Improving diagnostics of the cylinder-piston group by pneumatic testing

Full Text

Введение

Главнейшей проблемой АПК Российской Федерации является то, что ежегодно сельскохозяйственными предприятиями страны тратится до 50 млн рублей бюджета на поддержание в работоспособном состоянии изношенной техники со сроком службы более 20 лет, процент износа которой составляет до 70 %. Такие затраты составляют значительную часть всего валового продукта сельского хозяйства.

Актуальность разработки нового метода оценки состояния цилиндропоршневой группы (ЦПГ) обусловлена тем, что по статистике основной причиной постановки двигателя на ремонт является состояние его ЦПГ и ее отказы [9, 10]. В качестве этого метода и предлагается разработка деффиренцированой методики оценки состояния гильз методом пневмотестирования.

Метод пневмотестирования был разработан еще в конце ХХ века, и в последствии на его основе были созданы различные приборы для оценки состояния ЦПГ. В целом с момента разработки данная методика хорошо зарекомендовала себя, и была накоплена большая статистическая база; однако до сих пор не существует методики, по которой можно было бы с точностью судить о величине износа гильзы цилиндра, не используя другие способы диагностики [1, 4, 5].

Пневматические способы в какой-то мере имитируют условия работы двигателя, так как производится уплотнение рабочего надпоршневого пространства. Однако в существующих исследованиях по пневматическому диагностированию ЦПГ видно, что данные методы дают лишь обобщенную оценку состояния узла, не указывая на конкретные неисправности, величину износа, и, зачастую, не дают информации о необходимости капитального ремонта [6–8].

Из пневматических методов диагностирования наибольший интерес представляет метод пневмотестирования. Однако исследования этого метода не раскрывают теоретических закономерностей фиксируемых им параметров. Все это стимулирует поиск путей совершенствования диагностирования ЦПГ ДВС данным методом.

Цель исследований

Нахождение зависимостей между износом гильзы ДВС и показаниями пневмотестора для упрощения безразборной диагностики ЦПГ.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования по определению соотношения неплотностей сопряжения «гильза – кольцо – поршень» при пневмотестировании были выбраны комплекты ЦПГ двигателей ЗМЗ-53 и КАМАЗ 720, взятые из рядовой эксплуатации.

Данные комплекты принадлежали двигателям, поступившим в ремонт и по результатам дефкектации признанным негодными к эксплуатации.

Для исследования были отобраны несколько комплектов, имеющих различные характер и степень износа.

Исследование по определению соотношения неплотностей сопряжения «гильза – кольцо – поршень» при пневмотестировании проводились с помощью пневмотестора, изготовленного на кафедре «Технические и биологические системы» ГОУ ВО НГИЭУ (рис. 1).

Рис. 1. Схема устройства: 1 – ЦПГ; 2 – компрессор; 3 – редуктор; 4 – манометр; 5 – анализатор герметичности цилиндров; 6 – кран; 7 – шланг

Воздух под давлением, создаваемым компрессором, подается под давлением в регулятор, с помощью которого устанавливается заданное рабочее давление Р_раб; оно поддерживается во время проведения эксперимента. Затем воздух попадает в надпоршневое пространство, где его давление будет зависеть от величины утечек через сопряжение «поршень – цилиндр – гильза». Р_изм определяется измерительным манометром; и чем больше величина утечек воздуха, тем оно будет меньше. Для контроля рабочего и измерительного давления применены манометры классов точности 3 и 5 соответственно.

Для продувки выбранных комплектов ЦПГ используется специально изготовленное устройство, представленное на рис. 2.

Рис. 2. Устройство в сборе

Устройство состоит из двух крышек, между которыми устанавливается проверяемый комплект ЦПГ. Крышки стягиваются четырьмя шпильками, зажимая гильзу. Для предотвращения утечек воздуха из надпоршневого пространства между гильзой и верхней крышкой устанавливается прокладка. Для проверки неплотностей ЦПГ поршень устанавливается в пяти различных положениях: ВМТ, при повороте коленвала на 45°, 90°, 135° и в НМТ. Фиксация поршня осуществляется специальным фланцем, устанавливаемым в нижнюю головку шатуна.

Пневматическая характеристика снимается в пяти точках, соответствующих повороту коленчатого вала ДВС на угол 45°, 90°, 135°, а также в ВМТ и НМТ.

Дополнительно проводятся измерения неплотностей при различных положениях поршневых колец:

1) замки колец разведены на 180° относительно друг друга перпендикулярно оси поршневого пальца;

2) замки колец располагаются по одной оси;

3) замки колец располагаются случайным образом.

По этой же методике фиксируется величина неплотности у всех комплектов ЦПГ.

Для того чтобы выявить аналитические зависимости между показаниями пневмотестора и различными видами неисправностей цилиндра, необходимо в процессе проведения эксперимента смоделировать наиболее часто встерчающиеся при рядовой эксплуатации двигателя неисправности, которые влияют на герметичность камеры сгорания.

Общеизвестно, что наиболее часто встречающимися неисправностями такого типа являются:

– сильный износ гильзы цилиндра;

– закоксовывание компрессионных колец;

– заклинивание компрессионных колец;

– поломка компрессионных колец;

– нарушение герметичности клапанного механизма;

– различные неисправности маслосъемных колец.

Перед проведением эксперимента было проведено микрометражное исследование ЦПГ выбранного двигателя и замерены исходные значения компрессии. Микрометрические замеры износа гильз ДВС проводились при различных положениях коленчатого вала, а именно: в ВМТ, НМТ и углах поворота 45°, 90°, 135°. Данные измерения были проведены в четырех плоскостях: пальца, качания шатуна и со смещением на угол 45° от них.

Чтобы определить зависимость между показаниями пневмотестора и параметрами предельно изношенной гильзы, заменили одну из гильз на изношенную.

Чтобы смоделировать отказы, связанные с заклиниванием колец, вручную заклинили компрессионные кольца путем их вклеивания в канавку с одной стороны от замка по схеме, приведенной на рис. 3.

Рис. 3. Схема защемления колец

Для моделирования поломки колец, удалили их. Чтобы симитировать неплотности клапанного механизма ГРМ, перемещали регулировочный винт коромысла. Зависимость величины подъема впусконого клапана от площади проходного сечения изменяется по следующему закону [2, 3, 11]:

$h_{кл}=\frac{f_{кл}}{\pi (d_2\cos \left(\alpha \right)+h_{кл}\sin \left(\alpha \right){\cos }^2\left(\alpha \right))}$,

где h_кл – высота подъема клапана, мм; f_кл – площадь проходного сечения клапана, мм; d₂ – диаметр горловины клапана, мм; α – угол наклона фаски клапана, град.

По результатам расчета был построен график зависимости величины подъема впусконого клапана от площади проходного сечения (рис. 4).

Рис. 4. График зависимости величины подъема впусконого клапана от площади проходного сечения

Согласно данному графику подберем величину необходимого перемещения клапана для обеспечения нужной неплотности. Перемещение же клапана обеспечим простым ввертыванием регулировочного винта коромысла механизма газораспеределения двигателя.

Результаты и обсуждение

Провели замер показателей пневмотестором. В цилиндры в обоих случаях подавался сжатый воздух под давлением 6 кг/см².

Результаты замеров представлены в таблицах 1 и 2. Под номером 1 в таблицах показаны результаты для изношенной гильзы с работающими компрессионными кольцами, под номером 2 – с введенной неисправностью в виде закоксовки компрессионных колец, под номером 3 – с введенной неисправностью в виде поломки колец, под номером 4 – с введенной неисправностью в виде поломки маслосъемных колец.

Таблица 1

Результаты замеров показателей гильзы КАМАЗ 740

Table 1. The results of measurements of the indicators of the KAMAZ 740 sleeve

Таблица 2

Результаты замеров показателей гильзы ЗМЗ-53

Table 2. The results of measurements of the indicators of the ZMZ-53 sleeve

Помимо рассмотренных неисправностей, в рядовой эксплуатации двигателей иногда наблюдается так называемый насосный эффект колец, когда масло поступает в надпоршневое пространство ДВС. Также попадание масла может происходить из-за износа направляющих втулок клапанов ГРМ и негерметичности сальников вала турбокомпрессора.

Для имитации и моделирования попадания масла в надпоршневое пространство в гильзу было добавлено моторное масло в размере 25 мг, предварительно подогретое до рабочей температуры.

Соответственно проведя продувку гильзы с данной введенной неисправностью, получили показания прибора.

Эксперимент по введению неисправностей показал, что при увеличении овальности и конусности изношенной гильзы двигателя КАМАЗ 740 показания пневмотестора снижаются с 4,2 до 3,4 кг/см², при закоксовке колец – с 3,5 до 3 кг/см², а при поломке их – с 2 до 1,5 кг/см². Для гильзы двигателя ЗМЗ-53 показания пневмотестора снижаются с 3,7 до 3,4 кг/см², при закоксовке колец – с 3,3 до 3 кг/см², а при их поломке – с 1,8 до 1,35 кг/см².

Так же подтвердилось влияние избыточного количества масла в надпоршневом пространстве на увеличение показаний пневмотестора. Исходя из данных таблиц 3 и 4, видно, что они увеличилась для двигателя КАМАЗ с 4,5 до 4 кг/см², и для двигателя ЗМЗ-53 – с 4,2 до 3,9 кг/см².

Таблица 3

Результат эксперимента с попаданием масла в надпоршневое пространство гильзы КАМАЗ 740

Table 3. The result of the experiment with oil getting into the above-piston space of the KAMAZ 740 sleeve

Таблица 4

Результат эксперимента с попаданием масла в надпоршневое пространство гильзы ЗМЗ-53

Table 4. The result of the experiment with oil getting into the above-piston space of the ZMZ-53 sleeve

Помимо описанных выше неисправностей, также моделировалась величина неплотности клапана ГРМ путем увеличения величины его открытия на h_кл.

Для этого исследуемые гильзы устанавливались на двигатели, имеющие рабочие головки блока цилиндров.

Согласно исследованиям величина неплотности клапана в процессе рядовой эксплуатации изменяется от 0 до 4 мм². Но, как известно повреждения и прогар увеличивают это величину гораздо больше.

Величину перемещения клапана задавали в соответствии с зависимостью, представленной на рис. 4. Полученные данные по неплотностям клапанов указаны в таблицах 5 и 6.

Таблица 5

Показания по двигателю КАМАЗ 740

Table 5. Indications for the KAMAZ 740 engine

Таблица 6

Показания по двигателю ЗМЗ-53

Table 6. Indications for the ZMZ-53 engine

Проведя эксперимент, видим, что при неплотности клапана в размере 3 мм² величина показаний пневмотестора практически никак не отличается от ее же величины при износе колец, следовательно при таких малых значениях неплотности данным диагностическим методом распознать прогар клапна на данной стадии практически невозможно без применения других способов диагностирования.

Также установлено что при увеличении неплотности клапана с 10 до 20 мм² показания прибора резко снижаеются, вплоть до нуля.

В соответствии с методикой исследования продувке с помощью собранной установки были подвергнуты гильзы КАМАЗ 740 и ЗМЗ-53.

С целью получения более достоверных данных по зависимости показаний пневмотестора от износа гильзы двигателя эксперимент проводился на специально изготовленной лабораторной установке. Результаты эксперимента представлены в таблицах 7 и 8.

Таблица 7

Показания прибора в гильзе КАМАЗ 720

Table 7. Instrument readings in the KAMAZ 720 sleeve

Положение КШМ	Показания прибора
	6∙105 МПа	5∙105 МПа	4∙105 МПа	Положение замков
0° (ВМТ)	3,1	2	1,7
45°	3,5	2,1	1,7
90°	3,6	2,4	2
135°	3,8	2,6	2,1
180° (НМТ)	3,9	2,8	2,3
Положение КШМ	Показания прибора
	6∙105 МПа	5∙105 МПа	4∙105 МПа	Положение замков
0° (ВМТ)	3,4	2,8	1,9
45°	3,6	2,9	1,9
90°	3,7	3	2
135°	4,1	3,5	2,5
180° (НМТ)	4,3	3,6	2,7
Положение КШМ	Показания прибора
	6∙105 МПа	5∙105 МПа	4∙105 МПа	Положение замков
0° (ВМТ)	3,4	2,7	1,9
45°	3,7	2,8	2,2
90°	3,8	3	2,3
135°	4	3,5	2,6
180° (НМТ)	4,2	3,6	2,7

Таблица 8

Показания прибора в гильзе ЗМЗ-53

Table 8. Instrument readings in the ZMZ-53 sleeve

Положение КШМ	Показания прибора
	6∙105 МПа	5∙105 МПа	4∙105 МПа	Положение замков
0° (ВМТ)	3,8	2,9	2,2
45°	3,7	2,7	2,1
90°	3,6	2,6	2
1350	3,55	2,55	1,8
180° (НМТ)	3,5	2,5	1,6
Положение КШМ	Показания прибора
	6∙105 МПа	5∙105 МПа	4∙105 МПа	Положение замков
0° (ВМТ)	4	3,5	2,7
45°	3,9	3,1	2,6
90°	3,7	2,8	2,4
135°	3,6	2,6	2,2
180° (НМТ)	3,55	2,55	2,1
Положение КШМ	Показания прибора
	6∙105 МПа	5∙105 МПа	4∙105 МПа	Положение замков
0° (ВМТ)	3,9	3,4	2,5
45°	3,8	3,1	2,4
90°	3,65	2,7	2,2
135°	3,55	2,5	2
180° (НМТ)	3,5	2,5	1,8

Вывод

Согласно полученным данным, зависимость показаний пневмотестора Р_ц от величины износа гильзы И аппроксимируется следующими выражениями:

– для плоскости качения шатуна при рабочем давлении 6 кг/см²:

$И=\frac{12,5-{Р}_{ц}}{21}$

– для плоскости качения шатуна при рабочем давлении 5 кг/см²:

$И=\frac{23-{Р}_{ц}}{48}$

– для плоскости качения шатуна при рабочем давлении 4 кг/см²:

$И=\frac{17,3-{Р}_{ц}}{36}$

– для плоскости поршневого пальца при рабочем давлении 6 кг/см²:

$И=\frac{12,3-{Р}_{ц}}{21}$

– для плоскости поршневого пальца при рабочем давлении 5 кг/см²:

$И=\frac{22,5-{Р}_{ц}}{48}$

– для плоскости поршневого пальца при рабочем давлении 4 кг/см²

$И=\frac{17-{Р}_{ц}}{36}$

About the authors

K. E. Grunin

Author for correspondence.
Email: konst.grunin2010@yandex.ru
Russian Federation, Knyaginino

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Diagram of the device: 1 – CPG; 2 – compressor; 3 – reducer; 4 – pressure gauge; 5 – cylinder tightness analyzer; 6 – tap; 7 – hose

Download (90KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Assembled device

Download (163KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Ring pinching scheme

Download (149KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. The graph of the dependence of the amount of lift of the intake valve on the flow area

Download (54KB)

Indexing metadata

6. fig.7a

Download (7KB)

Indexing metadata

7. fig.7b

Download (7KB)

Indexing metadata

8. fig.7c

Download (7KB)

Indexing metadata

9. fig.8a

Download (7KB)

Indexing metadata

10. fig.8b

Download (7KB)

Indexing metadata

11. fig.8c

Download (7KB)

Indexing metadata