1.4.5 Дизель 16lva24

Дизель 16LVA24 (16ЧН24/28) фирмы «Zulzer» (Швейцария) мощностью 2940 Вт. Блок цилиндров дизеля 16LVA 24 сварной конструкции, тоннельного типа. Постели верхних коренных вкладышей отлиты из стали и приварены к перегородкам. Коленчатый вал опирается на вкладыши, расположенные в крышках-подвесках. Крышки крепятся к блоку болтами. Надежность стыка обеспечивают мелкие зубья на поверхностях постелей и подвесок.

В подшипниках коленчатого вала дизеля 16LVA24 используются толстостенные вкладыши. Антифрикционный слой состоит из медно-свинцового сплава толщиной 0,8—0,9 мм, промежуточного мягкого материала толщиной 0,02—0,03 мм и тонкого наружного покрытия толщиной 0,002—0,003 мм. Последний тонкий слой наносится на всю поверхность вкладыша. Коренной вкладыш, расположенный в крышке, и шатунный, расположенный в теле шатуна, на поверхности трения не имеют кольцевой канавки для подвода смазки. На менее нагруженных вкладышах кольцевая канавка располагается по всей окружности. На коренных и шатунных рабочих вкладышах имеется продолжение канавки с плавным переходом ее к поверхности трения. С целью уменьшения возможности появления кавитационных повреждений «холодильники» в месте разъема вкладышей отсутствуют, имеется лишь закругление радиусом (1,5—2) мм. На нерабочих вкладышах в смазочной канавке выполнены отверстия для лучшего доступа смазки в зазор подшипника.

Коленчатый вал кованый, изготовлен из хромомолибденовой стали высокой прочности и твердости, коренные и шатунные шейки шлифованы и для повышения износостойкости хромированы. Смазка поступает в специальные полости в шейках коленчатого вала, из которых по радиальным сверлениям подается в подшипник. На шатунных шейках выполнены по два рядом расположенных отверстия, а на коренных — по одному. Соединение полостей шатунных и коренных шеек осуществляется по трубкам в виде пустотелых болтов, ввернутых в щеки вала. Для предотвращения вытекания смазки из полостей коленчатый вал снабжен специальными заглушками. Для подачи смазки к поршню в нижней головке шатуна имеется кольцевая канавка и канал в стержне.

На шейке коленчатого вала шатуны (рисунок 1.20) расположены рядом и для каждой пары цилиндров одинаковые. Шатуны штампованы из хромоникелевой стали и полностью обработаны. Нижняя головка крепится к шатуну болтами. Стык соединения зубчатый. Для обеспечения стабильности размеров отверстия под шатунные вкладыши на поверхности стыка имеется вырез в центре. Конструкция шатуна позволяет проводить монтаж и демонтаж шатуна и поршня через втулку цилиндра. Разъемы крышки, шатуна и вкладышей не совпадают: первый располагается под углом 30° к оси шатуна; разъем вкладышей перпендикулярен оси шатуна. Для фиксации подшипника в одном из отверстий в смазочной канавке нерабочего вкладыша расположен штифт.

Рисунок 1.20 – Шатун дизеля 16LVA24

1 – тело шатуна; 2- зубчатый стык; 3 – крышка; 4,5 – шатунные вкладыши

1.5 Теоретические основы работы подшипников коленчатого вала

Подшипники коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания относятся к опорам жидкостного трения, смазываемым под давлением. Являясь сравнительно простым по конструктивному исполнению узлом, эти подшипники характеризуются сложностью процессов, происходящих в смазочном слое, разделяющем поверхности трения. Изучением и математическим описанием данных процессов занимается гидродинамическая теория смазки, являющаяся одной из ветвей гидродинамики движения вязких жидкостей.

Подшипники двигателей внутреннего сгорания относятся к нестационарно-нагруженным или, как их часто называют, динамически нагруженным, сложно-нагруженным. Нестационарно-нагруженными называют гидродинамические подшипники, каждая точка оси вала которых движется в пределах диаметрального зазора по некоторой траектории, определяемой переменной внешней нагрузкой и реакцией смазочного слоя, а силы инерции, связанные с ускорением относительного движения вала в подшипнике, малы по сравнению с внешней нагрузкой и ими можно пренебречь. Этим самым такие подшипники выделяются из класса стационарно-нагруженных, положение центра вала которых на рабочих режимах не зависит от времени, и высокоскоростных подшипников, где нагружение осуществляется преимущественно собственной массой вала и связанных с ним частей, а также возмущающими силами, могущими выводить систему из равновесного положения.

Рассмотрим процессы, происходящие в смазочном слое.

Условиями, необходимыми и достаточными для создания жидкостного трения, являются:

• наличие смазки, которая, кроме основного свойства — вязкости, обладает способностью прилипания к твердым поверхностям;

• относительное перемещение поверхностей вала и подшипника;

• наличие щели вначале сужающейся, а затем расширяющейся в направлении вращения.

Совместное действие данных условий приводит к тому, что внутри смазочного слоя возникают гидродинамические давления, которые могут воспринимать внешнюю нагрузку. Возникают эти давления следующим образом. При вращении вала смазка прилипает к его поверхности и вовлекается в зазор. В зазоре, в силу разности скоростей частиц у поверхности вала и подшипника, появляется относительное скольжение частиц смазки, чему препятствуют силы вязкости. Чтобы уравновесить эти силы, в каждом элементарном объеме смазки повышается давление, передаваемое на поверхности вала и подшипника (рисунок 1.21). Условием равновесия элементарного объема смазки будет равенство

При концентрическом расположении вала в подшипнике и постоянной температуре смазки давление в смазочном слое будет равномерно распределено по окружности подшипника. При смещении центра вала, возникающем в момент, когда к валу прикладывается нагрузка, давление в смазочном слое становится переменным по окружности. Оно возрастает, начиная с давления подачи смазки в зоне наибольшего зазора, достигает максимальной величины в зоне, предшествующей минимальному расстоянию между валом и подшипником, и вновь падает до нулевого давления (точнее до давления упругости насыщающих паров) в зоне расширяющегося зазора. Течение смазки в расширяющейся части зазора становится неустойчивым.

Рисунок 1.21 – Схема образования гидродинамического давления в смазочном слое подшипника скольжения

1- эпюра гидродинамического давления; 2 –элемент масляного слоя

Несущая часть смазочного слоя — это та часть, в которой развиваются избыточные давления и которая воспринимает внешнюю нагрузку, предотвращая непосредственное соприкосновение трущихся поверхностей. В силу того, что протяженность несущей части смазочного слоя до места наименьшего зазора оказывается значительно большей, чем в зоне расширяющегося зазора, реакция смазки Р, называемая иногда несущей способностью смазочного слоя, будет образовывать угол ϴ с линией центров (рисунок 1.21).

На несущую способность смазочного слоя стационарно нагруженного подшипника влияет целый ряд факторов, главными из которых являются:

• частота вращения вала (ω). При прочих равных условиях она линейно связана с давлением и реакцией смазочного слоя;

• радиальный зазор (Δ). Реакция смазочного слоя при постоянной температуре в слое обратно пропорциональна квадрату радиального зазора;

• вязкость смазки. Реакция смазочного слоя линейно зависит от вязкости смазки;

• ширина подшипника (L). С уменьшением ширины подшипника растут торцовые утечки и снижается реакция смазочного слоя.

Подшипники жидкостного трения проектируют таким образом, чтобы обеспечить полное разделение поверхностей трения на рабочих режимах. Нарушение жидкостного трения может произойти, когда поверхности трения сближаются настолько, что происходит контактирование микронеровностей. Условия, характеризующие нагруженность подшипника по всем основным параметрам, влияющим на нее, оцениваются безразмерным коэффициентом нагруженности (числом Зоммерфельда):

(1.1)

где Р — внешняя нагрузка или реакция смазочного слоя;

D — диаметр шейки вала;

—относительный зазор, ψ=е/Δ;

—коэффициент динамической вязкости смазки.

Предельное значение коэффициента нагруженности подшипника, начиная с которого происходит контактирование поверхностей, называется несущей способностью стационарно-нагруженного подшипника.

Несущую способность подшипника, являющуюся определенной величиной, не следует путать с несущей способностью смазочного слоя, т. е. с его реакцией, которая представляет собой переменную величину, зависящую при прочих равных условиях от положения вала в зазоре.

Хотя физические основы явлений, ведущие к образованию гидродинамического трения в подшипниках разных типов одни и те же, однако для каждого типа существуют некоторые особенности, которые необходимо учитывать при количественном описании их работы.

Для нестационарно-нагруженных подшипников двигателей внутреннего сгорания эти особенности заключаются в следующем. Под действием внешней нагрузки, которая переменна по величине и направлению и на установившихся режимах носит периодический характер, каждая точка оси вала движется в пределах диаметрального зазора по некоторой замкнутой траектории. В процессе движения вала в дополнение к его вращению вокруг оси существует и движение вала вдоль линии центров и вращение линии центров. Это значит, что относительная линейная скорость точек поверхностей вала и подшипника может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от направления и частоты вращения линии центров. Поскольку изменение скорости скольжения поверхности сказывается на давлении в слое, то при движении вала в зазоре реакция смазочного слоя будет меняться и возможна потеря смазочным слоем несущей способности, несмотря на постоянство частоты вращения вала.

При движении вала в подшипнике зона несущей части смазочного слоя перемещается в соответствии с изменением положения вала. Для некруглого подшипника, т. е. подшипника, поперечное сечение которого отличается от круга, или для подшипника, имеющего маслораспределительные устройства на поверхности трения, вследствие движения зоны несущей части смазочного слоя его реакция будет зависеть не только от положения центра вала на линии центров, как это имеет место в стационарно-нагруженных подшипниках, но и от положения самой линии центров. Например, если в несущую зону попадает канавка для подвода смазки, то реакция смазочного слоя уменьшается и тем больше, чем большая часть канавки попадет в эту зону (до тех нор, пока не станет равной реакции смазочного слоя подшипника с кольцевой канавкой). В процессе движения вала меняется как зона несущей способности, так и положение ее границ.

В связи с движением вала в зазоре более сложно, чем в подшипниках с постоянным положением центра вала, описываются процессы теплопереноса в смазочном слое.

Учитывая это, несущей способностью нестационарно-нагруженного подшипника скольжеиия назовем совокупность условий работы узла, начиная с которой происходит нарушение режима жидкостного трения. В эту совокупность, кроме составляющих выражения (1.1), входит и сочетание угловой скорости вала и вектора нагрузки, которые в свою очередь зависят от конструкции и условий работы дизеля. Поскольку различные сочетания условий нельзя выразить количественно, то несущая способность нестационарно-нагруженного подшипника оценивается минимальной толщиной смазочного слоя.

Следует отметить, что хотя процессы, происходящие в смазочном слое, являются основными, определяющими условия работы подшипника и в значительной мере его работоспособность, однако ими не исчерпывается определение состояния всего подшипникового узла. Большую роль играют процессы, происходящие во вкладышах подшипников, находящихся под действием переменных гидродинамических давлений, возникающих в смазочном слое. Основное влияние эти процессы оказывают на надежность подшипника. В том, как подшипник воспринимает переменное гидродинамическое давление и режимы граничного трения, главная роль принадлежит антифрикционному слою.

Немалую роль в работе подшипников играет его напряженное состояние, которое определяется не только процессами, происходящими в смазочном слое, но и параметрами посадки вкладышей в опору, качеством изготовления опор, жесткостью опор в разных направлениях и рядом других факторов. Эти стороны работы подшипника исследуют с учетом его напряженного состояния как при монтаже, так и во время работы двигателя.