книги из ГПНТБ / Ждановский, Н. С. Надежность и долговечность автотракторных двигателей
.pdf
|
-Мторм — тормозная |
догрузочная |
|
мощность; |
|||||||
|
Л г м — мощность |
механических |
потерь |
двигателя . |
|||||||
Эффективная мощность |
определяется |
из уравнения: |
|||||||||
|
|
|
Ne = ЛГ, - Л ' м |
= |
Ц zpA'n |
- |
iVM , |
|
|
||
где: NP — эффективная |
мощность |
двигателя; |
|
||||||||
|
Лг ; — индикаторная мощность |
двигателя . |
|
||||||||
При поочередном торможении двигателя с половиной |
|||||||||||
работающих |
цилиндров |
в |
режиме |
полной цикловой по |
|||||||
дачи |
топлива |
|
необходимая |
тормозная |
мощность: |
||||||
|
|
|
Л т о р м г / 2 ^ 0 , а Л £ , |
|
|
|
|
||||
где: Л г т о р м z /2 |
— необходимая |
тормозная |
мощность;, |
||||||||
|
z — число |
цилиндров |
двигателя; |
|
|||||||
|
N* |
— номинальная эффективная мощность дви |
|||||||||
|
|
|
гателя. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Учитывая, что zvNn |
= N70pM |
+ NM |
|
д л я двух совмещае |
|||||||
мых |
режимов |
(постоянная |
частота |
вращения |
двигателя |
при неизменном положении рейки топливного насоса), уравнение дл я определения эффективной мощности при
парциальной |
проверке с половиной работающих цилинд |
||
ров примет вид: |
|
|
|
|
~ |
^ т о р м г/2 + -^торм г/2 + |
^м > |
где Лгторм z/2 |
и i V T o p M |
z /o — мощность на тормозе дл я соот |
|
ветствующей |
половины работающих |
цилиндров . |
Этим методом можно также оценить мощностные и топливные показатели каждой группы z/2 работающих цилиндров.
Приведенная эффективная мощность проверяемой по
ловины |
цилиндров 2Ne^/2 = |
Ne и приведенный удельный |
|||
расход |
топлива |
£ ° * / 2 определяются |
выражением: |
||
|
|
^ I 2 P / 2 = ^ t o p m , / 2 + 0,5,Vm |
|
||
и |
|
|
|
|
|
|
|
с пр |
GTZ/2 |
|
|
|
|
2/2 |
, |
|
|
где Gr z / 2 |
— часовой расход топлива, |
замеренный |
при ра |
||
боте на |
соответствующей половине |
цилиндров . |
|
||
Эффективный |
удельный |
расход |
топлива gw |
и м с е т |
тот же смысл, что и ge для всего двигателя при тормозном испытании, но относится к половине работающих цилинд ров (z/2).
20
Мощность механических потерь можно определить при помощи совмещенных режимов или прокручиванием (в слу чае догрузочпой электрической установки). Ка к показали исследования, для эксплуатационной проверки дизельных двигателей Л т м можно с достаточной точностью взять по эталонным зависимостям:
|
J V m = / ( " ) |
и л п |
/>м = / ( " ) • |
Т а к , |
дл я двигателя СМД-14: рм = 1,34 + 0,68-10"3 п; |
||
Д-50: ри |
= 0,85 + 1,03 - К Г 3 » ; |
ЯАЗ - 204: рм = 0,34 + |
|
+ 1,17-10-%; ЯМЗ - 236: |
рм |
= 0,45 + 0,97 • Ю ^ и , где |
п— об/мин, рм — к г с / с м 2 .
Врасчетном уравнении эффективной мощности при но минальной частоте вращения и полной цикловой подаче топлива доля мощности механических потерь составляет около 40 96 (работа двигателя на тракторе с радиатором, вентилятором и др . ) .
Д л я последовательного торможения двигателя при ра боте z цилиндров (например, двигателей, имеющих z = 0 и z = 12) в режиме полной цикловой подачи топлива не обходимая тормозная мощность:
Эффективная мощность определится выражением:
N e = |
^ т о р м г / З + ^ т о р м г / З + 7 V T o p M z / 3 + 2 i V |
M , |
где iViopMz/з, |
Л^тормг/з, -^торм 2/3 — мощности |
на тормозе |
для трех парциальных режимов (при постоянной частоте вращения и неизменном положении рейки топливного насоса).
Приведенные Показатели каждой группы z/З работаю щих цилиндров определяются из выражений:
= Л ? т о р м г / 3 + з y V M
И
пр = |
С т г / 3 |
%е z/З |
д ,п р * |
|
i V e2/3 |
Таким образом, основные показатели работы двигателя в парциальных режимах определяются дифференциро ванно — по группам цилиндров .
Экспериментальными исследованиями парциального ме
тода, |
выполненными в |
Л С Х И на двигателях |
СМД-14, |
Д-50, |
ЯМЗ - 236, АМ -01, |
ЯМЗ - 238, Я М З - 2 3 8 Н Б |
и ЯАЗ - 204 |
2 1
(работы А. И . Иванова, В . Ф . Китанина, Д . П. Миносяна и др . ), установлено, что показатели рабочего процесса и износостойкость деталей работающих цилиндров практи чески не отличаются от значений, полученных при тормо жении двигателя в целом. Основные показатели динамики я в л я ю т с я допустимыми в той ж е мере, что и в тормозных режимах . Погрешность парциального метода определения мощностных и топливных показателей при тщательном проведении опыта приближается к погрешности тормоз ного метода; вместе с тем в первом случае возможна диф ференцированная оценка показателей работы двигателя по группам цилиндров .
Д л я парциального метода, в итоговые у р а в н е н и я кото рого не входит мощность механических потерь, необходи мая тормозная мощность в режиме полной цикловой по дачи работающих цилиндров:
y V T O p M ^ 0 , 6 5 i V » .
Этот вариант парциального метода основан на том, что разность мощностей при торможении в режиме работы всех цилиндров и в режиме с частью выключенных дает инди каторную мощность выключенных цилиндров (ГОСТ 491—55). Применительно к четырехцилиндровому двига телю этот вариант разработан И. П. Т е р с к и х .
В общем виде д л я двигателя, имеющего z цилиндров, уравнения мощности д л я совмещенных режимов будут иметь вид:
|
|
|
N e - N j o m i z - z B ) |
= Nus, |
|
|
(1) |
|||
|
|
|
Л 7 е - < о р м ( г - г |
; ) = < в |
, |
|
(2) |
|||
|
|
N |
e ~Л'торм {г - г в |
- |
г'в) |
= К (zB |
+ zB) > |
|
(3) |
|
где: |
Ne |
— эффективная |
мощность |
при |
работе |
всех |
||||
|
|
|
цилиндров |
двигателя; |
|
|
|
|||
Л ^торм^ z - z B ) , |
A r |
T o p M ( z - z ; ) > |
N r |
o m ( z - z B - z B ) |
— тормозные |
мо |
||||
щности |
при |
zB , |
z'B и (zB |
- j - |
zB) |
выключенных |
цилиндров; |
|||
zB |
и zB |
— одинаковое число |
одновременно выключае |
|||||||
|
|
|
мых, но разных цилиндров . |
|
|
|||||
Складывая |
уравнения |
(1) и (2) и вычитая уравнение |
(3), |
получим выражение для эффективной мощности двига теля:
-^торм (г — г в ) "Ь ^торм (г — г в ) -^торы (г — г в — г в ) • (^)
2 2
Все три числа правой части уравнения (4) определяются торможением двигателя на трех режимах при постоянной
частоте |
вращения |
двигателя и |
неизменном положении |
||
рейки |
топливного |
насоса. |
|
|
|
Н а |
основе режимов |
перераспределенных |
цилиндровых |
||
нагрузок разработаны |
различные |
варианты |
бестормозных |
методов [37J проверки двигателей в условиях эксплуа тации.
Д л я четырехцилиндровых двигателей наиболее про стой вариант бестормозной проверки основан на исполь зовании режима работы на одном цилиндре при выклю чении подачи топлива в три остальные. Оставшийся в ра
боте |
цилиндр оказывается |
полностью |
загруженным за |
|||
счет |
механических |
сопротивлений |
двигателя и |
работает |
||
с полной цикловой |
подачей |
топлива |
на |
одном из |
режимов |
корректорной ветви характеристики . В зависимости от протекания рабочего процесса, состояния топливной ап паратуры, воздушного тракта и других двигатель будет развивать на одном цилиндре большую или меньшую частоту вращения . В пределах наблюдающихся отклоне ний мощности цилиндра вследствие неисправностей и на рушений регулировок зависимости среднего индикатор ного давления от частоты вращения pi.= f (п) д л я скорост ной корректорной ветви характеристики дизельного дви
гателя я в л я ю т с я эквидистантными. Это справедливо и |
д л я |
|||
зависимости |
среднего |
эффективного давления |
ре = / |
(п). |
Исследованиями установлено, что м а к с и м а л ь н а я |
эф |
|||
фективная |
мощность |
четырехцилиндрового |
дизельного |
двигателя при номинальной частоте вращения может быть
определена |
уравнением: |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
"emax |
|
е |
|
\тах |
|
|
|
|
а мощность |
одного |
цилиндраV |
уравнением: |
|
|
|
||||
|
"imax/> |
|
|
|
||||||
|
|
N e т а , = |
0-25 |
\N»-A |
|
{п»тах |
- п т а х |
)], |
|
|
где: |
J V H |
— номинальная |
эффективная |
мощность |
дви |
|||||
|
|
гателя (л. с ) ; |
|
|
|
|
|
|||
|
п'1тах |
— н о р м а л ь н а я |
максимальная |
частота |
враще |
|||||
|
|
ния двигателя при работе на одном цилиндре |
||||||||
|
|
(нормальное техническое состояние и нор |
||||||||
|
|
мальные |
регулировки); |
|
|
|
||||
|
Щ max — фактическая |
м а к с и м а л ь н а я |
частота |
враще |
||||||
|
|
ния при работе на каждом |
цилиндре |
(при |
||||||
|
|
включении рычага |
акселератора до |
упора); |
2 3
nCFmax — средняя частота вращения двигателя при работе на одном цилиндре;
А— коэффициент, постоянный для данного дви гателя .
Втабл. 1 приведены значения показателен четырех цилиндровых дизельных двигателей, используемых при
определении результатов бестормозной проверки .
Т а б л и ц а 1
|
З н а ч е н и я п о к а з а т е л е й д в и г а т е л е й |
|
||||
|
Показатели |
|
СМД-14А |
Д-зо |
ЯАЗ-204А. |
|
Н о м и н а л ь н а я |
частота |
в р а щ е н и я |
пн |
1700 |
1600 |
2000 |
( о б / м и н ) |
|
|
|
|
|
|
Н о р м а л ь н а я |
частота |
в р а щ е н и я |
д в и |
1400 |
1300 |
1400 |
г а т е л я п р и работе д а |
одном ц и л и н д р е |
|
|
|
||
п1тах ( о б / ш г а ) |
|
А |
|
|
0,092 |
|
К о э ф ф и ц и е н т |
п р о п о р ц и о н а л ь н о с т и |
0,042 |
0,022 |
Важнейшим условием получения надежных |
результа |
тов бестормозной проверки двигателя я в л я е т с я |
соблюде |
ние теплового режима двигателя . Температура охлаждаю щей воды и масла в картере должна быть не ниже 75 °С.
Оценку мощностных показателей в полевых условиях можно провести приближенно . Если тракторный четырех цилиндровый двигатель при нормальном тепловом состоя нии на одном цилиндре быстро глохнет, то цилиндр обычно развивает мощность ниже 80—85% от номинальной .
Дальнейшим развитием бестормозного метода является применение догрузочных устройств в сочетании с выклю чением цилиндров. В качестве догрузочных устройств, применяемых дл я загрузки работающих цилиндров, могут быть использованы дополнительные сопротивления, соз даваемые в системах самого трактора .
Т а к можно |
создать индикаторные нагрузочные |
циклы |
в цилиндрах |
двигателя; для догрузки можно использо |
|
вать шестеренчатый насос при дросселировании |
масла |
в гидросистеме подъемного механизма трактора [46]. Изме нение н а г р у з к и работающих цилиндров только за счет
полного выключения части цилиндров носит |
ступенчатый |
х а р а к т е р . Догрузочные устройства позволяют |
осуществить |
24
бесступенчатое ее регулирование при работе на номиналь ном скоростном режиме . Кроме того, показатели догрузки можно использовать в качестве измерительного фактора . Применение догрузочных устройств расширяет возмож ности бестормозного метода и повышает его точность.
Д л я четырехтактных двигателей из индикаторных на грузок большой интерес при определении основных пока зателей двигателя представляет дросселирование цилинд ровых газов на выпуске . Эту н а г р у з к у можно создать как в выключенных, так и в работающих цилиндрах, установив устройство с дроссельной заслонкой и манометром на вы пускной трубе. Д л я уменьшения колебаний противодав ления перед этим устройством нужно поставить небольшой ресивер. К а к п о к а з а л и исследования, если дл я дизельных двигателей со свободным впуском создать н а г р у з к у про тиводавлением на общем выпуске 0,6—0,8 кгс/см 2 , а затем догрузить до полной цикловой подачи тормозом или вы ключением части цилиндров в сочетании с нагрузкой за счет дросселирования масла в гидросистеме трактора, то
это противодавление не оказывает |
заметного в л и я н и я на |
||
мощностные |
и топливные показатели двигателя |
[38]. П а |
|
пониженных |
н а г р у з к а х (например, |
при работе |
двигателя |
в бестормозном режиме с половиной выключенных ци линдров) допустимое противодавление достигает 1 кгс/см 2 и выше.
Рассмотренные выше варианты бестормозного метода базируются на установившихся режимах работы двига теля.
В последнее время применяется также бестормозной метод проверки двигателя в неустановившихся режимах (разгона, выбега), основанный на измерении угловых ускорений коленчатого вала . Приборы, применяемые в этом случае, отличаются универсальностью и высокой оперативностью [41]. Разгоны с полным числом работаю щих цилиндров при мгновенном выходе на полную цикло вую подачу топлива связаны с весьма высокими угловыми ускорениями коленчатого вала (до 150—200 1/с2 ), что при водит к существенной деформации рабочего процесса и отклонению основных показателей по сравнению с тормоз- ' ным испытанием [39].
Д л я бестормозного |
неустановившегося режима |
работы |
двигателя: |
|
|
1 Tt= zpMil |
~~М м = (2 ~ Zb) М п ~ Л/м* |
(5) |
2 5
где: |
/ — приведенный момент инерции |
двигателя; |
||||
|
|
— ускорение коленчатого вала; |
|
|||
Мл |
z |
— число |
цилиндров |
двигателя; |
|
|
|
— индикаторный момент |
одного |
цилиндра; |
|||
Л 1 М |
— момент механических |
потерь |
двигателя . |
|||
П р и |
|
бестормозном разгоне или выбеге на основе урав |
||||
нения |
(5) можно |
определить |
индикаторный момент И Л И |
|||
другие |
показатели |
двигателя . |
|
|
По данным Сибирского научно-исследовательского ин ститута механизации и электрификации сельского хозяй ства, приведенный момент инерции для конкретной марки двигателя колеблется в пределах ± 1 , 3 % и может быть принят постоянным.
Д л я бестормозного разгона двигателя в режимах пере распределенных цилиндровых нагрузок (при работе части цилиндров с полной цикловой подачей):
|
/ £ - ^ [ |
( . - ^ - 1 ] . |
(6) |
||
Выразим -i— |
через |
механический к. п. д . : |
|
||
|
g |
u = |
1 |
|
(7) |
Подставив выражение |
(7) в уравнение (6) |
и произведя |
|||
преобразование, |
получим: |
|
|
||
|
|
|
гг|.м- |
|
|
|
|
|
1 . 2 ( 1 - Л м ) |
|
|
Момент механических |
потерь |
двигателя: |
|
||
|
_ |
7№,2Vhz |
|
|
|
Г Д в |
C |
= |
- 2 2 l f - - |
|
|
Среднее давление механических |
потерь д л я |
т р а к т о р н ы х |
|||
двигателей: |
|
|
|
|
|
|
|
pM |
= a + b?i, |
|
|
где а и Ъ — постоянные коэффициенты д л я данной марки двигателя .
После преобразования получим:
откуда д л я бестормозного разгона:
с?со
It |
/ |
' \ z (1 — Т ) М ) J * |
д ля бестормозного выбега:
(9)
2 (1—Т]м)
По уравнениям (8) и (9) проведен расчетный а н а л и з ускорений разгона и выбега. В качестве исходных данных использованы зависимости действительной скоростной ха
рактеристики двигателя |
ре = / (п) и рм |
= / (п), по |
кото |
рым определялся т]м . |
|
|
|
Т а к как скоростная |
характеристика |
получена в |
усло |
виях установившихся режимов, то расчетные данные не будут учитывать отклонений в протекании рабочего цикла, присущих неустановившимся режимам .
В результате расчетного анализа получены ускорения коленчатого вала шестицилиндрового д и з е л я А-01 и четырехцилиндрового СМД-14 при бестормозном разгоне на различном числе работающих цилиндров и при замед
лении бестормозного |
выбега |
(zp = |
1) в функции среднего |
|||||
эффективного давления |
двигателей. |
|
|
|
||||
К а к показала экспериментальная проверка, |
расчетные |
|||||||
данные |
ускорений, |
полученные |
в условиях |
п р о т е к а н и я |
||||
рабочего |
процесса |
в установившихся режимах, откло |
||||||
няются от опытных, |
полученных |
в условиях |
протекания |
|||||
рабочего |
процесса |
в |
неустановившихся |
р е ж и м а х , |
тем |
|||
больше, |
чем больше |
число |
работающих |
цилиндров . |
П р и |
бестормозном разгоне на всех цилиндрах (zp = z) расхо |
|
ждения |
составляют 15—20%, на половине цилиндров — |
9 — 11%, |
на минимальном числе работающих цилиндров, |
обеспечивающих разгон (zp = z/3), — 4—6%. Погреш ность определения мощностных показателей на основе разгона двигателя на всех цилиндрах существенно зави сит от состояния регулировок и нарушений в протекании
рабочего ц и к л а . |
П р и отклонении |
регулировок |
в пределах, |
|
наблюдаемых |
в |
эксплуатации, |
погрешность |
достигает |
+ 8 — 1 3 % и |
выше. Приведенные |
данные свидетельствуют |
о том, что бестормозной метод проверки двигателя в не установившихся режимах целесообразно применять пр и работе на минимально возможном числе цилиндров . Про верка работы двигателя в условиях неустановившихся ре жимов связана со сложностью определения топливных по казателей. В этом случае д л я оценки протекания рабочего цикла можно применить измерение температуры отрабо тавших газов .
27
4 . М Е Т О Д Ы О П Р Е Д Е Л Е Н И Я И З Н О С А Д Е Т А Л Е Й
ДВ И Г А Т Е Л Я
Впрактике исследования износостойкости двигателей применяются методы: микрометрирования, взвешивания, профилографирования, искусственных баз, определения железа в масле, радиоактивных изотопов, нейтронной ак тивации, спектрального анализа . Хорошие результаты дает одновременное использование нескольких методов определения износа.
Микрометрирование позволяет просто и доступно оце нивать износ отдельных деталей или их определенных частей не по косвенным признакам, а непосредственно, пользуясь мерительным инструментом. В основу метода
микрометрирования положено |
измерение одних и тех же |
|
размеров деталей до и после |
продолжительной работы |
|
двигателя . Д л я измерения размеров деталей |
пользуются |
|
микрометрами, индикаторными нутрометрами, |
рычажными |
скобами и другими механическими контактными прибо рами. При повторном микрометрировании дл я точной установки мерительного инструмента на первоначально замеренные поверхности применяют шаблоны . Широкое применение получили оптико-механические приборы . В практике микрометрирования используются т а к ж е при боры с емкостными, индуктивными, проволочными и пнев матическими датчиками. По изменению размеров деталей можно определить абсолютную величину износа сопря женных деталей. Пр и микрометрировании возможно на блюдать, фотографировать и изучать физико-механические свойства исследуемых поверхностей износа. Однако мик
рометрирование дает |
надежные результаты оценки из |
|||
носа деталей, если |
износ достаточно велик |
и если детали |
||
не деформируются |
в |
процессе |
испытаний. |
|
Д л я получения |
надежных |
результатов |
при микромет |
рировании необходимо проводить длительные испытания, так как современные двигатели обладают достаточно вы сокой износостойкостью. Пр и выявлении в л и я н и я на износ двигателя только одного какого-либо фактора длитель ность испытаний составляет 500—1000 ч, что сопряжено
с большой затратой времени и |
средств. Н а п р и м е р , по |
ГОСТ 491—55 дл я оценки износа |
основных деталей дви |
гателя ЗИЛ - 131 нужно выполнить около 3350 измерений. При этом даже такие длительные испытания не обеспечи вают надежных результатов, так ка к величина износа
28
многих современных автотракторных двигателей за период испытаний меньше погрешности мерительного инстру мента. Результаты оценки износа микрометрированием за висят от величины деформации детали. В связи с деформа
цией некоторых деталей в процессе |
работы |
их |
размеры |
|||
могут к а к |
уменьшаться, |
так и увеличиваться . В |
этом |
слу |
||
чае можно определить только общее |
изменение |
линейных |
||||
размеров |
детали. Н а точность измерения деталей |
авто |
||||
тракторных двигателей |
оказывают |
влияние |
температур |
ные условия и соблюдение условий измерения (направле ние измерения, точка контакта, давление наконечника ме рительного инструмента и др.) при первичном и повторном микрометрировании. В процессе работы двигателя детали покрываются нагаром, окислами и другими отложениями, что может т а к ж е повлиять на надежность результатов микрометрировании . Кроме того, д л я микрометрирования двигатель к а ж д ы й раз разбирают и собирают, что способ ствует повышенному износу деталей вследствие дополни
тельной их приработки; |
при этом неизбежно |
изменение |
|
условий работы деталей. |
Увеличение износа от |
разборок |
|
и сборок, |
от количества |
пусков и остановок двигателя за |
|
период от |
одной разборки до другой, от условий |
эксплуа |
тации в процессе испытаний на износостойкость вносит большую погрешность в определение величины износа . Поэтому необходимо проводить испытания большого ко личества двигателей, чтобы сделать оценку износостой кости по результатам микрометрирования на основе ста тистической обработки результатов .
В соответствии с ГОСТ 491—55 измерение большинства деталей автотракторных двигателей должно производиться •с точностью 0,01 мм.
Микрометрирование не позволяет определять динамику изнашивания в процессе работы двигателя .
Несмотря на отмеченные сложности, этот метод исполь зуется в практике при дефектовке деталей, назначении ре монтных размеров, а т а к ж е д л я оценки эффективности различных мероприятий по повышению долговечности деталей цилиндро-поршневой группы двигателей.
Взвешивание применяется д л я определения износа мел ких деталей (вкладышей, поршневых колец, пальцев и др . ) . По изменению веса детали до и после испытаний оцени вается величина износа. Этот метод также требует разборки двигателя и тщательной очистки от нагара и окислов. Кроме того, определение линейного износа деталей мето-
29