Обеспечение работоспособности шатунных подшипников автотракторных двигателей путем создания неразрывности масляного потока

Затраты на ремонт и техническое обслуживание одного автомобиля в нашей стране в 3−5 раз превышают его первоначальную стоимость, а в себестоимости сельскохозяйственной продукции доля транспортных издержек достигает 10−12% [1- 4].

Особенно значительные затраты (до 65% от всех затрат на поддержание работоспособности автомобиля) приходятся на его ремонт [1]. Поэтому актуальной задачей остается повышение надежности автомобилей при конструировании, изготовлении и ремонте.

Простои автомобилей, в том числе и КамАЗ, в эксплуатации вызваны отказами двигателей и, в первую очередь, двух основных групп сопряжений: шатунно-кривошипной и цилиндро-поршневой [5−13].

В процессе эксплуатации автомобилей, тракторов, комбайнов и других машин происходит изменение их технического состояния, основными причинами которого являются изнашивание, усталостное разрушение, пластическая деформация, коррозия. Пластическая деформация и разрушение являются следствием конструктивно-технологических недоработок или нарушения правил эксплуатации. Указанные явления вызывают проворачивание шатунных вкладышей, что является одной из основных причин ремонта автомобильных двигателей ЗИЛ, ЯМЗ, ГАЗ, КамАЗ [15 — 17, 20 — 25, 38 — 50].

До 25% отказов двигателя КамАЗ-740 вызваны проворачиванием шатунных вкладышей коленчатого вала, при этом значительная часть дефектов приходится на третью шатунную шейку.

Эксплуатационные характеристики подшипников зависят, в основном, от таких факторов как минимальная толщина масляной пленки, высокая температура, наличие абразивных частиц, несоответствие расположения элементов системы подачи масла.

Несмотря на большое количество работ, посвященных причинам проворачивания шатунных вкладышей [10, 16 — 20, 24 — 26, 38, 43 — 46, 68 -72], проблема повышения надежности двигателя КамАЗ путем выявления и устранения причин проворачивания вкладышей полностью не решена до настоящего времени.

Цель исследования. Повышение надежности шатунных подшипников автотракторных двигателей КамАЗ путем совершенствования смазочной системы и контроля её состояния в процессе эксплуатации.

Объект исследования. Смазочная система двигателя КамАЗ.

Научная новизна. Уточнена аналитическая зависимость, позволяющая оценивать давление масла при различных схемах перепускных каналов от коренных к шатунным подшипникам и определять условия, как неразрывности так и разрыва масляного потока в шатунных подшипниках двигателя.

При использовании разработанного индикатора неразрывности потока жидкости установлены границы критических режимов смазки в эксплуатации при которых происходит разрыв потока масла и определены границы допустимых значений давлений в системе смазки.

Практическая ценность. Разработаны и внедрены практические рекомендации по совершенствованию смазочной системы. Предложено производить предупредительную замену коренных и шатунных вкладышей в эксплуатации на номинальные или утолщенные на 0,05 мм при снижении давления в смазочной системе, для чего разработаны новые типоразмеры ремонтных вкладышей, что позволило в эксплуатации увеличить наработку на отказ автомобилей КамАЗ на 26% и снизить на 23,6% количество отказов на один автомобиль по провороту шатунных вкладышей.

Разработан способ и средство для контроля неразрывности потока масла к шатунным подшипникам в процессе эксплуатации (патент № 2 221 964).

На защиту выносятся следующие научные положения:

Уточнена аналитическая зависимость давления масла в шатунных подшипниках коленчатого вала двигателя от конструктивных и режимных параметров и технического состояния.

Теоретико-экспериментальное обоснование оптимального расхода масла через шатунные подшипники путем изменения диаметров отверстий в коренном и шатунном подшипниках и перепускных каналах и введения одностороннего подвода масла к шатунным подшипникам.

Эксплуатационные, ремонтные и конструкторские разработки, обеспечивающие повышение надежности шатунных подшипников в эксплуатации.

Реализация результатов работы. Предложенные разработки внедрены на ОАО «КамАЗ-Дизель» и прошли производственную проверку в эксплуатации, на сервисных и ремонтных предприятиях г. Набережные Челны, Казани, Нижнего Новгорода, Саратова, ЗАО «Ремдизель».

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

Таким образом, проведенные анализ состояния вопроса, теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Значительная часть двигателей КамАЗ (до 30%) поступает в капитальный ремонт из-за проворачивания вкладышей, особенно шатунных. В настоящее время в большинстве случаев считают внезапным, однако, он имеет определенную закономерность развития. В процессе эксплуатации двигателя закономерно изменяется напряженно-деформированное состояние вкладышей коленчатого вала, что вызывает увеличение их прогиба по образующей. Интенсивность этого процесса во многом зависит от параметров системы смазки двигателя. В процессе эксплуатации давление в системе смазки на конкретном скоростном и тепловом режиме снижается. Аналогично снижается и толщина масляного слоя. Это существенно изменяет условия смазки подшипников и вызывает разрыв потока масла к шатунным подшипникам и способствует интенсификации развития деформаций шатунных вкладышей и повышает вероятность проворачивания.

2. Аналитическими исследованиями установлено, что давление масла на входе в шатунный подшипник ниже давления в коренном подшипнике на величину центробежных потерь и потерь при переходе из канавки коренного вкладыша в канал коренной шейки (2.10). Обосновано условие разрыва масляного потока к шатунным подшипникам (2.21) с учётом изнашивания коренных и шатунных подшипников в процессе эксплуатации. В новом двигателе КамАЗ — 740 расход через канал в коренной шейке в 1,5 раза превышает расход через зазоры в коренном подшипнике, в шатунном подшипнике возможный расход через канал в шатунной шейке в 2,32 раза выше расхода через зазоры в шатунном подшипнике. В процессе изнашивания расход через зазоры в коренном подшипнике повышается почти в два раза, что сокращает расход через канал в коренной шейке и повышает вероятность разрыва масляного потока к шатунным подшипникам.

3. Снижение давления масла с 0,45 до 0,25 МПа на номинальной частоте вращения коленчатого вала приводит к снижению расхода масла через шатунные подшипники на 34 — 38% при серийных коренных вкладышах. При использовании опытных вкладышей (с отверстием для смазки диаметром 7 мм, шириной канавки 7 мм), увеличение расхода масла через шатунные подшипники достигает 26 — 35%, расход через коренные подшипники при этом возрастает на 20%. Величина потерь давления в канале коленчатого вала от действия центробежных сил при частоте более 2000 мин" 1 составляет от 20 до 50%. Это обуславливает режимы разрыва потока масла в шатунную полость, когда она заполнена маслом (первый критический режим) и периодического заполнения полости (второй критический режим). Длительность цикла заполнения и опорожнения полости составляет от 51 до 115 секунд. С установкой в шатунную полость втулки давление первого критического режима повышается вследствие поворота масла внутри втулки (при 2600 мин" 1 с 0,16 МПа без втулки до 0,27 МПа с втулкой). Следовательно, втулка не целесообразна и при ремонте вала её следует удалить.

4. При номинальных зазорах в коренных и шатунных подшипниках и давлении в системе смазки расход через коренной подшипник в 2,5 раза превышает расход через шатунный подшипник. При повышении зазора в коренном подшипнике до 0,127 мм расход масла через него снижается и превышает расход через шатунный подшипник только в 1,23 раза. Повышение зазора в шатунном подшипнике до 0,16 мм повышает расход через них в 2,8 раза, что не обеспечивается расходом через коренной подшипник. Для исключения проворачивания вкладышей следует повысить давление в системе смазки до 0,7 МПа.

5. Разработан индикатор неразрывности масляного потока к полости шатунной шейки (патент № 2 221 964), устанавливаемый на автомобиле и других машинах, позволяющий вывести работу двигателя из критических режимов работы за счёт изменения передачи коробки передач или произвести своевременный ремонт двигателя.

6. Обоснованы практические рекомендации, в том числе и для двигателей КамАЗ-740.11−240 EURO: диагностирование прогиба шатунных вкладышейповышение производительности масляного насоса в 1,5 — 1,7 раза для повышения давления в системе смазки до 0,7 МПаснижение сечения канала подвода масла к опорным шейкам распределительного вала на втулке до 5 мм с 8 мм в настоящее времяувеличить диаметр масляного канала в верхнем коренном вкладыше с 5 до 8 мм и ширину канавки в нём до 7 ммувеличение диаметра шеек коленчатого вала за счёт изменения поля допуска для шатунных с диаметра80−0,013 мм до 80−0,0095 мм, для коренных с диаметра 95−0,015 мм до 95−0,011 ммотказ от грязеуловителей в шатунных шейках.

7. Внедрение практических рекомендаций позволяет повысить надёжность двигателей (количество отказов снизилось на 23,6%, а наработка на отказ увеличилась на 26%) и получить годовой экономический эффект в размере 4270 руб. на один автомобиль за счёт снижения себестоимости перевозок и снижения простоев в ремонте.

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ СМАЗКИ ДВИГАТЕЛЕЙ КАМАЗ-740.11 EURO ТЕХНИКО — ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ.

ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Разработка способа и средства для контроля неразрывности потока масла к шатунным подшипникам в процессе эксплуатации.

Патент № 2 221 964).

Как показал анализ потерь давления масла в шатунной полости (см. п. 4.2.3) для обеспечения постоянного потока жидкости из трубки индикатора неразрывности потока, а следовательно наличия его в масляной ловушке, необходимо, чтобы разница между Рз и Р2 была минимальной.

Но в процессе эксплуатации возникают критические режимы, когда шатунные вкладыши испытывают масляное голодание. Это первое условие разрыва потока жидкости. Вторым условием разрыва потока жидкости является превышение расхода масла шатунной шейки над притоком масла в шатунную шейку.

Второе условие зависит от зазора между шейкой коленчатого вала и шатунным вкладышем. Чем больше изношен шатунный вкладыш, тем больше зазор между шейкой и вкладышем, а следовательно больше расход масла через шатунный вкладыш, отсюда масляное голодание вкладышей.

Таким образом, применяя данную методику, можно предотвратить критические режимы, на которых шатунные вкладыши испытывают масляное голодание. Для предотвращения критических режимов двигателя и продления его работоспособности предлагается индикатор неразрывности потока жидкости (рис. 5.1), который устанавливаем на автомобиле или другой технике.

Рис. 5.1. Схема индикатора неразрывности потока жидкости.

Индикатор неразрывности потока жидкости содержит герметический корпус индикатора (1), выполненного из прозрачного материала с подсветкой (2), установленного внутри загнутой полукруглой трубки (3) из прозрачного материала, в выходном конце маслопроводящей трубки (4). Выходной конец маслопроводящей трубки установлен вертикально в средней части корпуса. Маслопроводящая трубка соединена с вращающейся муфтой (5), а выходной конец установлен в маслоканале (7) подвода масла от коренной опоры к шатунной шейке на минимальном расстоянии от оси вращения коленчатого вала (8).

Индикатор неразрывности потока жидкости работает следующим образом: при работе ДВС, поступающее от насоса масло выбрасывается через зазоры шатунных и коренных подшипников, а при недостаточной подпитке масла через маслоканалы коренных подшипников происходит разрыв масляного потока в маслоканале коленчатого вала. В дальнейшем происходит сухое или полусухое трение шатунных подшипников (разрыв масляного потока). В первую очередь, это происходит в маслоканале на минимальном расстоянии от оси вращения коленчатого вала. Разрыв масляного потока ускоряется и возрастает по мере увеличения радиуса вращения и зависит от температурного режима, состояния трущихся поверхностей, степени износа коренных и шатунных подшипников и других факторов, определяющих надежность работы двигателя. При разрыве масляного потока в канале коленчатого вала прекращается поступление масла во входной конец маслопроводящей трубки и прекращается поток масла во всей маслопроводящей трубке. Масло при этом стекает из полукруглой части загнутой прозрачной трубки, образуя граничный слой столба масла в трубке, установленном в пульте управления. Визуальная оценка разрыва потока масла из прозрачной полукруглой трубки позволяет вывести работу двигателя из критических режимов работы (за счёт изменения скоростного режима, переключением коробки передач, теплового режима, вязкости масла).

Индикатор неразрывности потока масла прост по конструкции, обеспечивает и допускает установку на работающую реальную автотранспортную технику. При работе, оценивая интенсивность или разрыв потока, по установленному индикатору в щитке приборов, меняя скоростной режим двигателя, можно избежать критических режимов работы и возможность дальнейшей эксплуатации ДВС, произвести своевременный ремонт с минимальными затратами.

5.2. Обоснование новой методики расчета рациональных параметров системы смазки для обеспечения неразрывности потока к коренным и шатунным подшипникам.

При эксплуатации дизельного двигателя КамАЗ как и всех других происходит изнашивание шеек и вкладышей подшипников коленчатого вала, что приводит к увеличению зазоров в подшипниках и возрастанию расхода масла через них. Рассмотрим их по отдельности.

5.2.1. Шатунный подшипник.

Номинальный зазор в шатунном подшипнике составляет 0,094 мм [ 51 ]. Средняя величина износа шатунных шеек составляет 0,02 мм, шатунных вкладышей — 0,05 мм. Таким образом, зазор при средних износах увеличивается до 0,16 мм. Предельный износ составляет по шейкам 0,04 мм и по вкладышам 0,08 мм, соответственно предельный зазор составляет 0,21 мм [ 51 ]. Это приводит к росту потребностей прокачки масла через шатунные подшипники.

5.2.2. Коренной подшипник.

Номинальный зазор в коренном подшипнике составляет 0,126 мм [51 ]. Средняя величина износа коренных шеек составляет 0,03 мм, коренных вкладышей 0,06 мм, зазор в коренных вкладышах при средних износах увеличивается до 0,19 мм. Предельный износ коренных шеек составляет 0,05 мм, вкладышей 0,09 мм, предельный зазор в коренном подшипнике составляет 0,24 мм [ 51 ].

Рост зазора в коренном подшипнике приводит к снижению прокачиваемого масла внутрь коленчатого вала на смазку шатунного подшипника.

Следовательно, в эксплуатационных условиях потребный расход через шатунные подшипники растет, фактический уменьшается. Для дальнейшего анализа проведены исследовательские испытания и получены поле характеристик расходов, описанные в разделе 4.

5.3. Методика обоснования рациональных параметров системы смазки для обеспечения неразрывности потока жидкости к шатунным подшипникам.

Из приведенных выше характеристик видно, что расход масла через шатунные подшипники незначительно изменяется от величины давления подводимого масла. Это объясняется более существенным влиянием зазоров и скоростного режима.

Принимая крайний случай избыточного давления на входе в шатунный подшипник близкого к «О» получим характеристики расходов масла при номинальном среднем и предельном зазоре в шатунном подшипнике.

Для обоснования рациональных параметров рассмотрим работу двигателя на одном номинальном режиме при п = 2600 мин" 1 и температуре масла 1-м = 90 92 °C.

Изобразим характеристики расхода масла из коренного подшипника, проходящего в коленчатый вал (приток) в зависимости от величины давления в масляной магистрали при различных зазорах в коренном подшипнике.

Видно, что притоки сильно зависят от величины зазоров и при предельных 8 = 0,24 практически приближается к «д», при этом не помогает даже повышение давления до 0,7 МПа.

Совмещая потребные расходы и фактические притоки видим, что только при номинальных зазорах в шатунных и коренных в диапазоне эксплуатационных давлений 0,4 0,5МПа имеется положительный баланс: превышение притока над расходом.

При средних величинах зазоров шатунных и коренных подшипников уже наступает отрицательный баланс: расход превышает приток. При предельных износах расход выше располагаемого притока.

Такова методика подбора параметров подшипников и системы смазки. Теперь определим, какими же должны быть параметры, чтобы до средних величин износов обеспечить положительный баланс.

1. Для того чтобы допустить износы и соответственно увеличение зазоров в шатунных подшипниках хотя бы на 0,03 мм, необходимо иметь давление в системе смазки на номинальном режиме не ниже Рм = 0,7 МПа.

2. При существующем уровне давления масла на номинальном режиме Рм=0,45МПа требуется принудительная замена коренных и шатунных вкладышей при первых признаках износа и увеличения зазоров в подшипниках и снижении давления масла на новые или лучше утолщенные на 0,05 мм вкладыши РО, введенные в номенклатуру и таким образом осуществлять текущий ремонт через 100 120тыс.км. При существующей конструктивной схеме другого позволить нельзя, иначе будет происходить проворачивание шатунных вкладышей, и требоваться капитальный дорогостоящий ремонт.

3. Чтобы заблаговременно и надежно определить состояние с подводом масла к шатунным подшипникам разработано и рекомендовано описанное устройство (патент № 2 221 964).

5.4. Практические рекомендации по повышению надёжности элементов системы смазки двигателей КамАЗ-740.11 EURO.

Результаты проведённых исследований позволяют дать следующие практические рекомендации по повышению надежности элементов системы смазки двигателя КамАЗ-740.11 EURO с учетом их форсирования.

1. В процессе эксплуатации при плановом диагностировании автомобиля целесообразно контролировать прогиб шатунных вкладышей с помощью устройства [70] с учетом предельного значения диагностического параметра (прогиба) 0,048 мм.

2. Для сокращения пульсаций масла на рабочих режимах и повышения давления в системе смазки необходимо повысить производительность масляного насоса в 1,5−1,7 раза, что обеспечит давление на номинальном режиме до 0,7 МПа, то есть на уровне современных зарубежных дизельных двигателей данного класса. В настоящее время на двигателях КамАЗ-740.11 EURO это уже в большей части внедрено.

3. Для снижения неравномерности распределения расхода масла по шатунным подшипникам целесообразно изменить баланс расхода по другим потребителям, в частности, уменьшить сечение канала подвода масла к опорным шейкам распределительного вала на втулке ориентировочно до 5−4мм с 8 мм в настоящее время.

4. Для сокращения потерь расхода масла в коренных опорах необходимо увеличить диаметр масляного канала в коренном верхнем вкладыше с 5 мм до 8 мм, то есть до размера канала в блоке. Целесообразно также увеличить ширину масляной канавки в верхнем коренном вкладыше до 7 мм.

5.Основной причиной снижения давления в системе смазки в процессе эксплуатации двигателей является увеличение зазоров в подшипниках. Поэтому для сокращения интенсивности возрастания зазоров в процессе эксплуатации необходимо снизить зазор в конце приработки, а следовательно и номинальный зазор. Это можно сделать увеличением диаметра шеек коленчатого вала за счет изменения поля допуска: для шатунных с 0 80 — 0,013 мм до 0 80 ± 0,0095, для коренных с 0 95 — 0,015 до 0 95 ± 0,011. б. Для улучшения условий смазки шатунных подшипников, учитывая динамику отложения в грязеуловителях в процессе эксплуатации и качественный состав этих отложений, целесообразно отказаться от грязеуловителей в шатунных шейках коленчатого вала, а качество очистки масла повысить совершенствованием систем фильтрации масла и воздуха. На многих зарубежных двигателях грязеуловители отсутствуют, например MAN.

7.В целом следует отметить, что многие из этих рекомендаций целесообразно использовать как в стендовых, так и, особенно важно, в эксплуатационных условиях. В настоящее время двигатели КамАЗ-740.11 EURO имеют только начальный опыт эксплуатации и проявляет свое качество через систему рекламационной службы. По мере накопления опыта их эксплуатации можно конкретизировать практические рекомендации как в конструктивно-технологическом, так и эксплуатационно-ремонтном направлениях. Целесообразно продолжать и расширять данную работу с возможной организацией эксплуатационных лабораторий надежности на передовых предприятиях.

5.5. Технико — экономическая оценка результатов исследования.

Для выявления отказов шатунных вкладышей была проанализирована информация результатов эксплуатационных испытаний 136 автомобилей КамАЗ-5511 и КамАЗ-5410, эксплуатирующихся в экспериментально производственных хозяйствах г. Набережные Челны, Казани, Нижнего Новгорода. Условия эксплуатации соответствовали 3 категории согласно «Положения о ТО и ремонте подвижного состава автомобильного транспорта» .

В статистику включены все двигатели, вышедшие из строя по проворачиванию шатунных вкладышей вне зависимости от причин, указанных в актах исследований, а также двигатели, причина проворачивания вкладышей шатуна по которым не установлена.

Для оценки эффективности внедрения одностороннего подвода смазки были выбраны и систематизированы отказы шатунных вкладышей по 69 автомобилям, выпущенных до внедрения и по 67 автомобилям, выпущенных после внедрения. Так как вкладыши являются не восстанавливаемыми изделиями, учитывались только первые отказы автомобилей.

Для получения сопоставимых результатов выборки отказов производились по партиям автомобилей, эксплуатирующихся в одинаковых условиях и за одинаковый период времени эксплуатации.

Принятые для сравнения показатели надежности (количество отказов на 1 автомобиль и наработка на отказ) определялись отдельно по партиям автомобилей, по моделям.

5.5.1. Результаты проведения анализа.

Отказы двигателей по вкладышам шатуна на автомобилях КамАЗ-5511 и КамАЗ-5410, выпущенных до и после внедрения извещений, приведены в табл. 5.1.