Разработка технологий и технических средств технологической бестормозной обкатки поршневых двигателей автотракторной техники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Морунков Андрей Николаевич

• Морунков Андрей Николаевич
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Морунков Андрей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБКАТКИ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ

1.1 Назначение и классификация способов технологической обкатки поршневых двигателей автотракторной техники

1.2 Анализ способов и средств холодной обкатки поршневых

двигателей автотракторной техники

1.3 Анализ способов и средств бестормозной обкатки поршневых двигателей с динамическим нагружением

1.4 Обоснование проблемы и задачи исследований

2 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И РЕЖИМОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕСТОРМОЗНОЙ ОБКАТКИ ДВИГАТЕЛЕЙ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ

2.1 Расчетно-теоретическое обоснование параметров технических средств и режимов технологической холодной обкатки двигателей

с автономным приводным устройством

2.1.1 Технология холодной обкатки двигателей с использованием автономного приводного устройства

2.1.2 Расчет параметров автономного приводного устройства

2.2 Расчетно-теоретическое обоснование параметров технических средств и режимов технологической холодной обкатки двигателей

с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками

2.2.1 Обоснование технологии холодной обкатки с повышенными

частотами вращения и газовыми нагрузками

2.2.2 Расчетно-теоретическое обоснование повышения частоты вращения коленчатого вала и газовых нагрузок при холодной обкатке двигателей

2.2.3 Определение продолжительности бестормозной холодной обкатки двигателей с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками

2.3 Расчетно-теоретическое обоснование параметров технических средств и режимов технологической холодной обкатки двигателей

со статико-динамическим гидроимпульсным нагружением

2.3.1 Обоснование технологии холодной обкатки двигателей

со статико-динамическим гидроимпульсным нагружением

2.3.2 Расчет режимов холодной обкатки двигателей

со статико-динамическим гидроимпульсным нагружением

2.4 Повышение эффективности горячей бестормозной обкатки двигателей с динамическим нагружением

2.4.1 Расчет повышенных газовых нагрузок на такте выбега цикла динамического нагружения

2.4.2 Определение нагрузочного режима цикла динамического нагружения

с дросселированием газов на выпуске

2.4.3 Определение продолжительности ступеней горячей бестормозной обкатки

2.5 Определение выбросов вредных веществ с отработавшими газами поршневых двигателей на режимах технологических тормозной

и бестормозной обкаток

2.6 Исполнительные механизмы для управления циклом динамического нагружением при бестормозной горячей обкатке автотракторных двигателей

2.6.1 Исполнительные механизмы для управления подачей топлива

2.6.2 Исполнительный механизм для управления дроссельной заслонкой

Выводы

3 ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕСТОРМОЗНОЙ ОБКАТКИ

И ИСПЫТАНИЙ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

3.1 Технология холодной обкатки поршневых двигателей

с использованием автономного приводного устройства

3.1.1 Автономное приводное устройство для холодной обкатки

3.1.2 Технология холодной обкатки двигателей с использованием автономного приводного устройства

3.2 Технология и технические средства для холодной обкатки поршневых двигателей с повышенными частотами вращения

и газовыми нагрузками

3.2.1 Система повышения газовых нагрузок при бестормозной обкатке поршневых двигателей

3.2.2 Технология холодной обкатки двигателей с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками

3.3 Технология и технические средства для холодной обкатки поршневых двигателей со статико-динамическим

гидроимпульсным нагружением

3.3.1 Устройство для холодной обкатки поршневых двигателей со статико-динамическим гидроимпульсным нагружением

3.3.2 Технология холодной обкатки двигателей со статико-динамическим гидроимпульсным нагружением

3.4 Технические средства для бестормозной горячей обкатки

поршневых двигателей с динамическим нагружением

3.4.1 Система автоматического управления динамическим нагружением дизелей с воздействием на рейку топливного насоса и дроссельную

заслонку

3.4.2 Система автоматического управления динамическим нагружением дизелей с воздействием на рычаг регулятора частоты вращения

и дроссельную заслонку

3.5 Микропроцессорный измеритель параметров дизелей

3.6 Технология технологической бестормозной обкатки поршневых 142 двигателей автотракторной техники

3.7 Мобильные комплекты оборудования для технологической

бестормозной обкатки поршневых двигателей

Выводы

4 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Программа экспериментальных исследований

4.2 Методика исследований показателей рабочего процесса поршневых двигателей на режимах тормозной и бестормозной технологических обкаток

4.3 Методика лабораторных и моторных исследований системы статико-динамического гидроимпульсного нагружения

4.4 Методика моторных исследований холодной обкатки двигателей

с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками

4.5 Методика исследований показателей качества приработки сопряжений при технологической обкатке поршневых двигателей

4.6 Методика и программа экспериментальных исследований режимов холодной обкатки двигателей с использованием автономного приводного устройства

4.7 Методика определения выбросов вредных веществ в атмосферу

с отработавшими газами на режимах горячей обкатки двигателей

4.8 Применяемое оборудование и аппаратура

Выводы

5 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1.Результаты испытаний автономного приводного устройства

5.2 Результаты исследований технологии холодной обкатки дизеля

Д-243 с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками

5.3 Результаты исследований технологии холодной обкатки дизеля

Д-144 со статико-динамическим гидроимпульсным нагружением

5.4 Экспериментальные исследования рабочего процесса дизеля Д-243

на режимах тормозной и бестормозной горячих обкаток

5.5 Результаты исследований технологий тормозной и и бестормозной обкаток дизеля Д-243

5.6 Результаты исследований выбросов вредных веществ в атмосферу

с отработавшими газами на режимах горячей обкатки двигателей

Выводы

6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТАННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕСТОРМОЗНОЙ

ОБКАТКИ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

6.1 Экономическая эффективность технологии технологической бестормозной обкатки поршневых двигателей с применением автономного приводного устройства

6.2 Экономическая эффективность технологии технологической бестормозной обкатки поршневых двигателей со статико-динамическим гидроимпульсным нагружением

6.3 Экономическая эффективность технологии технологической бестормозной обкатки поршневых двигателей с применением

повышенных частот вращения и газовых нагрузок

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И ТЕРМИНЫ

АПК- агропромышленный комплекс

ДВС - двигатель внутреннего сгорания

КШМ - кривошипно-шатунный механизм

ГРМ - газораспределительный механизм

ЦПГ - цилиндро-поршневая группа

ТНВД - топливный насос высокого давления

РЧВ - регулятор частоты вращения

ВМТ - верхняя мертвая точка

НМТ - нижняя мертвая точка

ОТС - обкаточно-тормозной стенд

ДН - динамическое нагружение

СДГН - статико-динамическое гидроимпульсное нагружение

ПЧВГН - повышенные частоты вращения и газовые нагрузки

УСКВ - угловая скорость коленчатого вала

ИМ - исполнительный механизм

САУ - система автоматического управления

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ГММ - главная масляная магистраль;

ГРМ - газораспределительный механизм;

ПКВ - поворот коленчатого вала.

Технологическая тормозная обкатка - процесс предварительной приработки подвижных сопряжений новых и отремонтированных ДВС, проводимый с преимущественным использованием стационарного оборудования и состоящий из этапов холодной обкатки с использованием стационарного электропривода, питающегося от промышленной электрической сети с частотой тока 50.60 Гц, горячей обкатки на холостом ходу и под нагрузкой и послеобкаточных тормозных испытаний с нагрузкой, создаваемой стационарными тормозными устройствами (электрическими, гидравлическими).

Технологическая бестормозная обкатка поршневых ДВС - процесс предварительной приработки подвижных сопряжений новых и отремонтированных ДВС, проводимый с преимущественным использованием автономного переносного оборудования, включающий этап холодной обкатки с использованием частотно-управляемого электропривода высокой удельной мощности, питающегося током повышенной частоты (400... 2000 Гц), горячей обкатки на холостом ходу, горячей обкатки под динамической нагрузкой и послеобкаточных бестормозных испытаний с использованием способа динамического нагружения, обеспечивающего требуемые нагрузки, создаваемые малогабаритными автоматизированными системами управления топливоподачей и выпуском отработавших газов.

Динамическое нагружение поршневого ДВС - процесс циклического нагружения сопряжений ДВС собственными инерционными силами на бестормозных неустановившихся скоростных режимах его работы путем последовательного чередования тактов разгона и тактов выбега за счет включенииия и последующего полного отключения подачи топлива в цилиндры двигателя.

Статико-динамическое гидроимпульсное нагружение поршневого ДВС -процесс циклического нагружения сопряжений ДВС гидроимпульсами высокого давления моторного масла, воздействующими на его поршни в определенной последовательности при низкой частоте прокрутки (0,2.1,0 мин-1) коленчатого вала через торсион стационарным или автономным червячным мотор-редуктором.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологий и технических средств технологической бестормозной обкатки поршневых двигателей автотракторной техники»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время к предприятиям, занимающимся производством, обслуживанием и ремонтом самоходной сельскохозяйственной техники и автотранспорта предъявляются достаточно высокие требования к качеству выпускаемой продукции или продукции ремонтного производства, основными потребителями которой являются предприятия АПК различных форм собственности.

При эксплуатации машинно-тракторного парка АПК одними из главных задач являются минимизация простоев автотранспорта и самоходной сельскохозяйственной техники в период ее эксплуатации, сокращение затрат на ее содержание, восстановление и ремонт, обеспечение нормальных условий труда персонала и выполнение требований экологической безопасности применяемых технологий, оборудования и машин.

Одной из целей государственной программы развития сельского хозяйства на 2013-2020 г. является повышение экономической эффективности сельскохозяйственных предприятий и конкурентоспособности их продукции за счет модернизации производства в техническм и технологическом отношении [1], которая согласно Стратегии развития сельскохозяйственного машиностроения России на период до 2030 года возможна при внедрении современных технологий производства и ремонта и своевременном возобновлении машинно-тракторного парка на конкуретно-способные образцы сельскохозяйственной техники, отвечающих международным стандартам и современным требованиям эксплуатации [2].

Наиболее важным является вопрос обеспечения высокой технической готовности самоходной сельскохозяйственной техники (тракторов, комбайнов различного назначения, самоходных опрыскивателей и погрузчиков, грузовых автомобилей и специальной техники), у которых в качестве энергетических средств выступают, как правило, дизельные или бензиновые поршневые двигатели ДВС, от соблюдения технологии производства, капитального и текущего ремонтов которых

зависит техническая надежность как силового агрегата, так и самоходной машины в целом [3,4,5,6]

Завершающей стадией производства, капитального и текущего ремонта поршневых ДВС является технологическая тормозная обкатка - процесс предварительной приработки подвижных сопряжений новых и отремонтированных ДВС, проводимый с преимущественным использованием стационарного оборудования и состоящий из этапов холодной обкатки с использованием стационарного электропривода, питающегося от промышленной электрической сети с частотой тока 50.. .60 Гц, горячей обкатки на холостом ходу и под нагрузкой и послеобка-точных тормозных испытаний с нагрузкой, создаваемой стационарными тормозными устройствами (электрическими, гидравлическими) [7,8,9,10,11,12,13].

Технологии тормозной обкатки поршневых ДВС, выполняемые как правило на всех этапах обкатки с применением обкаточно-тормозных стендов (ОТС) различных марок и мощности обладают рядом недостатков, значительно ограничивая их применение на ремонтных предприятиях и предприятиях-изготовителях: высокая стоимость, большие мощность и габариты ОТС, необходимость наличия специальных производственных площадей и вспомогательного оборудования (систем подачи топлива, вентиляции, отвода отработавших газов и др.), большое потребление топлива и количество вредных веществ в атмосферу при обкатке на холостом ходу и под нагрузкой. Кроме того, для обкатки поршневых ДВС различных типов, марок и мощности предприятиям необходимо иметь несколько типоразмеров ОТС, что значительно увеличивает производственные площади, занимаемые участками обкатки, стоимость применяемого оборудования и мощность электросилового хозяйства.

Степень разработанности темы исследования. Вопросами ремонта автотракторной техники, разработкой и повышением эффективности технологической обкатки занимались Гаенко Л.М., Казарский В.И., Погорелый И.П., Королев А.Е., Лакин В.К., Некрасов С.С., Нигаматов М.Х., Стрельцов В.В., Храмцов Н.В., Шаронов Г.П., Носихин П.И., Лялякин В.П., Сафонов В.В., Иншаков А.П., Котин А.В., Цыпцын В.И., Карпенко М.А., Остриков В.В., Царев О.А. и другие исследователи.

Вопросам изучения работы двигателей внутреннего сгорания на бестормозных неустановившихся режимах и разработки технологий обкатки с динамическим нагру-жением посвящены исследования Ждановского Н.С., Улитовского Б.А., Никола-енко А.В., Тимохина С.В., Родионова Ю.В., Варшавского М.З., Николаева А.В., Уханова А.П., Уханова М.А., Моисеева К.Л.

Все большее распространение в последние годы получают технологии горячей обкатки ДВС с динамическим нагружением (ДН) на неустановившихся бестормозных режимах, впервые разработанные в Санкт-Петербургском ГАУ и получившие дальнейшее развитие в Пензенском ГАУ [14,15,16,17,18,19,20,21,22], и технические средства для их реализации. Основными преимуществами данных технологий являются универсальность по отношению к типам и мощности обкатываемых ДВС, невысокая стоимость и небольшие габариты применяемого оборудования для воспроизведения нагрузочно-скоростных режимов поршневых двигателей при практической реализации технологической бестормозной обкатки, под которой понимается процесс предварительной приработки подвижных сопряжений новых и отремонтированных ДВС, проводимый с преимущественным использованием автономного переносного оборудования, включающий этап холодной обкатки ДВС с использованием частотно-управляемого электропривода высокой удельной мощности, питающегося током повышенной частоты (400.2000 Гц), этап горячей обкатки ДВС без нагрузки (на холостом ходу), этап горячей обкатки ДВС под динамической нагрузкой и послеобкаточных бестормозных испытаний методом динамического нагружения с помощью систем автоматического управления подачей топлива.

Компактность используемого оборудования позволяет проводить горячую обкатку с ДН и приемо-сдаточные испытания как в составе ОТС и приводных станций, необходимых для проведения этапа холодной обкатки ДВС, так и без демонтажа ДВС с автотракторной техники в условиях заводов-изготовителей, ремонтных предприятий и мастерских предриятий АПК страны.

Проблемная ситуация заключается в том, что для реализации технологической бестормозной обкатки ДВС непосредственно на автотракторной технике отсутствуют технологии и устройства для проведения холодной обкатки, а горячая обкатка ДВС с ДН имеет повышенную продолжительность ступеней по сравнению с тормозной, приводяющую к большому расходу топлива и выбросам вредных веществ в атмосферу.

Для решения этой проблемы предлагаются усовершенствованные технологии бестормозной обкатки поршневых ДВС и средства для их реализации, позво-лящие создать мобильные обкаточные комплексы с использованием автономных приводных устройств для холодной обкатки и систем автоматического управления (САУ) ДН для горячей обкатки и приемо-сдаточных испытаний.

Автономные приводные устройства для холодной обкатки, устанавливаемые вместо электростартеров или пусковых двигателей, обеспечивают возможность прокручивания коленчатого вала ДВС непосредственно на машинах на частотах вращения от минимальных до номинальных.

Для сокращения расхода топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами при технологической обкатке предложены и усовершенствованы технологии холодной обкатки с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками, а также со статико-динамическим гидроимпульстным нагруже-нием с применением автономных приводных устройств.

При реализации технологии холодной обкатки ДВС с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками на дополнительных ступенях холодной обкатки увеличивают частоту вращения коленчатого вала до ее номинального значения и газовые нагрузки за счет повышения давления воздуха на впуске путем дополнительной подачи сжатого воздуха от дополнительного внешнего источника в канал рециркуляции, соединиящий между собой впускной и выпускной коллекторы ДВС.

Под статико-динамическим гидроимпульсным нагружением поршневого ДВС понимается процесс циклического нагружения сопряжений ДВС гидроимпульсами высокого давления моторного масла, воздействующими на его поршни в

определенной последовательности при низкой частоте прокрутки (0,2. 1,0 мин-1) коленчатого вала через торсион стационарным или автономным червячным мотор-редуктором. При реализации технологии холодной обкатки со статико-динамиче-ским гидроимпульсным нагружением (СДГН) в цилиндры поршневых ДВС под высоким давлением подается моторное масло с целью создания в них гидроимпульсов, приводящих к колебательным перемещениям деталей ДВС с определенной частотой и амплитудой, к микросоударениям и наклепу поверхностей трения, снижая тем самым приработочный износ.

Использование этих технологий позволит сократить количество ступеней горячей обкатки на холостом ходу и с ДН, либо исключить их совсем, при этом контроль процесса приработки и послеобкаточные испытания ДВС проводятся бестормозным динамическим методом.

Работа выполнена по плану НИОКР ФГОУ ВПО Пензенская ГСХА на 20052010 г.г., 2010-2015 г.г., 2016-2020 г.г.. по теме «Улучшение технико-экономических показателей мобильных машин и технологического оборудования АПК» и по плану НИР ФГОУ ВО Пензенский ГАУ на 2021-2025 г.г. по теме «Разработка энергоресурсосберегающих экологически безопасных технологий и средств технического сервиса транспортно-технологических машин и комплексов», плану НИОКР ГНУ ГОСНИТИ на 2009 г. по теме № 09.03.02.14 «Провести теоретическое обоснование и экспериментальные исследования способа обкатки ДВС со статико-ди-намическим гидроимпульсным нагружением» в соответствии со Стратегией научно-технологического развития Российской Федерации, утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642, Федеральной научно-технической программой развития сельского хозяйства на 2017-2030 г.г. и Государственной программой Пензенской области «Развитие агропромышленного комплекса Пензенской области», утвержденной постановлением Правительства Пензенской области от 18 сентября 2013 г. N 691-пП.

Цель исследований - разработка технологий и технических средств технологической бестормозной обкатки поршневых двигателей автотракторной техники, обеспечивающих качественную приработку сопряжений с малыми затратами трудовых, материальных и финансовых ресурсов.

Объект исследований - процессы воспроизведения нагрузочно-скоростных режимов поршневых двигателей при практической реализации технологической бестормозной обкатки поршневых двигателей автотракторной техники.

Предмет исследований - закономерности изменения нагрузочно-скорост-ных режимов бестормозной обкатки поршневых двигателей и показатели функционирования разработанных технических средств при реализации технологий бестормозной обкатки автотракторных ДВС (Д-243, Д-144, ВАЗ-21067 и ЗМЗ-409), количественные и качественные показатели приработки подвижных сопряжений дизелей с жидкостной и воздушной системами охлаждения (Д-243, Д-144).

Научную новизну работы составляют:

- расчетно-теоретическое обоснование технологий холодной обкатки поршневых двигателей с использованием автономного приводного устройства, с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками, а также со статико-динамиче-ским гидроимпульсным нагружением;

- математическая модель цикла динамического нагружения с дросселированием отработавших газов на выпуске;

- технология холодной обкатки поршневых ДВС с использованием автономного приводного устройства;

- технология холодной обкатки поршневых ДВС с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками;

- технология холодной обкатки поршневых ДВС со статико-динамическим гидроимпульстным нагружением;

- количественные оценки вредных выбросов с отработавшими газами при технологической бестормозной обкатке поршневых ДВС.

Новизна технических решений подтверждена патентами Российской Федерации № 2157515 «Способ приработки поршневого двигателя внутреннго сгорания и устройство для его осуществления», № 66527 «Устройство для холодной приработки цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма двигателя

внутреннего сгорания» и №221526 «Устройство для холодной обкатки двигателей внутреннего сгорания».

Практическая значимость работы: технология холодной обкатки с использованием автономного приводного устройства на базе частотно-управляемого электропривода высокой удельной мощности (от 0,6 до 3 кВт/кг и выше) и частоты вращения (до 30000 мин-1), питающегося током повышенной частоты (400...2000 Гц), позволяет проводить холодную обкатку поршневых ДВС непосредственно на автотракторной технике на частотах вращения до 2500-3000 мин-1. Предлагаемая технология холодной обкатки с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками на дополнительно вводимых ступенях и средства для ее реализации позволяют повысить давление конца сжатия до 6-7 МПа путем рециркуляции воздуха из выпускного коллектора во впускной с дополнительной подачей воздуха под давлением и частоту вращения коленчатого вала до ее номинальных значений для конкретной марки обкатываемого ДВС, при этом до 60 % сокращается расход топлива на проведение одной технологической обкатки и до 7-8 раз снижается стоимость оборудования. Реализация технологии холодной обкатки со статико-динамическим гидроимпульсным нагружением поршневого ДВС путем циклического нагружения цилиндров обкатываемого двигателя гидроимпульсами высокого давления моторного масла, воздействующими на его поршни в определенной последовательности при низкой частоте прокрутки (0,2.1,0 мин-1) коленчатого вала через торсион стационарным или автономным червячным мотор-редуктором позволяет снизить суммарную мощность применяемого оборудования с 18-20 кВт до 3-4 кВт, сократить в 2-3 раза энергопотребление, улучшить качество приработки сопряжений по сравнению с тормозными технологиями холодной обкатки ДВС.

Методология и методы исследований - теоретическое обоснование технологий технологической бестормозной обкатки поршневых ДВС проведено с использованием методов теоретической механики и высшей математики, теории поршневых двигателей внутреннего сгорания, электропривода и автоматизации технологических процессов. При проведении экспериментальных исследований

применялись разработанные частные методики и стандартные методы испытаний (ГОСТ 18509-88, ГОСТ 14846-2020 и др.).

Разработка технических средств для технологической бестормозной обкатки поршневых двигателей базировалась на современном состоянии развития теории ДВС, электроники, гидравлики, электротехники и электропривода.

При обработке результатов экспериментальных исследований использовались лицензионные программы Statistika 10, MINITAB 17 и Microsoft Excel 2016.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- технология технологической холодной обкатки поршневых ДВС с использованием автономного приводного устройства;

- усовершенствованная технология технологической холодной обкатки поршневых ДВС с применением холодной обкатки с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками;

- усовершенствованная технология технологической холодной обкатки поршневых ДВС со статико-динамическим гидроимпульсным нагружением;

- технические средства для проведения этапов холодной и горячей бестормозной обкатки поршневых ДВС, их функциональные, электрические и кинематические схемы;

- методика определения конструктивных и технологических параметров автономного приводного устройства для холодной обкатки поршневых ДВС;

- методики расчета нагрузочно-скоростных режимов холодной обкатки поршневых ДВС с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками и со ста-тико-динамическим гидроимпульсным нагружением;

- теоретическое обоснование цикла динамического нагружения с дросселированием газов на выпуске;

- технические средства для технологической бестормозной обкатки поршневых ДВС;

- методика определения количества вредных выбросов с отработавшими газами при технологической обкатке поршневых ДВС;

- количественные показатели реализуемых нагрузочно-скоростных режимов и качества приработки сопряжений поршневых ДВС на режимах тормозной и бестормозной обкатки поршневых ДВС.

Реализация результатов исследований. Разработанные технологии бестормозной обкатки автотракторных двигателей и применяемое оборудование внедрены в ОАО Ремонтный завод «Нижнеломовский», СПК «Петровский», ООО «Техно-Снаб» и ООО «Сельхозтехника» Пензенской области; автотранспортном предприятии №2 г. Пензы; ООО «Техсервис», ООО «Агроцентр», ООО «ПензаМо-лИнвест» и ООО «Пензенская Аграрная Компания» г. Пензы. Результаты исследований Министерством сельского хозяйства Пензенской области рекомендованы к использованию на предприятиях АПК и ремонтных предприятиях Пензенской области.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ подтверждена использованием основ теории двигателей внутреннего сгорания, электротехники, гидравлики, электропривода и автоматики, современных электронных приборов, оборудования и измерительно-регистрирующей аппаратуры, результатами сравнительных моторных исследований поршневых ДВС на режимах тормозной и бестормозной технологических обкаток.

Основные положения диссертации и ее результаты доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ (19972008, 2023-2024 г.г.), Саратовского ГТУ (1999 г.), Санкт-Петербургского ГАУ (1998-2000 г.г.), Пензенского ГУ (1999 г.); ФГНУ «Росинформагротех» (г. Москва, 2007 г.), ГНУ ГОСНИТИ (г. Москва, 2007 г.).

Результаты научно-исследовательской работы представлялись к участию в выставках на ВВЦ (г. Москва, 2005 и 2006 г.г.), Пензенском ЦНТИ (2005 г.), «Большая Волга» (2004, 2005 г.г.), грантах Президента РФ (2006, 2007 г.г.), конкурсах инновационных проектов «Старт-06» и «Старт-07», конкурсе «Новая генерация» (2006 г.), региональном форуме «Территория успеха 2010», XXIV и XXV Всероссийской агропромышленной выставке «Золотая Осень 2022» и «Золотая Осень 2023».

Научно-технические разработки по теме диссертационной работы отмечены дипломом лауреата конкурса Российской академии наук и РАО «ЕЭС России» в

области энергетики и смежных наук (2006 г.) и Золотой медалью XXV Российской агропромышленной выставки «Золотая Осень 2023».

Личный вклад соискателя состоит в непосредственном исполнении всех этапов работы, заключающейся в анализе существующих способов технологической обкатки поршневых двигателей автотракторной техники и средств для их реализации, постановке научной проблемы, цели и задач исследований, расчетно-тео-ретическом обосновании параметров технических средств и режимов технологической обкатки поршневых двигателей, разработке опытных образцов технических средств для реализации разработанных технологий обкатки двигателей, составлении программы и методики экспериментальных исследований, проведении лабораторных и производственных исследований, обработке и анализе полученных результатов, определении экономического эффекта от применения разработанных технологий и технических средств технологической бестормозной обкатки поршневых двигателей автотракторной техники, разработке рекомендаций по их применению, подаче заявок на изобретения и полезные модели, подготовке публикаций по теме диссертации.

Публикации результатов исследований. По результатам исследований опубликовано 77 научных работ, в т.ч. монография, 17 статей в рецензируемых изданиях, 2 статьи в международной базе Web of Science», получен патент РФ на изобретение и два патента РФ на полезную модель. Общий объем публикаций 28,12 п. л., из них автору принадлежит 10,80 п. л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, рекомендаций производству, перспектив дальнейшей разработки темы, списка используемой литературы, включающего 270 наименований, и приложений. Работа изложена на 322 страницах, содержит 125 рис. и 25 табл.

1 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБКАТКИ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ

1.1 Назначение и классификация способов технологической обкатки поршневых двигателей автотракторной техник

Под технологической обкаткой поршневых ДВС понимают процесс предварительной приработки подвижных сопряжений новых и отремонтированных ДВС, состоящий из нескольких этапов его проведения: этапа холодной обкатки, проводимого без запуска ДВС, и этапов горячей обкатки на холостом ходу и под нагрузкой [23,24,25,26,27,28].

Технологическая обкатка поршневых двигателей проводится на завершающей стадии процессов их производства, текущего и капительного ремонта с проведением по определенной программе послеобкаточных приемо-сдаточных испытаний с целью определения технико-экономических показателей двигателей: эффективной номинальной мощности, расхода топлива, максимальной и минимально-устойчивой частоты вращения на холостом ходу и т.д.

В настоящее время известны способы технологической обкатки, подразделяемые по способу нагружения, характеру изменения нагрузочно-скоростным режимов и длительности обкатки (рис. 1.1).

По способу нагружения способы технологической обкатки подразделяются на тормозные и бестормозные.

Под технологической тормозной обкаткой понимают процесс предварительной приработки подвижных сопряжений новых и отремонтированных ДВС, проводимый с преимущественным использованием стационарного оборудования и состоящий из этапов холодной обкатки с использованием стационарного электропривода, питающегося от промышленной электрической сети с частотой тока 50.60 Гц, горячей обкатки на холостом ходу и под стационарной нагрузкой, а также по-слеобкаточных тормозных испытаний с нагрузкой, создаваемой стационарными тормозными устройствами (электрическими, гидравлическими).

Вопросами ремонта сельскохозяйственной техники и ее агрегатов и систем, а также повышения эффективности технологической тормозной обкатки занимались Гаенко Л.М., Казарский В.И., Погорелый И.П., Королев А.Е., Лакин В.К., Некрасов С.С., Нигаматов М.Х., Стрельцов В.В., Храмцов Н.В., Шаронов Г.П., Но-сихин П.И., Лялякин В.П., Сафонов В.В., Иншаков А.П., Котин А.В., Цыпцын В.И., Карпенко М.А., Царев О.А. и другие исследователи [10,13, 29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50].

Рисунок 1.1 - Классификация способов проведения технологической обкатки поршневых двигателей автотракторной техники

Технологическая тормозная обкатка поршневых ДВС выполняется как правило на всех этапах обкатки с применением обкаточно-тормозных стендов (ОТС) различных марок и мощности, имеющих ряд существенных недостатков, значительно ограничивающих их применение на ремонтных предприятиях и предприятиях-изготовителях: высокая стоимость, большие мощность и габариты ОТС, необходимость наличия специальных производственных площадей и вспомогательного оборудования (систем подачи топлива, вентиляции, отвода отработавших газов и др.), большое потребление топлива и количество вредных веществ в атмосферу при обкатке на холостом ходу и под нагрузкой. Кроме того, для обкатки поршневых

ДВС различных типов, марок и мощности предприятиям необходимо иметь несколько типоразмеров ОТС, что значительно увеличивает производственные площади, занимаемые участками обкатки, стоимость применяемого оборудования и мощность электросилового хозяйства [51,23,53].

Все большее развитие в последние годы получает технология технологической бестормозной обкатки ДВС с динамическим нагружением (ДН) на неустановившихся бестормозных режимах, впервые разработанные в Санкт-Петербургском ГАУ и получившие дальнейшее развитие в Пензенском ГАУ [54,55,56,57,58,59].

Основными преимуществами данной технологии являются универсальность по отношению к типам и мощности обкатываемых ДВС, невысокая стоимость и небольшие габариты применяемого оборудования для воспроизведения нагру-зочно-скоростных режимов поршневых двигателей [60,61].

Нагрузочно-скоростные режимы по характеру их изменения подразделяются на ступенчатые, бесступенчатые, комбинированные и адаптивные, которые являются предметом многочисленных исследований, проводимых при обкатке автотракторных двигателей [7,8,9,62,63,64,65,66,67,68,69], однако наибольшее распространение получили ступенчатые режимы нагружения ввиду простоты их реализации.

По длительности технологическая обкатка подразделяется на типовую, проводимую согласно технологий обкатки, рекомендованных заводами-изготовителями, и ускоренную. Большинство многочисленных исследований, проведенных в нашей стране и за рубежом, посвящено сокращению продолжительности технологической обкатки за счет разработки различных способов подготовки поверхностей трения (финишная обработка антифрикционными материалами, применение электрического тока, нанесение приработочных составов на поверхности трения) [30,34,35,36,70,71,72,73,74] и присадок к воздуху, топливу и моторному маслу [75,76,77,78,79,80,81,82].

Отличительной особенностью тормозной и бестормозной технологических обкаток (рис. 1.2) являются этапы холодной обкатки и горячей обкатки под нагрузкой, и способ нагружения поршневых двигателей при премо-сдаточных испытниях.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Морунков Андрей Николаевич, 2025 год

- - - -

-- - - Е- - - -

^ов,мс

Рисунок 2.13 - Расчетные зависимости давления масла в цилиндре (рм), момента торсиона (Мтор), угловой скорости (ш) и ускорения (в) от продолжительности периода закрутки торсиона (ф = 72°)

Таким образом, обоснована технология бестормозной холодной обкатки со статико-динамическим гидроимпульсным нагружением и определены параметры цикла статико-динамического гидроимпульсного нагружения цилиндров обкатываемых поршневых ДВС.

2.4 Повышение эффективности горячей бестормозной обкатки двигателей с динамическим нагружением

2.4.1 Расчет повышенных газовых нагрузок на такте выбега цикла динамического нагружения

Исследованиями, проведенными под руководством Ждановского Н.С. установлено, что при дросселировании газов на выпуске цилиндров с выключенной подачей топлива среднее индикаторное давление определяется следующим образом [23,115,116]

Р 1н = Р21

1

(8 - 1)(П - 1)

1

п-1

с \

Р2

V Р1)

(8- 1)

Р^

Р1

X

1

С \

Р^ V Р1)

(2.53)

где рщ - среднее индикаторное нагрузочное давление рабочего цикла ДВС с дросселированием газов на выпуске, Па; р2 - абсолютное давление на выпуске, Па; р1 -абсолютное давление на изобарном впуске, Па; 8 - степень сжатия ДВС; п1 - показатель политропы сжатия.

При постоянных значениях абсолютного давления на впуске, зависимость среднего индикаторного давления от соотношения абсолютных давлений на впуске и выпуске (р2/р0 носит линейный характер, поэтому:

рн = «Ы (2.54)

Изменение индикаторной нагрузки возможно путем регулирования противодавления в выпускном коллекторе ДВС с помощью установленной в нем дроссельной заслонки, при этом на тактах выбега цикла ДН [115,116,208] величины противодавлений от всех неработающих цилиндров могут достигать 0,4...0,5 МПа. Повышенное противодавление в выпускном коллекторе приводит к увеличению газовых нагрузок, действующих на подвижные сопряжения ДВС из-за роста давления конца сжатия, и угловому ускорению выбега.

1

п

1

8

>

п

При использовании ЦДН с дросселированием газов на выпуске на тактах выбега процессы в цилиндрах поршневых ДВС протекают в следующей последовательности: первый такт - выпуск с дросселированием отработавших газов и воздуха, обеспечивающим необходимое противодавление за счет прикрытия дроссельной заслонки, второй такт - впуск в цилиндры воздуха через открываемые впускные клапаны, третий такт - сжатие воздуха в цилиндрах ДВС, четвертый такт - расширение, при котором за счет опережения открытия выпускного клапана в цилиндры ДВС будет поступать смесь отработавших газов и воздуха из выпускного коллектора, что повлечет за собой увеличению давления и температуры газов на впуске [209,210].

Температуру воздуха в конце такта впуска можно определить следующим образом [157,211]:

1 -

Т' Т0

Г

Рг 1

гРа V

Та - Г Т'Л

Т0

Т.

(2.55)

У

где То7 - температура воздуха на впуске, К; ра - давление воздуха на такте впуска, Па; е - степень сжатия; рг - давление остаточных газов, Па; Тг - температура остаточных газов, К.

Определив, температуру воздуха в конце такта впуска, можно определить температуру воздуха в конце такта сжатия [157]:

Тс - Та -г1,1-1, (2.56)

где Та - температура воздуха в конце впуска, К; п1 - показатель политропы сжатия.

Температура воздуха на такте расширения может быть определена следующим образом [157]:

Т -

Тс

г^, (2.57)

где п2 - показатель политропы расширения.

На тактах выбега при реализации цикла ДН с дросселированием газов на выпуске (рис. 2.14) с полностью закрытой дроссельной заслонкой при перемещении

поршня от НМТ к ВМТ смесь отработавших газов и воздуха будет занимать объем, равный

V = V + Vc + V, (2.58)

где Уи - рабочий объем цилиндра, м3; Ус - объем камеры сгорания, м3; Ук - объем части выпускного коллектора, расположенный между блоком цилиндров и местом установки дроссельной заслонки, м3.

Vк

Г*-

У

3

/

р

в

р

с

-.1/1 1— Ус £

— / >

*

Vh

ф

777

Рисунок 2.14 - Схема двигателя с установленной дроссельной заслонкой

в выпускном коллекторе

В процессе дальнейшего перемещения поршня воздух в цилиндрах ДВС сжимается, и в зависимости от значения угла поворота коленчатого вала ДВС будет

изменяться объем воздуха в цилиндре, тогда выражение (2.58) можно записать в следующем виде:

VB (ф) = Ч(ф) + Vc + VK, (2.59)

При перемещении поршня от НМТ к ВМТ давление сжимаемого в цилиндрах воздуха будет повышаться до момента открытия впускного клапана газораспределительного механизма, при этом воздух, находящийся в цилиндре, будет занимать объем, равный

Vh = Fn • S , (2.60)

где Fn - площадь поршня, м2; S' - ход поршня, пройденный им от НМТ до момента открытия впускного клапана, м.

Ход поршня может быть определен известным соотношением с учетом кинематических параметров КШМ следующим образом [157]:

X

S = r[(1 - cosф) + ^(1 - С082ф)] , (2.61)

где г - радиус кривошипа коленчатого вала ДВС, м; X - кинематический показатель, равный отношению радиуса кривошипа к длине шатуна.

В момент открытия впускного клапана газораспределительного механизма обкатываемого ДВС объем, занимаемый сжатым воздухом, будет равен:

VB = Vh + Vc + VK (2.62)

Для определения давления конца сжатия в цилиндрах ДВС на тактах выбега цикла ДН с дросселированием газов на выпуске необходимо определить давление воздуха в конце такта выпуска, для чего возпользуемся известным соотношением [157,211]:

Рв = Р,

/ Л n

' V 1

в

V VB у

(2.63)

где рв' - давление воздуха в момент начала открытия впускного клапана, Па; п'1 -показатель политропы сжатия на такте выпуска с полностью закрытой дроссельной заслонкой.

Показатель политропы сжатия на такте выпуска с полностью закрытой дроссельной заслонкой превышает показатель политропы сжатия воздуха на тактах сжатия рабочего процесса ДВС, т.к. отношение объемов Ув/У в меньше степени сжатия ДВС, поэтому у одноцилидровых ДВС показатель политропы сжатия составляет 1,36...1,38, а многоцилиндровых ДВС - 1,38-1,40 [157].

Анализ полученной расчетным путем зависимости (рис. 2.15) давления воздуха на выпуске от соотношений объемов, занимаемых воздухом в выпускном коллекторе до места установки дроссельной заслонки, к рабочему объему цилидра показывает, что с увеличением соотношений объемов до двух раз давление воздуха на выпуске уменьшается в 3,6 раза - от 0,65 МПа до 0,18 МПа.

Рисунок 2.15 - Зависимость давления воздуха в выпускном коллекторе при максимальной степени дросселирования газов от соотшения объемов выпыскного коллектора к рабочему объему цилиндра

Экспериментальными исследованиями установлено, что при увеличении степени закрытия дроссельной заслонки на тактах выбега цикла ДН давление воздуха на выпуске является функций от угла поворота дроссельной заслонки и описывается степенной функцией третьего порядка (рис. 2.16), т.е.

р'в = т0 + ш1у + т2у2 + т3у3, (2.64)

где т0, т1, т2, т3 - коэффициенты, определяемые опытным путем (для дизеля Д-243 то = 0,788889; т1 = 0,02857; т2 = 0,000513; т3 = 0,000003); у - угол поворота дроссельной заслонки, град.

Рисунок 2.16 - Зависимость давления воздуха на выпуске от угла поворота дроссельной заслонки

Допустив, что на такте выбега цикла ДН с дросселированием газов на выпуске давление смеси воздуха и части отработавших газов в цилиндре ДВС идентично давлению воздуха в конце такта выпуска, получим выражение для определения давления конца сжатия в функции угла поворота дроссельной заслонки:

Рс

л -!) Рот0 + К + т -г+т -г2+т -г3)

• / ■ •

V У. 1

„© л

т

Л- (\

т

£Щ

(2.65)

V 1

Таким образом, при реализации ЦДН с дросселированием газов на выпуске на тактах выбега возможно регулируемое по углу поворота дроссельной заслонки увеличение газовых нагрузок на подвижные сопржения ЦГП и КШМ ДВС за счет увеличения давления конца сжатия.

2.4.2 Определение нагрузочного режима цикла динамического нагружения

с дросселированием газов на выпуске

При горячей бестормозной обкатке ДВС с ДН режим нагружения определяется на основе равенства нагрузок, действующих на ступенях горячей тормозной обкатки и горячей бестормозной обкатке с ДН, при этом нагрузочный момент на каждой ступени горячей бестормозной обкатки ДВС с ДН определяется в долях от номинального момента [212,213,214,215]:

МЦ = к, -Ма. = к, -ер --, (2.66)

где Мен - номинальный крутящий момент обкатываемого ДВС, Нм; к - коэффициент, определяющий долю нагрузки на 1-ой ступени горячей обкатки; ерэ - эталонное ускорение разгона обкатываемого ДВС, с-2; I - момент инерции движущихся масс обкатываемого ДВС, Н-м2.

Угловое ускорение разгона, развиваемое обкатываемым ДВС на ступенях горячей бестормозной обкатки с ДН, позволяет определять и задавать нагрузочный режим на тактах разгона цикла ДН [216,217].

Для каждой конкретной марки дизельного ДВС в инструкциях по эксплуатации приборов ИМД-ЦМ указывается величина углового ускорения разгона £ ^, которая является эталонной для дизельного ДВС в штатной комплектации. При необходимости проведения горячей бестормозной обкатки ДВС с ДН с другой комплектацией, например, в составе обкаточно-тормозного стенда или приводной станции, величину эталонного ускорения разгона необходимо скорректировать с учетом момента инерции системы ДВС - обкаточно-тормозной стенд (приводная станция). Так, при проведении горячей бестормозной обкатки дизеля Д-243 в составе обкаточно-томрозного стенда КИ-5543, экспериментальным путем с помощью прибора ИМД-Ц определены эталонные значения ускорений разгона и выбега, которые составили 100 с-2 и 40 с-2 соответственно, при этом момент инерции системы ДВС - обкаточно-тормозной стенд составил 2,5 Н-м2 [218,219].

При бестормозной горячей обкатке дизелей с ДН и дросселированием газов на выпуске нагрузочный режим 1-ой ступени горячей бестормозной обкатки определяется из условия равенства нагрузочного динамического момента на также разгона и крутящего динамического момента на тактах выбега ЦДН, и, соответственно, равенства по модулю угловых ускорений разгона и выбега:

£р1 £в1.

(2.67)

С помощью приведенной выше методики, определены нагрузочные режимы этапа горячей бестормозной обкатки дизеля Д-243 с ДН при значениях коэффициентов, определяющих долю нагрузки на 1-ой ступени горячей обкатки, равных 0,66, 0,80 и 0,88 (см. табл.2.5).

Таблица 2.5 - Расчетные нагрузочные режимы ступеней этапа горячей

обкатки дизеля Д-243 с ДН

Номер ступени Угловое ускорение разгона, с-2 Угловое ускорение выбега с дросселированием газов, с-2

1 66 66

2 80 80

3 88 88

2.4.3 Определение продолжительности ступеней горячей бестормозной обкатки

Для определения продолжительности ступеней горячей бестормозной обкатки ДВС с ДН и свободным выбегом воспользуемся условием равенства работ силы трения на 1-ой ступени тормозной и бестормозной горячих обкатках [54,220]:

Мп1 -шi - ^

tд = -1-^ = k - t.

1 М . - Ш у 1, (2.68)

пср 1 ср 1

где М п1, Ш1, - - момент механических потерь, угловая скорость и время 1-ой ступени тормозной горячей обкатки; М пср 1, ш ср1, t; - средний за цикл ДН момент механических потерь, средняя УСКВ цикла ДН и время 1-ой ступени горячей обкатки ДВС с ДН; ку - коэффициент увеличения времени обкатки ДВС с ДН по сравнению с временем тормозной обкатки (для дизеля Д-243 ку = 1,3) .

Анализируя выражение (2.68) видно, что продолжительность 1-ступени горячей бестормозной обкатки с ДН превышает продолжительность 1-ступени горячей тормозной обкатки ввиду того, что средняя УСКВ в ЦДН имеет пониженное значение.

Поэтому для повышения эффективности горячей бестормозной обкатки ДВС и сокращения продолжительности ее ступеней необходимо повысить среднюю УСКВ и увеличить средний за ЦДН момент механических потерь и угловое ускорение выбега с помощью дросселирования отработавших газов в выпускном коллекторе ДВС, что приведет к уменьшению протодолжительности такта выбега, цикла ДН и ступеней горячей бестормозной обкатки ДВС.

При этом продолжительность ступеней горячей бестормозной обкатки ДВС с ДН и дросселированием газов на выпуске на такте выбеа может быть определена из условия равенства количества циклов ДН на 1-ступени горячей бестормозной обкатки с дросселированием газов и без него:

п'ц = Пц (2.69)

где п ц - количество ЦДН с дросселированием отработавших газов на такте выбега; пц - количество ЦДН без дросселирования отработавших газов на такте выбега.

Количество циклов ДН на 1-ой ступени горячей бестормозной обкатки ДВС с ДН без дросселирования газов можно определить исходя из продолжительности одного цикла ДН и продолжительности 1-ой ступени горячей бестормозной обкатки:

_ г д

^Ц

д

П.. = — (2.70)

г ц

где Ъд - продолжительность 1-ой ступени горячей бестормозной обкатки ДВС с ДН, с; 1ц - продолжительность цикла ДН без дросселирования газов, с.

Количество циклов ДН на 1-ой ступени горячей бестормозной обкатки с дросселированием газов на такте выбега может быть определено аналогичным образом:

г

д

ПЦ = 7", (2.71)

г Ц

где 1ц - продолжительность цикла ДН с дросселированием газов, с; 1:'д - продолжительность 1-ой ступени горячей обкатки ДВС с ДН и дросселированием газов, с.

После соответствующих преобразований выражений (2.60) и (2.61) получим выражение для определения продолжительности 1-ой ступени горячей бестормозной обкатки ДВС с ДН и дросселированием газов на такте выбега:

гд гд

г Т1 I 1 д

(2.72)

г ц.

Длительность цикла ДН определяется суммой продолжительностей тактов разгона и выбега, и, согласно проведенным исследованиям [54,221,223,224,225] продолжительность такта разгона ЦДН на 1-ой ступени горячей бестормозной обкатки ДВС с ДН определяется исходя из интервала изменения УСКВ цикла ДН и углового ускорения разгона:

гр, , (2.73)

Р 8 • Р1

где Аю=ю2-Ю1 - интервал изменения УСКВ в цикле ДН, с ; Spi - угловое ускорение разгона на i-ой ступени бестормозной горячей обкатки ДВС, с-2.

Продолжительность такта выбега ЦДН при уменьшении УСКВ от верхнего до нижнего пределов ее изменения носит нелийный характер и определяется по следующей формуле [62]

It ? dto___IT + b Юю 2

в " 3,18Vz J a, + bn ю " 3,18Vhzbn a + К ю > (274)

" h ю 1 ю h ю 1 ю 1

где I - приведенный момент инерции обкатываемого ДВС, Нм2; т - чисто тактов обкатываемого ДВС; Vh - рабочий объем одного цилиндра, л; z - число цилиндров; ai и bi - коэффициенты уравнения рмп= ai + bin; bro=30bi/^ - постоянная велична, определяемая с помощью коэффицента bi.

Продолжительность тактов разгона в ЦДН для i-ой ступени горячей бестормозной обкатки определяется следующим образом:

tpi = ^ (2.75)

Р kiS р

В ЦДН без дросселирования отработавших газов на выпуске угловое ускорение выбега на i-ой ступени горячей бестормозной обкатки ДВС с ДН для двигателя, прошедшего обкатку и находящегося в эксплуатации, можно считать эталонным. В этом случае продолжительность такта выбега определится следующим образом:

Аю Аю

t Bi = А- = — , (2.76)

S Bi S в

где вэв - эталонное ускорение выбега, с-2.

С учетом мощности механических потерь и номинальной эффективной мощности обкатываемого ДВС эталонное угловое ускорение выбега можно выразить через эталонное угловое ускорение разгона:

SB = kSSр , (2.77)

о э

где кэ = — - коэффициент, учитывающий соотношение эталонных угловых уско-

• ор

ренией выбега и разгона ЦДН для конкретной марки ДВС [217].

Учитывая, что данное соотношение для конкретной марки ДВС является постоянной величиной, можно записать

1 . = (2.78)

В1 1,Э Э V /

к •• р

С учетом полученных выражений продолжительность цикла ДН без дросселирования газов на такте выбега может быть определена таким образом:

= Ам (к; + к•) (2 79)

ц1 к1кЭ • р ( . )

При определении продолжительности цикла ДН с дросселированием газов на такте выбега при условии равенства угловых ускорений разгона и выбега продолжительность такта выбега на 1-ой ступени горячей бестормозной обкатки будет уменьшаться.

С учетом полученных выражений можно определить продолжительность тактов разгона и выбега, а также цикла ДН с дросселированием газов на такте выбега:

. , , Ам Ам Ам Ам 2Ам 1 = 1 ■ + 1 =--1--=--1--=- (2.80)

ц1 Р1 В1 • . • к •э к •э к •э V 7

р1 В1 1 р 1 р 1 р

После соответствующих преобразований выражение (2.62) примет следующий вид:

11д = -2к4т (2.81) к + к Э

Таким образом, с учетом полученных выражений формула (2.81 примет следующий вид:

■ 2к • к у 11

а'Д • У 1

11д = к + уэ =*№) (2.82)

Продолжительности ступеней горячей бестормозной обкатки дизеля Д-243 с ДН, полученные расчетным путем, приведены в табл. 2.6.

Результаты расчета показывают, что продолжительность ступеней горячей обкатки дизеля Д-243 с ДН без дросселирования газов на тактах выбега цикла ДН превышает на 30% продолжительность ступеней горячей тормозной обкатки, тогда как при горячей бестормозной обкатке дизеля Д-243 с ДН и дросселированием газов на та тактах выбега продолжительность последних ступеней горячей бестормозной обкатки ДВС сокращается на 10...15%.

Таблица 2.6 - Продолжительности ступеней горячей бестормозной обкатки дизеля Д-243 с ДН и дросселированием газов на выпуске

Ступень Ъ, мин к! к: ку 1д 11 ,мин 1д Ч , мин

1 20 0,66 0,42 1,3 26 20

2 20 0,80 0,42 1,3 26 18

3 5 0,88 0,42 1,3 7 4

Для реализации цикла ДН с дросселированием газов на выпуске требуется разработка специальных устройств для управления управления подачей топлива и углом поворота дроссельной заслонки, установленной в выпускном коллекторе обкатываемого ДВС, кинематические схемы которых представлены в следующем разделе.

2.5 Определение выбросов вредных веществ с отработавшими газами поршневых двигателей на режимах технологических тормозной и бестормозной обкаток

Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу с выхлопными газами поршневых двигатетей при технологической обкатке и приемо-сдаточных ис-

пытаниях, зависит от продолжительности данных этапов и, как следствие, от количества израсходованного топлива.

Этап горячей обкатки на холостом ходу и приемо-сдаточные испытания поршневых двигателей являются неотъемлемой частью технологического процесса и проводятся после завершения технологической обкатки.

Снижение количества вредных выбросов в атмосферу при реализации технологии горячей бестормозной обкатки возможно при реализации сокращенного этапа горячей обкатки с динамическим нагружением.

Валовый выброс 1-го вещества за год '1 стационарной установкой, к которой можно отнести обкаточный стенд с обкатываемым дизелем, определяется по формуле

где - удельный выброс 1-го вредного вещества, приходящегося на 1 кг дизельного топлива, кг/кг топлива; Ок - расход топлива при обкатке одного ДВС к-марки, кг; N - количество обкаток ДВС к-марки в год.

Потребление топлива на ступенях тормозной горячей обкатки может быть определено следующим образом [226,227]:

М -щ • ёвг • ^

_ \ ' "'"кг ""г Ьвг "1

" ■ 60-10' (2.84)

где Мк1 - крутящий момент 1-ой ступени горячей тормозной обкатки ДВС, Н-м; - УСКВ 1-ой ступени горячей тормозной обкатки ДВС, с-1 ; - удельный расход топлива, г/кВт-ч (л/кВт-ч); Ъ - продолжительность 1-ой ступени горячей тормозной обкатки ДВС, мин.

На ступенях горячей тормозной обкатки ДВС угловая скорость коленчатого вала и удельный расход топлива определяются из регуляторной характеристики обкатываемого ДВС в соответствии с крутящими моментами на 1-ой ступени горячей тормозной обкатки ДВС.

Потребление топлива на ступенях горячей бестормозной обкатки ДВС с ДН

можно определить таким образом:

<Мкы ы ■ gei-1ы-n

GM =Z

60 "10 (2.85)

где Мкср1 - средний за ЦДН крутящий момент на 1-ступени; Нм; юср1 - средняя за ЦДН угловая скорость коленчатого вала 1-ступени, с -1; - средний удельный эффективный расход топлива на тактах разгона ЦДН на 1-ступени, г/кВт-ч; tpi - продолжительность такта разгона на 1-ступени, с; П - количество ЦДН на 1-ступени.

Анализ выражений (2.84) и (2.85) показывает, что снижение расхода топлива на этапе горячей бестормозной обкатки с ДН объясняется тем, что потребление топлива осуществляется только на тактах разгона, вследствие чего вырабатываемая на такте разгона энергия практически полностью расходуется на совершение при-работочных процессов.

В соответствии с ГОСТ Р 56163-2014 были определены выбросы вредных веществ в атмосферу на примере горячей тормозной и бестормозной обкаток дизеля Д-243 при количестве 100 обкаток в год, представленные в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Выброс вредных веществ в атмосферу на этапах горячей тормозной и бестормозной обкаток под нагрузкой

Валовый выброс веществ, кг Горячая тормозная обкатка Горячая бестормозная обкатка с ДН

СО 48,60 21,50

N02 55,35 24,49

СН 25,38 11,23

С 5,06 2,24

Б02 6,21 2,75

СН20 0,95 0,42

Анализ таблицы 2.7 показывает, что выбросы вредных веществ в атмосферу уменьшается в 2,2 раза на режимах технологической бестормозной обкатки с ДН, по сравнению с режимами тормозной горячей обкатки.

2.6 Исполнительные механизмы для управления циклом динамического нагружением при бестормозной горячей обкатке

автотракторных двигателей

Исполнительные механизмы в процессе горячей бестормозной обкатки ДВС с динамическим нагружением и дросселированием отработавших газов на выпуске необходимы для управления органами подачи топлива и дроссельной заслонкой, установленной в выпускном коллекторе ДВС. Управление подачей топлива при реализации режимов горячей бестормозной обкатки ДВС с ДН возможно при воздействии на рейку ТНВД или рычаг РЧВ, что предусматривает необходимость разработки различных конструктивных вариантов исполнительных механизмов.

2.6.1 Исполнительные механизмы для управления подачей топлива

Управление подачей топлива в ЦДН возможно путем воздействия на рейку или рычаг РЧВ ТНВД. При воздействии на рейку ТНВД необходимо реализовать линейное регулируемое перемещение рабочего органа исполнительного механизма. Для этих целей наиболее целесообразно применение электромагнитных исполнительных механизмов, получивших широкое распространение в различных устройствах для преобразования электрической энергии в механическую с линейным перемещением рабочего органа (якоря).

При горячей бестормозной обкатке поршневого ДВС 1 (см. рис. 2.17), у которого через шестерни 2 и 3 приводится в движение регулятор частоты вращения 4 со специальными грузиками 5, который через муфту 6, рычаг 13 и пружину 15 соединен с рычагом РЧВ 16.

Исполнительный механизм для управления подачей топлива через рейку ТНВД (см. рис. 2.16) при обкатке поршневого ДВС 1, состоит из электромагнита переменного тока с сердечником обмотки 8 и электрической обмоткой 10, якорь 7 которого соедиднен с регулятором хода 9, ограничивающим движение якоря 7, и с

отводящим рычагом 12 для управления через тягу 14 перемещением рейки 17 ТНВД 18. Между якорем 7 и сердечником обмотки 8 установлена пружина 11.

Данный исполнительный механизм отличается простотой конструкции и небольшими потерями на трение между подвижными его частями. Вместе с тем, установка подобного исполнительного механизма непосредственно на ТНВД обусловлена сложностью его размещения и особенностями штатной компоновки поршневого ДВС.

Рисунок 2.17 - Кинематическая схема исполнительного механизма для управления подачей топлива через рейку топливого насоса высокого давления: 1 - поршневой ДВС; 2, 3 - шестерни; 4 - регулятор частоты вращения; 5 - грузики; 6 - муфта; 7 -- якорь; 8 - сердечник обмотки; 9 - регулятор хода; 10 - электрическая обмотка; 11 - пружина; 12 - отводящий рычаг; 13 - рычаг; 14 - тяга; 15 - пружина; 16 - рычаг РЧВ; 17 - рейка ТНВД; 18 - ТНВД.

Исполнительный механизм для управления подачей топлива через рычаг РЧВ предназначен для циклически повторяющихся поворотов рычага РЧВ на тактах разгона цикла ДН от положения, при котором УСКВ соответствует нижнему пределу ее изменения, до положения, при котором УСКВ соответствует верхнему пределу изменения, а на тактах выбега - наоборот. Кроме того, в конце такта выбега необходимо предусмотреть регулируемую по длительности паузу для стабилизации угловой скорости коленчатого вала ДВС.

Наиболее целесообразным является использование исполнительных механизмов на базе электрических мотор - редукторов постоянного тока с установленными на выходном валу кулачковыми преобразователями вращательного движения в поступательное, при котором обеспеивается управление перемещением рычага РЧВ в определенном угловом секторе, необходимым для управления подачей топлива в ЦДН (рис. 2.18).

Исполнительный механизм для управления подачей топлива состоит из корпуса 1, на оси 2, совпадающей с осью качания рычага 3 РЧВ, которого установлен подвижный элемент 4, на который крепится мотор-редуктор 5. На вал мотор-редуктора 5 установливается диск 6 с вырезом для управления датчиками 7.

С противоположной стороны выходного вала установлен кулачковый преобразователь 8, который воздействует на ролик 9, установленный на оси 10 на рычаге 3 РЧВ топливного насоса 11. Подвижный элемент 4 имеет возможность перемещения по неподвижному корпусу 1 . Для ручного управления подачей топлива и фиксации рычага 3 РЧВ в положениях, необходимых для управления подачей топлива в цикле ДН, и положениях, необходимых для настройки исполнительного механизма, предусмотрено наличие рукоятки 12.

Для линейного перемещения рычага РЧВ необходимо спрофилировать кулачковый преобразотель с учетом длины рычага РЧВ, дипазона угла его поворота, диаметра ролика 9 и минимального радиуса кулачка (рис. 2.19). Длина рычага РЧВ и дипазон угла его поворота определяются для каждого поршневого ДВС индивидуально исходя из конструктивных параметров ТНВД, а минимальный радиус кулачка и радиус ролика определяют из конструктивных соображений.

Рисунок 2.18- Кинематическая схема исполнительного механизма для управления подачей топлива через рычаг РЧВ: 1 - корпус; 2 - ось; 3 - рычаг РЧВ; 4 - подвижный элемент; 5 - мотор-редуктор; 6 - диск; 7 - датчик; 8 - кулачковый преобразователь; 9 - ролик; 10 - ось; 11 - топливный насос; 12 - рукоятка.

Угол поворота кулачка на такте разгона принимаем равным % от полного оборота, т.е. 2700. Следовательно, кулачок будет иметь минимальный радиус в зоне угла его поворота, равного 900.

Для определения перемещения рычага РЧВ воспользуемся следующим выражением:

Sab = lp-X, (2.86)

где 1р - длина рычага РЧВ, м; х - угол поворота рычага РЧВ, рад.

Рисунок 2.19 -Схема кулачкового преобразователя

Для определения максимального радиуса кулачка необходимо его минимальный радиус увеличить на величину перемещения рычага РЧВ в цикле ДН:

Rmax = Rmin + Sab, (2.87)

где Rmin - минимальный радиус кулачка, м.

С помощью геометрических построений, разделив угол вращения кулачка в 2700 лучами через одинаковый произвольный угол, получим проектируемый профиль кулачка (рис. 2.20).

i X ^^^^^^^ я 1 ч 11 11 1 1 1 1 1 \ 1 1

с Е а: --1-1— Н-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1—i r 1 1 1

60

120

180

240

300

360

0

Рисунок 2.20 - Профиль кулачка (развертка).

Переход от максимального радиуса кулачка к минимальному осуществлен в зоне профился кулачка с углом 150 для уменьшения резких изменений действующих на него нагрузок, а в оставшейся зоне с углом 750 при минимальным радиусе предусмотрено торможение мотор-редуктора в течение такта выбега цикла ДН и разгон мотор-редуктора в следующем цикле ДН [228,229.230.231].

2.6.2 Исполнительный механизм для управления дроссельной заслонкой

Для повышения газовых нагрузок и, соответственно, нагрузочного момента на тактах выбега обкаточного цикла ДН, на выпукной коллектор устанавливается

дроссельная заслонка, от угла поворота которой изменяется степень дросселирования газов на выпуске, с увеличением которой увеличивается нагрузочный индикаторный момент и угловое ускорение выбега.

Для управления дроссельной заслонкой разработан исполнительный механизм на базе электромагнита переменного тока (рис. 2.21).

Корпус 1 дроссельной заслонки 2, на оси 3 которой расположен рычаг 4 с пружиной 5, устанавливается на выпускном коллекторе обкатываемого ДВС. На кронштейне 6 закрепляется оплетка управляющего троса 7, которая с противоположной стороны установлена на корпусе 8 исполнительного механизма, а сам трос жестко соединяется с якорем 9, имеющим возможность линейного перемещения внутри сердечника 10. Величина хода якоря 9 задается регулятором 11. На корпуске дроссельной заслонки также размещены стрелка 12 и шкала 13, с помощью которых осуществляется задание и контроль угла поворота дроссельной заслонки 2.

Рисунок 2.21 - Кинематическая схема исполнительного механизма для управления углом поворота дроссельной заслонки: 1 - корпус; 2 - дроссельная заслонка; 3 - ось; 4 - рычаг; 5 - пружина; 6 - кронштейн; 7 - управляющий трос; 8 - корпус; 9 - якорь; 10 - сердечник; 11 - регулятор; 12 - стрелка; 13 - шкала.

При реализации цикла ДН с дросселированием газов на выпуске на такте разгона дроссельная заслонка 2 находится в открытом положении и отработавшие газы поступают в систему отвода отработавших газов, а при срабатывании электромагнита на такте выбега его якорь 9 втянется, поворачивая на заданный регулятором 11 угол дроссельную заслонку 2. По окончании такта выбега прекращается подача электрического тока на обмотку электромагнита и дроссельная заслонка 2 под действием пружины 5 полностью откроется.

Выводы

1. Разработан способ технологической бестормозной обкатки поршневых ДВС, предназначенный для предварительной приработки подвижных сопряжений новых и отремонтированных ДВС, проводимый с преимущественным использованием автономного переносного оборудования, включающий этапы холодной обкатки с использованием частотно-управляемого электропривода с высокой удельной мощностью (от 0,2 до 30 кВт/кг и выше) и частотой вращения (свыше 30000 мин-1), питающегося током повышенной частоты (0... 2000 Гц), горячей обкатки на холостом ходу и под динамической нагрузкой и послеобкаточных бестормозных испытаний с использованием способа динамического нагружения, обеспечивающего требуемые нагрузки, создаваемые малогабаритными автоматизированными системами управления топливоподачей и выпуском отработавших газов.

2. Разработан и запатентован способ холодной обкатки с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками, при котором на дополнительных ступенях повышают давление конца сжатия до 7,0-7,5 МПа за счет увелисения давления воздуха на впуске с дополнительной его подачей под давлением в канал рециркуляции и частоту вращения коленчатого вала. Получены зависимости для расчета давления конца сжатия и избыточного давления на впуске от степени рециркуляции воздуха, а также для определения продолжительности ступеней холодной обкатки с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками.

3. Разработан способ и запатентовано устройство для холодной обкатки со ста-тико-динамическим гидроимпульсным нагружением поршневого ДВС путем циклического нагружения цилиндров обкатываемого двигателя гидроимпульсами высокого давления моторного масла, воздействующими на его поршни в определенной последовательности при сверхнизкой частоте прокрутки (0,2...1,0 мин-1) коленчатого вала через торсион стационарным или автономным червячным мотор-редуктором. Получены аналитические зависимости параметров цикла СДГН и математическая модель процесса холодной обкатки ДВС с СДГН, учитывающая особенности конструкции поршневых ДВС, параметров приводного устройства и системы подачи моторного масла в цилиндры обкатываемого ДВС.

4. Проведенный расчет повышенных газовых нагрузок на такте выбега цикла динамического нагружения ДВС с дросселированием отработавших газов на выпуске позволяет определить нагрузочно-скоростные режимы и продолжительность ступеней горячей бестормозной обкатки с динамическим нагружением.

5. Приведена методика расчета количества вредных выбросов с отработавшими газами при технологической бестормозной обкатке поршневых ДВС.

6. Разработаны кинематические схемы исполнительных механизмов для управления подачей топлива и дроссельной заслонкой в цикле динамического нагруже-ния при проведении горячей бестормозной обкатки автотракторных двигателей.

3 ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕСТОРМОЗНОЙ ОБКАТКИ И ИСПЫТАНИЙ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

3.1 Технология холодной обкатки поршневых двигателей с использованием автономного приводного устройства

3.1.1 Автономное приводное устройство для холодной обкатки

Для реализации технологии холодной обкатки АТД предлагается автономное приводное устройство, содержащее регулируемый источник питания, вход которого связан с промышленной электросетью, а выход с входом приводного агрегата, зубчатый венец ведущей шестерни которого, на время холодной обкатки, соединен с зубчатым венцом маховика обкатываемого АТД. Приводной агрегат выполнен с возможностью его установки на обкатываемый двигатель внутреннего сгорания, с возможностью соединения зубчатого венца ведущей шестерни приводного агрегата с зубчатым венцом маховика обкатываемого двигателя внутреннего сгорания, при этом приводной агрегат выполнен на базе высокочастотного электродвигателя переменного тока или мотор - редуктора с высокочастотным электродвигателем переменного тока, регулируемый источник питания выполнен с возможностью изменения частоты тока и выходного напряжения и выполнен в виде преобразователя частоты для частотно-управляемого электропривода.

Новым является то, что приводной агрегат выполнен с возможностью его установки в посадочные места штатных пусковых агрегатов обкатываемых АТД, путем использования набора сменных крепежных приспособлений. Возможность соединения зубчатых венцов ведущих шестерен приводного агрегата с зубчатыми венцами маховиков обкатываемых АТД, обеспечивается путем использования набора сменных ведущих шестерен. Электродвигатель переменного тока или мотор - редуктор с высокочастотным электродвигателем переменного тока обеспечивают рекомендуемые временные и скоростные режимы холодной обкатки обкатываемых

АТД различных марок, путем изменения частоты тока и выходного напряжения преобразователя частоты.

Отличительными признаками предлагаемого автономного приводного устройства являются его универсальность, достигнутая за счет использования сменных крепежных приспособлений для установки приводного агрегата в посадочные места крепления штатных пусковых агрегатов обкатываемых двигателей внутреннего сгорания различных марок, и сменных ведущих шестерен с различными параметрами зубчатых венцов и одинаковыми присоединительными размерами их ступиц, соответствующими присоединительным размерам вала приводного агрегата

Высокочастотный электродвигатель переменного тока или мотор - редуктор с высокочастотным электродвигателем переменного тока автономного приводного устройства при габаритных размерах, не превышающих размеров штатных пусковых агрегатов АТД (электростартеров), позволяет реализовать требуемые скоростные режимы и время ступеней холодной обкатки двигателей внутреннего сгорания и двигателей внутреннего сгорания за счет высокой удельной мощности, эффективной системы охлаждения и долговечных подшипников качения, при этом максимальная частота вращения вала высокочастотного электродвигателя может достигать, например п=48000 мин-1, (для асинхронного электродвигателя с коротко замкнутым ротором, с одной парой полюсов р = 1, частоте выходного тока регулируемого источника питания f = 800 Гц, п= £^60/р = 80060/1=48000 мин-1), с соответствующим увеличением его удельной мощности (и удельной мощности приводного агрегата, по сравнению с устройством, содержащим приводной агрегат на базе высокочастотного электродвигателя переменного тока, с максимальной частотой вращения вала не более 15000.20000 мин-1), что расширяет возможности предлагаемого автономного приводного устройства по мощности, затрачиваемой на прокрутку обкатываемых АТД.

Исключение из кинематической цепи передачи крутящего момента от вала электродвигателя (электростартера) к ступице ведущей шестерни силовой передачи (в виде механизма управления осевым перемещением шестерни и обгонной

муфты) и жесткое, консольное крепление ведущей шестерни на валу упрощает устройство и повышает его надежность.

Набор сменных крепежных приспособлений, например в виде переходных фланцев (колец), с одинаковыми присоединительными размерами - диаметром и длиной центрирующего отверстия, соответствующими присоединительному размеру передней крышки приводного агрегата и различными установочными, размерами соответствующими размерам, расположению посадочных мест для крепления штатных пусковых агрегатов обкатываемых двигателей внутреннего сгорания, обеспечивает возможность жесткого крепления приводного агрегата в посадочные места обкатываемых двигателей внутреннего сгорания различных марок.

Набор сменных приводных шестерен с различными параметрами зубчатых венцов и одинаковыми присоединительными размерами их ступиц, соответствующими присоединительным размерам вала приводного агрегата, обеспечивает передачу крутящего момента от электродвигателя к зубчатым венцам маховиков обкатываемых АТД, что позволяет применить один и тот же типоразмер предлагаемого автономного приводного устройства для холодной обкатки АТД с различными присоединительными размерами пусковых агрегатов и мощностью.

Применение регулируемого источника питания (по частоте и напряжению), в виде преобразователя частоты для частотно-управляемого электропривода с питанием от промышленной электросети, с требуемой максимальной частотой выходного тока (до 800 Гц и более), мощностью (определяется максимальной мощностью на прокрутку обкатываемых двигателей внутреннего сгорания) и выходным напряжением (до 400 В и более) обеспечивает электропитание высокочастотного электродвигателя и плавную регулировку частоты вращения его вала и коленчатого вала обкатываемых АТД.

Автономное приводное устройство для холодной обкатки АТД (рис. 3.1) содержит регулируемый источник питания 1, вход которого связан с промышленной электросетью 2, а выход с входом приводного устройства 3, зубчатый венец 4 ведущей шестерни 5 которого на время холодной обкатки соединен с зубчатым вен-

цом 6 маховика 7 обкатываемого АТД 8, при этом приводное устройство 3 выполнено с возможностью его установки (жесткого крепления) в посадочное место 9 штатного пускового агрегата обкатываемого АТД 8, путем использования соответствующего сменного крепежного приспособления 10 и соединения зубчатого венца 4 ведущей шестерни 5 приводного устройства 3 с зубчатым венцом 6 маховика 7 обкатываемого АТД 8, путем использования соответствующей сменной ведущей шестерни 5.

3 1 2

Рисунок 3.1 - Схема автономного приводного устройства: 1 - регулируемый источник питания; 2 - промышленная электросеть; 3 -приводное устройство; 4 - зубчатый венец; 5 - ведущая шестерня; 6- венец маховика; 7 - маховик; 8 - обкатываемый ДВС; 9 - посадочное место штатного пускового агрегата; 10 - сменное крепежное приспособление.

При этом приводное устройство 3 выполнено, например, на базе высокочастотного электродвигателя переменного тока (рис. 3.2) или мотор - редуктора с высокочастотным электродвигателем переменного тока, обеспечивающего рекомендуемые скоростные и временные режимы холодной обкатки АТД 8, путем изменения частоты тока и выходного напряжения регулируемого источника питания 1, выполненного например, в виде преобразователя частоты для частотно-управляемого электропривода (рис. 3.3).

Рисунок 3.2 - Высокочастотный электродвигатель переменного тока

РОММЧ

Рисунок 3.3 - Преобразователь частоты переменного тока

На рисунке 3.4 изображена установка автономного приводного устройства на базе высокочастотного электродвигателя переменного тока для холодной обкатки двигателя внутреннего сгорания легкового автомобиля ВАЗ-21067, размещенного на стенде-подставке.

а) б)

Рисунок 3.4 - Общий вид автономного приводного устройства, установленного

вместо штатного электростартера двигателя ВАЗ-21067: а) общий вид электростартера; б) общий вид приводного устройства, выполненного на базе высокочастотного электродвигателя переменного тока.

В качестве элекродвигателей могут быть использованы синхронные трехфазные электродвигатели серии ЭПЧ-3 и VELMA (Россия), SRPM (Китай), Perske KNS, KRS VS (Германия), имеющие мощности от 3 до 35 кВт и частоты вращения от 11000 до 30000 мин-1.

Таким образом, использование автономного приводного устройства на базе частотно-управляемого электропривода высокой удельной мощности (от 0,2 до 10

кВт/кг и выше) и частоты вращения (свыше 30000 мин 1), питающегося током повышенной частоты (400.2000 Гц) позволяет проводить холодную обкатку поршневых ДВС непосредственно на автотракторной технике при частотах вращения коленчатых валов ДВС до 2500-3000 мин-1.

3.1.2 Технология холодной обкатки двигателей с использованием автономного приводного устройства

Работа устройства в соответствии с технологией холодной обкатки бензинового двигателя легкового автомобиля ВАЗ - 21067 происходит следующим образом.

Отремонтированный двигатель устанавливают на автомобиль или стенд-подставку и подключают к системам охлаждения, управления, отвода отработавших газов и т.д., заправляют моторным или обкаточным маслом и охлаждающей жидкостью. Штатный электростартер на время холодной обкатки двигателей внутреннего сгорания не устанавливают.

На крепежный фланец (переднюю крышку) приводного устройства с центрирующей проточкой и резьбовыми отверстиями устанавливают и закрепляют винтами сменное крепежное приспособление, в виде переходного кольца, с диаметром отверстия, соответствующим диаметру центрирующей проточки крепежного фланца и наружным диаметром, соответствующим диаметру отверстия посадочного места крепления штатного пускового устройства обкатываемого двигателя.

На вал приводного устройства 3 (рис. 3.1) с помощью шпоночного соединения устанавливают и закрепляют сменную приводную ведущую шестерню 5. Устанавливают приводное устройство 3 в посадочное место 9 крепления штатного пускового устройства двигателя внутреннего сгорания 8 и закрепляют крепежными болтами, при этом зубчатый венец 4 ведущей шестерни 5 войдет в зацепление с зубчатым венцом 6 маховика 7 обкатываемого двигателя внутреннего сгорания 8.

Вход питания приводного агрегата 3 подключают к выходу источника питания 1, выполненного в виде преобразователя частоты 50/800Гц, 3Ф, 380В, соответствующей мощности, вход которого подключают к промышленной электросети 2.

Включают источник питания 1, кнопками пульта управления преобразователем частоты задают требуемую для первой ступени холодной обкатки АТД данной марки частоту тока (ориентируясь по показаниям дисплея источника питания), и проводят обкатку согласно технологии. На дисплее источника питания 1 могут

отображаться текущие значения частоты, выходного тока и напряжения. Частота вращения коленчатого вала двигателей внутреннего сгорания 8 на ступенях холодной обкатки и соответствующая ей частота выходного тока источника питания 1 приводятся в технологической карте на обкатку двигателей внутреннего сгорания с использованием данного устройства. Другие параметры обкатываемого АТД 8 (температуру охлаждающей жидкости, давление масла в системе смазки) контролируют по штатным приборам автомобиля или приборам упрощенного стенда -подставки. По истечении времени первой ступени холодной обкатки увеличивают частоту вращения коленчатого вала до требуемой для второй ступени путём увеличения частоты тока и напряжения источника питания 1 и продолжают обкатку. При использовании рассмотренного устройства частота вращения коленчатого вала может ступенчато или плавно изменяться от 400 до 1500 мин-1 и более. В конце последней ступени обкатки переключают дисплей источника питания 1 на контроль выходного тока и сравнивают его значение с эталонным значением. При их равенстве обкатку заканчивают. Если ток больше эталонного значения, то обкатку продолжают. По окончании холодной обкатки приводной агрегат 3 демонтируют и устанавливают на обкатываемый ДВС штатный электростартер, который используют для его пуска при горячей обкатке и в процессе дальнейшей эксплуатации.

Трудоемкость технологии холодной обкатки двигателя ВАЗ-21067 с применением автономного приводного устройства, выполняемая одним человеком, составляет 0,5 чел.ч.

Разработанное автономное приводное устройство универсально и может обеспечить реализацию требуемых скоростных и временных режимов холодной обкатки АТД различных марок как новых, так и отремонтированных.

Очевидные преимущества предлагаемого автономного приводного устройства - применение для прокрутки АТД при холодной обкатке приводного агрегата на базе высокочастотного электродвигателя переменного тока или мотор - редуктора с высокочастотным электродвигателем переменного тока, обладающими высокой удельной мощностью (объёмной и массовой), надежностью и долговечностью в совокупности с использованием для передачи и преобразования крутящего момента

и частоты вращения пары ведущая шестерня приводного агрегата - зубчатый венец маховика с большим (более 10) передаточным числом, позволяет эффективно решить поставленные технические задачи полезной модели простыми средствами.

Автономное приводное устройство для холодной обкатки с использованием приводного агрегата на базе высокочастотного электродвигателя переменного тока, с регулируемым источником питания в виде типового преобразователя частоты, может быть автоматизировано, так как все современные преобразователи частоты имеют двунаправленные линии связи с управляющими компьютерами.

3.2 Технология и технические средства для холодной обкатки поршневых двигателей с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками

3.2.1 Система повышения газовых нагрузок при холодной обкатке

поршневых двигателей

Для реализации технологии холодной обкатки ДВС с ПЧВГН разработана система повышения газовых нагрузок.

Повышенные частоты вращения коленчатого вала при данной технологии холодной обкатки ДВС обеспечиваются автономным приводным устройством, принцип работы которого изложен в главе 3.1.

Система повышения газовых нагрузок (см. рис. 3.5) включает в себя канал рециркуляции воздуха, выполенный в виде ресивера 1, запорный вентиль 2, регу-лиремый клапан 3 с регулятором давления 4, измерительную шкалу 5 и указатель угла поворота 6, установленные на корпусе дроссельной заслонки 7, которая с помощью управляющего троса 8 соединена с якорем 9 электромагнитным исполнительным механизмом 10, оснащенным регулятором перемещения якоря электромагнита 11. Корпус дроссельной заслонки 7 установлен между выпускным коллектором ДВС и ресивером 1. Для конроля давления на ресивере 1 установлен манометр 12.

Рисунок 3.5 - Устройство для повышения газовых нагрузок (вид слева): 1 - ресивер; 2 - запорный вентиль; 3 - регулируемый клапан; 4 - регулятор давления; 5 - измерительная шкала; 6 - указатель угла поворота; 7 - корпус

дроссельной заслонки; 8 - управляющий трос; 9 - якорь; 10 - электромагнитный исполнительный механизм; 11 - регулятор перемещения якоря электромагнита; 12 - манометр.

Рисунок 3.6 - Устройство для повышения газовых нагрузок (вид справа): 1 - перепускной патрубок; 2 - указатель угла поворота; 3 - измерительная

шкала.

Между ресивером и впускным коллектором ДВС установлен перепускной патрубок 1 (см. рис. 3.6) с впускной и перепускной заслонками. Впускная заслонка устанавлена между воздухоочистилем ДВС и перепускным патрубком 1, а перепус-ная заслонка установлена между ресивером 1 (рис. 3.5) и перепускным патрубком

1 (срис. 3.6). Степень рециркуляции сжатого воздуха задается и контролируется с помощью указателя угла поворота 2 перепускной заслонки по шкале 3.

Данная система повышения газовых нагрузок позволяет реализовать ЦДН с дросселированием выпускных газов на тактах выбега горячей бестормозной обкатке ДВС с ДН, технология которой изложена в главе 3.4, путем управления углом поворота дроссельной заслонки, установленной в выпускном коллекторе, с помощью электромагнитного исполнительного механизма 10. При этом впускная и перепускная заслонки устанавливаются в положение, соответствующее проведению типовых ступеней холодной обкатки ДВС [232,233].

Работа системы повышения газовых нагрузок на типовых и дополнительных ступенях холодной обкатки ДВС происходит следующим образом.

При реализации типовых ступеней холодной обкатки ДВС воздух в цилиндры поступает от воздухоочистителя при открытой впускной заслонке. При этом при закрытой перепускной заслонке воздух из ресивера не поступает во впускной патрубок и удаляется через систему отвода отработавших газов.

3.2.2 Технология бестормозной холодной обкатки двигателей с повышенными частотами вращения и газовыми нагрузками

При релизации дополнительных ступеней холодной обкатки ДВС с ПЧВГН закрывают впускную заслонку для предотвращения поступления воздуха от воздухоочистителя ДВС, открывают перепускную заслонку для обеспечения циркуляции воздуха по каналу рециркуляции. Прокручивание коленчатого вала ДВС на повышенных частотах вращения осуществляется автономным приводным устройством [232,233,234].

Включают источник сжатого воздуха (воздушный компрессор) и с помощью регулятора давления 4 в ресивере 1 повышают давление воздуха до требуемого значения (рис. 3.5).

Сжатый воздух, подаваемый в ресивер от компрессора и воздух из цилиндров ДВС поступают в канал рециркуляции и в ресивер 1, из которого воздух под

определенным повышенным давлением поступает через перепускной патрубок в цилиндры ДВС, в которых при повышении давления воздуха до 7,0-7,5 МПа происходит увеличение нагрузок на сопряжения ДВС и их приработка.

По истечении продолжительности первой дополнительной ступени холодной обкатки ДВС с помощью автономного приводного устройства повышают частоту вращения коленчатого вала ДВС, регулятором давления 4 устанавливают необходимое для второй ступени давление воздуха в ресивере 1.

Последующие дополнительные ступени холодной обкатки с ПЧВГН проводят аналогично.

После проведения холодной обкатки двигателей проводится их горячая обкатка с динамическим нагружением [235,236,237,238,239,240,241,242,243,244].

3.3 Технология и технические средства для холодной обкатки поршневых двигателей со статико-динамическим гидроимпульсным нагружением

3.3.1 Устройство для холодной обкатки поршневых двигателей со статико-динамическим гидроимпульсным нагружением

Устройство для проведения холодной обкатки двигателей с СДГН состоит из системы подачи в цилиндры ДВС моторного масла с гидроимпульсами высокого давления, стационарное или автономное приводное устройство для прокрутки коленчатого вала ДВС и система автоматического управления (САУ) циклами СДГН.

На рис. 3.7 представлена гидравлическая схема системы подачи в цилиндры обкатываемого ДВС 1 моторного масла высокого давления, создаваемой в надпоршневом пространстве цилиндра 2 цииклические ударные нагрузки на детали ЦПГ и КШМ. Часть моторного масла из цилиндров ДВС при СДГН через неплотности между гильзой цилиндра и поршенвыми кольцами будет поступать в поддон картера 3 обкатываемого ДВС 1.

Рисунок 3.7 - Гидравлическая схема системы подачи моторного масла с гидроимпульсами выского давления: 1 - обкатываемый ДВС; 2 - надпоршневое пространство цилиндра; 3 - поддон картера; 4 - насос высокого давления; 5 - редукционный клапан; 6 - гидрораспределитель с электрическим управлением; 7 - гидравлический штуцер; 8 - тройник;

9 - сливные гидравлические шланги; 10 - напорные гидравлические шланги.

Для созданаия высокого давления моторного масла гидравлическая схема содержит насос высокого давления 4, редукционный клапан 5, гидрораспределитель 6 с электрическим управлением; гидравлический штуцер 7, тройник 8, сливные 9 и напорные 10 гидравлические шланги. При работе системы подачи в цилиндры ДВС моторного масла с гидроимпульсами высокого давления моторное масло на такте

увеличения давления от насоса высокого давления 4 через редукционнй клапан 5 и включенный клапан гидрораспределителя с электрическим управлением 6 подается через гидравлический штуцер 7 в надпоршневое пространство цилиндра 2. На такте уменьшения давления моторное масло сливается из надпоршневого пространства 2 через гидравлический штуцер 7 и сливной гидравлический шланг 9 в канал слива [245].

Для автоматического управления клапанами гидрораспределителя разработана электрическая схема система автоматического управления циклами СДГН (см. рисунок 3.8) включающая в себя блок питания, задающий генератор на таймере DA1, одновибратор на таймере DA2 с возможностью изменения продолжительности выходного импульса, генератор импульсов и оптоэлектронные ключи.

При работе САУ циклами СДГН задающий генератор на таймере DA1 формирует высокочастотные импульсы, которые через конденсатор С3 и резисторы R3, R4 позволяют создавать непродолжительные по времени импульсы, запускающие в работу одновибратор на таймере DA2, для управления которыми предназначен резистор R5.

Для подачи моторного масла в цилиндр ДВС на такте увеличения давления цикла СДГН неободимо открыть неинвертирующий ключ за счет высокого уровня на выходе одновибратора, а на такте уменьшения давления цикла СДГН необходимо открыть инвертирующий ключ за счет низкого уровня на выходе одновибра-тора.

Алгоритм работы системы автоматического управления циклами СДГН (см. рисунок 3.9) позволяет проводить холодную обкатку ДВС с СДГН в определенной последовательности.

После включения блока управления САУ циклами СДГН микропроцессором выбирается марка обкатываемого ДВС и из ПЗУ вводятся параметры ДВС: число цилиндров, продолжительность холодной обкатки, номер обкатываемого цилиндра ДВС и шага холодной обкатки. Требуемая продолжительность холодной обкатки задается после запуска первого таймера.

Рисунок 3.8 - Электрическая схема системы автоматического управления циклами стадико-динамического гидроимпульсного нагружения цилиндров ДВС

Рисунок 3.9 - Функциональная схема алгоритма управления САУ с СДГН

Затем по номеру цилиндра и шагу холодной обкатки определяется продолжительность импульса нагружения. На такте увеличения давления моторного масла запускается второй таймер, включающий электромагнитный клапан, через который масло под высоким давлением поступит в обкатываемый цилиндр. По номеру обкатываемого цилиндра и шагу холодной обкатки определеляется продолжительность такта уменьшения давления в цикле СДГН, во времы которого второй

таймер обнуляется, электромагнитный клапан выключается и моторное масло из обкатываемого цилиндра ДВС поступает через сливные гидравлические шланги на слив. По завершении продолжительности такта уменьшения давления включится второй таймер и процесс повторится.

При завершении холодной обкатки ДВС выдается команда «ОСТАНОВ» на блок питания и программа холодной обкатки завершается.

Устройство (рис. 3.10) для холодной обкатки ДВС 1 с СДГН, смонтированное на раме 2, содержит мотор-редуктор 3, червячный редуктор 4, торсион 5, насос высокого давления 6, гидрораспределитель с электрическим управлением 7, гидравлический штуцер 8; электромагнитный клапан 9 и сливные 10 и напорные 11 гидравлические шланги.

Торсион 5, установленный между червячным редуктором и обкатываемым ДВС, предназначен для передачи крутящего момента от мотор-редуктора к коленчатому валу, противодействия крутящему моменту ДВС на тактах увеличения и уменьшения давления моторного масла в цикле СДГН прирабатываемых сопряжений ДВС и обеспечивает возможность плавного поворота коленчатого вала на некоторый угол при закрутке торсиона на тактах увеличения давления моторного масла и раскрутке на тактах уменьшения давления моторного масла.

Коэффициент жесткости торсиона определяется с учетом максимального значения крутящего момента, действующего при реализации циклов СДГН.

Мотор-редуктор 3 червячный редуктор 4 обеспечиваеют прокручивание коленчатого вала обкатываемого ДВС со сверхнизкой частотой вращения, не превышающей 1 мин-1. За счет эффекта самоторможения червячного редуктора 4 исключается передача крутящего момента к мотор-редуктору 1.

Системы подачи в цилиндры ДВС моторного масла с гидроимпульсами высокого давления (рис. 3.11) состоит из электропривода насоса высокого давления 1, 2 - электрогидрораспределителя 2, гидравлического штуцера 3 и напорного клапана 4.

Рисунок 3.10 - Устройство для холодной обкатки поршневого двигателя с СДГН: 1 - обкатываемый ДВС; 2 - рама; 3 - мотор-редуктор; 4 - червячный редуктор; 5 - торсион; 6 - насос высокого давления; 7 - гидрораспределитель с электрическим управлением; 8 - гидравлический штуцер; 9 - электромагнитный клапа; 10 - сливные гидравлические шланги; 11 - напорные гидравлические

шланги.

Управление электрогидрораспределителем осуществляется блоком управления САУ циклами СДГН (см. рисунок 3.12), который в свою очередь на тактах увеличения давления масла направляет моторное масло под высоким давлением в цилиндр ДВС через гидравлический штуцер, установленный вместо форсунки обкатываемого ДВС, путем изменения продолжительности включения электромагнитного клапана. С уменьшением продолжительности включения электромагнитного клапана давление моторного масла в цилиндре ДВС поднимается до меньших значений и наоборот.

Рисунок 3.11 - Системы подачи моторного масла с гидроимпульсами высокого давления: 1 - электропривод насоса высокого давления; 2 - электрогидрораспредели-тель; 3 - гидравлический штуцер; 4 - напорный клапан.

Рисунок 3.12 - Блок управления системы автоматического управления циклами статико-динамическиого гидроимпульсного нагружения

В конце такта увеличения давления масла в цикле СДГН электромагнитным клапаном электрогидрораспределителя закрывается канал высокого давления масла и начинается такт уменьшения давления масла с открытием канала низкого давления для слива масла из цилиндра ДВС.

Блок управления САУ циклами СДГН осуществляет управление электромагнитными клапанами с определенной для каждой марки обкатываемого ДВС продолжительностью их включения и выключения на тактах увеличения и уменьшения давления моторного масла. При этом продолжительность включения электромагнитного клапана определяет амплитуду давления моторного масла, нагружа-мого детали ЦПГ и КШМ обкатываемого цилиндра ДВС [246,247].

3.3.2 Технология холодной обкатки двигателей со статико-динамическим гидроимпульсным нагружением

Технологический процесс холодной обкатки поршневого ДВС со статико-ди-намическиого гидроимпульсным нагружением на примере дизеля Д-144 выполняется в следующей последовательности.

Обкатываемый ДВС устанавливают трактор, отключают механизм газораспределения и поршень первого обкатываемого цилиндра устанавливают в положение ВМТ.