СПОСОБ БЕЗРАЗБОРНОЙ ДИАГНОСТИКИ СТЕПЕНИ ИЗНОСА КОРЕННЫХ ПОДШИПНИКОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01M15/04 G01M15/09 G01M13/04 

Изобретение относится к области эксплуатации машин и может быть использовано при диагностировании двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Гидродинамические подшипники скольжения коленчатого вала работают под воздействием больших резко меняющихся нагрузок, и основное, что определяет их работоспособность, - это зазор между сменным вкладышем коренного или шатунного подшипника и соответствующей шейкой коленчатого вала (или так называемый зазор «масляного клина»).

Известен способ измерения зазоров в гидродинамических подшипниках скольжения по показаниям индикаторов приспособления КИ-7892 при создании разрежения и давления (попеременно) в камере сгорания с помощью вакуум-насоса и воздухораспределителя. В ресиверах поддерживают давление 200…250 кПа и разрежение 60…70 кПа. В этом случае не надо снимать поддон картера, а достаточно в форсунке установить датчик перемещения поршня. Поршень перемещается за счет создания попеременно давления-разрежения (Морозов А.Х. Техническая диагностика в сельском хозяйстве. - М.: Колос, 1979, с.100).

Недостатками способа являются: высокая стоимость оборудования и сложность технологии измерения; низкая точность способа измерения, так как измеряется суммарный зазор в сопряжениях поршневого пальца, шатунного и коренного подшипников диагностируемого цилиндра, точное выделение каждого из зазоров не представляется возможным.

По названным причинам указанный способ измерения зазоров в подшипниках ДВС не нашел широкого применения на эксплуатационных предприятиях (автотранспорта, строительно-дорожных машин и других).

Известен способ измерения зазоров в подшипниках, в частности, турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания путем измерения расхода масла через подшипник с помощью калиброванного сопла (измерительного дроссельного устройства) и измерения давлений и устройство для его осуществления, состоящее из канала для масла, снабженного калиброванным соплом, перед которым находится датчик температуры и датчик давления, а второй датчик давления установлен за калиброванным соплом (Патент Польши №143605, МПК G01M 13/04, G01L 13/06, опубликован 30.11.1988).

Сумма кубов суммарных подшипниковых зазоров s³ определяется как:

s³≈А(р₁-p₂)^1/2/p₂,

где А является постоянным коэффициентом в зависимости от характеристики измерительного дроссельного устройства, температуры масла, вязкости масла, а также размеров подшипников; р₁ означает давление масла перед калиброванным соплом, р₂ - давление масла за калиброванным соплом.

Недостатки способа: предполагает наличие маслопровода с открытым доступом для подсоединения датчиков и установки калиброванного сопла (рассматривается смазка подшипников вала турбокомпрессора), что неприменимо к встроенным в блок цилиндров каналам системы смазки подшипников ДВС; определяет лишь суммарный подшипниковый зазор, поэтому неприменим к измерению зазоров в каждом из подшипников коленчатого вала; коэффициент А зависит от нескольких факторов и поэтому сложно определим, методика его нахождения не раскрыта.

Известен способ диагностики степени износа подшипников двигателя внутреннего сгорания, который заключается в том, что техническое состояние подшипников кривошипно-шатунного механизма оценивают по степени ослабления обратной волны, вызванной гидроударом, измеренной дополнительным измерителем давления, установленным в зоне формирования гидроудара, при этом техническое состояние подшипников определяют по отношению величин давлений в зоне формирования гидроудара к давлению, измеряемому измерителем давления после масляного фильтра; по увеличению их отношения оценивают степень износа подшипников двигателя внутреннего сгорания: чем больше величина отношения давлений, тем больше зазор в подшипниках (Патент РФ №2398200 С1, МПК G01M 15/00, опубликовано 27.08.2010).

Так как при работе системы смазки подшипников коленчатого вала ДВС поступающее от гидронасоса в главную магистраль масло под давлением подается в рабочие полости «масляного клина» сначала коренных, а затем шатунных подшипников (соединенных специальными каналами подшипниковых узлов) и стекает через неплотности в торцах шеек и подшипников коленчатого вала в масляный поддон, то появление дополнительного сливного канала, оснащенного дросселем, из главной масляной магистрали в поддон лишь несколько уменьшит гидросопротивление сливной линии и соответственно давление масла в системе смазки в целом (так как насос развивает напор, равный потребному); при резком закрытии этого дополнительного сливного канала работа системы смазки переходит на штатный режим и давление в ней опять несколько увеличивается до соответствующего этому режиму, таким образом, утверждение о возникновении значимой «волны обратного давления» гидравлической энергии, которой будет достаточно для осуществления процесса диагностирования с достаточной точностью каждого из коренных и шатунных подшипников ДВС, представляется не вполне обоснованным.

Также можно отметить сложность достоверного определения на практике величин шести опытных коэффициентов, учитывающих степень ослабления так называемой «волны обратного давления» в зависимости от величин зазоров в подшипниках ДВС: К_о (учитывает снижение давления отраженной волны из-за демпфирования объемами масляного тракта), K₁, К₂, К₃, К₄ и К₅ (учитывают степень ослабления волны давления на первом-пятом коренных подшипниках), что дает основание считать рассматриваемый способ трудновыполнимым, к тому же приведенные в описании способа аналитические выражения не позволяют определить непосредственную величину искомого зазора в каждом из подшипников коленчатого вала для того, чтобы сравнить его с предельно допустимым.

В качестве прототипа выбран способ безразборной диагностики степени износа подшипников ДВС, заключающийся в измерении давления, по меньшей мере, в двух точках системы смазки двигателя, первая из которых расположена на выходе из нагнетательного насоса (р_н), в качестве второй точки измерения давления принимают точку на входе в диагностируемый участок двигателя (р_д), для эталонного двигателя определяют зависимость отношения величины первого давления к величине второго (р_н/р_д) от степени износа подшипников или отношения разности величин первого и второго давлений к величине второго (р_н-р_д)/р_д от степени износа, измеряют при чистых фильтрах отношение разности величин первого и второго давлений к величине второго давления и сравнивают величину этого отношения с эталонной зависимостью от степени износа подшипников, причем рост этого отношения соответствует росту степени износа. Точки измерения давления р_н и р_д в системе смазки двигателей предусматривается оснастить штуцерами для таких периодических замеров, подключение манометров к которым не требует вывода двигателя из эксплуатации и тем более каких-либо его разборок (Патент RU №2006811 С1, МПК G01M 15/00, G01M 13/04, опубликовано 30.01.1994).

Недостатки прототипа: принятая для измерения давления на входе в подшипники двигателя (р_д) точка, принадлежащая каналу главной масляной магистрали, а также названные отношения давлений (р_н/р_д) и (р_н-р_д)/р_д способны характеризовать лишь изменение гидросопротивления подводящей магистрали и общее техническое состояние подшипников коленчатого вала ДВС, однако не позволяют определить величину искомого зазора в различных подшипниках.

По мере увеличения зазора в подшипнике скольжения расход масла в нем, отбираемый из масляной магистрали, несколько увеличивается. Можно предположить, что если при испытании отбирать некоторую часть расхода масла из полости коренного подшипника во встроенную измерительную гидролинию, то величина этого расхода будет пропорциональна зазору.

Технической задачей изобретения является повышение точности оценки технического состояния коренных подшипников коленчатого вала ДВС путем измерения зазоров в них безразборным методом. Для решения этой задачи предлагается производить измерение зазора «масляного клина» в каждом из коренных подшипников коленчатого вала косвенным методом по нижепредлагаемой методике. Сущность предлагаемого способа заключается в том, что устанавливают номинальную частоту вращения коленчатого вала, измеряют плотность масла, включателями встроенных гидролиний поочередно подводят давление от масляных полостей каждого коренного подшипника к дроссельному устройству диафрагменного типа, дифференциальным манометром измеряют величину перепада давления Δp_i на его диафрагме, вычисляют расход масла в гидролинии диагностируемого подшипника, расчетную величину зазора в нем определяют по формуле

$$s_i\approx {(k\rho Q_i^2/\Delta p_i)}^{1/4}$$ ,

где k - опытный коэффициент (предварительно находят по каждому типу двигателей путем замера искомых зазоров со снятием поддона двигателя);

ρ - плотность моторного масла;

Q_i - расход моторного масла в гидролинии i-го подшипника;

Δp_i - перепад давления на диафрагме дроссельного устройства.

Схема предлагаемого способа безразборной диагностики степени износа коренных подшипников ДВС приведена на фиг.1. Она включает в себя: масляный поддон 1 (бак) с сетчатым фильтром-маслозаборником 2, гидронасос 3 с редукционным клапаном 4, противодренажный клапан 5, фильтрующий элемент 6 и перепускной клапан 7, главную масляную магистраль 8, каналы 9 блока цилиндров для подвода масла под давлением к полостям коренных подшипников 10 коленчатого вала, а от них по специальным сверлениям-каналам - к шатунным подшипникам 11, встроенные гидролинии 12 с резьбовыми соединениями, направленные от масляных полостей коренных подшипников к дроссельному устройству 14, поочередно подключаемые к нему включателями 13 встроенных гидролиний, дифференциальный манометр 15 и датчик давления масла 16.

Дроссельное (сужающее) устройство 14 представляет собой расходомер переменного перепада давления диафрагменного типа. Схема распределения давлений в зоне установки диафрагмы изображена на фиг.2. Здесь p₁ и р₂ - давления перед дроссельным устройством (диафрагмой) и после него, Δp_i=p₁-р₂ - перепад давления масла на диафрагме устройства.

Включатель 13 встроенных гидролиний, изображенный на фиг.3 (в закрытом состоянии), состоит из цилиндрического корпуса 17, в резьбовое отверстие которого ввернут штуцер 18 с уплотнительным кольцом 19. Корпус и штуцер в сборе снабжены соосным проходным каналом с расположенным в нем шариком 20. При вворачивании штуцера 18 в корпус 17 шарик 20 перекрывает проходной канал, а при отворачивании открывает его. Для подключения к встроенным гидролиниям 12 корпус 17 снабжен внешним, в штуцер 18 - внутренним резьбовыми участками.

Встроенные гидролинии 12 герметично выведены через дополнительные отверстия масляного поддона 1 наружу и в режиме обычной эксплуатации двигателя постоянно закрыты включателями 13. Гидравлическое сопротивление встроенных гидролиний (диаметр, длина, местные сопротивления) должны быть равными. При диагностировании подшипников соответствующий включатель 13 выборочно поочередно подсоединяет встроенные гидролинии 12 различных коренных подшипников к дроссельному устройству 14 и дифференциальному манометру 15 или отсоединяет их. Для измерения перепада давления необходимо отвернуть штуцер 18 включателя 13 на 1,5…2 оборота, после окончания измерений завернуть штуцер, закрыв его шариковый клапан 20. Такое периодическое подключение встроенных гидролиний системы смазки к дроссельному устройству и дифференциальному манометру не требует вывода двигателя из эксплуатации и каких-либо его разборок. Контроль давления в главной масляной магистрали 8 системы смазки двигателя осуществляется посредством датчика давления 16.

Реализация предлагаемого способа измерения зазоров в коренных подшипниках двигателя осуществляется в следующей последовательности.

Используя метод анализа размерностей, предварительно находят выражение для определения искомого зазора s_i в зависимости от ряда существенно влияющих на него факторов. Для этого сначала составляют параметрическую зависимость переменного перепада давления масла Δp_i в дроссельном устройстве встроенной гидролинии i-го коренного подшипника от плотности ρ моторного масла (зависит от температуры), искомого зазора s_i в подшипнике и расхода масла Q_i в названной гидролинии:

После преобразования зависимости (1) получают

Из выражения (2) следует система уравнений:

Решив систему уравнений (3), получают следующие значения:

y=1, z=-4, u=2.

Тогда зависимость (1) записывают в виде уравнения:

отсюда величина искомого зазора s_i «масляного клина»:

где k - опытный коэффициент.

Зависимость между объемным расходом масла Q_i и перепадом давления на диафрагме дроссельного устройства Δp_i, то есть перед диафрагмой и за ней, выражают следующей известной формулой:

где α - коэффициент, зависящий от геометрической формы сужающего устройства и числа Рейнольдса (находят по справочным данным или опытным путем); F - площадь проходного сечения диафрагмы устройства.

Перепад давления Δp_i в дроссельном устройстве 14 измеряют дифференциальным манометром 15.

Для нахождения значения опытного коэффициента k по каждому типу двигателей производят замер искомых зазоров со снятием масляного поддона. Получив численное значение коэффициента k, последующие определения искомых зазоров s_i осуществляют безразборным методом.

Для вычисления зазора s_i «масляного клина» в каждом коренном подшипнике устанавливают номинальную частоту вращения коленчатого вала, измеряют плотность масла ρ, включателями встроенных гидролиний поочередно подводят давление от масляных полостей каждого коренного подшипника к дроссельному устройству диафрагменного типа, дифференциальным манометром измеряют величину перепада давления Δp_i на его диафрагме, по формуле (6) вычисляют расход масла Q_i в гидролинии диагностируемого подшипника, расчетную величину зазора в нем определяют по формуле (5). Степень износа каждого коренного подшипника определяют путем сравнения полученной расчетной величины зазора с его допускаемым значением для данного подшипника.

Таким образом, способ предполагает незначительную и не влияющую на работу ДВС доработку конструкции с целью вывода встроенных гидролиний коренных подшипников из масляного поддона наружу, позволяющую осуществить измерения перепада давления Δp_i в дроссельном устройстве для каждой встроенной гидролинии i-го коренного подшипника.

Предложенный способ определения зазора s_i «масляного клина» в коренных подшипниках коленчатого вала технологически применим для существующей методики прогнозирования их остаточного технического ресурса, что позволит заранее прогнозировать отказ названных подшипников в процессе эксплуатации двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение может быть использовано при диагностировании двигателей внутреннего сгорания. Способ заключается в измерении расход масла через подшипник и определении степени износа коренных подшипников. При реализации способа устанавливают номинальную частоту вращения коленчатого вала, измеряют плотность масла, включателями встроенных гидролиний поочередно подводят давление от масляных полостей каждого коренного подшипника к дроссельному устройству диафрагменного типа Дифференциальным манометром измеряют величину перепада давления диафрагме и вычисляют расход масла в гидролинии диагностируемого подшипника. Расчетную величину зазора в нем определяют по формуле ,где k - опытный коэффициент (предварительно находят по каждому типу двигателей путем замера искомых зазоров со снятием поддона двигателя); ρ - плотность моторного масла; Q_i - расход моторного масла в гидролинии i-го подшипника; Δp_i - перепад давления на диафрагме дроссельного устройства. Степень износа каждого коренного подшипника определяют путем сравнения полученной расчетной величины зазора с его допускаемым значением для данного подшипника. Технический результат заключается в повышении точности определения технического состояния коренных подшипников. 3 ил.

Способ безразборной диагностики степени износа коренных подшипников двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в измерении перепада давления и определении степени износа коренных подшипников, отличающийся тем, что устанавливают номинальную частоту вращения коленчатого вала, измеряют плотность масла, включателями встроенных гидролиний поочередно подводят давление от масляных полостей каждого коренного подшипника к дроссельному устройству диафрагменного типа, дифференциальным манометром измеряют величину перепада давления Δp_i на его диафрагме, вычисляют расход масла в гидролинии диагностируемого подшипника, расчетную величину зазора в нем определяют по формуле
,
где k - опытный коэффициент (предварительно находят по каждому типу двигателей путем замера искомых зазоров со снятием поддона двигателя);
ρ - плотность моторного масла;
Q_i - расход моторного масла в гидролинии i-го подшипника;
Δp_i - перепад давления на диафрагме дроссельного устройства,
а степень износа каждого коренного подшипника определяют путем сравнения полученной расчетной величины зазора с его допускаемым значением для данного подшипника.