Лекция 17

Рис. 13. Смазочная система двигателя: а — схема; б — характеристики

В качестве примера можно рассмотреть смазочную систему двигателя автомобиля. Современный форсированный автомобиль ный двигатель характеризуется разнообразием режимов работы, обусловленных изменением нагрузки двигателя и частоты вращения коленчатого вала в широких пределах. Долговечность и безотказность двигателя во многом зависят от надежной работы его смазочной системы, которая представляет собой сложную гидросистему, функционирующую в условиях непрерывного изменения и перераспределения давления и расхода масла..

Схемы смазочных систем различных двигателей и конструкций их элементов — масляных насосов, фильтрующей аппаратуры, масляных радиаторов и др., а также способы подачи масла к трущимся поверхностям отличаются значительным разнообразием. Рассмотрим методику расчета схемы надежности на примере некоторой условной смазочной системы автомобильного двигате ля, включающей различные распространенные ее элементы (рис. 13). Воспользуемся простой и удобной, в данном случае полной суммой несовместных событий

Насос 8 подает масло в главный маслопровод 4 (рис. 13, а). Пока частота вращения коленчатого вала двигателя невелика n_мин < n < n_ок редукционный клапан 7 закрыт и давление масла растет сравнительно быстро до р=р_ок. В этот момент начинает открываться редукционный клапан, и рост давления масла за медляется (характеристика 1^', рис. 13, б). По мере износа двигателя давление масла в магистрали падает (характеристика 1’). В результате при. изношенном двигателе, при частоте вращения n_мин < n < n^' падение давления может стать опасным, т. е. р < р_мин. Поэтому все чаще подачу насоса выбирают такой, что редукционный клапан открывается при частоте вращения, близкой к минимальной (характеристика 2) с тем, чтобы достаточное давление при малой частоте вращения сохранялось и на изношенном двигателе (характеристика 2’).

Масло фильтруется в полнопоточном фильтре 3 (грубой очистки) с перепускным клапаном 6, обеспечивающим подачу масла в магистраль и при засорении фильтра 3, и в частично-поточном фильтре 5 (тонкой очистки).

Для улучшения качества масла при больших нагрузках двигателя и высоких температурах окружающего воздуха предусмотрен масляный радиатор 1. Перепускной клапан 2 способствует ускорению прогрева двигателя после пуска, а также некоторому снижению нагрузки на радиатор в этом режиме.

Оценку схемной надежности системы можно проводить исход из следующих условий и допущений:

все рассмотрение идет в рамках событий, а не процессов изменения состояний элементов в зависимости от наработки;

все отказы независимы;

для любого элемента вероятность безотказной работы значительно выше вероятности появления отказа;

конструкция клапанов такова, что они наверняка открываются при достаточном давлении масла (их заедание или заклинивани в закрытом положении исключено);

возможна разрегулировка пружины клапана, заключающаяся в уменьшении силы ее сжатия;

подача масляного насоса достаточна, чтобы компенсировать сток масла при прогретом двигателе и малой частоте вращения через перепускной клапан 8 (в случае разрегулировки его пружны);

течи масла исключены (качественное литье), поскольку маслопроводы выполнены в виде каналов в блоке, а наружные трбопроводы отсутствуют; в масляном радиаторе течи масла не наблюдалось;

безотказность работы двигателя сохраняется при засорении фильтров грубой и тонкой очистки масла;

засорения (закупорка) маслопроводов исключены.

Пользуясь данными испытаний и сведениями об эксплуатационной надежности смазочной системы двигателя-прототипа, можно установить возможные отказы системы и вызываемые ими последствия.

Пусть возможны следующие отказы: поломка привода масляного насоса (разрушение зубьев шестерни); поломка клапанной пружины редукционного клапана в результате вибраций; разрегулировка пружин перепускных клапанов 6 и 2; ускоренное изнашивание двигателя в пусковой период, обусловленное повышенной вязкостью масла, особенно при низкой температуре воздуха; за- сорение фильтров грубой и тонкой очистки.

Разобьем рассматриваемую систему на следующие подсистемы: насос 8, включая редукционный клапан 7; фильтр грубой очистки 3, включая перепускной клапан 6; фильтр тонкой очистки 5; масляный радиатор 1 с перепускным клапаном 2.

Введем следующие обозначения вероятностей работоспособного состояния элементов: для насоса — R_н, для фильтров грубой и тонкой очистки — R_фг, R_фт, для редукционного клапана —R’_рк; для перепускного клапана фильтра — R‘_лф; для перепускного клапана радиатора — R_пр. Вероятности противоположных состояний обозначим буквами F с теми же индексами. Приближенно R+ F=1, поскольку вероятности и другие оценки надежности элементов системы в той или иной степени являются вообще функциями времени (наработки). Кроме того, обозначим вероятности режимов работы двигателя на малых и средних (больших) частотах соответственно Р’_од и Р”_од холодного и прогретого двигателя со ответственно Р_хд, Р_пд.

Возможные отказы отдёльных элементов надо связать с последствиями для всей смазочной системы (табл. 9).

Полная сумма несовместных событий, учитывая состояние всех элементов смазочной системы,

(R_н +F_н) [(R'_рк + F'_рк)Р'_од +Р"_од ] [(R'_пф + F'_пф)R_фг + F'_пф ] (R_фт +F_фт) [(R'_пр + F'_пр)Р_пд + Р_хд ] =1.

Если раскрыть скобки, то левая часть этого выражения будет содержать свыше ста слагаемых, общее число операций будет исчисляться сотнями.

Заданное условие R» Р для каждого элемента существенно упрощает последующие расчеты. Кроме того, все суммы в круглых и квадратных скобках равны единице.

Приведенное выражение позволяет оценить вероятность безотказной работы смазочной системы в целом или в зависимости от вида отказа. Поскольку различия между внезапными или постепенными отказами существенны, рассмотрим их раздельно.

Таблица 9. Влияние отказов отдельных элементов на отказы смазочной системы в целом

Вероятность внезапного отказа системы в соответствии с данными, приведенными в табл. 9,

F_в= F_н(R'_ркР'_од + Р"_од) + R_нF'_ркР'_од + F_нF'_ркР'_од (22)

Вероятность F_п появления постепенных отказов (уменьшения ресурса двигателя в конечном счете) определяется состоянием всех элементов, кроме масляного насоса и редукционного клапана.

Учитывая также, что пусковой период для холодного двигателя (вероятность Р_хд) тоже является причиной постепенного отказа, приближенно имеем

Анализ полученных результатов и разработка предложений по повышению надежности системы являются делом конструктора или другого специалиста по двигателям (смазочным системам), хорошо знающего конструктивные и технологические особенности конкретного двигателя. Ограничимся поэтому анализом основных тенденций.

Вероятность сохранения безотказности, превышающую 96 %, условимся считать достаточной, а вероятность возникновения внезапных отказов — менее 4 % приемлемой. Особенность рассматриваемой системы состоит в том, что на щитке автомобиля обязательна контрольная лампа давления масла или манометр. Поэтому водитель всегда оповещен о том, что давление масла является опасно малым. Если даже отказ произойдет, для автомобиля он будет полным, но не угрожающим безопасности движения.

Если вероятность появления внезапного отказа должна быть снижена, то источники могут быть оценены по слагаемым выражения (22). В рассмотренном примере недостаточны на 20,6 % вибропрочность пружины редукционного клапана и на 78,8% прочность привода масляного насоса. Вероятность одновременного возникновения двух этих отказов составляет всего 0,6 %, т. е. с подобными редкими случаями можно не считаться, по крайней мере, в первом приближении. Известен ряд способов повышения прочности пружин и борьбы с их вибрациями, например, некоторое уменьшение силы натяжения пружины или установка демпфирующего устройства (дизели ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238). Пути повышения изгибной прочности зубчатых колес масляного насоса также хорошо известны.

Анализ причин постепенных отказов важен для обеспечения заданного ресурса двигателя. Исходным является относительная величина пяти слагаемых в выражении (23). Воспользуемся опять данными численного примера.

Вероятность того, что ресурс двигателя не достигнет оптимального (максимального) значения, оказалась очень велика и составила 53 %. Приведенный расчет не позволяет определить, насколько упадет ресурс двигателя, зато дает относительную оценку каждой из причин уменьшения ресурса, выявляет резервы повышения долговечности. Почти на две трети постепенные отказы связаны с работоспособностью фильтров, прежде всего полнопоточного (грубой очистки)—на 53%, а также частично-поточного (тонкой очистки) — на 11 %. Методы фильтрации масла получили большое развитие, и его улучшение в данном случае не вызывает принципиальных трудностей. В частности, высокой эффективностью, низкой стоимостью и простотой зарекомендовали себя сменные бумажные фильтрующие элементы. Увеличение количества масла, проходящего не через фильтр из за разрегулировки пружины его перепускиого клапана, оказалось весьма значительным (25 % всех отказов), и, следовательно, фиксация установки тiружины должн быть улучшена. Известны конструкции фильтров, снабженных индикаторными лампами, указывающими водителю на увеличенный пропуск масла помимо фильтра (дизель ЯМЗ).

Пусковой период холодного двигателя является источником 9 % отказов, еще 2 % обусловлено возможностью разрегулировки перепускного клапана радиатора. И эти причины постепенных отказов могут быть уменьшены.

Известно, например, что замена воздушно-масляного радиатора жидкостно-масляным позволяет ускорить прогрев двигателя в пусковой период, уменьшить механические потери, повысить приемистость двигателя, наконец, предохранить его от переохлаждения при зимней эксплуатации. По данным испытаний (дизель ЯМЗ-740), время на прогрев масла уменьшалось в 1,5 раза. Жидкостно-масляный радиатор может включаться в систему последвательно, тогда необходимость в перепускном клапане отпадает.

Эффективными могут быть и другие меры по ускорению подачи масла к трущимся поверхностям при пуске двигателя. Оказалось, что быстрая принудительная подача масла в цилиндры в пусковой период снижает износы пары трения цилиндр — поршневые кольца в 1,5—2,3 раза. Более быстрая подача масла к подшипникам коленчатого вала при пуске двигателя достигается также введением дополнительного (затворного) клапана, препятствующего сливу масла в поддон двигателя после его остановки (ВАЗ-2 101).

Перечень возможностей уменьшить на стадии проектирования число постепенных отказов в смазочной системе двигателя является достаточно длинным. Естественно, что важное место в нем занимает повышение физической надёжности всех элементов, прежде всего качества масла.

Дата добавления: 2014-01-07