Автореферат (Снижение механических потерь в быстроходном дизеле воздушного охлаждения совершенствованием конструкции деталей ЦПГ), страница 2

, н ) = 0,349 + 0,066c + 0,031 p. + 0,016н ,(1 )m п г tnitгде р т - давление механических потерь на трение, бар; сп - средняя скоростьпоршня, м/с; р г - среднее индикаторное давление, бар; н - кинематическаявязкость моторного масла при заданной температуре в картере, сСт.Главное отличие формулы (1) от других, ранее применявшихся, со­стоит не столько в добавлении нового «вязкостного» аргумента, сколько вболее адекватной оценке механических потерь на пусковых и низкотемпера­турных режимах работы двигателя.Оценка весового вклада аргументов в значение целевой функции (1)позволила скорректировать рейтинг влияния (в порядке убывания) на меха­нические потери основных показателей двигателя, а именно: поставить напервое и второе места соответственно вязкость моторного масла и среднююскорость поршня (2).н; cn;; Pi.(2)Доказательство решающей роли в формировании механических по­терь вязкости моторного масла и скоростного режима согласно соотношению(2) прямо указали на преобладание гидродинамического режима и, как след­ствие, эффективность профилирования смазываемых деталей ЦПГ.Универсальное решение задачи снижения механических потерь сле­дует искать в применении разработанного в трудах ряда известных исследо­вателей общего принципа рационального конструирования трущихся деталейЦПГ.

Этот подход, называемый принципом согласования, активно применя­ется особенно в последние годы для конструирования деталей ЦПГ с целью4снижения их трения и изнашивания и подразумевает выбор ключевых значе­ний внутренних факторов трущейся детали (например, формы, профиля,твердости, зон нанесения микрорельефа и др.) с учетом характера дейст­вующих на нее внешних факторов (нагрузки, температуры, скорости, ускоре­ния и т.п.). Сложность реализации данного принципа, на количественномуровне состоит в установлении необходимых взаимосвязей между парамет­рами конструкции и определяющей трение и износ внешней нагрузкой на де­таль.Анализ характера изменения боковой силы поршня N и производнойот нее относительной нагруженности (отношение суммы значений боковойсилы на текущем такте к среднему значению этой силы на первом такте) юб­ки поршня N , указал на наличие значительной неравномерности их измене­ния по углу поворота коленчатого вала (ПКВ) и тактам рабочего цикла дизе­ля (Рисунок 1).N3.0V101211НомертактаабРисунок 1.

Изменение боковой силы поршня (а) и производной от этой силыотносительной нагруженности юбки поршня (б) в течение рабочего цикладизеля 1Ч 8,0/8,5 на номинальном режиме работыИз положений классической гидродинамики известно, что несущаяспособность Р слоя смазочного материала в зазоре между ползуном и опоройпри прочих равных условиях пропорциональна квадрату длины сужающегося(несущего) участка профиля ползуна /:Р - / 2.(3)Для создания благоприятных с точки зрения снижения трения и изно­са условий гидродинамического режима смазки в сопряжении «юбка поршня-цилиндр» необходимо, чтобы значение реакции со стороны слоя масла Pуравновешивало величину боковой силы N, действующей на поршень:P =N .(4)С учетом принципа согласования для получения обеспечивающихмаксимизацию ГНС длин несущих участков профиля юбки выбор последнихнеобходимо ставить в соответствие с нагруженностью поршня боковой силойпо правилу: большее значение боковой силы должна воспринимать большаядлина несущего участка профиля юбки поршня.5Учитывая, что такты «Сжатие» и «Рабочий ход» являются наиболеенагруженными, а также принимая во внимание формулы (3) и (4), соотноше­ние относительных нагруженностей юбки на 1,1:3,0 и связь признаков ходапоршня с номером такта (2 и 3 соответственно), найдем искомую взаимо­связь длин несущих участков с относительной нагруженностью:/2N3,0l2 N 2 1,1Откуда3,0= 1,65./2 'V 1,1Общая длина бочкообразного профиля юбки L (Рисунок 2):L = /1 + /2 .(5)(6)Рисунок 2.

Ключевые шаго-высотные параметры бочкообразного профиляюбки поршняНа основе (5) и (6) получаем искомые выражения для назначения ра­циональных длин несущих участков профиля юбки/ = 1,65/2;(7)/2 = L ~ /1 .(8)С учетом (5) и (6) для серийного поршня дизеля 1Ч 8,5/8,0 с длинойюбки L=52 мм длины / и / составят соответственно 32 и 20 мм.Рациональные значения высот профиля на краях юбки поршня: Н1 иН2 (Рисунок 2) назначаются в соответствии с известным гидродинамическимусловием максимизации ГНС профиля:12Н 1,2 = 1,2h ,(9)где hc - критическая (минимальная) толщина слоя масла в зазоре сопряжения«юбка поршня - цилиндр».

При отсутствии информации о значении парамет­ра h в качестве приемлемой оценки может быть использовано значение ми­нимального радиального зазора сопряжения юбки поршня с цилиндром в на­гретом состоянии деталей Л.Задавая из результатов предварительных расчетов для конструкции иусловий работы двигателя-объекта исследования значение параметра Л=38c6мкм, из соотношения (9) определим рациональные значения высот бочкооб­разного профиля на краях юбки поршня дизеля 1Ч 8,5/8,0:Н 1 = Н2 =46 мкм.С учетом имеющихся данных о характере распределения газовой силыпо тактам рабочего цикла дизеля 1Ч 8,5/8,0, после применения аналогичнойпрофилированию поршня последовательности действий, а также принятия вовнимание необходимости обеспечения скребкового эффекта профилем коль­ца на прямом ходе поршня и глиссирования на слое масла - на обратном хо­де, искомое выражение для определения рациональных длин несущих участ­ков рабочего профиля поршневого верхнего компрессионного кольца (РПК)на отмеченных выше ходах поршня /1 и /2 получаем в виде:(10)Выбор значений АИ12 зависит в условиях смазки поршневого кольцаот минимальной толщины слоя масла hm в зазоре сопряжения «поршневоекольцо-цилиндр»:h Kp->(11)где hKp - критическое значение минимальной толщины слоя масла в зазоре,которое для поршневого кольца может быть оценено по выражениюЛН1 ,21 , 2КР = 1,5л/Rmax1+ С х 2 , включающемуи- максимальные выступы шероховатых поверхностей кольца и цилиндра соответственно (в качестве Rmaxрекомендуется использовать известный высотный показатель топографииповерхности Rz).Задавая из конструкционных соображений осевую высоту указанногопоршневого кольца L= /1+/2 = 1,4 мм и hKp= 6 мкм, на основании вышеприве­денных соотношений (10) и (11) определяли рациональные шаго-высотныепараметры РПК /1; /2 и И 12, а именно: /1=0,33 мм; /2=1,07мм; ЛИ12=7 мкм.Нанесение традиционного, т.е.

регулярного, с постоянным шагом иглубиной по всей высоте цилиндра, микрорельефа, рекомендованного длядизеля 1Ч 8,5/8,0, не согласуются с хорошо известным из кинематики КШМнеравномерным характером изменения ускорения поршня и поршневых ко­лец при их привязке к осевой высоте цилиндра. Так, локализация максималь­ных значений ускорения поршня в ВМТ и НМТ, а минимальных - примерно всередине высоты цилиндра, приводит к увеличению количества безвозвратнопотерянного масла за счет его съема кольцами из канавок микрорельефа ипоследующего инерционного выброса в зону камеры сгорания при достиже­нии поршнем ВМТ.Применение принципа согласования к конструкции цилиндра дизеля1Ч 8,5/8,0 указывает на необходимость увязывания зоны нанесения микро­рельефа Z, а также собственного профиля образующей внутренней поверхно­сти цилиндра C в продольном направлении с характером изменения основ­ных показателей кинематики поршня S, V, J и распределения температур T по7высоте цилиндра (Рисунок 3).

С учетом этого требования, микрорельеф, вы­полненный в виде расположенных по винтовым линиям чередующихся кана­вок и сопряженных с ними плоских, параллельных оси цилиндра участков,наносится на внутреннюю поверхность цилиндра не по всей его высоте, атолько в центральной зоне, соответствующей достижению максимальнойскорости поршня и составляющей около 1/3 высоты цилиндра; при этом глу­бина канавок микрорельефа выполняется переменной, с максимумом значе­ний в центральном поясе по высоте цилиндра и уменьшением глубины пообе стороны в направлениях от этого пояса к ВМТ и НМТ.

Техническая но­визна предложенного решения подтверждена положительным решением Фе­деральной службы по интеллектуальной собственности от 06.02.2017 г. навыдачу патента на изобретение по заявке № 2015154917.В отношении продольной образующей внутренней поверхности ци­линдра С принцип согласования предполагает адаптацию профиля в холод­ном (исходном, чертежном) состоянии к характеру установившегося темпе­ратурного поля по высоте цилиндра Т таким образом, чтобы минимизироватьее искажение и обеспечить тем самым снижение трение и износа в нагретомсостоянии.

Моделированием в программе PISTON-DHT было обнаруженосущественное с 0,98 до 0,26 мкм (на 74%) снижение износа юбки поршня принебольшом с 592 до 574 Вт (на 3%) снижении мощности механических по­терь в случае использования предлагаемого опытного варианта цилиндра,отличающего от серийного исполнения сужающейся к верху холодной (зада­ваемой чертежом на изготовление) образующей внутренней поверхности Сдо максимального значения радиального сужения Л=8 мкм (Рисунок 3).лS - полный ход поршня:V - скорость движения (поршня, кольца);J - ускорение (поршня, кольца);Т - температура образующей цилиндраZ - зона нанесения микрорельефаС - профить образующей цилиндраЛ - максимальное сужение холодного профиляоРисунок 3.