Библиографическое описание:

Кудашева И. О., Марьина Н. Л., Овчинникова Е. В. Исследование гидродинамики подшипника скольжения в рабочем диапазоне форсированного дизеля // Молодой ученый. — 2015. — №21.2. — С. 27-31.

 

Как показывает опыт эксплуатации серийных отечественных комбиниро­ванных дизелей, одной из важнейших задач увеличения ресурса надежности ДВС является повышение работоспособности подшипников коленчатого вала. Решение этой проблемы может быть достигнуто, если обеспечение заданных показателей работоспособности заложено в технологию и конструкцию под­шипника, качество изготовления, применяемые материалы, качество смазки и систем фильтрации. Каждый из указанных факторов оказывает сложное влия­ние на показатели работоспособности всей трибосистемы дизеля, в связи с чем в условиях рассмотрения последней и должен проводиться и осуществляться выбор параметров, определяющих работу подшипника. Вместе с тем, важную роль в обеспечении работоспособности серийного подшипника играют основ­ные критерии гидродинамической смазки: минимальная толщина смазочного слоя, температура и давление смазки, потери на трение в течение рабочего цик­ла и др. В этой связи в качестве первого и необходимого условия оценки рабо­тоспособности серийного подшипника на стадии проектирования и доводки должны выполняться гидродинамические расчеты смазки. Кроме того, без расчетно-экспериментального определения минимальной толщины слоя смазки подшипника нельзя внедрить технологию изготовления путем применения по­верхностно-активных веществ и композиционных материалов.

Ориентировочные расчеты зависимости минимальной толщины масляно­го слоя от диаметрального зазора между шейкой вала и подшипником, темпера­тур масляного слоя для дизеля 6ЧН 21/21 показали (таблица 1): режим жидко­стного трения (толщина масляного слоя не менее 4мкм) в шатунном подшип­нике обеспечивается при диаметральном зазоре 0,15-10-3 м, температуре масляного слоя, равной 373К. Если же зазор увеличить до 0,2-10-3 м, температура снижается до 364К. так что с точки зрения температуры смазки серийные под­шипники скольжения дизелей типа 6ЧН 21/21 ведут себя так же, как и аналоги- прототипы на других дизелях.

Таблица 1

Расчет зависимостей минимальной толщины масляного слоя от диаметрального зазора между шейкой вала и подшипником скольжения

Диаметральный зазор,

0,1

0,15

0,15

0,15

0,18

0,2

Минимальная толщина масляного слоя, hmin, мкм

Не менее

5,8

4,5

4

3,6

4,5

4,3

Температура масляного слоя

, К (°С)

366

(93)

368,5

(95,5)

373

(100)

378

(105)

368,5

(95,5)

364

(91)

 

Выполненные уточненные рас­четные исследования гидродинамики серийного шатунного подшипника дизеля 6ЧН 21/21, результатами которых является набор величин, изменяющихся во времени в процессе вращения коленчатого вала и характеризующих работоспо­собность подшипника, приведены в таблице 2 и на рис.1. Основными из них являются изменения минимальной толщины смазочного слоя hminи ее положе­ния на подшипнике, среднебалансовой температуры Тр в рабочей части смазоч­ного слоя. Уточненные расчетные исследования гидродинамики ша­тунного подшипника дизеля 6ЧН 21/21 подтвердили: во всем рабочем диапазоне его работы (от режима максимальной мощности до режима холостого хода) наименьшие толщины смазочного слоя наблюдаются в зоне преимущественно­го действия сил инерции поступательно-вращательных деталей КШМ и состав­ляют 4,9мкм , т.е. более 4,5 мкм.

Безымянный 1

Рис. 1. Изменение минимальной толщины смазочного слоя шатунного подшипника дизеля ЧН 21/21 по углу поворота коленчатого вала

Однако есть еще один из основных критериев оценки работоспособности шатунных подшипников - время сохранения минимальной толщины масляной пленки в течение рабочего цикла дизеля, измеряемое по углу поворота коленча­того вала. Эти же расчеты свидетельствуют: период преобладающего действия инерционных сил равен 3,48...4,88 рад. В период же преобладающего действия максимального давления цикла, т.е. при углах, близких к 0 радиан, расчетная минимальная толщина смазочного слоя всегда больше, чем в период инерцион­ного нагружения. Для проверки правильности теоретических положений, по­ложенных в основу расчета гидродинамики подшипников скольжения и его результатов (таблица 2) в ОАО Волжский дизель им. Маминых проведена экспе­риментальная оценка работоспособности шатунного подшипника по критерию «минимальная толщина масляного слоя hmin» на примере дизеля 6ЧН21/21. Структурная схема измерения толщины масляного слоя показана на рис.2.

Безымянный 1

Рис. 2. Структурная схема измерения толщины смазочного слоя в шатунном подшипнике: 1 - коленчатый вал; 2 - ёмкостный датчики; 3 - токоведущие провода; 4- переходник; 5- упругая муфта; 6 – ртутный токосъемник; 7 – измеритель толщины масляного слоя; 8 – осциллограф; 9 – источник питания

Таблица 2

Результаты расчета основных параметров гидродинамики серийного подшипника дизеля 6ЧН 21/21

hmin, мкм

hmin, мкм

1

2

3

4

5

6

0

17,52

364,5

6,29

11,48

358,9

0,17

14,56

363,8

6,46

10,37

358,7

0,34

10,07

362,8

6,63

9,47

358,5

0,51

8,76

361,2

6,80

8,75

358,5

0,68

8,14

360.3

6,97

8,26

358,5

0,85

7,89

359,8

7,14

8,00

358,6

1,02

7,87

359,5

7,31

8,18

358,7

1,19

7,98

359,4

7,48

9,31

359,1

1,36

8,02

359,5

7,65

11,80

359,6

1,53

7,95

359,6

7,82

17,18

360,3

1,70

7,78

359,8

7,99

21,95

360,5

1,87

7,54

360,1

8,16

20,23

363,3

2,04

7,25

360,4

8,33

17,31

360,2

2,21

6,97

360,7

8,50

14,46

360,2

2,38

6,71

360,1

8,67

12,62

360,3

2,55

6,47

361,4

8,84

11,38

360,5

2,72

6,26

361,6

9,01

10,45

360,7

2,89

6,06

361,8

9,18

9,68

360,9

3,06

5,90

362,0

9,35

9,03

161,0

3,23

5,76

362,0

9,52

8,47

361,1

3,40

5,64

362,1

9,69

7,97

361,1

3,57

5,55

362,0

9,86

7,53

361,1

 

 

3,74

5,16

361,8

10,03

7,15

360,9

3,91

5,38

361,6

10,20

6,84

360,8

4,08

5,29

361,3

10,37

6,59

360,5

4,25

5,20

361,0

10,54

6,31

360,2

4,42

5,09

360,5

10,71

6,06

359,9

4,59

4,94

360,1

10,88

5,82

359,6

4,76

4,84

359,8

11,05

5,73

359,3

4,93

5,14

359,5

11,22

5,86

359,2

5,10

6,09

359,5

11,39

6,24

359,1

5,27

8,27

359,8

11,56

6,50

358,8

5,44

12,02

360,4

11,73

6,45

358,5

5,61

16,81

360,8

11,90

7,70

358,9

5,78

16,71

360,3

12,07

13,37

358,9

5,95

14,58

359,7

12,24

17,54

364,1

6,12

12,83

359,2

-

-

-

Изменение емкости датчика, включен­ного в контур задающего генератора высокочастотных колебаний, вызывает соответствующие изменения частот генерируемого напряжения. Емкость дат­чика зависит от толщины слоя диэлектрика, т.е. от исследуемого параметра - толщины масляного слоя. Емкостными датчиками прибор позволяет измерять толщины масляного слоя от долей микрона до 250мкм при разбивке данного диапазона на три фиксированных поддиапазона. В данной работе использовал­ся поддиапазон от долей микрона до 30мкм. При пользовании данным прибо­ром учитывается нелинейность характеристики датчика, представляющей ветвь параболы, вследствие чего при больших толщинах масляного слоя, т.е. при ма­лых емкостях датчика, крутизна характеристики датчика весьма низка. Этому максимальному отклонению луча осциллографа соответствует минимальная толщина масляного слоя.

Безымянный 1

Рис. 3. Схема распределения емкостных датчиков в шатунной шейке коленчатого вала

Схема расположения емкостных датчиков в шатунной шейке коленчатого вала приве­дена на рис.3:

- в зоне действия максимальных газовых сил (датчик Д2),

- в зоне преобладающего действия инерционных нагрузок (датчик Д1).

На рис.4 в качестве примера приведены осциллограммы изменения ми­нимальной толщины масляного слоя шатунного подшипника в зависимости от угла поворота коленчатого вала дизеля 6ЧН21/21, записанные датчиками Д1 и Д2. Результаты осциллографирования гидродинамики подшипника показыва­ют: при действии ударной возмущающей силы от сгорания топлива в масляном слое шатунного подшипника имеют место гидродинамические колебания, оце­ниваемые коэффициентом динамичность и существенно влияющие на несу­щую способность подшипника.

Анализ распределения зон минимальных толщин масляного слоя на раз­личных режимах, в частности, при различных частотах вращения коленчатого вала дал следующие результаты: при инерционном нагружении шатунной шейки коленчатого вала (режим холостого хода, зазор ) минимальная толщина масляного слоя hmin=5,1...5,3мкм, при действии сил давления газов hmin =16...16,5мкм, т.е. расхождение экспериментальных и расчетных данных (таблица 2) не превышает 10% и находится в пределах погрешности измере­ний. Критерий к фактически составляет 12% угла поворота коленчатого вала за рабочий цикл 9 согласно общепринятому к не должен превышать 25...30%). Выявлено также, что сплошность масляного слоя не нарушается, а силовое кон­тактирование между шейкой коленчатого вала и подшипником отсутствует, что говорит о достаточной жесткости кривошипной головки, в частности, ее крышки.

C:\Users\1F43~1\AppData\Local\Temp\FineReader11\media\image4.jpeg

Рис. 4. Осциллограммы изменения минимальной толщины масляного слоя шатунного подшипника в зависимости от угла поворота ко­ленчатого вала

Таким образом, эксперименты подтверждают результаты расчетов и приводят к следующим выводам.

  • Оптимальным с точки зрения гидродинамики шатунного под­шипника является диаметральный зазор между шейкой коленчатого вала и подшипником, равный м, так как ему соответствует hmin=4,9…5,1мкм. Меньше этот зазор делать нельзя - он может стать причиной рос­та температуры масляного слоя, снижения вязкости масла, что повысит чувст­вительность подшипника к дефектам его геометрии и частицам загрязнений; увеличение зазора сверх оптимального тоже нежелательно: в нагруженную зо­ну подшипника будет поступать недостаточное количество масла, так как его значительная часть будет уходить через ненагруженные в каждые из моментов участка, что приведет к повышению температуры масляного слоя в нагружен­ной зоне.

Выполнение указанного условия гарантирует удовлетворительную работоспособность шатунного подшипника. В крайнем случае, – работоспособность, которая не меньше, чем у подшипников-прототипов.

  • Для повышения работоспособности подшипника скольжения пу­тем нейтрализации колебательного процесса в масляном слое при сгорании топлива целесообразно внедрение безотходных технологических методов: приме­нение на поверхностях трения поверхностно-активных веществ и композици­онных материалов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России - УИН ФЦП RFMEFI57414X0015, и Госзадания Минобрнауки России № 9.896.2014/K

The work is executed at financial support of the Ministry of education and science of Russia - UIN FTP RFMEFI57414X0015, and government job of the Ministry of education of Russia № 9.896.2014/K

Основные термины (генерируются автоматически): масляного слоя, толщины масляного слоя, коленчатого вала, смазочного слоя, толщина масляного слоя, толщины смазочного слоя, шатунного подшипника, минимальной толщины, слоя шатунного подшипника, подшипника дизеля, подшипника дизеля 6ЧН, поворота коленчатого вала, масляного слоя шатунного, толщина смазочного слоя, минимальной толщины масляного, температуры масляного слоя, толщины слоя, серийного подшипника, шатунного подшипника дизеля, слоя смазки подшипника.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle