АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОДШИПНИКОВ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

0

 

 

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

 

 

 

Квфедра автомобилей,тракторов и технического сервиса

 

 

 

 

 КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Основы работоспособности технических систем»

 

АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОДШИПНИКОВ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. ВАРИАНТ 11

 

Разработал

Студент гр.062331

 

Кагиров А.А.

Проверил

Сковородин В.Я.

 

 

 

 

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2014

 

 

 

Содержание

 

 

 

1.Задание на выполнение работы ……………………………………………… 3

 

  1. Краткое описание конструкции подшипника коленчатого вала и процесса изнашивания деталей …………………………………………………………… 4
  2. Определение несущей способности подшипника и ее изменение в процессе эксплуатации двигателя………………………………………………………….. 9
  3. Определение запаса надежности по величине масляного слоя в зависимости от величины зазора в подшипнике ………………………………………………
  4. Анализ влияния эксплуатационных факторов на работоспособность подшипника.

         5.1. Влияние величины нагрузки на подшипник ………………………..10

5.2. Влияние частоты вращения коленчатого вала……………………….10

5.3. Влияние вязкости смазочного масла …………………………………

  1. Обоснование предельной величины зазора в подшипнике………………….

 

 

 

Санкт-Петербургский государственный аграрный университет

Институт технических систем, сервиса и энергетики

Кафедра автомобилей,тракторов и технического сервиса

 

 

Задание для выполнения работы по теме:

                 «Анализ работоспособностиподшипников коленчатого вала двигателей внутреннего сгорания.»

 

Студент гр.  062331 Кагиров А.А.

 

Вариант 11

 

 

                                                                                                Таблица 1

Размеры деталей и режим работы шатунных подшипников коленчатого вала

 

Параметры

Значения

Модели двигателей

FIAT(8144)

Диаметр нижней головки шатуна, мм

60,343+0,012

Диаметр шейки вала, мм

56,535-0,015

Толщина вкладыша, мм

1,9

Ширина подшипника, мм

25

Шероховатость поверхности вала, Rz      мкм

1,3

Шероховатость поверхности вкладыша, Rz      мкм

3,6

Диапазон средней нагрузки на подшипник, МПа

1,5 – 4

Диапазон частоты вращения коленчатого вала, 1/мин.

800 – 3000

Динамическая вязкость масла, Па с.

0,01

 

Содержание отчета

  1. Краткое описание конструкции подшипника коленчатого вала и процесса изнашивания деталей .
  2. Определение несущей способности подшипника и ее изменение в процессе эксплуатации двигателя.
  3. Определение запаса надежности по величине масляного слоя в зависимости от величины зазора в подшипнике
  4. Анализ влияния эксплуатационных факторов на работоспособность подшипника.

            4.1. Влияние величины нагрузки на подшипник

4.2. Влияние частоты вращения коленчатого вала

4.3. Влияние вязкости смазочного масла

  1. Обоснование предельной величины зазора в подшипнике

 

 

 

 

  1. Характеристика процессов трения и изнашивания деталей подшипников

2.1. Общая характеристика

 

Подшипники коленчатых  валов автотракторных двигателей работают в условиях граничной, полужидкостной и гидродинамической смазок.

По ГОСТ 27674 – 88 -  смазка это действие смазочного материала, в результате которого между двумя трущимися поверхностями уменьшаются износ и повреждения поверхностей деталей и коэффициент трения. Классификация включает несколько видов смазки. Применительно к подшипникам коленчатого вала выделяют следующие виды смазки.

Граничная смазка – смазка, при которой трение и изнашивание поверхностей, находящимися в относительном движении, определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объёмной вязкости смазочного материала.

Гидродинамическая смазка – жидкостная смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, самовозникающего в слое жидкости при относительном движении поверхностей.

Полужидкостная смазка – смазка, при которой осуществляется частично гидродинамическая, частично граничная смазки.

В условиях граничной смазки подшипники работают короткое время только в моменты пуска двигателя. Условия полужидкостной смазки возникают при работе двигателя на режимах, при которых максимальные нагрузки  сочетаются с низкой частотой вращения коленчатого вала. Гидродинамическая смазка обеспечивается в условиях нормального режима работы двигателя. Вид смазки зависит от большого числа факторов.

 

2.2.Параметры подшипников и условий работы

 

При анализе работоспособности подшипников используют следующие параметры (рис. 1).

Размеры подшипника:                                               

 - внутренний диаметр подшипника (вкладышей);

 –диаметр вала;

 – длина подшипника (ширина вкладыша);

 – конструктивный коэффициент,   .

Зазор в подшипнике:

 – диаметральный зазор;

 – радиальный зазор ;

 – относительный зазор, .

Параметры положения центра вала относительно центра подшипника:

 – эксцентриситет;

– относительный эксцентриситет,   ;

 – минимальная толщина смазочного слоя.

Скоростной режим:

 - частота вращения вала;

 – угловая скорость вала,         = /60.

Нагрузочный режим:

 – нагрузка на подшипник;

– давление в подшипнике,   = / .

Характеристика смазочного материала:

 - динамическая вязкость масла.

Шероховатость поверхностей трущихся деталей:

 - высота неровностей профиля по десяти точкам поверхности вала;

 - высота неровностей профиля по десяти точкам поверхности      вкладышей.

 

Работа подшипника скольжения в условиях граничной и гидродинамической смазки показана  на схеме рис. 1.

Рис. 1. Схема работы подшипника скольжения в условиях граничной смазки (а) и в условиях гидродинамической смазки (б).

 

При неработающем двигателе и при запуске (рис. 1, а), когда угловая скорость вала  равна или близка к нулю, центр  вала лежит на линии действия внешней силы  на подшипник под его центром , при этом эксцентриситет  равен радиальному зазору в подшипнике . Это соответствует граничной смазке.

По мере увеличения частоты вращения поверхность вала затягивает масло в сторону вращения, что вызывает всплытие вала на слое масла и смещение центра вала также в сторону вращения. Между трущимися поверх­ностями образуется непрерывный смазочный слой, отделяющий эти поверхности друг от друга (рис.1б). Центр вала из точки  смещается в сторону вращения в точку  и между поверхно­стями подшипника и вала возникает клиновый зазор. Смазочный слой, заполняющий этот зазор, называют масляным клином. Когда угловая скорость  примет значение, соответствующее переходу в режим гидродинамической смазки, поверхности полностью будут разделены слоем смазки (рис.2).

Рис. 2. Масляный слой при установившемся режиме работы подшипника в режиме гидродинамической смазки.

 

Расчёт подшипников скольжения, работающих в режиме жид­костного трения, основан на гидродинамической теории смазки. Исходные положения этой теории были сформулированы русским учёным Н. П. Петровым в 1883 году. Дальнейшее развитие гидродина­мическая теория смазки получила в трудах О. Рейнольдса, Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина других учёных.

Петров Н.М.  установил, что поток движущейся жидкости, взаимодействуя с наклонной пластиной, образует масляный клин и создаёт подъёмную си­лу. В подшипнике, при смещении вала под действием нагрузки на величину эксцентриситета, также образуется изогнутый масляный клин и возникает подъёмная сила, которая при жидкостном трении уравновешивает реакцию опоры, и вал вращается, не касаясь подшипников (рис. 2). Гидродинамическое давление может развивать­ся только в клиновом зазоре (см. эпюру на рис. 1).

В положении вала по схеме рисунка 1б минимальные и максимальные величины радиального зазора расположены на прямой, проходящей через центры вала и вкладыша. Эта линия называется линией центров. Минимальная толщина масляного слоя  находится на линии центров . Толщина масляного слоя зависит от большого числа факторов (нагрузки, угловой скорости,  вязкости масла и других).

 

 

 

2.3. Параметры работоспособности подшипников

2.3.1. Несущая способность подшипника

 

Параметром, характеризующим несущую способность подшипника, является коэффициент нагруженности (безразмерное число Зоммерфельда). Коэффициент нагруженности определяется по формуле:

, где

 - среднее давление в подшипнике, Па;

 – относительный зазор;

 – динамическая вязкость, Па×с;

 – угловая скорость вала, рад/с.

Коэффициент нагруженности показывает, в каких условиях смазки работает подшипник. По его величине определяется минимальная толщина слоя смазки.

Минимальная толщина масляного слоя в подшипнике на режиме жидкостного трения равна:

Взаимосвязь коэффициента нагруженности и относительного эксцентриситета, учитывающая    конструктивные особенности подшипника (отношение длины подшипника к диаметру), показана на диаграмме рис.3.

 

  1. 3.2. Запас надёжности по толщине масляного слоя

 

Нарушение режима жидкостного трения будет в случае, если минимальная толщина масляного слоя достигнет значения, называемого критическим  -        .

Критическое значение определяется условием:

 ,где

 и  шероховатости поверхностей соответственно вала и вкладыша.

Критической несущей способностью  называют величину коэффициента нагруженности, при которой минимальная толщина масляного слоя достигает такого значения, что наступает соприкосновение неровностей профиля поверхностей вкладыша и вала:

=

 

Запас надёжности работы подшипника по толщине масляного слоя определяется как отношение критического коэффициента нагруженности к рабочему:

 

 

Рис.3. Изменение коэффициента нагруженности в зависимости от эксцентриситета.

 

При работе двигателя режим работы подшипников постоянно изменяется: изменяется нагрузка на подшипник, изменяется частота вращения коленчатого вала, в зависимости от температуры смазочного масла меняется его вязкость.

Для оценки работоспособности подшипников определяют несущую способность в диапазоне изменения значений параметров режима работы подшипника.

Из всех аргументов функции коэффициента нагруженности в процессе эксплуатации двигателя изменяется только один – относительный  зазор в подшипнике. По мере увеличения зазора будет увеличиваться коэффициент нагруженности, будет увеличиваться и относительный эксцентриситет, минимальная толщина масляного слоя будет  уменьшаться.

Зазор в подшипнике, при котором минимальная толщина масляного слоя достигнет критического значения, называется предельным.

 

 

 

 

 

  1. Расчёт несущей способности подшипника

 

  1. Таблица исходных данных

Размеры деталей и режим работы шатунных подшипников коленчатого вала

 

Параметры

Значения

 

Модели двигателей

 

FIAT(8144)

 

Диаметр нижней головки шатуна, мм

 

60,343+0,012

Диаметр шейки вала, мм

56,535-0,015

Толщина вкладыша, мм

1,9

Ширина подшипника, мм

25

Шероховатость поверхности вала, Rz      мкм

1,3

Шероховатость поверхности вкладыша, Rz      мкм

3,6

Диапазон средней нагрузки на подшипник, МПа

1,5 – 4

Диапазон частоты вращения коленчатого вала, 1/мин.

800 – 3000

Динамическая вязкость масла, Па с.

0,01

 

 

  1. Определение коэффициента нагруженности и запаса надёжности.

 

Исходные данные для расчёта:

Нагрузка на подшипник:  =4МПа,

Зазор в подшипнике : минимальный  Δмин.=60,343-1,9  2-56,535=0,008мм,

максимальный    Δмакс.=60,355-1,9  2-56,52=0,035 мм.

Принимаем для расчёта средний зазор    Δсредн.=0,0215мм.

Относительный зазор: . =0,0215/56,535=0,00038

Динамическая вязкость масла:  =0,01 Па с.

Угловая скорость вала:  = /60; =3000/60=50рад/с. 

Коэффициент нагруженности равен: 

0,115       

Затем определяют критический коэффициент нагруженности. Определение критического значения коэффициента нагруженности начинают с определения критического значения минимальной толщины масляного слоя.

=1,3+3,6=4,9 мкм

Затем определяем значение относительного эксцентриситета  -                                 χ=

 

 – радиальный зазор =0,0215/2=0,1075

 

= =(0,01075-0,0049)/0,01075 = 0,54

По диаграмме Зоммерфельда (рис. 3) с учётом длины подшипника (k=l/d=25/56,535=0,44) определяют значение критического коэффициента нагруженности,      =~0,3  

Запас надёжности работы подшипника по толщине масляного слоя:

= 0,3/0,115 = 2,6

 

Так как двигатель работает в широком диапазоне нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, запас надёжности работы подшипника определяется в диапазоне изменения всех параметрам режима.

 

 

 

  1. Влияние нагрузки на подшипник и частоты вращения вала на коэффициент запаса надёжности.

 

Для анализа влияния нагрузки на коэффициент запаса надёжности рассчитывают коэффициент запаса надёжности при 10 -15 значениях давления в диапазоне изменения нагрузки. Так как коэффициент запаса надёжности зависит не только от нагрузки на подшипник, но и от частоты вращения вала, расчёт производят на нескольких частотах  в диапазоне изменения скоростного режима.

В таблице 2 приведены результаты расчёта коэффициента запаса надёжности при номинальном зазоре в подшипнике (0,0215 мм) и вязкости масла 0,01 Па с.

 

 

 

 

Таблица 2. Зависимость коэффициента запаса надёжности от нагрузки на подшипник и частоты вращения вала.

 

Давление МПа

Запас надёжности

800 об/мин

1200 об/мин.

1800 об/мин.

2400 об/мин.

3000 об/мин.

1,5

1,851852

2,777778

4,166667

5,555556

6,944444444

1,7

1,633987

2,45098

3,676471

4,901961

6,12745098

1,9

1,461988

2,192982

3,289474

4,385965

5,48245614

2,1

1,322751

1,984127

2,97619

3,968254

4,96031746

2,3

1,207729

1,811594

2,717391

3,623188

4,528985507

2,5

1,157407

1,736111

2,604167

3,472222

4,340277778

2,7

1,028807

1,54321

2,314815

3,08642

3,858024691

2,9

0,957854

1,436782

2,155172

2,873563

3,591954023

3,1

0,896057

1,344086

2,016129

2,688172

3,360215054

3,3

0,841751

1,262626

1,893939

2,525253

3,156565657

3,5

0,793651

1,190476

1,785714

2,380952

2,976190476

3,7

0,750751

1,126126

1,689189

2,252252

2,815315315

3,9

0,712251

1,068376

1,602564

2,136752

2,670940171

 

На рисунке 4 дано графическое представление результатов расчёта. Как видно из графика, запас надёжности уменьшается по мере увеличения нагрузки. При 800 об/мин  начиная с нагрузки 2,9 мПа  запас надежности <1  и смазка не обеспечивается. При  оборотах, начиная с 1200 гидродинамическая смазка (коэффициент запаса надёжности больше единицы) обеспечивается во всём диапазоне нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.

 

 

 

 

Рис. 4. Зависимость коэффициента запаса надёжности от нагрузки на подшипник и частоты вращения вала.

 

Для анализа влияния частоты вращения вала на коэффициент запаса надёжности рассчитывают коэффициент запаса надёжности при 10 -15 значениях частоты вращения в диапазоне изменения скоростного режима. Так как коэффициент запаса надёжности зависит не только от скоростного режима, но и от нагрузки на подшипник, расчёт производят при нескольких величинах нагрузки (4 – 5 вариантов) в диапазоне изменения нагрузочного режима.

В таблице 3 приведены результаты расчёта зависимости коэффициента запаса надёжности (при номинальном зазоре в подшипнике 0,0215 мм и вязкости масла 0,01 Па с) от частоты вращения вала.

 

 

Таблица 3. Зависимость коэффициента запаса надёжности от частоты вращения вала нагрузки при различной нагрузке на  подшипник.

 

Частота вращения к. в. об/мин.

Запас надёжности

1,5 МПа

2,3 МПа

3,1 МПа

4,0 МПа

800

1,851852

1,207729

0,896057

0,694444

1000

2,314815

1,509662

1,120072

0,868056

1200

2,777778

1,811594

1,344086

1,041667

1400

3,240741

2,113527

1,5681

1,215278

1600

3,703704

2,415459

1,792115

1,388889

1800

4,166667

2,717391

2,016129

1,5625

2000

4,62963

3,019324

2,240143

1,736111

2200

5,092593

3,321256

2,464158

1,909722

2400

5,555556

3,623188

2,688172

2,083333

2600

6,018519

3,925121

2,912186

2,256944

2800

6,481481

4,227053

3,136201

2,430556

3000

6,944444

4,528986

3,360215

2,604167

 

 

 

                                                                                              

На рисунке 5 дано графическое представление результатов расчёта. Как видно из графика, запас надёжности существенно увеличивается по мере увеличения частоты вращения коленчатого вала. Представленные данные подтверждают, что гидродинамическая смазка (коэффициент запаса надёжности меньше  единицы)  не обеспечивается при большой нагрузке  4 МПа и  малом скоростном режиме 800 об./мин.

 

 

 

 

Рис. 5. Зависимость коэффициента запаса надёжности от частоты вращения вала и нагрузки на подшипник.

 

 

5.3. Влияние вязкости смазочного масла

 

При работе двигателя режим работы подшипников постоянно изменяется: изменяется нагрузка на подшипник, изменяется частота вращения коленчатого вала, в зависимости от температуры смазочного масла меняется его вязкость.

Для оценки работоспособности подшипников определяют несущую способность в диапазоне изменения значений параметров режима работы подшипника.

Таблица4

 

Давление МПа

Коэффициент запаса  надежности

 

Вязкость  смазки МПА

 

 

0,005

0,01

0,015

Запас надежности при  постоянном числе оборотов 2400об./мин (40 рад./ сек)

1,5

2,78

5,56

8,33

1,7

2,45

4,90

7,35

1,9

2,19

4,39

6,58

2,1

1,98

3,97

5,95

2,3

1,81

3,62

5,43

2,5

1,67

3,33

5,00

2,7

1,54

3,09

4,63

2,9

1,44

2,87

4,31

3,1

1,34

2,69

4,03

3,3

1,26

2,53

3,79

3,5

1,19

2,38

3,57

3,7

1,13

2,25

3,38

3,9

1,07

2,14

3,21

График зависимость запаса надежности от вязкости масла

 

 

 

Рис. 5

 

 

  1. Анализ изменения работоспособности подшипника по мере изнашивания.

В процессе изнашивания поверхностей шейки вала и вкладыша увеличивается величина зазора в подшипнике. Это приводит к изменению положения центра вала относительно центра подшипника, минимальная толщина смазочного слоя уменьшается. Увеличение зазора приводит к полужидкостной, а затем и к граничной смазке в подшипнике. Величину зазора, при котором толщина масляного слоя достигает критического значения, называется предельной.

Для анализа влияния величины зазора в подшипнике и определения предельного зазора проводят анализ изменения толщины масляного слоя в зависимости от величины зазора во всём диапазоне нагрузочных и скоростных режимов работы подшипника. Для этого рассчитывают минимальную толщину масляного слоя при  значениях величины зазора в пределах от номинального до величины 0,2  мм. Расчёт производят при величине нагрузки, близкой к максимальной и  на нескольких частотах (4 варианта) в диапазоне изменения скоростного режима.

 

 

В таблицах 5 и 6 приведены результаты расчёта величины минимальной толщины масляного слоя при различной величине зазора в подшипнике и различной нагрузке на подшипник. Расчёты произведены для двух частот вращения коленчатого вала -  1200 об. в минуту и 2400 об. в минуту. На рис. 8 и 9 приведена графическая иллюстрация результатов расчёта.

 

Таблица 5. Результаты расчёта величины минимальной толщины масляного слоя при различной величине зазора в подшипнике и различной нагрузке на подшипник (частота вращения коленчатого вала 1200 об. в минуту).

 

 

Зазор  мм

Относит.  зазор

Минимальная толщина масляного слоя, мм

1,5 МПа

2,3 МПа

3,1 МПа

4,0 МПа

 

0,0215

0,00038

0,000247

0,00019

0,000175

0,000175

0,0049

0,03

0,0005

0,000265

0,000239

0,000186

0,000186

0,0049

0,04

0,0007

0,000269

0,000248

0,000212

0,000149

0,0049

0,05

0,0009

0,000283

0,00023

0,000186

0,000150

0,0049

0,06

0,0011

0,000276

0,000212

0,000159

0,000127

0,0049

0,07

0,0013

0,000272

0,000198

0,000149

0,000136

0,0049

0,08

0,0014

0,000241

0,000198

0,000156

0,000142

0,0049

0,09

0,0016

0,000223

0,000191

0,000175

0,000143

0,0049

0,1

0,0018

0,000230

0,000195

0,000177

0,000142

0,0049

0,11

0,0020

0,000233

0,000195

0,000175

0,000136

0,0049

0,12

0,0021

0,000233

0,000191

0,000149

0,000127

0,0049

0,13

0,0023

0,000241

0,000184

0,000161

0,000126

0,0049

0,14

0,0025

0,000248

0,000186

0,000149

0,000124

0,0049

0,15

0,0027

0,000239

0,000186

0,000146

0,000119

0,0049

0,16

0,0029

0,000226

0,00017

0,000142

0,000113

0,0049

0,17

0,0030

0,000210

0,000165

0,000135

0,000120

0,0049

0,18

0,0032

0,000207

0,000159

0,000127

0,000111

0,0049

0,19

0,0034

0,000202

0,000168

0,000134

0,000101

0,0049

0,2

0,0036

0,000195

0,000159

0,000124

0,000106

0,0049

0,21

0,0038

0,000204

0,000149

0,000111

0,000093

0,0049

 

Рис.6. Зависимость величины минимальной толщины масляного слоя от величины зазора в подшипнике при различной нагрузке на подшипник ( частота вращения коленчатого вала 1200 об. в минуту).

 

 

 

 

 

 

Таблица 7. Результаты расчёта величины минимальной толщины масляного слоя при различной величине зазора в подшипнике и различной нагрузке на подшипник (частота вращения коленчатого вала 2400 об. в минуту).

Зазор  мм

Относит.  зазор

Минимальная толщина масляного слоя, мм

1,5 МПа

2,3 МПа

3,1 МПа

4,0 МПа

 

0,0215

 

 

 

 

 

 

0,03

 

 

 

 

 

0,0049

0,04

 

 

 

 

 

0,0049

0,05

 

 

 

 

 

0,0049

0,06

 

 

 

 

 

0,0049

0,07

 

 

 

 

 

0,0049

0,08

 

 

 

 

 

0,0049

0,09

 

 

 

 

 

0,0049

0,1

 

 

 

 

 

0,0049

0,11

 

 

 

 

 

0,0049

0,12

 

 

 

 

 

0,0049

0,13

 

 

 

 

 

0,0049

0,14

 

 

 

 

 

0,0049

0,15

 

 

 

 

 

0,0049

0,16

 

 

 

 

 

0,0049

0,17

 

 

 

 

 

0,0049

0,18

 

 

 

 

 

0,0049

0,19

 

 

 

 

 

0,0049

0,2

 

 

 

 

 

0,0049

Как видно из графика рис. 8 (при низкой частоте вращения коленчатого вала), минимальная толщина масляного соя достигает критического значения при максимальной нагрузке уже при незначительном увеличении зазора (до 0,05 мм). Однако, на практике такие режимы встречаются крайне редко, поэтому для определения предельного зазора выбирают наиболее часто встречающиеся режимы.

 

 

Рис.9. Зависимость величины минимальной толщины масляного слоя от величины зазора в подшипнике при различной нагрузке на подшипник ( частота вращения коленчатого вала 2400 об. в минуту).

 

На рисунке 9 показана зависимость величины минимальной толщины масляного слоя от величины зазора в подшипнике при различной нагрузке на подшипник при частоте вращения коленчатого вала 2400 об. в минуту. Как видно из графика, в качестве предельного зазора можно установить зазор 0,16 мм.

 

Скачать:  У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Категория: Курсовые / Курсовые машиностроение

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.