Моделирование и оптимизация гидродинамических параметров подшипников поршневого пальца двс

На правах рукописи Ниязов Хаммет Магзумьянович МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОДШИПНИКОВ ПОРШНЕВОГО ПАЛЬЦА ДВС Специальность 05.04.02 – «Тепловые двигатели» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Челябинск – 2013 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» и в ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) Научные руководители: Суркин Вячеслав Иванович, доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО ЧГАА, заведующий кафедры); Задорожная Елена Анатольевна, кандидат технических наук, доцент (ФГБОУ ВПО ЮУрГУ, доцент кафедры) Официальные оппоненты: Лазарев Владислав Евгеньевич, доктор технических наук, доцент (ФГБОУ ВПО ЮУрГУ, заведующий кафедры); Загайко Сергей Андреевич, кандидат технических наук, доцент (ФГБОУ ВПО УГАТУ, доцент кафедры) Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» Защита диссертации состоится 26 июня 2013 года, в часов, на заседании специализированного диссертационного совета Д212.298.09 при ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, ауд. 1001 (10 этаж гл. корп.) С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮУрГУ Отзыв на реферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять на имя ученого секретаря по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, ЮУрГУ, Ученый совет, электронная почта: d212.298.09@mail.ru, контактный телефон (351) 267-91-23 Автореферат разослан « » 2013 г. Ученый секретарь специализированного диссертационного совета Д.212.298.09, доктор технических наук, профессор: Е.А. Лазарев ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенными энергосиловыми устройствами, используемыми человеком для выполнения механической работы. Вопросам их дальнейшего совершенствования всегда уделяется повышенное внимание. Технико-экономические показатели ДВС в значительной мере зависят от работоспособности их подшипниковых узлов. Научное обоснование явлений, происходящих в смазочном слое пар трения, дает гидродинамическая теория смазки основы которой были заложены Н.П. Петровым и О. Рейнольдсом. Дальнейшее развитие эта теория получила в работах Н.Е. Жуковского, А. Зоммерфельда, С.А. Чаплыгиным и др. Большой вклад в разработку методов расчета подшипников скольжения внесли Д. Букер, А. Вальтер, Х. Глезер, А.К. Дьячков, С.М. Захаров, А.Д. Изотов, И. Камбелл, Х. Камерон, М.В. Коровчинский, С.Г. Некрасов, В.Н. Попов, В.Н. Прокопьев, Ю.В. Рождественский, Л.А. Савин, В.И. Суркин, И.А. Тодер, И.Я. Токарь, Н.Н. Типей, Г.В. Хан, Д. Холланд и др. Среди подшипников ДВС условия работы подшипников поршневого пальца (бобышка поршня – палец и головка шатуна – палец) являются особенно неблагоприятными. Для этих подшипников характерно действие высоких удельных давлений (самых высоких среди подшипников двигателя) при относительно малых угловых скоростях шипа. Действующие нагрузки и угловые скорости пальца крайне неравномерны, к тому же, как по величине, так и по направлению. К неблагоприятным факторам следует отнести также близость расположения подшипников к камере сгорания. Несмотря на крайнюю неблагоприятность условий, в которых работают подшипники поршневого пальца (ППП), происходящие в них процессы по сей день остаются малоизученными. Одной из причин этого является сложность их экспериментального исследования. Эти подшипники находятся в удаленной верхней части кривошипно-шатунного механизма и совершают в пространстве возвратно-поступательные движения с широкой амплитудой и большими скоростями. Нетрудно себе представить всю сложность работ по исследованию параметров этих подшипников непосредственно на работающем двигателе. Например, параметров их смазочного слоя: толщину, давление, температуру. В настоящее время подшипники поршневого пальца продолжают рассматриваться как подшипники нежидкостного трения (граничного или полужидкостного; в данной работе указанные два режима не идентифицировались по отдельности). На этой предпосылке базируется даже традиционная методика их проектирования. В то же время в специальной литературе отсутствуют работы, непосредственно подтверждающие или опровергающие указанную предпосылку. То есть, вопрос о том, в условиях какого трения (жидкостного или нежидкостного) в действительности работают рассматриваемые подшипники до сих пор остается открытым, а его решение – актуальным. Конструкции ППП характеризуются большим разнообразием схем маслораспределения по их рабочим поверхностям. Указанное маслораспределение осуществляется как с помощью всевозможных канавок (кольцевых, продольных, косых, разветвляющихся и т.д.), так и с помощью существенно отличающихся друг от друга расположением и размерами боковых карманов. Отмеченное многообразие схем маслораспределения является, скорее всего, следствием слабой изученности характера нагружения ППП по их окружности. В ДВС большой мощности подвод смазки к подшипнику головка шатуна – палец осуществляется по каналу в стержне шатуна. Канал традиционно выполняется путем сверления. Указанное сверление является довольно сложной технологической операцией. В исследуемом в данной работе двигателе 8ДВТ-330 сверление стержня шатуна выполняется на глубину 215 мм с помощью сверла, диаметр которого равен всего 7 мм. Здесь еще следует учесть, что шатун изготовлен из довольно твердой стали 40Х. Для производителей двигателей указанная технологическая сложность является достаточно обременительной. Слабая изученность происходящих в ППП процессов может привести в дальнейшем к нежелательным последствиям. В частности, существующие упрощенные методики расчета этих подшипников в какой-то момент могут не позволить осуществить дальнейшее повышение технического ресурса ДВС. Тем более в условиях их непрерывного форсирования. Цель исследования. Совершенствование конструктивных и эксплуатационных характеристик подшипников поршневого пальца ДВС. Задачи исследования 1. Разработать математическую модель подшипника поршневого пальца, пригодную для оптимизации его гидродинамических параметров. 2. Создать методику оптимизации среднецикловых гидродинамических параметров подшипника поршневого пальца. 3. Разработать методику экспериментального исследования параметров ППП на работающем двигателе. 4. Провести экспериментальное исследование параметров ППП на работающем двигателе. 5. Разработать практические рекомендации по совершенствованию конструкций ППП. Объект исследования. Гидродинамические процессы в ППП. Предмет исследования. Взаимосвязь гидродинамических процессов в ППП с их режимными и конструктивными параметрами. Научная новизна 1. Предложены аналитические выражения, позволяющие с достаточной точностью рассчитать и оптимизировать гидродинамические параметры подшипника поршневого пальца. 2. Разработана методика оптимизации среднецикловых гидродинамических параметров подшипника поршневого пальца, включающая в себя одновременную минимизацию расхода смазки и приращения ее температуры. 3. Уточнена методика расчета действующих на подшипники инерционных сил. Практическая значимость работы 1. Разработана методика экспериментального исследования параметров ППП на работающем двигателе. 2. По данным экспериментального исследования параметров ППП на различных режимах работающего двигателя построены траектории центра поршневого пальца, графики изменения температур различных точек подшипников, а также графики цикловых изменений угловых и радиальных скоростей пальца, диаметральных зазоров, минимальных толщин смазочного слоя, давлений в смазочном слое. 3. Разработаны практические рекомендации по совершенствованию конструкций подшипников поршневого пальца ДВС. Методология и методы исследования. Работа выполнена с учетом основных положений методологии научного исследования. Использованные теоретические методы: теория (гидродинамическая теория смазки, теория оптимизации), гипотезы (гипотеза о существовании в ППП жидкостного режима трения; гипотеза о применимости методики расчета статически нагруженных подшипников к расчету динамически нагруженных ППП), научные законы, математическое моделирование. Использованные эмпирические методы: наблюдение, измерение, эксперимент. Достоверность результатов исследования базируется на использовании общепризнанных теорий, на надлежащем обосновании предлагаемых теоретических зависимостей, на хорошей сходимости этих зависимостей с результатами экспериментов. Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом семинаре по ДВС при МВТУ им. Баумана (Москва, 1985), на ежегодных научно-технических конференциях в ЧГАА (Челябинск, 19821988, 2012 (2 доклада), 2013 (2 доклада)), на ежегодных научно-технических конференциях в ЮУрГУ (Челябинск, 2012, 2013), на международной научно-практической конференции в ОГУ (Оренбург, 2013). Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных статей (из них 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 3 отчета о НИР, получен 1 патент РФ. Реализация. Бо́льшая часть работы выполнена по хоздоговорам [6, 7, 8] между Челябинским институтом механизации и электрификации сельского хозяйства (ЧИМЭСХ, ныне ЧГАА) и Волгоградским моторным заводом (ВгМЗ, ныне ОАО «ВгМЗ»). Заводом работа выполнялась по теме № 23.69.00.85-15.1130 «Разработка и внедрение на двигателях 8ДВТ-330 и его модификациях комплекса мероприятий, обеспечивающих доведение их ресурса до 8000 моточасов». На основе результатов хоздоговорных исследований была разработана и внедрена в серийное производство конструкция подшипника поршневой головки шатуна, позволившая устранить маслоканал в стержне шатуна (дизели 8ДВТ-330, В-400, В-500). Результаты исследования внедрены также в учебный процесс в ЧГАА. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка использованной литературы. Материал работы изложен на 158 страницах машинописного текста, включая 79 иллюстраций, 6 таблиц, 83 формулы, 3 приложения. Библиографический список содержит 103 наименования. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе обоснована актуальность и обозначена проблематика рассматриваемого вопроса. В главе представлен широкий обзор существующих конструкций подшипников поршневого пальца. Рассмотрены и проанализированы различные конструкции бобышек поршней и поршневых пальцев, различные варианты подвода смазки к подшипнику головка шатуна – палец и к дренажным отверстиям в головке шатуна, различные варианты исполнения дренажных отверстий и маслораспределительных выемок на внутренней поверхности втулки шатуна. По причине того, что ППП по настоящее время продолжают рассматриваться как подшипники только граничного или полужидкостного трения, в процессе библиографического поиска не удалось обнаружить публикаций по расчету и, тем более, по оптимизации их гидродинамических параметров. Опубликованные к настоящему времени теоретические работы, непосредственно касающиеся ППП, посвящены, как правило, повышению износостойкости сопрягающихся деталей или уточнению методики их прочностного расчета. Среди авторов данных работ следует отметить В.В. Баранова, В.В. Репина, В.М. Рябовола, Е.С. Савушкина. Среди экспериментальных работ по исследованию ППП особого внимания заслуживает работа Б.Э. Шабшаевича, В.М. Ширяевой, А.Б. Адамовича «Исследование радиальных перемещений поршневого пальца в бобышках поршня тракторных двигателей Д-37М и Д-50» (Тр. НАТИ, 1970, вып. 206, С. 50–57). Приведенная публикация оказалась единственной из всех обнаруженных, в которой приводятся результаты экспериментального исследования ППП на реально работающем двигателе. Из практических работ в главе рассмотрены также работы по исследованию износов ППП. Подшипники поршневого пальца являются подшипниками скольжения. Исходя из этого, в главе рассмотрены основные существующие методики расчета данного вида подшипников. С учетом тематической направленности данной работы в главе рассмотрены вопросы оптимизации подшипников скольжения. Подробно изучен материал, касающийся формирования функции цели. Из публикаций по теме оптимизации подшипников скольжения отмечена статья А. Сайрега и Х. Эззата «Оптимальное проектирование гидродинамических радиальных подшипников» (Проблемы трения и смазки, 1968, №3, С. 161–168). Из множества рассмотренных методов оптимизации для достижения целей данной работы выбран градиентный метод наискорейшего спуска. Во второй главе приведены аналитические зависимости, разработанные автором для моделирования и оптимизации гидродинамических параметров подшипника поршневого пальца. Математическая модель динамически нагруженного подшипника поршневого пальца разработана на базе методики М.В. Коровчинского по гидродинамическому расчету статически нагруженных подшипников скольжения. Обращение в данной работе к методике расчета статически нагруженных подшипников было обусловлено необходимостью создания математической модели, пригодной для процедуры оптимизации гидродинамических параметров подшипника поршневого пальца. В основе методики Коровчинского лежит интегрирование уравнения Рейнольдса по определению давлений в слое жидкости, разделяющей шип и подшипник. В полярных координатах уравнение имеет вид: где удельное давление; угол между линией центров и сечением, где определяется давление; угол между линией центров и сечением, где давление максимально; динамическая вязкость масла; относительный зазор; относительный эксцентриситет. Математическая модель получена путем аппроксимации приведенных в методике Коровчинского табличных данных. Определяемые с помощью аппроксимируемых таблиц величины зависят от трех параметров: от угловой протяженности смазочного слоя или угла охвата шипа (120°, 180°), от относительного эксцентриситета χ (0,40,99) и от отношения длины подшипника к его диаметру l/d (0,41,5). С учетом того, что рассматриваемые подшипники работают в условиях малых угловых скоростей шипа и низкой вязкости масла аппроксимации производились только для угла охвата в 120°. Математическая модель подшипника поршневого пальца представляет собой систему уравнений по расчету его основных гидродинамических параметров: Здесь минимальная толщина смазочного слоя, м; максимальное гидродинамическое давление, Па; потери мощности на трение, Вт; расход смазки в единицу времени, м3/с; приращение температуры смазочного слоя, ; диаметральный зазор, м; коэффициент, характеризующий взаимосвязь между удельным и максимальным гидродинамическим давлениями на подшипник; нагрузка на подшипник, Н; угловая скорость шипа, ; длина подшипника, м; диаметр шипа, м; коэффициент трения; – коэффициент расхода смазки через торцы нагруженной зоны подшипника; – то же через торцы ненагруженной зоны; – коэффициент, учитывающий увеличение расхода смазки через торцы при наличии на поверхности подшипника двух боковых карманов; удельная теплоемкость масла, Дж/кг*; удельная масса масла, кг/м3. Формулы для расчета входящих в математическую модель безразмерных коэффициентов: где где где где давление подачи масла, Па; где ширина и высота (хорда) каждого из двух боковых карманов, м. Методика оптимизации состоит из следующих основных структурных элементов: математическая модель подшипника, заданные параметры (), управляющие параметры (), выходные параметры (), система ограничений, функция цели, процедура поиска оптимальных параметров. Здесь эквивалентные нагрузка и угловая скорость шипа, через которые в данной работе рассчитываются среднецикловые гидродинамические параметры ППП. Системой ограничений устанавливаются границы варьирования управляющих параметров и допустимые значения выходныых параметров . Функция цели (критерий оптимальности) в обобщенном виде: где и коэффициенты, уравнивающиекачественно; и коэффициенты, уравнивающиеколичественно. Для каждого конкретного случая указанные коэффициенты рассчитываются в отдельности. Примеры расчета коэффициентов приведены в тексте диссертации. Частные (использованные для оптимизации приведенных ниже 1-го и 2-го вариантов подшипника) функции цели: Процедура поиска оптимальных параметров методом наискорейшего спуска состояла из следующих основных этапов: выбор начальной точки функции цели; вычисление градиентов ; вычисление суммарного градиента ; оценка условия окончания поиска. Результаты оптимизации среднецикловых гидродинамических параметров подшипника головка шатуна – палец двигателя 8ДВТ-330 представлены в нижеприведенной таблице. Оптимизированы были параметры подшипника с подачей смазки через канал в стержне шатуна (вариант 1) и подшипника с по- дачей смазки через дренажные отверстия в головке шатуна (вариант 2). Подача смазки в серийный подшипник осуществлялась через канал в стержне шатуна. Сравнение серийных параметров подшипника с оптимальными Подшипники l μ hmin pmax N мм мм Па*с мкм МПа Вт мл/с Серийный 53 60 0,0049 1,1 15 29 0,87 18 Вариант 1 49 23 0,0060 2,0 11 9 0,35 14 Вариант 2 49 23 0,0060 2,0 11 9 0,16 31 Из приведенной таблицы следует, что с помощью разработанной методики оптимизации можно существенно улучшить все выходные параметры подшипника (сравнить подшипники с одинаковыми подводами смазки: серийный и вариант 1).

Похожие:

	Моделирование систем и оптимизация их параметров Приложение 7 программа для численного решения дифференциальных уравнений (Basic)		Рабочая программа по дисциплине опд. Ф. 08 Моделирование и оптимизация Курс «Моделирование и оптимизация технологических процессов» является прикладной наукой, занимающейся вопросами моделирования рациональных...
	Программа научного семинара " Моделирование и оптимизация бизнес процессов " Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления 080500. 68 Бизнес-информатика...		Рабочая программа по дисциплине опд. Ф. 08 Моделирование и оптимизация... Курс «Моделирование и оптимизация технологических процессов» является прикладной наукой, занимающейся вопросами моделирования рациональных...
	Моделирование тестовых испытаний материалов по определению деформационного... Ознакомиться: 1 с классификацией и конструкцией основных типов подшипников качения		«наша судьба в наших генах» Маргарита Валентиновна Алфимова Оптимизация геометрических параметров моделей на основании измерений и расчета аэродинамических характеристик
	Московский энергетический институт (технический университет) ...		«Учебно-методический комплекс 150501 «Моделирование и оптимизация...
	Параметрическая оптимизация информационно-измерительной системы определения... Работа выполнена на кафедре «Электропривод и промышленная автоматика» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального...		Двигатель внутреннего сгорания Сегодня проектируются двс, в которых в качестве горючего будет использоваться водород. Основная часть двс один или несколько цилиндров,...
	Моделирование динамики численности популяции с возрастной и половой... Ведущая организация: Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, кафедра биофизики Биологического факультета (г....		Саченков Оскар Александрович Зав каф. Коноплев Юрий Геннадьевич Директор... Оптимизация геометрических параметров моделей на основании измерений и расчета аэродинамических характеристик
	Модели фронтального горения в двигателе с искровым зажиганием с учетом... Тема урока: Топливный насос высокого давления двигателя внутреннего сгорания (двс)		Технология диагностирования цилиндропоршневой группы автотракторных... Е карты по диагностированию цилиндропоршневой группы автотракторных двс компрессионно-вакуумным методом предназначены для инженерно-технических...
	Поросков Д. В. Группа: 34 Значения свойств объектов отражают значения соответствующих параметров тэгов страницы или установленных системных параметров		Имя вкладки > Заголовок группы параметров > Параметр (раскрывающийся... Все сетевые устройства, подлежащие управлению системой lms, должны обязательно удовлетворять следующим требованиям