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

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle