Исследование гидродинамики подшипника скольжения в рабочем диапазоне форсированного дизеля

 

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.

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.

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.

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.

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