Стенды для испытания ДВС

                                                     Введение

         В настоящее время двигатели внутреннего сгорания используются во всех областях народного хозяйства: промышленность и сельское хозяйство, гражданское и дорожное строительство, транспорт, энергетика, нефтяная промышленность и т.д. Двигатели используемых в этих областях мобильных и стационарных агрегатов работают при резко изменяющихся нагрузках. Это происходит при трогании с места автомобилей и тракторов, переключении передач, преодолении препятствий, выполнении дорожно-строительных и сельскохозяйственных работ. По литературным данным переменные режимы для автомобилей составляют в городе 97%, на грунтовых дорогах 92%, на загородных магистралях 34% процентов всего времени работы имеющиеся в ней ссылки. Переменные режимы тракторных двигателей возникают при транспортных работах, которые составляют 40-45% от общего времени работы, так и при выполнении основных сельскохозяйственных операций. Если при транспортных работах двигатели загружены резко переменными нагрузками, обусловленными в основном изменением профиля дорог, то для сельскохозяйственных операций характерен режим при котором нагрузка колеблется относительно какого-то среднего значения.

Исследования показывают, что учет динамических характеристик  двигателя позволяет повысить эксплуатационную мощность, экономичность, надежность, долговечность и понизить токсичность  и износ двигателя внутреннего  сгорания. Потенциальные возможности  использования результатов исследования ДВС при неустановившихся режимах  составляет повышение экономичности 15-20%, производительность машинно-тракторных агрегатов на 15-20%. Из всего вышесказанного очевидна актуальность разработки стендов  для исследования двигателей внутреннего  сгорания.

                                             Общие сведения

        России практически не производятся достаточно универсальные обкаточно-тормозные стенды, которые позволяют проводить послеремонтную обкатку двигателей внутреннего сгорания (ДВС) различной мощности в полном объеме («холодную» обкатку, «горячую» без нагрузки и «горячую» под нагрузкой). В то же время, хорошо известно, что в недалеком прошлом в нашей стране любое ремонтное производство было оснащено обкаточно-тормозными стендами отечественного производства типа КИ-5543 (мощность привода 55 и 160 кВт) или зарубежного производства: Германии (ГДР) типа SAK-670 и Чехословакии типа MS-6327 (мощностью от 100 до 500 кВт). Некоторое количество этих стендов до настоящего времени находятся в хорошем работоспособном состоянии. Проводимая в дореформенный период в обязательном порядке послеремонтная обкатка ДВС обеспечивала полноценную «вторую» жизнь двигателя, доводя его ресурс не менее чем до 80% нового. Отсюда очевидно, что приобретение этого вида ремонтного оборудования для предприятий, производящих ремонт ДВС, является весьма актуальным вопросом.

       Обкатка машин, агрегатов, узлов – это специальная технологическая операция, задача которой состоит в том, чтобы при определенных, специально установленных, минимальных во времени режимах подготовить машину, агрегат к восприятию эксплуатационных нагрузок, устранить мелкие неисправности, удалить продукты износа, интенсивно выделяющийся во время приработки трущихся пар с целью последующей надежной работы машины.

 Особенность обкатки  состоит в том, что она связывает  ремонт эксплуатацию, являясь завершающей  ремонтной операцией и начальной  операцией использования изделия.

 В период обкатки  происходит приработка деталей,  то есть интенсивное разрушение  шероховатостей трущихся поверхностей  в результате металлических и  молекулярных связей и механического  зацепления мельчайших частиц  поверхностей трения.

 В процессе приработки  сопряжений происходит трансформация  поверхностного слоя: изменяются  величина и направленность микропрофиля, уменьшаются макрогеометрические отклонения формы. Увеличиваются зазоры, ослабляются натяги, изменяются микротвердость, структура поверхностного слоя. Приработка сопряжений завершается при стабилизации указанных и других характеристик.

 Происходящая в процессе  приработки пластическая реформация  сопровождается упрочнением –  повышением износостойкости поверхностей  трения.

 Никакими видами технологической  и химико-термической обработки  нельзя создать такое состояние  поверхностей трения, какое обеспечивается  приработкой.

 В процессе приработки  происходит два одновременных  процесса – макро- и микроприработка, причем продолжительность первой значительно больше, чем второй. По мере приработки происходит увеличение площади прилегания и уменьшение скорости износа поверхностей трения. Исходные макро- и микрогеометрия определяют время приработки и начальный износ. Не только более грубая, но и более чистая обработка ухудшает процесс приработки. При этом независимо от первоначальной шероховатости для одного и того же нагрузочно-скоростного режима работы устанавливается определенная шероховатость в сопряжении.

 Однако продолжительность  и качество приработки сопрягаемых  деталей зависят от исходных  значений чистоты рабочих поверхностей  и микротвердостей. Приработка сопряжений с низкими исходными значениями шероховатостей деталей является наиболее продолжительной и сопровождается большой интенсивностью изнашивания, как за счет механического взаимодействия, так и за счет пластической деформации.

 Приработка таких деталей  с высокой исходной чистотой  поверхностей менее продолжительна  и протекает с меньшей интенсивностью  изнашивания.

 Отсюда следует вывод:  значения исходных шероховатостей  сопрягаемых деталей перед обкаткой  агрегатов должны быть по возможности  близкими к их микронеровностям  после приработки.

 Например, исходная оптимальная  шероховатость рабочей поверхности  юбки поршня перед сборкой  двигателя должна находиться  в пределах 

 Ra = 0,35…0,75 мкм; компрессионных поршневых колец – Ra = 0,15…0,45 мкм; цилиндров – Ra = 0,2…0,3 мкм.

 Общепринятым при назначении  режимов обкатки агрегатов считается  постепенное наращивание скоростей  и удельных нагрузок на детали  прирабатываемых сопряжений.

 Приработка на одном  нагрузочно-скоростном режиме не подготавливает сопряжение к восприятию эксплуатационных нагрузок и скоростей. Получаемая при этом микрогеометрия поверхностей трения будет соответствовать только этому режиму нагружения и при изменении его (режима) будет изменяться и микрогеометрия трущихся поверхностей деталей. Поэтому приработку сопряжений надо вести при переменном режиме, получаемом изменением нагрузки и скорости передвижения трудящихся поверхностей относительно друг друга.

 Начинать приработку  надо с минимальных значений  нагрузок и скоростей на детали  агрегата, указанных в технических  условиях, и доводить их до максимальных постепенно, ступенями.

 Приработка поверхностей  трения должна протекать в  смазочной среде при наличии  масляной пленки между сопрягаемыми  деталями. Минимальная толщина t масляной пленки зависит от  высоты микронеровностей обеих  трущихся поверхностей hт, диаметра абразивных частиц d, деформации деталей за счет силовых и тепловых воздействий hд. На толщину масляной пленки и на процесс приработки оказывает влияние также качество смазки (вязкость масла, его состав, маслянистость и т.д.), температура и давление подачи масла.

 Масло, применяемое  для обкатки должно не только  обладать хорошей смазывающей  способностью, но и хорошо охлаждать  трущиеся поверхности, вымывать  загрязнения.

 Маловязкие масла в  достаточном количестве проникают  в зазоры между поверхностями  трения, поэтому хорошо охлаждают  их и вымывают загрязнения  из зон трения. Однако из-за  их низкой несущей способности  создаются предпосылки для возникновения  задирав.

 С увеличением вязкости  масел толщина масляной пленки  становится больше и вероятность задирав уменьшается, но хуже отводятся тепло и загрязнения. Для двигателей внутреннего сгорания рациональная вязкость приработочных масел должна быть 6…8 с Ст.

          Двигатель внутреннего сгорания обкатывают на электротормозных стендах: КИ-598Б, КИ-2118А, КИ-2139А, КИ-13532, КИ-5541 КИ-5542, КИ-5543, КИ-5540 КИ-5274, КИ-4893 и др.

                                        Краткое описание стенда

  Стенд для обкатки двигателя внутреннего сгорания, содержащий основание, нагрузочное и соединительное устройство, продольные направляющие, закрепленные на основании, раму, установленную на продольных направляющих с возможностью перемещения и фиксирования, ложементы для размещения двигателя, согласно изобретению имеет поперечные направляющие и стойки, причем рама выполнена в виде автономных балок, поперечные направляющие закреплены на балках, а стойки установлены на поперечных направляющих с возможностью перемещения и фиксирования.

 Кроме того, ложементы  закреплены на стойках с возможностью  перемещения по вертикали и  фиксирования в избранном положении.  Соединительное устройство выполнено  в виде внешнего цилиндра, внутреннего  цилиндра и вала с зацепляющими  зубьями для соединения с валом  двигателя. Внешний цилиндр скреплен  с нагрузочным устройством. Внутренний  цилиндр соединен с внешним  цилиндром посредством первого  шлицевого соединения. Вал соединен  с внутренним цилиндром посредством  второго шлицевого соединения. На  внешнем и внутреннем цилиндрах  установлены фиксаторы. На внутреннем  цилиндре и на валу образованы  выемки для размещения фиксаторов.

 Поперечные направляющие и стойки, установленные на поперечных направляющих с возможностью перемещения и фиксирования, а также размещение ложементов на стойках обеспечивают возможность плавкого регулирования расстояния между ложементами в поперечном направлении в широком диапазоне в соответствии с расположением опор испытуемого двигателя, а также обеспечивают возможность перемещения двигателя в направлении, перпендикулярном оси вала двигателя.

 Выполнением рамы в  виде автономных балок с размещением  на них поперечных направляющих  обеспечена возможностью изменения длины рамы и расстояния между ложементами в продольном направлении в соответствии с расположением опор испытуемого двигателя.

 Закреплением ложементов  на стойках с возможностью  перемещения по вертикали и  фиксирования в избранном положении  обеспечена возможность регулирования  положения ложементов по вертикали  и, соответственно, возможностью  размещения двигателя на разной  высоте.

 Таким образом, предусмотренные  широкие диапазоны плавного регулирования  положения ложементов в продольном, поперечном и вертикальном направлениях  обеспечивают возможность крепления  и обкатки других механизмов, например, коробки передач, ведущего  моста автомобиля, раздаточной коробки.

 Соединительное устройство, выполненное в виде телескопически  соединенных между собой внешнего цилиндра, внутреннего цилиндра и вала с зацепляющими зубьями, позволяет ускорить и облегчить соединение и рассоединение вала двигателя с нагрузочным устройством, что обеспечивает эксплуатацию стенда.

                                       Стенд работает стен следующим образом

   Испытываемый блок-картер с невыпрессоваными гильзами цилиндров подъемно-транспортным механизмом подается на концевой рольган стенда, при этом левый боковой пневмоприжим отведен вверх. Здесь на верхнюю плоскость блока устанавливается прижимная плита и блок по рольгангу продвигают внутрь каркаса до упора в правый боковой пневмоприжим. Последний закрывает отверстие для подвода воды в блок. Затем опускается левый пневмоприжим, который перекрывает еще одно отверстие для подвода воды в торце блока. Передние пневмоприжимы, перемещением по стержню, устанавливаю против других отверстий водной полости блока.

Далее нажатием кнопки включается приводной двигатель гидронапорного узла. Все плунжеры насоса начинают подавать масло под давлением в масляный аккумулятор. Давление в аккумуляторе регулируется редукционным клапаном до величины 10 Мпа. Контроль за давлением осуществляется манометром.

Переключением запорного  крана масло под давлением  подается в верхние гидроцилиндры  – прижимы, которые через плиту  воздействуют (давят) на блок. Блок, находясь на утапливаемых роликах, так же давит  на них. В результате чего ролики утапливаются, а блок становится на опорную поверхность  каркаса. Дальнейшее развитие усилия гидроцилиндров приводит к полной загерметизации всех отверстий в верхней плоскости блока, а так же обеспечивает надежное прижатие (закрепление) блока к поверхности каркаса.

Проверка целостности  корпуса блока на данном стенде состоит  в том, что в водяную полость  блока подается вода под давлением 0,4 Мпа, после выдержки 5…7 минут блок осматривается со всех сторон –  определяется наличие течей по которым выявляются трещины.

Подача воды в блок под  давлением осуществляется с помощью  сжатого воздуха. Для этого у  стенда предназначена пневмо-гидросистема устройство которой описано выше. Выполняется это следующим образом. Сжатый воздух из внешнего источника (пневмомагистраль мастерской) поступает через маслораспылитель. Далее образованы две пневмолинии. По первой из них через пневмораспределитель, сжатый воздух подается по всем боковым пневмоприжима, которые прижимаются к блоку пневмоцилиндром и за счет имеющихся резиновых уплотнений гермитизируют боковые отверстия в блок – картере. По этой же пневмолинии сжатый воздух поступает в клапан между поддоном и баллоном и запирает его.

По второй пневмолинии через регулятор давления и пневмораспределитель сжатый воздух подается в баллон с водой. Регулятором давления устанавливается давление воздуха – 0,4 Мпа.

Вода под действием  сжатого воздуха поступает в  проверяемый блок-картер и заполняет  его. При этом воздух оставшийся в водных полостях блока, выпускается через краник, имеющийся в прижимной плите.

Блок – картер выдерживается  под давлением 5…7 минут и осматривается  со всех сторон в поисках наличия  течей по которым выявляются возможные трещины в его стенках. Осмотр должен быть тщательным, т. к. начальные трещины могут иметь размер несколько миллиметров. Для этого у стенда имеется возможность поворачивать блок в нужном направлении. Производится это путем поворота каркаса в котором установлен блок. Каркас опирается своими кольцами на катки и легко поворачивается ручным усилием. Предварительно нажатием педали фиксатор отводится от паза в кольце. Для фиксации каркаса и соответственно блок-картера в нужном положении педаль отпускается и фиксатор вновь срабатывает. По окончании обкатки проводят контрольный осмотр и устраняют неисправности.

          И для разнообразия разберем один из новых типов обкаточно-тормозных стендов серии ОТС, обеспечивающий испытание двигателей различной мощности: грузовых и легковых автомобилей, строительно-дорожных машин, тепловозов, сельскохозяйственной и прочей техники. Основной отличительной особенностью стенда является использование в качестве привода (при холодной обкатке) и в качестве тормозного (нагрузочного) устройства (при горячей обкатке под нагрузкой) одного асинхронного электродвигателя. Важной характеристикой стенда является также то, что в его состав входит рекуператор, который отдает электроэнергию от этого электродвигателя, работающего при горячей обкатке в генераторном режиме, в промышленную электросеть. Иллюстрационная функциональная  схема стенда серии ОТС приведена на рисунке:

Обычно при обкаточно-тормозных  испытаниях  ДВС измерительными приборами стенда контролируются частота  вращения коленчатого вала, крутящий момент на валу ДВС и расход топлива. Однако для более качественной оценки состояния ДВС после ремонта  желательно контролировать дополнительно: давление масла в системе смазки, давление воздуха на впуске, температуру  масла в системе смазки, температуру  охлаждающей жидкости и т. д.

 Стенд оснащен компьютерной измерительно-управляющей системой, позволяющей в процессе обкатки и испытаний измерять и регистрировать все необходимые параметры технического состояния (ПТС) двигателя, а также обеспечивать информационное сопровождение испытаний с автоматической распечаткой протокола испытаний и его хранением в памяти компьютера.

   Измерение ПТС  осуществляется с помощью датчиков, имеющих электрический выходной  сигнал. При обкатке датчики подключаются  к ДВС с помощью специальных  присоединительных устройств. Сигналы  с датчиков поступают на блок  обработки измерительной информации, подключаемый к персональному компьютеру.

   Результаты измерений, технологические указания по режимам обкатки, нормативные значения контролируемых ПТС, протокол испытаний и т.д. оператор может наблюдать на мониторе компьютера.

                                                   Заключение

 Анализ деятельности  подвижного состава в ГУП УР  ИПОПАТ показал, что на предприятии  не должным образом проводятся  работы по техническому обслуживания  и ремонту ДВС, что значительно  увеличивает затраты на ТО  и ремонт автомобилей.

 Обкаточно-тормозной стенд позволит значительно увеличить пробег автомобилей, повысить мощностные данные двигателей в результате качественного проведения режимов обкатки и испытания; повысится коэффициент выпуска подвижного состава; уменьшится время на технологические операции, связанные с обкаткой и испытанием ДВС, что в свою очередь влияет на производительность, трудоемкость и конечно прибыль.

Литература

1. Юлдашев А.К., Хайрутдинов И.Н. Стенды для исследования двигателей внутреннего сгорания при неустановившихся нагрузках. - Казань: Изд-во «Фэн», 2002.

2. Использование динамических  характеристик рабочих процессов  тепловых двигателей для проектирования, эксплуатации, диагностики и ремонта:  Материлы международного научно-технического семинара, Казань, 22-25 сентября 2003 года.

3. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков ПИ. LabVIEW для радиоинженеров: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. - М: ДМК Пресс, 2007. - 400 с.

4. Патент на полезную  модель (РФ) № 66526 Стенд для исследования  рабочих процессов двигателя  внутреннего сгорания в динамических  режимах/ Юлдашев А.К., Евдокимов  Ю.К., Синицкий С.А., Денисов ЕС. и д.р. 10.9.2007 Бюл. №25