Автореферат (Снижение механических потерь в быстроходном дизеле воздушного охлаждения совершенствованием конструкции деталей ЦПГ), страница 3

Предлагаемые локальное нанесение микрорельефаи изменение исходного (холодного) профиля цилиндрадизеля 1Ч 8,5/8,0Как показал специальный расчет по программе PISTON-DHT,oтмеченное выше снижение износа юбки поршня при работе в опытном ци­8линдре с таким значением холодного сужения макропрофиля в зоне верхнеготорца цилиндра достигается за счет повышения с 14 до 17 мкм (на 21%) ми­нимальной толщины масляного слоя между поверхностями юбки поршня ицилиндра в рабочем (горячем) состоянии трущихся поверхностей этих дета­лей.Для выполнения расчетно-теоретического исследования влияния ти­пичных искажений бочкообразного профиля юбки поршня на ее ГНС ис­пользовали кусочно-линейную аппроксимацию и прием целочисленного за­дания шаго-высотных параметров профиля. Необходимое для нахождениячисленных значений ГНС решение уравнения Рейнольдса, получаемое в дан­ном случае достаточно простым аналитическим путем, позволило количест­венно оценить влияние искажений бочкообразного профиля на ГНС в тече­ние обоих (прямого - от ВМТ к НМТ) и обратного (от НМТ к ВМТ) ходовпоршня (Таблица 1).Таблица 1.Значение ГНС Р ■для типичных форм (моделей)__________искажения профиля юбки поршня__________Обратный СуммарноеТип (номер) Прямой ходпоршняход поршнязначениемодели0,2730,2730,546010,1320,1320,26420,0670,4670,53430,0420,2580,300Результаты, приведенные в Таблице 1, однозначно указали на нега­тивное влияние искажений исходного бочкообразного профиля юбки порш­ня на суммарную ГНС и необходимость снижения этих искажений конструк­ционными средствами.В третьей главе для опытных вариантов конструкций поршня ипоршневых колец с рациональными профилями трущихся поверхностей спомощью программ PISTON-DHT и RING выполнены сравнительные (поотношению к серийным вариантам исполнения этих деталей) расчеты пара­метров гидродинамики и трибологии; в среде SOLIDWORKS проведено мо­делирование деформации юбки поршня под действием гидродинамическогодавления со стороны слоя моторного масла на стенке цилиндра; оцененовлияние изменения схемы установки цилиндра на блоке и макропрофилявнутренней поверхности цилиндра на деформацию последнего и вызваннуюэтой деформацией изменение механических потерь.Снижение деформации профиля юбки серийного поршня дизеля 1Ч8,5/8,0 предлагается получать применением ребер жесткости 1, связывающихвнутреннюю поверхность юбки 2 с бобышками 3 в зоне передачи боковойсилы (Рисунок 4).9Б-Б (повернуто)1-Г {повернуто)Л -А{п£}$?(повернуто)В-В (повернуто)ГРисунок 4.

Общий вид серийного (а) и опытного (б) поршня - патентна полезную модель № 159529: 1 - ребро жесткости; 2 - юбка;3 - бобышкаРезультаты расчетного моделирования показали, что использованиемребер жесткости на юбке удается значительно (на 18...68% в зависимости отрасположения и количества ребер) уменьшить деформационное искажениезаданного чертежом профиля во время работы поршня. Прогнозируемое мо­делированием снижение механических потерь и износа юбки при использо­вании опытного поршня с жесткой юбкой по сравнению с серийным вариан­том исполнения данной детали составило 4% и 33% соответственно.При осуществлении моделирования деформации цилиндра ставили ирешали задачу выбора и проверки эффективности конструкционных спосо­бов уменьшения искажений заданной геометрии трущейся поверхности ци­линдра от монтажных нагрузок (сжатия цилиндра при затяжке гаек анкерныхшпилек).Решение было получено за счет применения вместо серийной несу­щей (Рисунок 5, а) известной фланцевой (свободной) схемы крепления ци­линдра на блоке, в которую, однако, были внесены улучшающие инноваци­онные отличия в виде участков повышенной жесткости шпилек, защищенныепатентом на полезную модель № 154315 (Рисунок 5, б).10Результаты выполненных с помощью программы ANSYS расчетовпоказали, что переход от серийной несущей к свободной фланцевой схемекрепления цилиндра на блоке с дополнительным использованием участковповышенной жесткости шпилек приводит к кардинальному (на 64...86%)снижению деформации внутренней поверхности цилиндра (Рисунок 5, в).С помощью расчетных программ PISTON-DHT и RING была прове­дена раздельная оценка эффективности опытных объектов №№ 1...4: поршняс рациональным профилем юбки (№21), антифрикционным покрытием ее по­верхности (№22) и ребрами жесткости (№23), верхнего компрессионного коль­ца с рациональным профилем рабочей поверхности (№24) по сравнению с се­рийными вариантами исполнения указанных деталей.

В качестве антифрик­ционного покрытия юбки поршня было предложено применить инновацион­ный состав Molykote D-7409 (разработка фирмы Dow Coming, официальнымдистрибьютором которой на территории СНГ является ЗАО «АТФ»),-200+20 +40 -200+20 +40 -200*20 +40 -200+20 +40г“ ”\Sr--к1-------Сечення:tV -У/I//У1-ТtЧч-4-|А -АБ -Б6вРисунок 5. Сравнение серийной несущей (а) и опытной фланцевой свободнойсогласно патенту на полезную модель № 154315 (б) конструкций крепленияцилиндра на блоке и результатов оценки монтажных искажений внутреннейповерхности цилиндра (в) при использовании этих конструкцийРасчеты в программе PISTON-DHT, выполненные для номинальногорежима работы дизеля 1Ч 8,5/8,0, дали результат значимого (на 4...5%) сни­жения механических потерь для всех указанных выше опытных вариантовконструкций поршней № 1...3 (Таблица 2).Таблица 2.Механические потери на трение поршней в цилиндреОбъект - поршеньЗначение и№0изменение(серийный№2№3№1показателяпоршень)0,8310,8010,7940,786Nm, кВт0-4-4-55, %11Моделированием с помощью программы RING для условий номи­нального режима работы дизеля 1Ч 8,5/8,0 обнаружено снижение механиче­ских потерь в ЦПГ с 0,401 до 0,375 кВт (на 7%) при переходе от серийного копытному поршневому верхнему компрессионному кольцу с рациональнымпрофилем рабочей поверхности (объект №4).Четвертая глава содержит методику и результаты испытаний пооценке механических потерь, а также условий маслоснабжения цилиндра ди­зеля 1Ч 8,5/8,0.В рамках данной диссертационной работы из всех новых техническихрешений с прогнозируемым энергосбережением, предложенных для дизелейТМЗ в Главе 3, экспериментальным сравнительным испытаниям был под­вергнут опытный поршень согласно патенту № 159529, который был изго­товлен путем доработки серийного изделия и отличался от последнего тольконаличием установленных внутри юбки при помощи сварки четырех алюми­ниевых ребер жесткости, опирающих стенку юбки на бобышки поршневогопальца (Рисунок 6).Рисунок 6.

Общий вид серийного (слева) и опытного (справа)поршней дизеля 1Ч 8,5/8,0На первом этапе экспериментального исследования была выполненаоценка изменений механических потерь в ЦПГ, вызванных влиянием пред­ставленной на Рисунке 6 конструкционной модернизации серийного поршня.Для решения этой задачи использовали отличающийся высокой чувствитель­ностью к малым изменениям механических потерь калориметрический ме­тод, заключающийся в измерении температур стенки цилиндра, обусловлен­ных исключительно работой сил трения в ЦПГ.

В дополнение к этим измере­ниям осуществляли контроль вызываемых трением в ЦПГ изменений темпе­ратуры моторного масла в картере и момента сопротивления прокручиваниюколенчатого вала (Рисунок 7).Обработка результатов испытаний показала, что замена серийногопоршня на опытный обеспечивает при прочих равных условиях испытанийпо всем контрольным показателям (средней температуре стенки цилиндра вцентральном по высоте поясе t4, температуре масла в главной масляной ма­гистрали tu и моменту сопротивления прокручиванию М с) снижение механи­ческих потерь в ЦПГ на 3...9% (Рисунок 8).12Рисунок 7. Схема экспериментальной установки на базе дизеля1Ч 8,5/8,0: 1 - крышка цилиндра с демонтированными клапанами,форсункой и пусковой свечой; 2 - цилиндр с 12-ю термопарамипо высоте и окружности стенки; 3 - щиток, блокирующий потокохлаждающего воздуха от вентилятораtn ,° С 9080706050506070i f u, скVА//{м,ц ’\t’сА/V80\мс,—Н м10i >1серииныи поршеньсерииныи поршеньопытный поршеньопытный поршеньга50Гр■11к607080\\\\\11г ~"*""- ——6090 f ц ,° С40—2800_ ,__ Г^ ~.

iVД АI с32003600П мин"1серийны й порш еньо п ы т ны й порш ень12Рисунок 8. Температуры стенки цилиндра на частоте прокручиванияколенчатого вала 3600 мин-1 (1) и зависимость контрольных показателеймеханических потерь в ЦПГ от скоростного режима испытаний поршней (2):а - плоскость качания шатуна; б - плоскость коленчатого вала13Второй этап экспериментального исследования на установке был свя­зан с оценкой реально существующих условий маслоснабжения юбки порш­ня в цилиндре. Для этого в нижнем посадочном поясе цилиндра были вы­полнены сквозные дренажные отверстия, в которых размещались тонкостен­ные латунные трубки с надетыми на них прозрачными трубкамиудлинителями для вывода, визуального наблюдения и измерения количестваснимаемого поршневыми кольцами масла.

Контрольным показателем, по ко­торому судили об условиях смазывания сопряжения «юбка поршняцилиндр», являлось количество (в мм длины столба в трубках) масла, снято­го поршневыми кольцами при прочих равных условиях с нагруженной (Н) иненагруженной (НН) сторон стенки цилиндра (Рисунок 9).Рисунок 9. Схема размещения трубок в дренажных отверстия нижнегопосадочного пояса цилиндра дизеля 1Ч 8,5/8,0 (а) и количество масла(в мм длины столба в трубках-удлинителях), снятого поршневымикольцами со стенки цилиндра (б)Обработка экспериментальных данных (Рисунок 9, б) подтвердиланаличие аномального маслораспределения, при котором нагруженнаясторона цилиндра, а вместе с ней и соответсвующая сторона боковойповерхности юбки поршня, получает значимо меньшее количество масла,чем ненагруженная.

Обнаруженная в опытах разница в количестве масла,снимаемого поршневыми кольцами с указанных сторон стенки цилинлра, взависимости от условий проведения опытов (с сжатием или без сжатия вцилиндре) и скоростного режима прокрутки составила от 18% до трех раз.14ЗАКЛЮЧЕНИЕ1. Обзор состояния проблемы указал на актуальность сниженияпотерь на трение в ЦПГ двигателей с воздушным охлаждением и позволилопределитьперспективныенаправлениясниженияэтихпотерьприменительно к двигателю-объекту исследования: дизелю 1Ч 8,5/8,0.2. Расчетно-аналитическим исследованием гидродинамики имоделированием деформации юбки поршня в цилиндре установлено, чтоискажения заданного чертежом бочкообразного профиля юбки поршняснижают ее гидродинамическую несущую способность, а компенсация этогоискажения может быть достигнута повышением жесткости юбки.3. В результате применения принципа согласования к конструкции иусловиям работы деталей ЦПГ дизеля 1Ч 8,5/8,0 получены рациональные сточки зрения снижения трения параметры профиля юбки поршня, верхнегопоршневого компрессионного кольца и образующей цилиндра, а такжеразработаны семь опытных технических решений с ожидаемым эффектомэнергосбережения.4.