книги из ГПНТБ / Багиров Д.Д. Двигатели внутреннего сгорания строительных и дорожных машин

550 кгс-с/м для менее неустановившихся режимов (автогрейдер). По мере увеличения силы трения сверх оптимального значения уменьшается приспособляемость регулятора к изменению режима нагрузки и увеличивается его инерционность. Это приводит к снижению скоростного режима дизеля и, следовательно, к сни­ жению выходных показателей. При значениях коэффициента вязкого трения ниже оптимальной величины, т. е. при дефиците вязкого трения снижается устойчивость регулятора, увеличивается время перерегулирования, что приводит к уменьшению выходных показателей. Для устранения дефицита вязкого трения регулятор может быть оборудован специальным приспособлением — ката­

рактом.

На рис. 72 представлена зависимость выходных показателей мощности дизеля от жесткости пружин регулятора, которая изме­ няется при соответствующем изменении инерционной силы гру­ зов регулятора. Значения выходных показателей имеют большое значение при проектировании и компоновке регулятора, так как зависимость инерционной силы грузов от частоты вращения есть функция массы грузов, их формы и места расположения, а также передаточного отношения привода регулятора.

По рис. 72 видно, что оптимальные значения жесткости пружин близки к заводским (CnpS = 3850 кгс/м) или несколько меньше них.

107

лирования при неустановившихся нагрузках введением допол­ нительных обратных связей в систему дизель—регулятор. Это позволяет уменьшить инерционность регулятора.

Как известно, прямой связью системы дизель—регулятор является воздействие регулятора на рейку топливного насоса дизеля и, тем самым, на изменение значения крутящего момента на валу. При этом основная обратная связь по скорости вращения вала осуществляется центробежным датчиком скоростного ре­ жима — грузами регулятора. Дополнительные обратные связи могут осуществляться специальными датчиками по нагрузке, по производной от скорости (ускорению) вращения вала, по второй производной от скорости вращения вала и т. д.

Осуществление дополнительной обратной связи сопряжено с определенными трудностями. Наиболее просто в конструктив­ ном отношении и с достаточно малой степенью инерционности мо­ жет быть выполнен датчик ускорений, который можно разместить непосредственно в регуляторе топливного насоса.

Конструктивное выполнение в системе регулирования дизеля дополнительной обратной связи по ускорению может быть различ­ ным. Известны схемы механических двухимпульсных регулято­ ров [15]. Принцип действия их состоит в том, что при неустано­ вившейся нагрузке инерция масс, играющих роль чувствительного элемента, сообщает муфте регулятора дополнительный импульс.

1 0 8

du)

-/ѵч i f

U).

J ' ThJ У с и л и е .

Р и с . 7 3 . С х е м ы с и с т е м р е г у л и р о в а н и я :

а — с дополнительной обратной связью и воздействием импульса на механический ре­ гулятор; б — с дополнительной обратной связью и электронным регулятором; 1 — дви­ гатель; 2 — топливный насос; 3 — механический регулятор; 4 — электронный преобра­ зователь; 5 — исполнительный механизм

Возможно создание электронной схемы, передающей импульсы датчика углового ускорения механическому регулятору (рис. 73, а). Датчик скорости в такой схеме посылает сигналы в электронный преобразователь (дифференцирующий блок), из которого они с соответствующим усилением поступают к исполнительному ме­ ханизму, например электромагниту, перемещающему муфту ре­ гулятора. Трудность создания такой схемы заключается в дости­ жении нужных качеств исполнительного механизма (быстродей­ ствие, мощность, малая инерционность и пр.). Перспективна элек­ тронная схема двухимпульсного регулятора (рис. 73, б), свобод­ ная от трудностей предыдущего варианта.

Электронная схема регулирования (одно- и многоимпульсная) позволяет относительно простыми способами добиться практи­ чески полной безинерционности, а также обеспечить любую тре­ буемую по условиям работы двигателя степень нечувствитель­ ности системы регулирования. При описании движения вала ре­ гулятора системы регулирования с дополнительной обратной связью по ускорению в правую часть уравнения следует добавить

вания третьего порядка И. А. Вышнеградского и показано, как при увеличении импульса дополнительной обратной связи по ускорению D возрастает степень устойчивости системы регулиро­ вания дизеля СМД-14 с регулятором РВ-850, т. е. улучшается ка-

при значениях коэффициента импульса допол­ нительной обратной связи D = 0,05; 0,1; 0,2; 0>4; 0,7; 1,0

109

импульса дополнительной обратной связи по ускорению следует считать значение 0 ^ 0 , 7 кгс-м-с3.

Установлено, что изменение запаздывания импульса допол­ нительной обратной связи по ускорению в пределах 0— 1 с практи­ чески не влияет на выходные показатели мощности дизеля.

Таким образом, путем оптимизации параметров регуляторов

исовершенствования систем регулирования можно в определен­ ной степени повысить выходные показатели дизелей строительных

идорожных машин.

2« Повышение сроков службы и упрощение эксплуатации

Многочисленные факторы, влияющие на износ двигателя и определяющие его надежность, можно разделить на три основные группы: 1) факторы, обусловленные особенностью конструкции и технологии изготовления деталей двигателя и его основными параметрами (например, степенью форсирования), 2) факторы, обусловленные установленными на двигателе вспомогательными агрегатами и оборудованием (воздухоочиститель, масляный и топливный фильтры, водяной и масляный радиаторы, предпуско­ вой подогреватель и др.), а также конструкцией машины (место и способ установки двигателя, тип трансмиссии, значение за-

110

грузки и характер преодолеваемой двигателем нагрузки и т. д.); 3) эксплуатационные факторы (своевременность и качество тех­ нического обслуживания и ремонта, качество применяемых горю­ че-смазочных материалов, квалификация машиниста и т. д.).

Увеличение моторесурса двигателей путем учета влияния фак­ торов первой группы осуществляется на двигателестроительных заводах. Одним из эффективных путей обеспечения высокого срока службы двигателей является установление оптимальной степени их форсирования по частоте вращения и среднему эффективному давлению, определяющей величину механических и тепловых на­ грузок, действующих на основные детали, в зависимости от назна­ чения, т. е. условий работы двигателей.

Известно, что надежность двигателя во многом определяется надежностью шатунно-кривошипного механизма, так как выход из строя деталей этого механизма приводит, как правило, к тяже­ лым повреждениям и сопряжен с постановкой двигателя в капи­ тальный ремонт. Из опыта эксплуатации известно, что из общего числа двигателей, поступающих в капитальный ремонт, около 50% имеют дефекты коленчатого вала, а около 25% —дефекты шатунов.

Износ коленчатого вала определяется овальностью, конус­ ностью и радиальным изменением размеров шеек. Радиальный износ шеек является наиболее характерным. Овальность и конус­ ность чаще появляется во вкладышах коренных подшипников. Износ вкладышей является и основной причиной недопустимого увеличения их зазоров. Износ шеек, появляющийся во время эксплуатации, неравномерен по окружности. Наибольшее изме­ нение размеров происходит в плоскости кривошипа, что указы­ вает на большое влияние инерционных сил 1 и 2-го порядка от неуравновешенных масс. Из практики известно, что износ раз­ личных шеек происходит неравномерно. Наибольший износ имеют средние коренные шейки, наименьший — крайние, причем раз­ ница в износах может быть значительной. При таком износе шеек и соответственно вкладышей появляется повышенная сту­ пенчатость, что влечет за собой появление изгиба вала при его вращении. Появтению ступенчатости способствует недостаточная жесткость коленчатого вала и опор подшипников. Это приводит к тому, что вал начинает работать со знакопеременными напряже­ ниями, отрицательно влияющими на усталостную прочность вала. Кроме того, появление знакопеременного изгиба приводит к воз­ никновению ударных нагрузок на шейках и отражается на интен­ сивности износа вкладышей и усталостной прочности вкладышей и постелей подшипников. Наиболее эффективными средствами борьбы со ступенчатостью является применение более совершен­ ныхсхем уравновешивания, динамической балансировки вала после его изготовления и ремонта, а также повышение жесткости колен­ чатого вала и картера двигателя. Так, например, только приме­ нение дополнительных противовесов на щеках коленчатого вала позволяет у двигателя Д12 полностью устранить стационарный

111

изгиб коленчатого вала и уменьшить инерционные силы в 3—5 раз. Это приводит к снижению изгибающих моментов, возникающих при работе коленчатого вала, в 2—3 раза.

Исследования показали, что наибольшее количество трещин

иизломов наблюдается на средней и последней коренных шейках. Трещины образуются на галтелях, в смазочных отверстиях шеек

итехнологических отверстиях щек. Характер трещин и поломок

свидетельствует о том, что причиной их появления являются в основном случайные перегрузки вала, возникающие из-за его заклинивания, неравномерной загрузки по цилиндрам, потери соосности и появления дополнительных изгибающих моментов вследствие повышенной ступенчатости в подшипниках.

Износ подшипников коленчатого вала и приводимых от него агрегатов, недостаточная жесткость картера двигателя и подмо­ торной рамы приводят к тому, что в эксплуатации системати­ чески нарушается соосность коленчатого вала двигателя и вала трансмиссии. При этом появляется дополнительная изгибающая сила, вызывающая перегрузку последней коренной шейки колен­ чатого вала, ее повышенный износ и возможность заклинивания вала, а также трещины на картере в зоне последней опоры. Кроме того, при нарушении соосности появляется вибрация силовой установки и ее работа становится опасной. Поэтому при проекти­ ровании силовой установки необходимо особое внимание уделить конструкции соединительных элементов и в первую очередь местам крепления двигателя к раме и соединительной муфте.

Неравномерность подачи топлива по цилиндрам приводит к возникновению различных нагрузок в цилиндрах и способствует неравномерному износу подшипников. Существенного улучшения работы топливной системы можно добиться применением распре­

Неравномерное распределение частоты возникновения дефек­ тов по опорам позволяет сделать вывод о необходимости совер­ шенствования системы смазки. Наиболее часто заклинивание ко­ ленчатого вала, задиры подшипников и недопустимый износ шеек и вкладышей происходят вблизи средней и последней опор. Это свидетельствует о необходимости подвода наиболее обильной смазки именно к этим опорам.

Немаловажную роль для повышения надежности коленчатых валов играет совершенствование технологии их изготовления и ремонта. Преимущественно усталостный характер трещин и изло­ мов коленчатых валов свидетельствует в первую очередь о необ­ ходимости тщательной обработки шеек, галтелей, а также устра­ нения резких переходов у масляных отверстий, так как эти эле­ менты являются, как правило, концентраторами напряжений. Анализ поломок валов позволяет сделать вывод о том, что частой причиной возникновения усталостной трещины являются скры­ тые дефекты (трещины, раковины, посторонние включения), рас-

112

положенные как на поверхности, так и в теле вала. Следовательно, необходим контроль валов методами дефектоскопии (например’ с помощью электромагнитного и ультразвукового дефектоскопов).’ На нагруженность вала в большой мере влияет изгиб. Изгиб может появиться как в процессе эксплуатации, так и при изго­ товлении коленчатого вала. Изгиб коленчатого вала устраняется правкой. Как показали исследования, правка вала на прессе с отрицательным прогибом приводит к появлению в теле вала остаточных напряжений, которые снижают его усталостную проч­ ность. Поэтому окончательную правку вала следует выполнять

методом наклепа щек многоударным пневматическим инструмен­ том.

Повышение долговечности коленчатых валов может быть до­ стигнуто при использовании более износостойких материалов, а также благодаря более качественной термообработке рабочих поверхностей. Так, внедрение в производство литых коленчатых валов из высокопрочного чугуна, модифицированного магнием, повышает износостойкость валов по сравнению со стальными на 30—50% . Хорошие результаты дает азотирование шеек стальных коленчатых валов.

Значительное количество двигателей теряет свою работоспо­ собность из-за возникновения дефектов в шатунах. Такие повреж­ дения шатунов, как их обрыв и заклинивание являются причиной возникновения пробоин в блоке цилиндров, задиров шеек колен­ чатых валов, зеркала цилиндров и других аварий, последствия которых трудно или невозможно устранить при ремонте. Поэтому часто дефекты шатунов являются причиной преждевременного списания двигателя.

Наиболее часто встречающимися дефектами шатунов являются: износ, заклинивание и расплавление подшипников, износ отвер­ стий верхней и нижней головок, износ торцовых поверхностей, изгиб и скручивание стержня, трещины и обрывы, появление цве­ тов побежалости в результате перегрева, появление коррозион­ ных раковин, помятость и срыв резьбы шатунных болтов или шпи­ лек. Кроме указанных дефектов, появляющихся в результате эксплуатации, на снижение надежности шатунов значительно влияют скрытые дефекты, которые могут появиться в результате их некачественного изготовления и ремонта: риски от обработки, микротрещины и раковины на поверхности и в теле шатуна, места наклепа, образующиеся при нарушении правил сборки, и т. п. Частота появления различных дефектов показана на рис. 76.

Как показывает практика, наиболее распространенными и опасными являются дефекты, связанные со снижением усталостной прочности шатуна. Появление усталостных трещин и выкраши­ вание постелей подшипников может быть объяснено знакоперемен­ ными нагрузками, возникающими во время работы двигателя. Оно усугубляется тем, что неравномерное прилегание вкладышей к постели вызывает переменные изгибные напряжения.

113

Характер износа позволяет предполагать, что его причиной яв­ ляются высокие контактные напряжения и попадание абразивных частиц на рабочие поверхности.

Статистические данные, собранные американской фирмой Катерпиллер показывают, что причины выхода шатунов из строя (в %) распределяются следующим образом:

115

Значительного повышения износостойкости гильз можно до­ биться применением вставок из специального чугуна в верхней части гильзы. Применение вставок получило настолько широкое признание, что часто ими оснащаются гильзы цилиндров при ка­ питальном ремонте, хотя их применение и не предусмотрено кон­ струкцией двигателя. Износостойкость гильз значительно повы­ шается благодаря молочному хромированию гильз. Снижения абразивного и коррозионного износа можно добиться также путем повышения чистоты обработки зеркала цилиндров.

Существенную роль в повышении долговечности гильз ци­ линдров играет организация смазки и конструкция поршневых колец. В настоящее время для повышения срока службы поршне­ вых колец их выполняют из модифицированных чугунов, легирован­ ных молибденом или вольфрамом, а также покрывают хромом как компрессионные, так и маслосъемные кольца. Для повышения эффективности работы и увеличения срока службы применяют составные маслосъемные кольца. Для повышения надежности клапанов их изготовляют из высоколегированных сталей. Для выпускных клапанов применяют также и жаропрочные стали.

При изготовлении корпусных деталей двигателей все большее распространение получают алюминиевые сплавы, упрочненные никелем, титаном и другими металлами.

Необходимо обеспечение возможно более строгих допусков при изготовлении основных деталей, а также высокой культуры их сборки.

Одним из эффективных путей облегчения и упрощения произ­ водства и эксплуатации двигателей строительных и дорожных машин является научно обоснованная разработка мощностных и параметрических рядов и стандартов на двигатели, их агрегаты, узлы и детали. Это позволяет провести глубокую унификацию двигателей.

Известно, что унификация преследует две цели: 1) снижение затрат на производство; 2) снижение затрат в эксплуатации. Отсюда два направления унификации

Первое, производственное, направление унификации позво­ ляет максимально использовать одно и то же технологическое оборудование для выпуска разных двигателей. При этом осуще­ ствляется унификация по наиболее дорогостоящим, металлоемким деталям (блок, головки цилиндров, коленчатый вал), практически малоизнашивающимся в эксплуатации. Результатом такой уни­ фикации является, как правило, создание ряда близких по вели­ чине развиваемой мощности двигателей, незначительно (в преде­ лах, допускаемых технологическим оборудованием) отличающихся друг от друга диаметром цилиндров, ходом поршней и т. п. Подоб­ ный способ унификации затрудняет и удорожает эксплуатацию двигателей, так как он обусловливает необходимость иметь боль­ шое количество быстроизнашивающихся, сменяемых деталей

116