из подшипника, фиксатора, колец, кольцедержателя и теплоизолирующего экрана (рис. 8). Ремонт производится обезличенным способом, с ремонтом корпуса подшипника (рис. 9), маслоотражателя, заменой подшипника и фиксатора, ремонтом ротора, допуская раскомплек-товывания ротора и колеса компрессора.

Рис. 8 - Фото элементов УРК: моновтулка фиксатор, кольцедержатель, втулка, кольца теплоизолирующий экран

а)

Р

ш

в)

г)

Рис. 9 - Технологические операции по ремонту корпуса подшипников: а - корпус подшипника со смещением и деформации поверхности 4 от уплотнительных колец; б - черновая расточка в размер 28 мм для разборки; в - чистовая расточка в размер 30 мм под втулку; г - запрессовка втулки 2 и сверление отверстия 3

Разработано руководство по ремонту ТКР 7Н-1, которое внедрено на Заводе двигателей ОАО «КАМАЗ», ЗАО «Ремдизель» и ряде сервисных и эксплуатирующих предприятий. Проведенные эксплуатационные испытания и наблюдения

за подконтрольной партией автомобилей с отремонтированными ТКР7Н-1 с УРК показали их удовлетворительную работу до пробегов не ниже 170 тыс. км. Доля отказов по ним в эксплуатации снизилась в среднем на 35,4 %. Внедрение в эксплуатирующих предприятиях технологии ремонта ТКР 7Н-1 с использованием УРК позволило снизить себестоимость перевозок, увеличить доход от снижения простоев и получить годовой экономический эффект 1964 рубля на один автомобиль КАМАЗ.

Основные результаты и выводы

1. Решена важная задача повышения эффективности эксплуатации автомобильных дизелей за счёт совершенствования системы восстановления турбокомпрессоров применением УРК подшипникового узла, обеспечивающего повышение ресурса и улучшение технико-эксплуатационных показателей.

2. Теоретически обоснована новая схема подшипникового узла ТКР7Н-1, осуществляемая в процессе ремонта применением УРК, заключающаяся в изменении схемы подачи масла и позволяющая увеличить расход масла через турбокомпрессор, снизить температуру корпуса подшипникового узла и уменьшить потери мощности на гидроторможение.

3. С использованием оригинальных экспериментальных методик подтверждено, что применение УРК подшипникового узла увеличивает расхода масла через него в 2 раза на всех режимах и уменьшает температуру масла на выходе из ТКР на 30 °С, что существенно снижает теплонапряженность элементов ТКР, увеличивает давление наддува на 0,014 МПа и частоту вращения ротора на 12700 мин"1. Двигатель, укомплектованный ТКР с УРК, имеет улучшенные технико-эксплуатационные характеристики: при сохранении мощности на номинальном режиме давление наддува повысилось на 20,6 %; удельный эффективный минимальный расход топлива снизился на 2,5 %; максимальный крутящий момент возрос на 2,12%.

4. Разработан технологический процесс восстановления ТКР 7Н-1 в условиях эксплуатации путем применения УРК без изменения корпусных деталей, содержание которого отражено в виде руководства по ремонту.

5. Эксплуатационные испытания и наблюдения за подконтрольной партией автомобилей с отремонтированными ТКР 7Н-1 с использованием УРК указывают на их удовлетворительную работу до пробегов не ниже 170 тыс. км., а доля отказов по ним в эксплуатации снизилась в среднем на 35,4 %. Внедрение в эксплуатирующих предприятиях позволяет снизить себестоимость и увеличить доход от снижения простоев и получить годовой экономический эффект 1964 рубля на один автомобиль.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

В рецензируемых научных журналах:

1. Кулаков, А.Т. Совершенствование подшипникового узла турбокомпрессора автотракторного ДВС / Л.Т. Кулаков, А.А.Макушин, А.Г. Гаффаров // Тракторы и сельскохозмашины,-2010. -№2. -С. 39-42.

2. Макушки, A.A. Тепловое состояние деталей турбокомпрессора дизельного двигателя / A.A. Макушин, А.Г. Гаффаров // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2011. -№2,- С. 35-40.

3. Кулаков, А.Т. Совершенствование подшипникового узла турбокомпрессора автотракторного двигателя / A.C. Денисов, А.Т. Кулаков, A.A. Макушин, А.Г. Гаффаров // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2011. - №10. - С. 238-241.

В других изданиях:

4. Гаффаров, А.Г. Организация системы смазки подшипникового узла турбокомпрессора ТКР 7Н-1: сборник материалов межвузовской молодежной конференции, посвященной 25-летию КамПИ. - Набережные Челны: КамПИ, 2005. - С. 373-375.

5. Денисов, A.C. Особенности системы смазки подшипникового узла турбокомпрессора ТКР 7Н-1: сборник научных трудов СГТУ / A.C. Денисов, A.A. Гафиятуллин, Н.И. Светличный, Г.Г. Гаффаров, А.Г. Гаффаров. - Саратов: СГТУ, 2006. - С. 4-8.

6. Денисов, A.C. Модернизация подшипникового узла турбокомпрессора ТКР 7II-1: сборник научных трудов СГТУ / A.C. Денисов, A.A. Гафиятуллин, Н.И. Светличный, Г.Г. Гаффаров, А.Г. Гаффаров. - Саратов: СГТУ, 2006. - С. 8-17.

7. Малаховецкий, А.Ф. Улучшение показателей двигателей путем модернизации турбокомпрессора ТКР 7Н-1: материалы международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии технического сервиса» / А.Ф. Малаховецкий, А.Г. Гаффаров - Уфа' БГАУ, 2007.-С. 141-146.

8. Гафиятуллин, A.A. Совершенствование подшипникового узла турбокомпрессоров ТКР 7С6 и ТКР 7С9 дизелей КАМАЗ: сборник научных трудов «Совершенствовать технологий и организации обеспечения работоспособности машин» / A.A. Гафиятуллин, А.Г. Гаффаров - Саратов: СГТУ, 2007. - С. 76-82.

9. Денисов, A.C. Расчетная оценка эффективности усовершенствования подшипника турбокомпрессора: сборник научных трудов «Технологические и организационные проблемы сервиса машин и пути их решения» / A.C. Денисов, А.Т. Кулаков, А.Г. Гаффаров - Саратов' СГТУ, 2010. - С. 79-86.

10. Денисов, A.C. Повышение надежности и эффективности турбокомпрессора путем усовершенствования подшипника: сборник научных трудов «Прогрессивные технологии в транспортных системах» / A.C. Денисов, А.Т. Кулаков, A.A. Макушин, А.Г. Гаффаров. - Оренбург ОГУ, 2011.-С. 50-54.

11. Гаффаров, А.Г. Ремонт турбокомпрессора ТКР7Н-1 с модернизацией подшипникового узла: сборник научных трудов «Перспективные направления развития автотранспортного комплекса». - Пенза: ПГУАС, 2011. - С. 79-86.

12. Гаффаров, А.Г. Ремонт и модернизация турбокомпрессоров двигателей грузовых автомобилей и автобусов: электронное периодическое издание «Социально-экономические и технические системы». 2011. - №3 (60), http: //sets.ru /.

13. Гаффаров, А.Г. Повышение ремонтопригодности турбокомпрессора путем усовершенствования подшипника: материалы всероссийской научно-технической конференции «Современная техника и технологии: проблемы, состояние, перспективы» / А.Т. Кулаков, A.A. Макушин, А.Г. Гаффаров. - Рубцовск: РИИ, 2011. - С. 377-383.

Подписано в печать 16. 04. 2012 г. Формат 60x4/16 Бумага офсетная Печать ризографическая Уч.-изд.л. 1,0 Усл.-печл. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 2220 Издательско-полиграфическнй центр Камской государственной инженерно-экономической академии

423810, г. Набережные Челны, Новый город, проспект Мира, 68/19; тел./факс (8552) 39-65-99 e-mail: ic@ineka.ru

61 12-5/2799

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Камская государственная инженерно-экономическая академия»

На правах рукопщ ГАФФАРОВ АЙРАТ ГАПТЕЖ^АШВИЧ

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПРИМЕНЕНИЕМ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО РЕМОНТНОГО КОМПЛЕКТА

ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Кулаков Александр Тихонович

Оренбург - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................4

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО НАДЕЖНОСТИ, ВИДАМ ОТКАЗОВ, РЕМОНТОПРИГОДНОСТИ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ.............................................................................9

1.1 Состояние вопроса в эксплуатации..............................................9

1.2. Состояние по надежности турбокомпрессоров ТКР 7Н-1.................15

1.3 Элементы турбокомпрессора ТКР 7Н-1, определяющие надежность.22

1.4 Анализ эксплуатационных факторов, определяющих надежность турбокомпрессоров............................................................................27

1.5 Анализ влияния параметров системы смазки на интенсивность отказов турбокомпрессоров...........................................................................33

1.6 Выводы...............................................................................38

2 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРА ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО РЕМОНТНОГО КОМПЛЕКТА...................39

2.1 Анализ основных параметров, схем системы смазки и охлаждения турбокомпрессора.............................................................................39

2.2 Аналитическое исследование процесса смазки и обоснование усовершенствования ремонтного комплекта подшипникового узла ТКР 7Н-1..47

2.3 Модель подшипникового узла турбокомпрессора..........................51

2.4 Определение энергозатрат на привод ротора до и после усовершенствования подшипникового узла.............................................55

2.4.1 Расчетный анализ модели подшипника усовершенствованного ремкомплектом ТКР7Н-1 по температуре и расходам масла.......................60

2.5 Выводы...............................................................................66

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.................67

3.1 Общая методика и программа исследования.................................67

3.2 Методика оценки состояния турбокомпрессоров после эксплуатации, определения ремонтопригодности и выбора метода ремонта.......................69

3.3 Методика исследования причин перегрева деталей турбокомпрессоров в эксплуатации и выбора путей модернизации.........................................71

3.4 Методика оценки влияния эксплуатационных воздействий на масло турбокомпрессора и способов улучшения..............................................72

3.5 Методика стендовых и моторных испытаний турбокомпрессоров восстановленных по предлагаемой технологии........................................74

3.6. Методика эксплуатационных испытаний восстановленных турбокомпрессоров...........................................................................77

4 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ. 81

4.1 Характер состояния турбокомпрессоров после эксплуатации, определение ремонтопригодности и выбор метода ремонта...............................81

4.2 Исследование причин перегрева деталей турбокомпрессоров в эксплуатации и выбор путей усовершенствования ТКР.............................83

4.3 Определение потребного расхода масла на охлаждение турбокомпрессора и мероприятий по модернизации при ремонте........................................................................................34

4.4 Оценка эффективности ремонта турбокомпрессора с усовершенствованным ремонтным комплектом подшипникового узла..........93

4.4.1 Определение характеристик турбокомпрессора ТКР7Н-1 и эффективности усовершенствованного ремкомплекта подшипникового узла...94

4.5 Определение характеристик двигателя КАМАЗ 740.11-240 с отремонтированным турбокомпрессором с использованием усовершенствованного ремонтного комплекта подшипникового узла..........100

4.6 Выводы.............................................................................Ю1

5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА ТУРБОКОМПРЕССОРА В ЭКСПЛУАТАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО РЕМОНТНОГО КОМПЛЕКТА. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................... Л 03

5.1 Ремонт турбокомпрессоров ТКР7Н-1 с использованием усовершенствованного ремонтного комплекта подшипникового узла.........103

5.2 Оценка надежности отремонтированных турбокомпрессоров..........114

5.3 Технико-экономическая оценка результатов исследования............117

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.............................................121

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................123

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................135

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе экономического развития Российской Федерации встают вопросы эффективной эксплуатации существующего автомобильного парка.

Повышение эффективности эксплуатации имеющегося парка машин может быть достигнуто увеличением коэффициента использования, снижением расходов на его эксплуатацию и уменьшением времени простоев по техническим причинам.

Парк автомобильной техники, а также передвижных дизельных электростанций, используемых в народном хозяйстве, в настоящее время характеризуется ускорением его морального и материального износа, а также совершенствованием и сменяемостью моделей. При этом в целом растет уровень надежности, но в эксплуатации остаются также и старые модели машин с низким уровнем надежности и повышенными затратами на эксплуатацию. С ростом наработки увеличивается интенсивность отказов машин и продолжительность простоев, связанных с восстановлением их работоспособности, увеличиваются затраты на проведение неплановых работ по техническому обслуживанию и ремонту (ТО и Р).

Основными силовыми агрегатами автомобилей КАМАЗ являются дизели с турбонаддувом, за счет чего улучшаются удельные показатели по мощности, экономичности, вредным выбросам с выхлопными газами. В период 1990 - 2000 годов Россия присоединилась к Правилам Европейской экономической комиссии Организации Объединенных Наций, в соответствии с которыми вводились новые требования и нормативы на выбросы вредных веществ с отработавшими газами дизелей. Достижение установленных экологических нормативов обеспечивается применением наддува, что и привело к массовому использованию турбокомпрессоров (ТКР) на дизелях автомобилей КАМАЗ [41,68,120, 122, 133 - 135,137].

Во исполнение Федерального закона РФ от 10.01.2002 № У-ФЗ «Об охране окружающей среды» [65], а также постановления Правительства РФ от 12 октября 2005 г. № 609 «Об утверждении специального технического регламента "О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой * в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ"» [104] введены в действие технические нормативы выбросов в отношении автомобильной техники, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, и сроки введения: ЕВРО-2 - с даты вступления в силу настоящего регламента; ЕВРО-3 - с 1 января 2008 г.; ЕВРО-4 - с 1 января 2010 г.; ЕВРО-5 - с 1 января 2014 г.

ОАО «КАМАЗ» до 2005 года производил дизельные двигатели ЕВРО-1, а с 2005 года осуществил переход в серийном производстве на выпуск дизельных двигателей, отвечающих нормативам ЕВРО-2 [41]. Указанные - циклы законодательно вводятся и применяются при сертификации транспортных дизелей и автомобилей. Это означает прекращение серийного выпуска дизелей и автомобилей ЕВРО-1 и ЕВРО-О на рынок, кроме выпуска в запасные части. В настоящее время в эксплуатации находится 320,6 тыс. автомобилей с дизелями КамАЗ 7403.10-260; 740.11-240, которые комплектовались турбокомпрессорами ТКР 7Н-1 и находятся за пределами гарантии. Поддержание экологических характеристик автомобилей на установленном уровне обеспечивается путем регулярных проверок во время проведения государственного технического осмотра и осуществления контроля в процессе эксплуатации транспорта. Перечень неисправностей, при которых запрещается эксплуатация автомобилей, включает в себя превышение норм содержания вредных веществ в отработавших газах и их дымность. В соответствии с руководством по эксплуатации поддержание экологического класса и восстановление агрегатов в этом случае должно производиться средствами и силами эксплуатирующей организации [134].

Проведенный анализ показал, что одним из наименее надежных узлов этих дизелей является турбокомпрессор ТКР 7Н-1. На его долю приходится более 26 % отказов двигателя, однако его доводка и совершенствование прекращены в 2000 году. На двигатели новых классов применялись другие типы турбокомпрессоров (ТКР 7С-6, ТКР 7С-9 производства КамАЗ; импортные К-26 и Швитцер). [71, 133, 135]. Таким образом, в эксплуатации остаются двигатели и турбокомпрессоры с высоким уровнем отказов и затрат на эксплуатацию и не разработанными технологиями ремонта, более того, в ряде руководств по эксплуатации полная разборка и ремонт турбокомпрессоров не допускается, в случае отказа заменяется весь узел целиком, что при цене одного ТКР около 6 тыс. руб. и наработке до отказа 40 тыс. км весьма накладно [137].

Для уменьшения простоев машин по техническим причинам необходимо увеличить наработку турбокомпрессора до величины, установленной нормативно технической документацией на ТО и Р двигателя. Сложность ремонта турбокомпрессоров автомобильной техники состоит в отсутствии ясных причин отказов и рекомендаций по их устранению. Наблюдаются следующие отказы: заклинивание ротора; унос масла через турбокомпрессор; низкий ресурс моторного масла. Капитальный ремонт и ремонт по техническому состоянию позволяют, приблизить ремонтируемые силовые агрегаты, к состоянию новых, на 80 - 85 %. Но при проведении ремонта по существующей технологии не устраняются выявленные конструктивные ошибки, допущенные при проектировании и производстве ТКР, не обеспечивается качество выполняемых работ, заданный послеремонтный ресурс, установленный конструкторской документацией, что вновь приводит к нарушению работы силового агрегата, отказам и повторному ремонту. Модернизация позволяет преодолеть моральное устаревание и увеличить срок службы. При проведении модернизации улучшаются основные характеристики, с сохранением или незначительным увеличением цены изделия. Проведение

модернизации является одним из перспективных направлений капитального ремонта силовых агрегатов, выведенных из серийного производства [18]. Совершенствование метода восстановления подразумевает совмещение ремонта турбокомпрессора с выполнением работ, связанных с изменениями, направленными на улучшение его технических характеристик.

Более 80% отказов ТКР 7Н1 приходится на подшипниковый узел вала ротора, однако исследования показывают высокую ремонтопригодность турбокомпрессора [46 - 49, 51, 72]. Анализ технико-эксплуатационных показателей дизелей после ремонта показал, что одним из наиболее перспективных методов восстановления экологических и экономических параметров является ремонт ТКР, включающий изменение параметров подшипникового узла с использованием усовершенствованного ремонтного комплекта (УРК).

Поэтому повышение надежности турбокомпрессоров при ремонте является актуальной задачей для снижения затрат на обеспечение работоспособности автомобилей с двигателями КАМАЗ, находящимися в эксплуатации. Недостаточно изученными являются процесс смазки подшипникового узла, совмещенный с охлаждением корпуса подшипников, тепловыделение в смазочном слое, их сбалансированность и в целом тепловой режим элементов турбокомпрессора, что вызывает ускоренное старение моторного масла и замену его в эксплуатации через 10-12 тыс.км при ТО-1 [22 -- 26, 29, 40, 51, 72, 108]. В связи с этим, актуальной является разработка математической модели, методики расчета смазки подшипников и мероприятий, направленных на создание надежных подшипников и их реализация в эксплуатации при ремонте.

Объект исследования - технология восстановления турбокомпрессоров ТКР 7Н-1 дизелей КАМАЗ 740.11-240 в эксплуатации.

Предмет исследования - смазочный процесс в подшипниковом узле турбокомпрессора и его совершенствование в ремонтном комплекте.

Цель работы состоит в повышении эффективности эксплуатации автомобилей и обеспечении ресурсных и технико-эксплуатационных показателей дизелей за счет восстановления турбокомпрессоров применением усовершенствованных ремонтных комплектов.

Сформулированы следующие задачи исследования:

1) теоретически обосновать систему восстановления работоспособности турбокомпрессоров и основные требования к параметрам УРК подшипникового узла ТКР;

2) разработать программу и методику экспериментальных исследований подшипникового узла ТКР и оценить эффективность изменения параметров ТКР с применением УРК;

3) разработать теоретические основы и практические рекомендации технологического процесса и руководства по восстановлению ТКР с использованием УРК подшипникового узла в эксплуатации.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается тем, что теоретические исследования выполнены с использованием теории надёжности автомобилей; гидродинамической теории смазки; теории автомобильных двигателей; теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования выполнялись в стендовых и производственных условиях с использованием как общепринятых методик и оборудования, так и разработанных лично автором. Достоверность научных положений работы обуславливается использованием методологической базы исследования, обоснованностью принятых допущений при разработке расчетных моделей, высокой сходимостью экспериментальных данных с результатами собственных теоретических исследований и данными других авторов.

Научная новизна положений, выносимых на защиту, состоит в следующем:

- математическая модель подшипникового узла, характеризующая совмещенные процессы смазки, охлаждения и потери мощности ТКР;

- методика теплового и мощностного расчета подшипникового узла ТКР, учитывающая механические потери на гидроторможение вала ротора;

- методика экспериментальной оценки потерь мощности в подшипниковом узле, позволяющая определить их по параметрам турбины и компрессора;

- зависимости температуры масла и корпуса подшипникового узла от

расхода масла в ТКР, полученные за счет восстановления с использованием УРК.

Практическая значимость работы заключается:

- возможности восстановления турбокомпрессоров модели ТКР 7Н-1 по разработанному руководству и технологии на автотранспортных предприятиях путем применения УРК;

- улучшении технико-эксплуатационных показателей при эксплуатации автомобильных дизелей, оснащенных восстановленными ТКР, повышении ресурса ТКР и моторного масла дизеля.

Результаты работы реализованы путем: технологии восстановления турбокомпрессоров ТКР 7Н-1 прошедшей производственную проверку на заводе двигателей ОАО «КАМАЗ», ЗАО «Ремдизель» и внедренной в эксплуатации на 10 автотранспортных предприятиях Татарстана, Башкортостана, Самарской и Саратовской областей.

Результаты исследования используются в учебном процессе Саратовского государственного технического университета им Гагарина Ю.А., Камской государственной инженерно-экономической академии и Оренбургского государственного университета в виде руководства по ремонту турбокомпрессоров ТКР 7Н-1.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО НАДЕЖНОСТИ, ВИДАМ ОТКАЗОВ, РЕМОНТОПРИГОДНОСТИ

ТУРБКОМПРЕССОРОВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

1.1 Состояние вопроса в эксплуатации

Одним из основных направлений повышения эффективности эксплуатации автомобильных двигателей является повышение литровой мощности за счет роста среднего эффективного давления применением турбонаддува. При этом главными вопросами являются обеспечение высокой надежности, экологической безопасности, экономичности двигателя с турбонаддувом на протяжении всего ресурса. Эффективные показатели двигателя зависят не только от совершенства собственно двигателя и турбокомпрессора, но и его сохраняемости и ремонтопригодности на протяжении всей эксплуатации. Надежная работа турбокомпрессора позволяет улучшать показатели двигателя, и наоборот, отказы и ухудшения работы турбокомпрессора приводят к неработоспособности или снижению параметров двигателя росту затрат на ГСМ, запасные части, трудовые затраты на техническое обслуживание, ремонт.

Анализ формулы эффективной мощности двигателя Ne [6, 14] показывает, что если принять неизменными рабочий объем цилиндров и состав смеси, то величина Ne при z?=const будет определяться отношением r¡e/a, значением r¡v и параметрами воздуха, поступающего в двигатель:

дт н и -Г|е 2 -п -103

= • Л V • ^л -:--Р , (1.1)

¿о ' а х

где Ни- низшая теплота сгорания топлива; r¡e - эффективный КПД; r¡v -коэффициент наполнения; Vn - рабочий объем двигателя; п - ча�