Восстановление турбокомпрессоров автомобильных дизелей применением усовершенствованного ремонтного комплекта подшипникового узла

На правах рукописи

ГАФФАРОВ Айрат Гаптельхакович ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПРИМЕНЕНИЕМ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО РЕМОНТНОГО КОМПЛЕКТА ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА 05.22.10 – Эксплуатация автомобильного транспорта

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург – 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Камская госу дарственная инженерно-экономическая академия» (ИНЭКА).

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Кулаков Александр Тихонович

Официальные оппоненты: Бондаренко Елена Викторовна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», профессор кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей;

Аюкин Зульфат Ахатович, кандидат технических наук, ЗАО «Ремдизель» (г. Набережные Челны), главный инженер Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.»

Защита состоится 29 мая 2012 г. в 9:30 на заседании диссертационного совета Д 212.181.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбург ский государственный университет».

Автореферат разослан 27 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.И. Рассоха

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Автомобильный парк России неоднороден по мароч ному и возрастному составу, и наряду с современными автомобилями в эксплуа тации находится значительное количество ранее выпускаемых моделей, которые требуют поддержания работоспособного состояния ремонтами и имеют более высокие затраты на эксплуатацию. В Федеральном законе РФ от 10.01.2002 г. № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», а также Постановлении Правительства РФ от 12.10.2005 г. № 609 «Об утверждении специального технического регла мента ''О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в об ращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ''» намечено прекращение выпуска устаревших моделей и модернизация модельного ряда дизелей для повышения их технико-эксплуатационные показа телей путем применения турбонаддува, совершенствования топливной системы и других мероприятий.

ОАО «КАМАЗ» с 2005 года осуществил переход в серийном производстве на выпуск дизельных двигателей, отвечающих нормативам ЕВРО-2. В то же время в эксплуатации находится около 350 тыс. автомобилей классов ЕВРО-0 и ЕВРО-1, хотя их производство, кроме выпуска на запасные части, прекращено.

На долю турбокомпрессоров (ТКР) приходится более 25 % отказов, и они яв ляются одними из самых ненадежных узлов дизелей КАМАЗ 740.11-240. В экс плуатации, в соответствии с требованиями закона №7-ФЗ, проводится подтвер ждение экологических характеристик автомобилей на установленном уровне пу тем регулярных проверок во время проведения государственного технического осмотра и осуществления контроля в процессе эксплуатации транспорта. Запрет на эксплуатацию автомобилей из-за превышения норм содержания вредных ве ществ в отработавших газах часто является следствием отказа ТКР. Поскольку ав томобили находятся за пределами гарантии, восстановление ТКР и поддержание экологического класса производится средствами и силами эксплуатирующей ор ганизации при ремонте, что приводит к высоким затратам на эксплуатацию. В ря де руководств по эксплуатации полная разборка и ремонт ТКР не допускается, на практике при отказах заменяется весь узел целиком, что при цене одного ТКР около 7 тыс. руб. и наработке до отказа в среднем не более 40 тыс. км весьма до рого для эксплуатации.

Более 80 % отказов ТКР 7Н-1 приходится на подшипниковый узел вала рото ра. При проведении ремонта простыми заменами деталей не устраняются недос татки, допущенные при проектировании и производстве, не обеспечиваются за данные экологические и экономические параметры дизелей, послеремонтный ре сурс, установленный документацией, что вновь приводит к нарушению работы ТКР, отказам и повторному ремонту. Анализ технико-эксплуатационных показа телей дизелей после ремонта показал, что одним из наиболее перспективных ме тодов восстановления экологических и экономических параметров является ре монт ТКР, включающий изменение параметров подшипникового узла с использо ванием усовершенствованного ремонтного комплекта (УРК). Поэтому совершен ствование технологии восстановления ТКР является актуальной задачей.

Объект исследования – технология восстановления турбокомпрессоров ТКР 7Н-1 дизелей КАМАЗ 740.11-240 в эксплуатации.

Предмет исследований – смазочный процесс в подшипниковом узле турбо компрессора и его совершенствование в ремонтном комплекте.

Цель работы – повышение эффективности эксплуатации автомобилей и обеспечение ресурсных и технико-эксплуатационных показателей дизелей за счет восстановления турбокомпрессоров применением усовершенствованных ремонт ных комплектов.

Задачи исследования:

1) теоретически обосновать систему восстановления работоспособности тур бокомпрессоров и основные требования к параметрам УРК подшипникового узла ТКР;

2) разработать программу и методику экспериментальных исследований подшипникового узла ТКР и оценить эффективность изменения параметров ТКР с применением УРК;

3) разработать теоретические основы и практические рекомендации техно логического процесса и руководства по восстановлению ТКР с использованием УРК подшипникового узла в эксплуатации.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.

Теоретические исследования выполнены с использованием теории надёжности автомобилей;

гидродинамической теории смазки;

теории автомобильных двига телей;

теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования выполнялись в стендовых и производственных условиях с исполь зованием как общепринятых методик и оборудования, так и разработанных лич но автором. Достоверность научных положений работы обуславливается ис пользованием методологической базы исследования, обоснованностью приня тых допущений при разработке расчетных моделей, хорошей сходимостью экс периментальных данных с результатами собственных теоретических исследова ний и данными других авторов.

Научную новизну составляют положения, выносимые на защиту:

- математическая модель подшипникового узла, характеризующая совмещен ные процессы смазки, охлаждения и потери мощности ТКР;

- методика теплового и мощностного расчета подшипникового узла ТКР, учитывающая механические потери на гидроторможение вала ротора;

- методика экспериментальной оценки потерь мощности в подшипниковом узле, позволяющая определить их по параметрам турбины и компрессора;

- зависимости температуры масла и корпуса подшипникового узла от расхода масла в ТКР, полученные за счет восстановления с использованием УРК.

Практическая значимость работы состоит в обеспечении:

- возможности восстановления турбокомпрессоров модели ТКР 7Н-1 по раз работанному руководству и технологии на автотранспортных предприятиях пу тем применения УРК;

- улучшения технико-эксплуатационных показателей при эксплуатации авто мобильных дизелей, оснащенных восстановленными ТКР, повышения ресурса ТКР и моторного масла дизеля.

Реализация результатов работы.

Технология восстановления ТКР 7Н-1 прошла производственную проверку на Заводе двигателей ОАО «КАМАЗ», ЗАО «Ремдизель» и внедрена в эксплуата ции в 10 автотранспортных предприятиях Татарстана, Башкортостана, Самарской и Саратовской областей.

Результаты исследования используются в учебном процессе Камской госу дарственной инженерно-экономической академии, Саратовского государственно го технического университета им. Гагарина Ю.А. и Оренбургского государствен ного университета в виде руководства по ремонту турбокомпрессоров ТКР 7Н-1.

Апробация работы. Материалы исследования докладывались и получили положительную оценку на международной научно-технической конференции по силовым агрегатам КАМАЗ (Набережные Челны, 2005 г);

межвузовской моло дежной конференции, посвященной 25-летию КамПИ «Студенчество. Интеллект.

Будущее» (Набережные Челны, 2005 г.);

международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии технического сервиса» (Уфа, 2007 г.);

международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2011 г.);

I всероссийской науч но-технической конференции «Современная техника и технологии: проблемы, со стояние и перспективы», (Рубцовск, 2011 г.);

межкафедральных научно практических семинарах автомеханического факультета ИНЭКА (2003-2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в числе которых 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников из 137 наименований, 8 приложений и содержит 167 страниц, в том числе 66 рисунков и 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, приведены общая характери стика работы, научная новизна положений, выносимых на защиту, практическая значимость и основные направления исследования.

В первой главе приводится анализ эффективности дизелей в эксплуатации, рассмотрены условия работы и факторы, влияющих на отказы ТКР, а также спо собы восстановления при ремонте. Большой вклад в разработку основных прин ципов обеспечения ремонта автомобилей внесли такие ученые, как Ф.Н. Авдонь кин, В.П. Апсин, В.А. Бондаренко, Н.Н. Волошкин, Н.Я. Говорущенко, Б.В. Гольд, М.А. Григорьев, Г.В. Крамаренко, Р.В. Кугель, Е.С. Кузнецов, В.М. Михлин, А.С. Проников, Р.В. Ротенберг и другие. Повышению надежности ТКР посвящены работы Э.В. Аболтина, С.А. Анисимова, Л.В. Арсеньева, Л.В.

Горюнова, А.С. Денисова, В.Н. Каминского, И.И. Кириллова, А.Г. Костюка, В.И. Крутова, К.П. Селезнева, Н.С. Ханина и других.

Полученные в реальной эксплуатации данные по надежности автомобилей с двигателями КАМАЗ 740.11-240 показали, что на ТКР приходится 25,9 % отказов, наработка на отказ для ТКР в среднем составляет 40 тыс. км, что, наряду с боль шими затратами на запасные части и трудовыми затратами, приводит к неэффек тивной эксплуатации автомобилей. 80…85 % всех отказов ТКР составляет тор можение и заклинивание вала ротора, признаками которого при работе является течь масла со стороны турбины. Наряду с этим происходит сильный перегрев масла, быстрое его старение и образование отложений на деталях турбокомпрес сора. Существующие методы поддержания работоспособности ТКР в эксплуата ции сводятся к ограничению режимов работы двигателя с повышенной темпера турой выхлопных газов, недопущению остановки двигателя без предварительного охлаждения ТКР работой на холостом ходу, недопущению холодных запусков двигателя без подогрева. Проводившиеся ранее в производстве улучшения ТКР не привели к снижению отказов в эксплуатации.

В условиях заводских испытаний была изучена физическая картина отказа (рис. 1). Отказ ТКР получали в течении 10 минут работы при стендовых испыта ниях достижением температуры газов перед турбиной 700 С при позднем опере жении впрыска топлива.

а) б) в) Рис. 1 – Износы поверхностей подшипникового узла со стороны турбины:

а - поверхность втулки;

б - вал ротора и кольцедержатель;

в - крышка в зоне работы колец Признаками отказа является характерный свист, течь масла со стороны тур бины, неустойчивая работа дизеля. При разборке отказавшего ТКР подшипнико вый узел не разбирается без расточки (втулка не выходит через отверстие в крышке корпуса). Иногда возможен ремонт заменой на стандартный подшипни ковый узел, но ТКР за короткий период отказывает повторно, так как надежность узла остается на прежнем уровне. При ремонте необходимо использовать усовер шенствованный ремонтный комплект подшипникового узла ТКР для увеличения прокачки масла, снижения теплонапряженности, исключения деформаций корпу са и заклинивания вала ротора, увеличения срока службы масла, повышения эф фективности эксплуатации автомобилей.

Вторая глава посвящена аналитическому обоснованию технологии восста новления ТКР использованием УРК в условиях эксплуатации. Изучение процес сов подачи масла в подшипниковый узел (рис 2, а), а также наблюдения в экс плуатации по низкому наддуву, непродолжительному выбегу ротора, недостаточ ной приемистости ТКР и быстрому старению масла позволили предложить сле дующий механизм, объясняющий ухудшение смазочного процесса в ТКР. Масло для смазывания и охлаждения ТКР не может пройти в необходимом количестве через полость, образованную между опорными поясками моновтулки. Этому пре пятствуют малые проходные сечения, а также действие центробежных сил на масло со стороны вала ротора, вращающегося с частотой до 90000 мин-1. Это яв ляется причиной перегрева корпусов, масла и снижения выходных параметров ТКР (низкое избыточное давление 0,06 МПа при высокой температуре газов пе ред турбиной 680…700 °С), торможения и потери мощности на валу ротора. Рас смотрение процессов с этой точки зрения является новым подходом в исследова ниях отказов ТКР.

Рис. 2 – Расчетная схема подшипникового узла: а - серийного;

б - УРК При существующей схеме подвода масла в подшипниковый узел масло от системы смазки двигателя подается под давлением Рм =0,4 МПа в гидравличе скую систему, состоящую из трех объемов (рис. 3, точки 1, 2, 3).

Рис. 3 – Модель взаимодействия масла и вращающегося вала в подшипниковом узле ТКР при возрастании угловой скорости вала Переход из одного положения микрообъема масла в другой определяется уравнением Бернулли. В точке 1 энергия микрообъема масла определяется давле нием внешней системы Рм = 0,4 МПа. Переход в замкнутую полость 2 определя ется добавлением кинетической энергии от вращения масла вслед за валом с ок ружной скоростью. Нахождение масла на поверхности вала в точке 3 и прохож дение масла в зазоры определяется достаточностью энергии для удержания час тиц масла в поверхностном слое. Условием этого является вращение слоя масла с той же окружной скоростью, что и поверхность вала, и, следовательно, превыше ние внешнего давления над центробежными силами Рм Рц/б. Расчеты показыва ют, что до = 8000 с-1 (n = 84000 мин-1) внешнее давление превышает давление от центробежных сил, а при 8000 с-1 они сравниваются. При этом происходит отрыв масла от поверхности вала с образованием области пустот, разрывов и ка витации (положение 2 на рис. 3). При больших угловых скоростях, в том числе при расчетных = 9420 с-1, проход смазки в зазор проблематичен, и возможно граничное или сухое трение в радиальных и торцевых подшипниках. Это область неустойчивой смазки и отказов подшипникового узла. Вероятно, что область пре вышения угловой скорости более 8000 с-1 является недопустимой и недости жимой при данной конструкции, потому, что вступают в работу увеличивающие ся силы трения в подшипниках, которые замедляют скорость вращения ротора. То есть существует зона саморегулирования 8000 9420 с-1, граничащая с зоной отказов. Таким образом, подшипниковый узел работает на границе отрыва потока и не может развить большую частоту вращения, поскольку создаваемые окруж ные скорости в поверхностном слое создаются за счет отбора энергии от вала ро тора путем его торможения.

В эксплуатации, вследствие снижения давления в системе смазки, критиче ская частота вращения ротора будет снижаться. В разработанной модели обосно вываются потери мощности на гидроторможение ротора, обусловленные гидро динамическими процессами в потоке масла, их влияние на отказы ТКР в эксплуа тации, необходимость усовершенствования подшипникового узла. Обобщенное уравнение баланса мощности, передаваемой компрессору:

N e NT NTP, (1) где Nе – мощность, получаемая компрессором;

NТ – мощность, отдаваемая турби ной;

NТР – мощность трения на участке подшипникового узла: NТР =NQ +NГТ, где NQ – потери мощности трения в зазорах подшипника;

NГТ – потери мощности на гидродинамическое торможение, в которые входят следующие составляющие:

NГТ = Nкэ + NТ1+NТ2+NМ. (2) В выражении (2) учтены составляющие сопутствующих потерь мощности, которые определяют работоспособность подшипникового узла и параметры ТКР.

Необходимая энергия объема масла Nкэ для удержания на поверхности вала и прохода через зазоры - это кинетическая энергия, приобретаемая потоком жидко сти от вращающегося ротора.

Составим уравнение Бернулли для точек 1 и 3 (рис. 3). Давление масла Рм в точке 1 равно давлению в главной масляной магистрали двигателя, для точки на поверхности вала важно соотношение давлений внешнего и от действия цен тробежных сил: PM r.

2g Для того, чтобы при рабочей частоте вращения ротора масло проникало в за зоры, необходимо, чтобы оно приобрело энергию и вращалось вместе с валом в прилегающем слое. Мощность, приобретаемая потоком, отнимается от вала рото ра и является мощностью гидроторможения. Ее значение определяется по форму ле Nкэ = 0,5Q2R12 и составляет Nкэ = 37 кВт, где - плотность масла, Q - расход, – угловая скорость, R1 - радиус вала.

Значительная часть энергии NТ1 диссипируется в тепло в радиальном зазоре между валом ротора и статором в замкнутой полости. Мощность, расходуемая на преодоление трения в полости, определяется через элементарную силу трения на выделенной площадке контакта вала с объёмом смазочного материала и элемен тарный момент трения:

V V dV dV r d d, где dV 1 dFТР µ dS µ r1 r2 ;

dh dh dh dV r d d ;

dM ТР r dFТР r µ dh откуда:

2 l 2 l V1 V2 r 2 µ V1 V2 d 2 l r 2 µ V1 V2, M ТР r µ d d (3) r1 r2 r1 r2 r1 r 0 0 0 где µ - динамическая вязкость масла;

l - длина участка вала с полостью гидро тормоза;

V1 V2 - разность скоростей вала и втулки;

r1 r2 h - разность радиусов вала и втулки.

V При V2 0, dV V1 V, тогда M ТР 2lr 2 µ.

h Мощность гидравлических потерь в полости гидротормоза определяется как:

3 l r V2 n V NТ 1 M ТР M ТР 2lrµ 2 l r µ µ n2 ;

3 (4) 900 h 450 h r h и при r =5,5 мм, h=2 мм составляет NТ1 = 11 Вт.

При больших скоростях вращения зависимость сил вязкого трения от гради ента скоростей возрастает нелинейно. В этом случае a 1...3, потери гидротор можения, создаваемые потоком масла в замкнутой полости, возрастают в десятки раз, и выражение (4) приобретает вид:

3lr µ na 1.

NТ 1 (5) 450h На основе анализа смазочного процесса в ТКР разработана схема УРК под шипникового узла (рис. 2, б), в котором исключена замкнутая полость в подшип никовом узле и изменена схема подвода масла к парам трения.

Для исследования и моделирования процессов работы УРК подшипника и сравнения его с серийным разработаны схема, физико-математическая модель и методика расчета, эквивалентные схемы совмещенных гидравлических и тепло вых потоков (рис. 4). Проведен анализ условий смазки и теплопередачи в серий ном подшипниковом узле и в усовершенствованном ремонтном комплекте. Важ ной технической особенностью схемы является то, что весь поток масла, обеспе чивающий охлаждение ТКР, проходит через гидравлические сопротивления, соз даваемые в радиальных и торцевых подшипниках 4, 5, 6, 7. Этот поток опреде ляется, прежде всего, исходя из работы подшипников, а не необходимой величи ной прокачки, обеспечивающей отвод тепла от деталей ТКР. В этом состоит одно из несовершенств конструкции, которое необходимо устранять разделением по токов, идущих на смазку и на охлаждение. Другая особенность состоит в том, что вал ротора проходит через замкнутую полость, где часть полезной мощности от вала ротора превращается в мощность гидроторможения и тепло. Поэтому в экви валентной схеме УРК подшипникового узла при разделении потоков предложено убрать давление масла в полости.

б) а) qт1, qт2, qт3 – тепловые потоки от отработавших газов газовой турбины;

qтм – тепловой поток дополнительного охлаждения от масла на входе турбокомпрессора;

Т1 – температура на фланце корпуса подшипников на диаметре 120 мм;

Т2 – температура на фланце корпуса под шипников на диаметре 90 мм;

Т3 - температура на фланце корпуса подшипников на диаметре 70 мм;

Т4 – температура на бобышке (держателе) подшипника на диаметре 32 мм;

Т5 – темпе ратура на крышке корпуса подшипников на диаметре 32 мм;

Тм1,Тм2 – температуры масла, со ответственно, на входе и выходе ТКР Рис. 4 – Совмещенная схема гидравлических и тепловых потоков ТКР 7Н-1:

а) в серийном подшипниковом узле;

б) с УРК В отличие от схемы серийного ТКР, поток масла для смазки подшипников q на входе разделяется на два потока q2 и q, поток масла q3 разделяется на потоки q и q7, которые проходят через местные гидравлические сопротивления 5 и 7. До полнительно созданный поток qтм для охлаждения попадает на внутренние стенки корпуса ТКР, охлаждает его и стекает в картер к отводящему патрубку. Расход масла на охлаждение составляет 2 - 2,5 л/мин, расход масла через подшипники сохранился 2 л/мин. При расчетах подшипникового узла с УРК приняты допуще ния, что вязкость масла взята при температуре 140 С, а также использованы по лученные в экспериментах расходы масла через ТКР: максимальный 2 л/мин - в серийном и минимальный 4 л/мин - с УРК. По двум моделям вычислена тормозя щая мощность по параметрам турбины до и после усовершенствования, а также приращение температур масла на выходе из турбокомпрессора. Определена мощ ность гидроторможения, которая составляет 0,45 кВт. Приращение температуры в смазочном слое при расходе 2 л/мин составляет t = 30 С (после модернизации 5,3 С). Температура масла на выходе из ТКР при температуре масла в системе tвх = 110 С составляет tmaх = 140 С (с УРК tmaх = 115 С). Аналитическое исследо вание показало улучшение смазки и охлаждения ТКР, снижение температуры масла и деталей путем использования УРК подшипникового узла.

В третьей главе в соответствии с поставленной целью и сформулированны ми задачами разработана программа экспериментальных исследований, вклю чающая алгоритм, план и методики проведения исследований. Исследования включали в себя стендовые испытания ТКР, стендовые и эксплуатационные ис пытания двигателей КАМАЗ. Стендовые испытания ТКР проводили в цехе испы тания турбокомпрессоров Завода двигателей ОАО «КАМАЗ», что позволило оце нить деформацию корпуса подшипника, температуры масла и деталей ТКР на оригинальном стенде, структурная схема которого представлена на рис. 5.

а) б) 1 - компрессорная ступень, 2 - подшипниковый узел, 3 - турбинная ступень, 4 - мерный кол лектор входа, 5 - насос масляной ступени, 6 - механизм регулирования давления подачи масла, 7 – теплообменник, 8 - нагнетатель масла, 9 - магистраль подачи масла, 10 - магист раль слива масла, 11 - газовоздушная магистраль, 12 - магистраль сжатого воздуха, 13 - камера сгорания, 14 - топливный насос высокого давления, 15 - механизм регулирова ния подачи топлива, 16 - магистраль высокого давления, 17 - магистраль подачи топлива, 18 – эжектор, 19 - механизм регулирования подачи сжатого воздуха Рис. 5 – Структурная схема стенда для испытания ТКР (а) и схема установки термодатчиков (б) (1 - 13 места установки термодатчиков) Температуру деталей и масла при проведении стендовых испытаний опреде ляли с помощью термодатчиков, установленных в ТКР (рис. 5, б). Методика экс периментальной оценки потерь на гидроторможение в подшипниковом узле пре дусматривала измерение параметров турбины при разных моделях подшипников для получения одинаковых выходных параметров компрессора.

Стендовые испытания двигателей КАМАЗ с использованием УРК проводи лись на штатных испытательных стендах лаборатории испытания Завода двигате лей ОАО «КАМАЗ» по разработанным методикам и плану эксперимента на ре жимах снятия внешней скоростной характеристики. При проведении испытаний оценивали влияние УРК подшипникового узла турбокомпрессора на мощностные и экономические показатели работы двигателя.

Для оценки надежности в реальных условиях наблюдались автомобили с се рийными подшипниковыми узлами и с УРК, эксплуатирующиеся в рядовых авто транспортных предприятиях на территориях Башкортостана, Татарстана, Самар ской и Саратовской областей. Эти исследования позволили получить информа цию о наработке ТКР до отказа, а также о доле отказов, простоев в ремонте и за тратах на запасные части и трудовых затратах.

Четвертая глава посвящена анализу результатов экспериментальных иссле дований при испытаниях ТКР и двигателей.

При стендовых испытаниях ТКР определяли и сравнивали температуру кор пуса с серийным подшипниковым узлом и УРК в точках согласно схеме установ ки термодатчиков (рис. 6), а также расход и температуру масла на входе и выходе из ТКР (рис 7, табл. 1).

Рис. 6 – Распределение температур корпуса под- Рис. 7 – Зависимость фактического расхода шипника ТКР при ТТ = 680 оС по расстоянию (L), масла через ТКР от частоты вращения ко измеряемому в направлении от датчика 1 до дат- ленчатого вала: 1 – серийный;

2 – с УРК;

чиков 2, 3, 9, 8, 7 при вариантах комплектации: 1 – импортный аналог ТКР «Швитцер» – серийная;

2 - с УРК Таблица 1 – Результаты сравнения теплонапряженности турбокомпрессора с серийным подшипниковым узлом и УРК ТТ1, С 600 650 Темп.

, %, % серийн. УРК, % серийн. УРК серийн. УРК корпуса ti, С t1 294 214,6 27 308 227,7 26,1 321 237,3 26, t2 262 193,1 26,3 274 204,4 25,4 285 212,6 25, t3 228 170,6 25,2 237 180,6 23,8 245 187,3 23, t4 251 177,3 29,4 260 187,6 27,8 270 194,5 28, t5 240 170,6 28,9 247 180,7 26,8 255 187,8 26, t6 233 177,6 23,8 243 188,2 22,6 251 194,7 22, t7 145 126,9 12,5 148 131 11,5 151 133,2 11, 32 на бобышке t8 148 126,9 14,3 150 131,5 12,3 153 133,8 12, t9 181 163,5 9,7 186 173 7,0 189 179,7 4, 32 на крышке t10 190 163,1 14,2 196 174,5 11,0 199 179,2 9, 120 низ t11 301 205 31,9 311 217 30,2 323 226,7 29, t12 t масла на входе 112 108,2 3,4 111 109,4 1,4 113 110,8 1, t масла на выхо t13 144 126,4 12,2 147 131,8 10,3 149 133,2 10, де В таблице: ТТ1 - температура газа со стороны турбины, оС;

t1 и t11 - температу ры на фланце корпуса подшипников на 120 мм, оС;

t2 - температура на фланце корпуса подшипников на 90 мм, оС;

t3, t4, t5, t6 - температуры на фланце корпуса подшипников на 70 мм, оС;

t7, t8 –температуры на бобышке (держателе) под шипника корпуса подшипников на 32 мм, оС;

t9, t10 - температуры на крышке корпуса подшипников на 32 мм, оС;

t12 - температура масла на входе в подшип никовый узел турбокомпрессора, оС;

t13 - температура масла на выходе из корпуса подшипников, оС;

- изменение температуры, %.

Анализ полученных результатов показал снижение температуры корпуса ТКР от 4,9 до 31,9 % в различных точках, а температура масла на входе снизилась от 1,4 до 3,4 % на входе в ТКР и от 10,3 до 12,2 % на выходе из него в зависимости от температурного режима работы, что говорит о несомненной эффективности УРК с точки зрения снижения теплонапряженности ТКР, и, как следствие, сниже ния температурных деформаций корпуса. При использовании серийного подшип никового узла температура масла на выходе из ТКР поднималась выше 150 оС, что является для масла критической.

При использовании УРК температура масла не достигает критических значе ний, что увеличивает срок его службы. В сравнительных испытаниях ТКР показа телем улучшения технико-экономических параметров взята температура газов на входе в турбинное колесо для создания избыточного давления воздуха за ком прессорным колесом до 0,07 МПа. У серийного ТКР эта температура составляет tт1 = 560 оС, с УРК - tт1 = 480 оС. Давление топлива перед рабочей форсункой ка меры сгорания составляет 0,5 и 0,34 МПа соответственно.

Представленные в табл. 2 данные показывают высвобождение части мощно сти при использовании УРК, ранее затрачиваемой на гидроторможение в замкну той полости, которая превращается в полезную энергию на увеличение адиабат ной мощности в компрессоре, то есть давления наддува и расхода воздуха. Про изведена проверка адекватности математической модели и соответствия расчет ных параметров экспериментальным данным.

Таблица 2 – Параметры ТКР 7Н-1 после ремонта с УРК по результатам сравнительных стендовых испытаний с серийным Параметры Турбо Рмк Ртоп А(g) компрессоры tм tт1 tт2 Pт1 Pк2 tк2 nткр Серийный 130 0,05 70 6 560 480 0,065 0,07 91 УРК 130 0,034 71 3 480 410 0,065 0,07 93 В таблице: Рмк - перепад давления (разрежения) воздуха на мерном коллекто ре входа в компрессорную ступень, мм вод. ст.;

Ртоп - давление топлива перед ра бочей форсункой камеры сгорания, МПа;

tм - температура масла перед подшип никовым узлом, оС;

А(g) - суммарное виброускорение корпуса компрессора, м/с2;

tт1 - температура газов перед турбиной, оС;

tт2 - температура газов за турбиной, о С;

Pт1 - статическое давление газов перед турбиной, МПа;

Pк2 - статическое дав ление газов за колесом компрессора, кгс/см2;

tк2 - температура воздуха за ком прессором, оС;

nткр - частота вращения ротора, мин-1.

Сравнительные стендовые испытания двигателя КАМАЗ 740.11-240 в вари антах, укомплектованных серийными ТКР и с УРК, на режимах внешней скоро стной характеристики показали: на номинальном режиме при одинаковой мощно сти (± 1,25 %) максимальный крутящий момент увеличился на 18 Н·м (2,12 %), давление наддува – на 0,014 МПа (20,6 %). Минимальный эффективный расход топлива снизился на 4 г/л.с. ч. (2,5 %), что свидетельствует о высокой эффектив ности УРК подшипникового узла ТКР 7Н-1 для снижения теплонапряженности корпуса, увеличения срока службы моторного масла, повышения технико эксплуатационных показателей работы двигателя.

В пятой главе представлено практическое использование результатов иссле дований, направленное на повышение эффективности эксплуатации автомобилей с двигателями, укомплектованными ТКР 7Н-1, путем восстановления турбоком прессоров с УРК в эксплуатации. Для оценки ремонтопригодности и выбора ме тода ремонта проводился анализ ТКР с заклиниванием ротора и течами масла из ТКР, поступавших из эксплуатации. При обследовании и микрометрировании по разработанным методикам выявлены характерные деформации корпуса подшип ников величиной до 0,2…0,4 мм по разным поверхностям. Это было выбрано в качестве исходных данных для выбора технологии ремонта и оценки ремонтопри годности.

Для эксплуатирующих предприятий предложена технология ремонта ТКР с использованием разработанных УРК, состоящих из подшипника, фиксатора, ко лец, кольцедержателя и теплоизолирующего экрана (рис. 8). Ремонт производится обезличенным способом, с ремонтом корпуса подшипника (рис. 9), маслоотража теля, заменой подшипника и фиксатора, ремонтом ротора, допуская раскомплек товывания ротора и колеса компрессора.

Рис. 8 – Фото элементов УРК: моновтулка, фиксатор, кольцедержатель, втулка, кольца, теплоизолирующий экран а) б) в) г) Рис. 9 – Технологические операции по ремонту корпуса подшипников:

а - корпус подшипника со смещением и деформации поверхности 4 от уплотнительных колец;

б - черновая расточка в размер 28 мм для разборки;

в - чистовая расточка в размер 30 мм под втулку;

г - запрессовка втулки 2 и сверление отверстия Разработано руководство по ремонту ТКР 7Н-1, которое внедрено на Заводе двигателей ОАО «КАМАЗ», ЗАО «Ремдизель» и ряде сервисных и эксплуати рующих предприятий. Проведенные эксплуатационные испытания и наблюдения за подконтрольной партией автомобилей с отремонтированными ТКР7Н-1 с УРК показали их удовлетворительную работу до пробегов не ниже 170 тыс. км. Доля отказов по ним в эксплуатации снизилась в среднем на 35,4 %. Внедрение в экс плуатирующих предприятиях технологии ремонта ТКР 7Н-1 с использованием УРК позволило снизить себестоимость перевозок, увеличить доход от снижения простоев и получить годовой экономический эффект 1964 рубля на один автомо биль КАМАЗ.

Основные результаты и выводы 1. Решена важная задача повышения эффективности эксплуатации автомо бильных дизелей за счёт совершенствования системы восстановления турбоком прессоров применением УРК подшипникового узла, обеспечивающего повыше ние ресурса и улучшение технико-эксплуатационных показателей.

2. Теоретически обоснована новая схема подшипникового узла ТКР7Н-1, осуществляемая в процессе ремонта применением УРК, заключающаяся в изме нении схемы подачи масла и позволяющая увеличить расход масла через турбо компрессор, снизить температуру корпуса подшипникового узла и уменьшить по тери мощности на гидроторможение.

3. С использованием оригинальных экспериментальных методик подтвер ждено, что применение УРК подшипникового узла увеличивает расхода масла че рез него в 2 раза на всех режимах и уменьшает температуру масла на выходе из ТКР на 30 оС, что существенно снижает теплонапряженность элементов ТКР, уве личивает давление наддува на 0,014 МПа и частоту вращения ротора на мин-1. Двигатель, укомплектованный ТКР с УРК, имеет улучшенные технико эксплуатационные характеристики: при сохранении мощности на номинальном режиме давление наддува повысилось на 20,6 %;

удельный эффективный мини мальный расход топлива снизился на 2,5 %;

максимальный крутящий момент воз рос на 2,12 %.

4. Разработан технологический процесс восстановления ТКР 7Н-1 в условиях эксплуатации путем применения УРК без изменения корпусных деталей, содер жание которого отражено в виде руководства по ремонту.

5. Эксплуатационные испытания и наблюдения за подконтрольной партией автомобилей с отремонтированными ТКР 7Н-1 с использованием УРК указывают на их удовлетворительную работу до пробегов не ниже 170 тыс. км., а доля отка зов по ним в эксплуатации снизилась в среднем на 35,4 %. Внедрение в эксплуа тирующих предприятиях позволяет снизить себестоимость и увеличить доход от снижения простоев и получить годовой экономический эффект 1964 рубля на один автомобиль.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

В рецензируемых научных журналах:

1. Кулаков, А.Т. Совершенствование подшипникового узла турбокомпрессора автотрак торного ДВС / А.Т. Кулаков, А.А.Макушин, А.Г. Гаффаров // Тракторы и сельскохозмашины. 2010. - №2. - С. 39-42.

2. Макушин, А.А. Тепловое состояние деталей турбокомпрессора дизельного двигателя / А.А. Макушин, А.Г. Гаффаров // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2011. - №2.- С. 35-40.

3. Кулаков, А.Т. Совершенствование подшипникового узла турбокомпрессора автотрак торного двигателя / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, А.А. Макушин, А.Г. Гаффаров // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2011. - №10. - С. 238-241.

В других изданиях:

4. Гаффаров, А.Г. Организация системы смазки подшипникового узла турбокомпрессора ТКР 7Н-1: сборник материалов межвузовской молодежной конференции, посвященной 25-летию КамПИ. - Набережные Челны: КамПИ, 2005. - С. 373-375.

5. Денисов, А.С. Особенности системы смазки подшипникового узла турбокомпрессора ТКР 7Н-1: сборник научных трудов СГТУ / А.С. Денисов, А.А. Гафиятуллин, Н.И. Светличный, Г.Г. Гаффаров, А.Г. Гаффаров. - Саратов: СГТУ, 2006. - С. 4-8.

6. Денисов, А.С. Модернизация подшипникового узла турбокомпрессора ТКР 7Н-1: сбор ник научных трудов СГТУ / А.С. Денисов, А.А. Гафиятуллин, Н.И. Светличный, Г.Г. Гаффаров, А.Г. Гаффаров. - Саратов: СГТУ, 2006. - С. 8-17.

7. Малаховецкий, А.Ф. Улучшение показателей двигателей путем модернизации турбо компрессора ТКР 7Н-1: материалы международной научно-практической конференции «Ресур сосберегающие технологии технического сервиса» / А.Ф. Малаховецкий, А.Г. Гаффаров. - Уфа:

БГАУ, 2007. - С. 141-146.

8. Гафиятуллин, А.А. Совершенствование подшипникового узла турбокомпрессоров ТКР 7С6 и ТКР 7С9 дизелей КАМАЗ: сборник научных трудов «Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин» / А.А. Гафиятуллин, А.Г. Гаффаров. - Са ратов: СГТУ, 2007. - С. 76-82.

9. Денисов, А.С. Расчетная оценка эффективности усовершенствования подшипника тур бокомпрессора: сборник научных трудов «Технологические и организационные проблемы сервиса машин и пути их решения» / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, А.Г. Гаффаров. – Саратов:

СГТУ, 2010. - С. 79-86.

10. Денисов, А.С. Повышение надежности и эффективности турбокомпрессора путем усо вершенствования подшипника: сборник научных трудов «Прогрессивные технологии в транс портных системах» / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, А.А. Макушин, А.Г. Гаффаров. - Оренбург:

ОГУ, 2011. - С. 50-54.

11. Гаффаров, А.Г. Ремонт турбокомпрессора ТКР7Н-1 с модернизацией подшипникового узла: сборник научных трудов «Перспективные направления развития автотранспортного ком плекса». - Пенза: ПГУАС, 2011. - С. 79-86.

12. Гаффаров, А.Г. Ремонт и модернизация турбокомпрессоров двигателей грузовых авто мобилей и автобусов: электронное периодическое издание «Социально-экономические и тех нические системы». 2011. - №3 (60), http: //sets.ru /.

13. Гаффаров, А.Г. Повышение ремонтопригодности турбокомпрессора путем усовершен ствования подшипника: материалы всероссийской научно-технической конференции «Совре менная техника и технологии: проблемы, состояние, перспективы» / А.Т. Кулаков, А.А. Маку шин, А.Г. Гаффаров. – Рубцовск: РИИ, 2011. - С. 377-383.

Подписано в печать 16. 04. 2012 г. Формат 60х84/16 Бумага офсетная Печать ризографиче ская Уч.-изд.л. 1,0 Усл.-печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ Издательско-полиграфический центр Камской государственной инженерно-экономической академии —————————————————————————————————— 423810, г. Набережные Челны, Новый город, проспект Мира, 68/19;

тел./факс (8552) 39-65-99 e-mail: [email protected]