Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


Раздел 3. Исследование надежности пары




 

Исследование надежности пары

кулачок толкатель.

 

 

Безотказность работы двигателей внутреннего сгорания в основном определяется тепловыми процессами, учитывающими температурные вспышки в трибосопряженных элементах.(Трибология – наука изучающая процессы изнашивания с учетом свойств материалов и смазки). Микроконтактное схватывание и сопутствующие ему натиры, задиры и заедания трущихся сопряжений являются наиболее распространенным и опасным видом изнашивания, определяющим не только ресурс, но и безопасность двигателей внутреннего сгорания. Многолетний опыт исследования характера и механизмов разрушения трущихся деталей высокофорсированных автомобильных дизелей позволил определить узлы, подверженные этому виду изнашивания.

К ним относятся: верхнее компрессионное кольцо — гильза цилиндра; маслосъемное кольцо — гильза цилиндра; поршень — гильза цилиндра; кулачок распределительного вала — толкатель; клапан — направляющая втулка; подшипники распределительного вала; подшипники коленчатого вала и нижней головки шатуна.

Внешним проявлением схватывания является во многих случаях задир поверхностей, однако при использовании материалов с высокими антифрикционными свойствами либо при быстрой смене условий работы пары трения, схватывание развивается менее интенсивно и проявляется в увеличении до катастрофического уровня скорости изнашивания, без видимых глазом повреждений.

Этот вид разрушения характерен для сопряжений кулачок — плоский толкатель высокофорсированных автомобильных дизелей. В результате внешнего и фрикционного нагрева и больших сдвиговых сил масляная пленка, являющаяся обязательным условием нормальной работы кулачка и толкателя, может разрушиться.

В настоящее время имеется ряд теоретических и экспериментальных критериев задиростойкости самой различной структуры. К наиболее физически обоснованным можно отнести гидродинамический и температурный критерий.

Существует мнение, что отсутствие схватывания может быть гарантировано лишь в том случае, когда толщина смазочной пленки немного превышает суммарную высоту микронеровностей этих поверхностей. Такое условие известно как упругогидродинамический (УГД) критерий. Тем не менее он достаточен для исключения возможности заедания, поскольку это может происходить в условиях граничной смазки и не связано с разрывом УГД пленки.

Температурный критерий — критерий суммарной критической температуры в контакте. Согласно современным представлениям существует определенная критическая температура Ткр, не зависящая от условий работы сопряжения, превышение которой приводит к разрушению граничного смазочного слоя.

Таким образом, условие отсутствия схватывания Тповmax > Ткр, где Тповmax — суммарная температура в контакте.

Разрушение смазочного слоя является необходимым, но недостаточным условием для возникновения схватывания. Образование начальных участков схватывания происходит на пятнах фактического контакта, энергетический уровень которых превышает определенный, характерный для каждого материала, порог схватывания.

При анализе работы пар трения, как правило, основное внимание уделяется изучению протекающих в них теплофизических процессов. Нагрузка, относительная скорость перемещения, физико-механические и теплофизические характеристики поверхностей трения, а также другие важные параметры могут быть интегрально учтены распределением температур в трибосоединениях. В процессе работы трибосопряжения формируется определенная структура поверхностного слоя. После завершения приработки силы трения и изнашивания стабилизируются.

При внешнем и внутреннем трении всегда происходит преобразование механической энергии в тепловую. Доля такого преобразования без смазочного материала может достигать 90 % и более. Поэтому процессы физико-химической динамики, которые реализуются в трибосопряжениях, существенно зависят от теплового и температурного режимов их поверхностей. Экспериментальные данные подтверждают положения молекулярно-кинетической теории трения и указывают на то, что воздействие механических факторов на интенсивность изнашивания значительно меньше, чем воздействие поверхностной температуры. Как правило, максимальная температура на пятне фактического контакта представляется в виде суммы Тповmax = Тповср + Твсп где Тповср - средняя температура поверхности; Твсп — мгновенное приращение температуры на пятне фактического контакта.

Таблица 3.1. Теплофизические параметры трибосопряжения

Элемент трибосопряжения Теплоемкость удельная с, Дж/(кгК) Тепловодность λ, Вт/(мК) Плотность ρ, кг/м3 Теплопроводность а1,2, м2
Кулачок 8,125·10-6
Толкатель 1,3·10-5
Масло 0,13 8,25·10-7

Таблица 3.2. Механические характеристики трибосопряжения

Показатель Значение Показатель Значение
Частота вращения кулачкового вала, мин-1 Средняя температура деталей (масла), °С
Суммарная жесткость пружин клапана, Н/мм Модуль упругости материала кулачка, Па 2.1·1011
Сила предварительного сжатия пружины, Н Модуль упругости материала толкателя, Па 1.75·1011
Момент инерции динамический коромысла, кг·мм2 0.42·10-2 Коэффициент Пауссона материала кулачка 0.3
Расстояние от оси коромысла до оси клапана, м 45·10-3 Коэффициент Пауссона материала толкателя 0.28
Расстояние от оси коромысла до оси толкателя, м 29.9·10-3 Микротвердость материала кулачка, МПа
Масса толкателя, кг 0.18 Микротвердость материала толкателя, МПа
Масса клапана, сухарей, втулки клапана, кг 0.46 Шероховатость поверхности кулачка Ra, мкм 0.32
Масса пружины клапана, кг 0.3 Шероховатость поверхности толкателя Ra, мкм 0.16
Масса штанги толкателя, кг 0.2 Температурный коэффициент, °С-1
Диаметр тарелки клапана, м 67.57·10-3 Вязкость кинематическая масла при tср, м2 0.114·10-4
Радиус затылка кулачка, м 18.5·10-3 Температурный коэффициент вязкости масла,°С-1
Приращение угла поворота кулачка,° Пьезокоэффициент вязкости масла, МПа-1 0.015
Угол начала выборки теплового зазора,° 94.5 Длина линии контакта, м 16.5·10-3

Ниже приведены графики зависимости различных показателей трибосопряжения кулачок-толкатель в зависимости от угла поворота распределительного вала.

Рис. 3.1. Зависимость приведенного радиуса кривизны от угла поворота распределительного вала.

Рис. 3.2. Зависимость скорости скольжения от угла поворота распределительного вала.

Рис. 3.3. Зависимость скорости перемещения точки контакта по кулачку от угла поворота распределительного вала.

Рис. 3.4. Зависимость суммарной силы, действующей на кулачок, от угла поворота распределительного вала.

 

Рис. 3.5. Зависимость фактического давления в зоне контакта от угла поворота распределительного вала.

Рис. 3.6. Зависимость коэффициента трения от угла поворота распределительного вала.

Наличие скольжения и большие градиенты давления приводят к тому, что смазка в контакте кулачка с толкателем работает при высоких скоростях сдвига. Тепловыделение от сдвига повышает температуру смазки на десятки и даже сотни градусов и повышает температуру тел вблизи контакта. Быстрое (10-5 с) прохождение смазки через область высокого давления аналогично взрывным явлениям. Высокие давление и скорость сдвига приводят к весьма сложному поведению смазки, в частности к проявлению нелинейно-вязких и релаксационных эффектов.

При увеличении нагрузки или снижении скорости качения шероховатость начинает существенно влиять на трение и тепловой режим в контакте. Толщина пленки становится переменной и весьма малой в области контакта выступов. При локальных толщинах порядка 10-8 м возможен переход к граничному трению. Однако при толщине смазочного слоя, примерно равной среднеарифметическому отклонению профиля от средней линии Ra, как правило, обеспечивается упругогидродинамический режим трения. По результатам проведенного специалистами расчета толщины смазочного слоя между кулачком и толкателем дизеля КамАЗ-740 в районе вершины кулачка существенно меньше величины Ra, что указывает на возможность нарушения масляной пленки на наиболее высоких выступах шероховатости поверхностей (рис.3.7.).

Рис. 3.7. Зависимость толщины масляной пленки от угла поворота распределительного вала

В рис. 3.8 указаны опытные точки, полученные в результате исследования четырех распределительных валов, взятых с дизелей КамАЗ-740, отработавших в эксплуатации от 80 до 100 тыс. км. На двух исследованных кулачках произошло катастрофическое изнашивание вершин.

Рис. 3.8. Зависимость суммарной температуры от угла поворота распределительного вала

При микроскопическом и металлографическом исследовании этих кулачков обнаружено образование слоев вторичной закалки и отпуска, что подтверждается и характерным изменением микротвердости по глубине поверхностного слоя. На поверхностях кулачков появляются характерные для микроконтактного схватывания надрывы и размазывания металла. Сваривание поверхностей кулачка и толкателя приводит к глубинному вырыванию металла с поверхности кулачка и переносу его на поверхность толкателя. Наличие вторичной закалки указывает на локальный разогрев поверхности до температур, превышающих 740 °С.

Для оценки температур, полученных на поверхностях кулачков в процессе эксплуатации, из исследованных деталей в районе затылка вырезались образцы, которые затем подвергались отпуску при температурах 100, 200, 400, 500, 600 °С, с замером микротвердости на поверхности. На основании этих замеров были установлены зависимости микротвердости от температуры нагрева образцов, которые позволили оценить температуру поверхностного слоя исследованных кулачков на различных участках.

Так, на вершине кулачков с нормальным износом она составила 400...500 °С. На набегающей и сбегающей ветках кулачков в непосредственной близости от вершины — 300...400 °С. На участках, соответствующих затылку, уменьшение твердости не отмечено. Это свидетельствует о том, что максимальная температура поверхности не превышала температуру технологического отпуска 220...240 °С.


Поделиться:

Дата добавления: 2015-08-05; просмотров: 99; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.006 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты