сотрудник
Россия
сотрудник
Россия
сотрудник
Россия
сотрудник
Исследования проводили с цельюопределения возможности оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по величине суммарной электродвижущей силы (ЭДС), возникающей в его парах трения. Площадьконтакта трущихся деталей и зазора между ними влияетна электрическое сопротивление в контакте, и, соответственно, на величину возникающей ЭДС согласноустановленной зависимости. Для подтверждения теоретических результатов проводилиисследования на двигателе УМЗ-417 с помощьюразработанного измерительного комплексаи изготовленного токосъемного устройства, монтируемого на выходном конце коленчатого вала двигателя. При режиме работы соответствующем частоте вращения коленчатого вала 800 мин-1 суммарная величина ЭДС в цепи измерения гильза цилиндра – блок двигателя – коленчатый вал – токосъемное устройство (ТСУ) составила 83...95 мВ. При этом в паре трения поршень – гильза цилиндров она была равна 37…47 мВ, в парах трения кривошипно-шатунного механизма (коренная шейка – шатун, шатунная шейка – шатун, коренные шейки – блок двигателя) – 46...48 мВ. Соответствие результатов теоретического расчета и стендовых исследований значений величины ЭДС для реального ДВС составило: при измерении с использованием прибора Fluke для узла трения гильза цилиндра – поршень – 62,1 %, для узлов трения кривошипно-шатунного механизма – 83,3…89,6 %; при измерении прибором V1net – соответственно 85,5 % и 87,0…93,5 %. Предлагаемый метод определения состояния двигателя по величине, возникающей в его узлах трения ЭДС, может быть использован при техническом диагностировании двигателей
износ, электродвижущая сила(ЭДС), узел трения, микропара, разность потенциалов, двигатель
Одной из основных причин снижения работоспособности и ресурса долговечности узлов трения любого механизма можно считать износ его сопрягаемых поверхностей. Это подтверждаютрезультаты многочисленных теоретических и эксплуатационных исследований долговечности работы различных механизмов транспортных машин и их отдельных элементов [1, 2]. Такие изменения геометрических параметров поверхностей трущихся элементов могут быть отнесены к трем основным группам: механическое изнашиваниеот взаимного контакта двух и более поверхностей под воздействием различных сил и скоростей взаимного перемещения;коррозионно-механическое изнашивание, возникающее под воздействием химически активных сред и материалов; и наименее изученный процесс – изменение параметров поверхностей под воздействием электрического тока. Такое воздействие, несмотря на отсутствие единой теории износа, может быть наиболее информативным в плане определения состояния поверхностей трения и, соответственно, оценки работоспособности не только отдельных узлов и систем, но и агрегата в целом.
Наиболее важный агрегат в транспортных и тяговых машинах – источник их энергии – двигатель. Он состоит из совокупности различных узлов трения, поверхности которых в процессе работы осуществляют различные взаимные перемещения, характеризуемые широким спектром нагрузочных и разнонаправленных скоростных режимов. Из теории физики твердого тела известно, что взаимодействие трущихся поверхностей сопровождается влиянием на частицы материала, из которого выполнены поверхности, вызывая их колебательное и волновое движение. В результате в поверхностных слоях контактирующего материалавозникают термоэлектронные явления на атомарном уровне. Также известно негативное влияние электрических токов на противоизносные свойства материалов.
Цель работы – определение возможности оценки технического состояния двигателя по значениям электродвижущей силы,возникающей в парах.
Условия, материалы и методы. Нормальный режим работы двигателя сопровождается упругим деформированием выступов материала, которое будет происходить до момента равнодействия суммарной силы прижатия и суммарной силы реакции материалана такое воздействие [3, 4, 5]:
(1)
где ni – количество выступов вступающих в контакт, ед.;
Ni – сила реакции материала выступа на деформирующую силу в контакте, МПа.
В этом случае площадь поверхности контакта пары взаимодействия при трении:
(2)
где Пr– количество вступивших в контакт выступов, ед.;
Е – модуль Юнга, Па;
hm – наибольшая высота контактирующих выступов, мм;
no – количество выступов, находящихся на реальной контактируемой поверхности, ед.
При относительном перемещении поверхностей трения как вращательного, так и возвратно-поступательного, в зависимости от назначения узла, трения, в контакте будет возникать электрический ток [6, 7]. Известно, что линия тока искривлена в зависимости от свойств материала и распределения нагрузки в контакте. Это приводит к тому, что она как бы «стягивается» в отдельных зонах материала контакта и «растягивается» (рассеивается) в других. Тогда сопротивление той или иной поверхностей контакта может быть выраженоследующим образом:
(3)
где l – динамика длины контактной пары, мм;
ρ – удельное сопротивление материала, Ом·мм;
А – площадь поверхности, вступившей в контакт, мм2.
Согласно формуле (3), сопротивление поверхностей материала в контактной зоне будет не одинаковым. В частности в зоне «стягивания» оно будет определяться выражением:
(4)
где r – среднее значение радиуса выступа контактируемой поверхности, мм;
h – высота выступов на контактирующих поверхностях, мм.
В силу того, что элементы энергетической установки транспортной машины совершают различные разнонаправленные перемещения одних поверхностей в контакте относительно других, а также в связи с тем, что эти контакты разделяются смазочной средой для предотвращения сближения и снижения износных явлений ее можно рассматривать как типологическую систему. В этом случае любой из контактов двигателя представляет собой трехэлементную систему I металл – III смазочный материал – II металл. Поскольку в смазочном материале всегда будут присутствовать вещества различной химической активности, частицы растворенной воды и продуктов трения, то он будет обладать свойствами электролита.Следовательно, такую систему можно считатьэлектрохимической и применятьк ней основные законы электрохимии (рис. 1).
С учетом такой теории работу узла трения можно описать следующим образом. Поскольку процесс взаимодействия двух поверхностей сопровождается деформированием отдельно взятых выступов на той или иной поверхности при их относительном перемещении одна относительно другой, то в присутствии смазочного материала, обладающего определенными свойствами электролита, в момент контакта выступов будут образовываться микрогальванические пары [8, 9, 10].
При этом в момент разъединения выступов и разрушения гальванической микропары между металлами будет возникать контактная разность потенциалов (IφII), а на границе смазочного материала в контакте с поверхностями трения – разность потенциалов IIIφI и IIφIII. То есть в момент разрыва контакта будет формироваться электродвижущая сила (ЭДС). А она, в свою очередь, будет способствовать возникновению в контакте окислительно-восстановительной реакции, результатом которой становится повышенный износ поверхностей контакта.
Так какразность потенциалов – это результат энергии, идущей на обеспечение выходаносителя заряда из материала поверхности трения или смазочного материала, для рассматриваемойэлектрохимическойсхемы ее значение будет выражаться как:
(5)
где WI – энергия выхода носителя заряда из материала поверхности I;
WII – энергия выхода носителя заряда из материала поверхности трения II;
WIII – энергия выхода носителя заряда из смазочного материала III.
Учитывая то, что температура в узле трения величина не постоянная:
(6)
где К – постоянная Больцмана, Дж/К;
Т – температура в узле трения, К;
Е – заряд электрона, Кл;
п1 и п2 – соответственно, концентрация электронов в материалах поверхностей трения, м-2.
Сделав допущение, что температура смазочного материала будет иметь температуру одной из поверхностей трения в узле, получим:
(7)
Тогда, ε представляет собой термоэлектродвижущую силу.
Рассматривая выражение (7) можно констатировать, что величина электрического тока, возникающая в узле трения, будет определяться характеристиками трущихся поверхностей и температурой в контакте.
Процесс работы узла трения можно представить следующим образом. Начальный период работы сопряжения сопровождается снижением энергии на поверхности материала трения, что облегчает выход электронов (носителей заряда) [11]. Это приводит к увеличению разности потенциалов в рассматриваемой системе и активации электрохимических процессов, а наличие химически активного смазочного материала при работе трибоузла приводит к формированию на поверхностях трения окислительных пленок. Это сопровождается адсорбционным снижением прочности поверхности контактируемого материала, и как следствие, увеличением ее износа.
Таким образом, изменения основных прочностных свойств материалов поверхностей трения, прежде всего, связаны с возникновением ЭДС и электрического тока в работающем контакте [6, 12].
Исходя из этого, рассматриваемую электрохимическую систему можно представить как конденсатор с напряженностью поля (Е). В этом случае заряд одной из поверхностей трения можно выразить через величину расстояния между обкладками конденсатора, то есть расстояния между контактируемыми поверхностями узла трения:
(8)
где S– площадь поверхности контакта, мм2;
εо – диэлектрическая проницаемость среды в зазоре;
s – расстояние между контактируемыми поверхностями, мм.
Тогда зависимость ЭДС от величины зазора между трущимися поверхностями примет вид:
(9)
Результаты анализа этого выражения свидетельствуют, что величина возникающей ЭДС будет снижаться с увеличением расстояния между поверхностями трения. Установленная аналитическая зависимость позволяет сделать предположение о возможности определения размеров зазора в узлах трения двигателя по величине, возникающей в этом узле ЭДС, и использовать такой метод для диагностирования узлов и сопряжений агрегатов.
Экспериментальные исследования проводили на двигателе УМЗ-417, установленном на тормозном стенде КИ-5717.
ЭДС определялись использованием измерительного комплекса и специально разработанного токосъемного устройства (рис. 2, 3), установленного на выходном конце коленчатого вала двигателя. Для приема и передачи электрических сигналов с вращающейся поверхности коленчатого вала к измерительному устройству использовался контакт из жидкого металла.
Внутри корпуса токосъемного устройства 1 размещен неподвижный контакт 2, взаимодействие которого с подвижным контактом 4 осуществляется через слой жидкого металла 3. Жидкий металл помещен внутрь кольцевой полости 5, которая расположена между контактами 2 и 4. Также между этими контактами на продольной оси симметрии корпуса токосъемного устройства установлен шарик 6 из стали Ст3, все время находящийся в слое жидкого металла 3. Ось токосъемного устройства установлена на подшипниках 7, запрессованных в обойме подвижногоконтакта 4. Переходный контакт 8 предназначен для соединения коленчатого вала двигателя с осью токосъемного устройства. Он фиксируется на валу винтом 9. Для предотвращения прокручивания токосъемного устройства и гашения возникающих колебаний на корпус 1 устанавливается хомут 10 с прокладкой из резинового материала толщиной 2…4 мм.
Работа с токосъемным устройством (рис. 3) осуществляется в следующем порядке. Переходник 1 токосъемного устройства устанавливается на коленчатый вал двигателя и фиксируется винтом. Контакт 2 соединяется с измерительным комплексом. После проверки электрической цепи осуществляется пуск двигателя. При его работе в парах сопряжений узлов «гильза цилиндра –поршневое кольцо–поршень–элементы кривошипно-шатунного механизма–коленчатый вал двигателя» возникает электродвижущая сила. Электрическая величина ее сигнала в виде импульса с коленчатого вала через подвижный контакт 2 слой жидкого металла, стальной шарик и неподвижный контакт 3 передается на милливольтметр.
Для повышения достоверности результатов исследований использовали два типа измерительных приборов Fluke и V1net. Эксперименты проводили при частоте вращения коленчатого вала 800 мин-1, соответствующей холостому ходу ДВС, которая наиболее приемлема для оценки технического состояния двигателя в условиях пунктов диагностики. В процессе проведения исследований поддерживали нормативные показателядвигателя: удельный расход топлива– 296 г·л.с./ч, температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения–85 оС, температура картерного масла в системе смазки двигателя – 90 оС, температура воздуха в помещении размещения исследовательского стенда – 20 оС, температура отработавших газов – 420 оК, нагрузка на двигатель – 100 Н·м. Перед началом проведения измерений проводили тарировку измерительных приборов Fluke и V1net, а также используемого токосъемного устройства
Для определения зависимости ЭДС от величины зазора в измеряемых парах трения после проведения стендовых испытаний двигатель подвергали разборке. После этого измеряли зазоры в исследуемых узлах трения двигателя методом микрометрированияс использованием микрометра (ГОСТ17215-71).
Для подтверждения полученных аналитических зависимостей было определено изменение величины ЭДС в зависимости от изменения величины зазора между поверхностями узла трения. В расчетах использовалинормативные величины зазоров узлов трения двигателя Ульяновского моторного заводаУМЗ-417.
Анализ и обсуждение результатов. Графически (рис. 4)изменение величины ЭДС от зазора в сопряжении трущегося узла описывается степенной функцией вида:
(10)
По результатам исследований, используя при их обработке правило суммирования ЭДС в электрических цепях, были установлены величины этого показателя по отдельным узлам трения испытуемого двигателя (см. табл.).
При использовании прибора Fluke соответствие теоретически рассчитанной ЭДС и измеренной в ходе стендовых исследований на реальном ДВС для узла трения гильза цилиндра – поршень составило 62,1 %, для узлов трения кривошипно-шатунного механизма (коренная шейка – шатун, шатунная шейка – шатун, коренные шейки – блок двигателя) – 83,3…89,6 %. При измерении прибором V1net величины этих показателей были равны соответственно 85,5 % и 87,0…93,5 %. Таким образом, более точные результаты обеспечивало использованиее измерительного прибора V1net.
Выводы. Теоретически установлено с увеличением зазора в парах трения двигателя величина возникающей ЭДС уменьшается со 130 мВ при зазоре 0,01 мм до 18 мВ при зазоре 0,12 мм. Например, в сопряжении поршень – гильза цилиндров при нормативном значении зазора 0,15 мм величина ЭДС должна составлять 97 мВ, а при фактическом значении 0,18 мм составила 47 мВ. Таким образом, зная значение величины ЭДС, соответствующие нормативной величине зазора, можно не только оценить состояние сопряжений двигателя при проведении измерений, но и прогнозировать остаточный ресурс работы отдельных пар тренияи двигателя в целом. Предлагаемый метод определения состояния двигателя по величине, возникающей в его узлах трения ЭДС, может быть использован при техническом диагностировании не только двигателей, но и других агрегатов машин.
1. Процесс образования контактной разности потенциалов в сопряжении «поршневое кольцо - гильза цилиндров» / И. Р. Салахутдинов, А. А. Глущенко, М. М. Замальдинов и др.//Эксплуатация автотракторной и сельскохозяйственной техники: опыт, проблемы, инновации, перспективы: мат. III международной науч.-практ.конф.. Пенза: РИО ПГАУ, 2017. С. 128-130.
2. Рыжкин А.А.,Бурлаков В.Э. Об электрических явлениях при трении //Вестник ДГТУ. 2011. Т.11.№ 9.С. 1564-1573.
3. Методы управления трением и изнашиванием материалов в условиях возникновения контактной разности потенциалов / И. Р. Салахутдинов, А. А. Глущенко, М. М. Замальдинов и др. // Эксплуатация автотракторной и сельскохозяйственной техники: опыт, проблемы, инновации, перспективы: мат. III международной науч.-практ.конф.. Пенза: РИОПГАУ, 2017. С.125-127.
4. The improvement of the technique for determining technical condition of repair and maintenance equipment/ D. Molochnikov, R. Khalimov, I. Gayaziev, et al. // E3S Web of Conferences.VIII International Scientific and Practical Conference «Innovative technologies in science and education», 2020. P. 806 - 828.
5. Technological process and manufacture cost of metalized cylinder shell // A. K Subaeva, A. A. Zamaidinov, M. I. Subaev, et al //J FundamApplSci.2017. Nо.9(1S). P. 1956-1963.
6. Уханов Д.А.,Уханов А.П., Перов В.А. Наведённая ЭДС - критериальный показатель минимальной частоты вращения коленчатого вала поршневого ДВС // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии.2018. №1 (41). С. 21-25.
7. Подмастерьев К.В. Состояние и инструментальное обеспечение электрических методов мониторинга узлов трения // Известия ТулГУ: Технические науки. 2012. № 7.С. 221-234.
8. Иванова Е.И.,Мишаков В.С., Обухова И.А. Исследование температурной зависимости контактной разности потенциалов в металлах. М.: Энергия, 2018. 46 с.
9. Токосъёмное устройство / Салахутдинов И.Р., Глущенко А.А., Лисин А.В. и др. // Патент РФ № 196570, 05.03.2020.
10. Accelerated tests of cylinder-piston group for friction and wear / A. K.Subaeva, A. A. Zamaidinov, M. I. Subaev, et al // J FundamApplSci.2017. Nо.9.P. 1964-1973.
11. Theoretikal justification of geometrical dimensions, grade angle, and guantity of screw lines during cylinder liner metallization/ A.A. Zamaidinov, A. K Subaeva, A. A. Subaev, et al // Astra Salvensis.2017. Nо.5. P. 505-511.
12. Результаты моторных испытаний экспериментального бензинового двигателя внутреннего сгорания / Д.М. Марьин, И.Р. Салахутдинов, Д.Е. Молочников и др.// Вестник Казанского государственного аграрного университета: Казанский ГАУ. 2019. № 4-2 (56). С. 64-68.
