20 | 01 | 2017
Учебные материалы
Для преподавателей
Работы студентов
Справочная и техническая литература
Статьи по темам

Стенд для холодной обкатки ДВС

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.67 (3 Голосов)

Конструкторская разработка - Стенд для холодной обкатки ДВС.

Обоснование темы конструкторской разработки стенда для холодной обкатки дизельных ДВС

Ресурс автомобильных ДВС после ремонта обычно составляет 30…50% от ресурса новых, хотя в соответствии с ГОСТ 2281-87 "Двигатели, выпускаемые из капитального ремонта. Общие технические требования" межремонтный ресурс и средняя наработка на отказ должна быть не менее 80% этих показателей для новых двигателей [1]. Одной из основных причин приведенных негативных показателей является нарушение технологического процесса ремонта ДВС, в частности замена технологической обкатки эксплуатационной или отказ от нее.

После ремонтной разборки-сборки двигателя и замены деталей в его узлах имеет место множество деформационных явлений [12]. Деформация всех видов нарушают номинальную геометрию поверхностей трения, что дает возникновение зон трения с превышающими допустимые контактными нагрузками. Это вызывает патологические явления: интенсивный износ, повышенная сила трения (сопротивление движения), задиры схватывание трущихся поверхностей, выкрашивание, заклинивание и т. д.

Обкатка двигателя, как заключительная операция технологического процесса, предназначена для приработки трущихся деталей двигателя и подготовки его к эксплуатации.

В процессе разработки стенда выяснилось, что стенд может иметь некоторую степень универсальности, т. е. обкатывать двигатели различных типоразмеров, эта особенность стенда была заложена в его конструкцию.

Анализ существующих методов и стендов для обкатки ДВС

Разработка стенда для обкатки двигателей предшествовал аналитический обзор учебной и инженерно-технической литературы, статей специальных периодических изданий, патентной и рекламной информации. Проведенный обзор показал, что имеет многочисленная серия обкаточных стендов, конструкции которых отвечают различным технологиям обкатки по полному режиму с несколькими стадиями (холодная без нагрузки, холодная под нагрузкой, горячая на холостом ходу и горячая под нагрузкой) или одной из этих стадий обкатки.

Обкатка двигателей производится главным образом с использованием следующего оборудования и схем нагружения:

1. На простейших стендах, предназначенных только для обкатки на этапе холостого хода двигателя.

2. На стендах, включающих в себя электродвигатель и редуктор (КП), позволяющих обкатывать двигатель только на этапах прокрутки и холостого хода. Частичное нагружение двигателя на таких стендах обеспечивается бестормозными методами.

3. На группы стендов представляют собой сопротивление потока воды.

4. На электротормозном стенде, основа которого – электродвигатель с фазным ротором, обеспечивающий прокрутку автотракторного двигателя в режиме электродвигателя и нагружение его в режиме генератора.

5. Стенды на основе электрических тормозов постоянного тока.

6. Стенды с использованием инерционных тормозов.

7. Стенды на основе электрических индукторных тормозов (фирмы "Шенк", "Хофман" – Германия).

Специализированные стенды выпускаются для групп однотипных по номинальным мощностям и частотах вращения коленчатого вала двигателя.

На отечественных автотранспортных предприятиях для обкатки ДВС главным образом используют электрические тормозные стенды серии КИ:

Неотъемлемым и весьма значимым вопросом технологии обкатки ДВС является использование в нем специальных обкаточных жидкостей (масел). Используя обкаточные композиции различной трибонаправленности, можно существенно влиять на интенсивность и качество приработки поверхностей трения [4, 5, 6, 7, 8].

Обобщая проведенный литературный обзор методов и стендов для обкатки ДВС, можно сказать, что в авторемонтной отрасли на научном и инженерном уровне постоянно ведется работа по созданию новых более совершенных методов и средств для обкатки и испытаний ДВС.

При разработке обкаточного стенда, предлагаемого в дипломном проекте, учтены и использованы новые конструкционные принципы и методы обкатки ДВС.

Устройство и работа стенда.

Холодная обкатка ДВС представляет собой вращательное воздействие на его коленчатый вал посторонним источником механической энергии, например электродвигателем [3]. Режим принудительного вращения должен быть обоснованным и контролируемым.

Исходя из этих положений, разрабатывалась настоящая конструкция стенда для холодной обкатки ДВС-СМД-62.

Стенд является стационарной машиной и включает две взаимно не связанные рамы. Рамы представляют собой сварные металлоконструкции из металлопроката, стандартных профилей. Одна рама (поз. …) служит для размещения на ней обкатываемого двигателя, она устанавливается на фундамент на вибропоглощающих опорах.

На второй раме (поз. ) смонтирован привод стенда со вспомогательным механическим, контрольным и электроуправляющим оборудованием.

Источником механической энергии и вращательного движения на стенде является электродвигатель (поз.3) асинхронный, трехфазный тип мощностью = 15 кВт, номинальная частота вращений n = 1000 об./мин. Двигатель имеет двусторонний выход валов, т. к. этого требует принцип работы стенда, т. к. также два способа крепления – фланцевое и на лапах.

Оба конца вала, кроме того, используются для закрепления двигателя на раме, чтобы обеспечить возможность свободного вращения как ротора, так и статора двигателя. Это необходимо для того, чтобы по вращательному перемещению статора определять изменение величины момента сопротивления прокрутки ДВС в процессе его обкатки. Концами валов электродвигатель опирается на подшипниковые опоры. По конструктивным и технологическим соображениям на концы валов по посадке с натягом помещены втулки, на которые посажены подшипники качения. Левая втулка оканчивается фланцем ), которому болтами через свой фланец присоединяется карданный вал. Карданный вал имеет два участка, которые соединяются через шлицевое сопряжение.

.

Это позволяет изменять длину вала от 300 до 500 мм при монтаже, демонтаже ДВС и для других целей. Вращение от карданного вала передается непосредственно на ДВС, а конкретно на маховик коленчатого вала. К маховику карданный вал крепится вторым фланцем через специальную планку, выполненную из листового стального проката.

Втулка на правом конце вала обеспечивает технологичность посадки подшипника, а также имеет резьбовое отверстие для присоединения датчика тахометра. Ось двигателя поднята над плитой рамы на столько, чтобы статор при проворачиваемости не соприкасался с рамой.

На фланцевое посадочное место электродвигателя прикреплен рычаг с плечом 500 мм. На конец рычага с помощью подвески подвешивается груз в виде металлических пластин. Определенная нагруженность рычага обеспечивает "подвижную" закрепленность статора, т. е. препятствует вращению статора вместо вала, заставляя вращаться вал и вместо с тем имеет возможность при определенных условиях немного поворачиваться, перемещая рычаг с грузом. Величина вращательного перемещения статора зависит от того, насколько изменяется (уменьшается) момент сопротивления прокрутки обкатываемого ДВС.

Для количественного контроля изменение величины вращающего момента в конструкции имеется контролирующая система, состоящая из сельсина-датчика (БД-404А) и сельсина приемника (БС-404А), соединенных между собой электрической цепью, как показано на рисунке …

Сельсин датчик смонтирован на стойке правой опоры, а зубчатое колесо на его валу находится в зацеплении с зубчатым сектором, который закреплен на торце статора двигателя. Зацепление является мелкомодульным с нулевым боковым зазором и таким образом обеспечивает высокую кинематическую точность. Передаточное число зубчатого зацепления 25.

Таким образом, перемещение статора при изменении вращательного момента через зубчатое зацепление поворачивает вал сельсина приемника на угол 4, что регистрируется сельсином приемником по шкале проградуированной в Н-м.

Перед вводом в эксплуатацию стенда система контроля величины вращающего момента подвергается тарировке. Для этого к статору электродвигателя через установленной на лапах двигателя, присоединяется тарировочный рычаг с плечом 1000 мм. После выполнения тарировки рычаг отсоединяется.

Для ограничения перемещения статора двигателя и исключения аварийных ситуаций (например, при непредвиденном заклинивании ДС) в стенде предусмотрен ограничитель хода нагрузочного рычага в виде концевого выключателя.

При соприкосновении с роликом рычага выключателя разрывается электрическая цепь питания электродвигателя и последний останавливается

Рис.3.1 Электрическая схема включения сельсинов БД-404А и БС-404А при синхронной передаче СД-сельсин датчик; СП – сельсин приемник, С1, С2, Р1, Р2, Р3 – клемы.

Предусмотренное технологией обкатки изменение частоты вращения карданного вала достигается путем регулирования частоты вращения электродвигателя привода. Для этого в стенде применена электрическая тиристорная схема регулирования частоты вращения электродвигателя. Она по исполнению компактна, надежна и исключает из конструкции стенда дополнительные регулировочные механизмы [9]. Схема регулирования скорости двигателя с короткозамкнутым ротором периодическим закорачиванием тиристором Т сопротивление R, включенного в нулевую точку статорной цепи двигателя.

Для контроля скоростного режима работы стенда в конструкции имеется электрический тахометр, датчик которого соединен с правым валом электродвигателя (поз. 4-5). Шкала тахометра помещена на пульт управления.

Вторая раса стенда (поз. 1) служит для размещения на ней обкатываемого двигателя. Для этого на раме имеются четыре одинаковые стойки (поз. 6), которые могут быть перемещены воль боковин рамы и закреплены в требуемом месте. Каждая стойка является выдвижной по высоте и поворачивающейся вокруг вертикальной оси. Таким образом, ее крепежное отверстие для двигателя может занимать любое положение в контуре рамы, что позволяет устанавливать и крепить на раме не только ДВС СМД-62, но и ряд других меньшей мощности. Разработанная конструкция рамы и в сочетании с набором крепежных планок для различных типоразмеров маховиков делает стенд частично универсальным.

Рабочие нагрузки в стенде. Расчет и выбор электродвигателя привода

Определение рабочих нагрузок необходимо для определения основных эксплуатационных параметров стенда, а также для прочностных расчетов конструкции.

Поскольку стенд предназначен только для холодной обкатки ДВС основной исходной рабочей нагрузкой для его проектирования должна быть затрачиваемая на прокручивание мощность. Очевидно, что для модели ДВС ЗИЛ130, но различных сборок мощность прокручивания не одинакова, а будет зависеть от деформационных явлений. Качества замененных деталей, тщательности сборки и многих других факторов. Т. к. расчетной зависимости для определения начальной (доприработочной) мощности найти не удалось, в качестве исходного значения была взята мощность прокручивания установленная, экспериментально Nкр = 3,5 кВт [ ].

Так как в стенде применена тиристорная схема регулирования частоты вращения электродвигателя, при уменьшении его частоты вращения вдвое падение мощности двигателя будет происходить на 30% от номинальной [ ]. Поэтому необходимая мощность электродвигателя привода:

кВт

Коэффициент полезного действия механизма припривода

.

где – КПД карданного шарнира;

= 0,99 – КПД шлицевого соединения;

– КПД электрической системы регулирования частоты вращения.

Ориентируясь на расчетную величину мощности, выбираю электродвигатель асинхронный, трехфазный (380 В); тип 4А160М6 ГОСТ 19483-84; номинальная мощность = 15 кВт; частота вращения номинальная n = 1000 мин-1.

Исполнение: с двухсторонним выходом вала; с двумя способами крепления – фланцевым и на лапах.

Для расчета металлоконструкции рамы стенда, в частности выдвижных опорных стоек, на которых устанавливается и крепится обкатываемый ДВС, необходимо знать нагрузку от веса двигателя. Вес двигателя СМД 60/62 достигает 4,5 кН и распределяется на 4 стойки. Однако вероятность непредусмотренных дополнительных нагрузок и для создания определенного запаса прочности и надежности считаю, что на одну стойку действует нагрузка 1,5 кН.

Эксплуатация стенда и процесс обкатки

Перед установкой ДВС на стенд выдвижные стойки на раме должны быть выставлены по высоте и в горизонтальной плоскости так, чтобы опорные места на них и крепежные отверстия совпадали с местами и отверстиями крепления на обкатываемом двигателе. Выдвижение стойки по высоте выполняется вращением головки ходового винта с помощью гаечного ключа №17. Перед началом выдвижения стопорную гайку ослабить, а после достижения требуемой высоты затянуть. Для изменения положения лапы стойки в контуре рамы ослабляются две гайки крепежной плиты, а сама стойка повернута вокруг вертикальной оси до требуемого положения. После этого гайки крепежной плиты затянуть.

Собранный после ремонта с затянутыми резьбовыми соединениями ДВС с помощью подъемно-транспортного механизма, опускают на стойки рамы и соединяют болтами. Располагать двигатель нужно моховиком к карданному валу стенда. У обкатываемого двигателя должны быть ввернуты свечи, снят вентилятор обдува, снят кожух маховика. Система смазки двигателя должна быть собрана и исправна без течей. Маховик должен быть освобожден от корзины муфты сцепления, а резьбовые отверстия на его торцевой поверхности свободны.

При установке обкатываемого двигателя на раму следует добиваться хорошей скорости коленчатого вала и вала электродвигателя. После закрепления ДВС на стойках к его маховику прикрепляют свободный конец карданного вала. Делается это через присоединительную планку (поз. 7) строго четырьмя болтами. Шлицевое соединение карданного вала должно быть хорошо смазано и обеспечивать легкое перемещение участков вала.

Перед началом обкатки ДВС в него необходимо залить обкаточную масляную композицию. Уровень заливки определяется по маслоуказателю и должен соответствовать минимальной эксплуатационной норме.

Перед запуском стенда нагрузочный рычаг привода должен быть нагружен грузом (набор толстых металлических пластин). Для модели ДВС СМД-62 величина груза должна быть равной…

Наличие груза на нагрузочном рычаге, который жестко соединен со статором электродвигателя, удерживают статор от вращения во время обкатки, но позволяет ему незначительно проворачиваться под действием груза, т. е. реагировать на изменение реактивного вращающего момента от сопротивления приработки.

Пуск стенда осуществляется нажатием пусковой кнопки на пульте управления. Рукоятка управления частотой вращения двигателя должна быть на нулевой отметке. Даже вращая рукоятку, плавно повышаем число оборотов двигателя до 500 мин-1. В таком скоростном режиме процесс обкатки может продолжаться 10…15 мин. После этого и при отсутствии увеличения реактивного вращающего момента, частоту вращения электродвигателя повышаем до 1000 мин-1. При этом должно наблюдаться увеличение реактивного вращающего момента, который прекращается при остановке роста частоты вращения. При таком скоростном режиме обкатка должна длиться 25-30 мин. Признаком нормального протекания процесса обкатки будет снижение величины вращающего момента на 15…20% от максимально повысившегося при выводе на 1000 мин-1, через следующие 10…15 минут обкатки, дальнейшее возможное уменьшение и обязательная стабилизация вращающего момента в последние 10…15 минут обкатки. Режимы обкатки ДВС СМД-62 обобщены в таблице …

Таблица 3.1 Режимы холодной обкатки ДВС СМД-62

Смазочно-обкаточная
среда

I ступень

II ступень

Примечание

частота вращения, мин-1

продолжительность, мин

частота вращения, мин-1

продолжительность, мин

ОФЖ

500

10…15

1000

20…25

обязательная стабилизация момента

Состав обкаточной жидкости играет важную роль в процессе приработки деталей при обкатке ДВС. Поэтому для интенсификации холодного процесса обкатки и получения хорошего качества при этом на разработанном стенде рекомендуется новая эффективная смазочно-обкаточная композиция. Она выбрана на основании результатов исследований изложенных в работе [ ]. Композиция условно называется ОФЖ, основой ее служит моторное масло М-8В и включает олеиновую жирную кислоту, ультрадисперсный порошок железа.

Вновь полученное вещество – ультрадисперсный порошок железа обладает повышенной диффузионной подвижностью и высокой химической активностью. В результате обкаточная смазка приобретает металлопланирующие свойства, т. е. частицы УПЖ адсорбируются на поверхностях трущихся деталей ДВС и взаимодействует с ними.

Даже при невысоком температуре среды высокое отношение энергии ультрадисперсионных частиц к энергии связи. В объеме материала, незначительное отличие параметров их кристаллической решетки и массивного железа обеспечивает проникновение частиц размером 1…15 нм из смазочной композиции в поверхностный слой деталей ДВС. При сравнительных испытаниях лучших современных обкаточных составов и композиции ОФЖ, последняя проявила лучшие технологические свойства. Так время стабилизации силы трения для нее наименьшее и составляет 25 мин., сила трения также при этом наименьшая. Износ пар трения работавших в этой жидкости в 15 раз ниже, чем у экспериментальных образцов, испытывавшихся в других сравниваемых жидкостях.

Таким образом, смазочно-обкаточная жидкость ОФЖ является перспективной для внедрения в технико-экономическом смысле.

Как отмечалось ранее, в конструкции стенда для количественной регистрации реактивного вращающего момента применена система сельсинов, показания которой выводятся на шкалу пульта управления. Данная шкала вращающего момента н. м. и объективного контроля технологического процесса обкатки должна быть оттарирована.

Для выполнения тарировки шкалы к статору электродвигателя через кронштейн, прикрепленный ко второму крепежному месту – лапам. Крепится съемный тарировочный с плечом r1 = 1000 мм.

Уравнение тарировки:

;

где Р1 – сила от веса груза на тарировочном рычаге;

Р2 – сила от веса груза на нагрузочном рычаге, определяемая величиной вращающего момента электродвигателя;

– плечо силы Р1 для нагрузочного рычага. Определяется из условия, что он должен уравновешивать максимальный вращающий момент, развиваемый электродвигателем.

Н·м.

Угловая скорость:

рад/с;

;

Н.

(по массе Р2 = 29 кг)

Расчет прочности деталей стенда

Соединения «планка-маховик». Карданный вал стенда присоединяется к маховику обкатываемого ДВС через специальную планку. Последняя, в свою очередь, крепится непосредственно к маховику четырьмя болтами размером М 12. Резьбовые отверстия на торцевой поверхности маховика расположены параллельно симметрично.

Расположение резьбовых отверстий на маховике ДВС СМД-62

Рис. Расположение резьбовых отверстий на маховике ДВС СМД-62.

Особенностью этого крепления является то, что в нем используются резьбовые отверстия предназначенные для крепления к маховику ДВС корзины муфты сцепления. Таким образом изменить (увеличить) размеры этих отверстий для повышения прочности соединения не представляется возможным.

Поскольку размеры деталей соединения, в частности передающих нагрузку болтов, конструктивно ограничены, необходима проверка их достаточной прочности.

Расчетную задачу представим, как наиболее опасный вариант, т. е. все четыре болта затянуты не полностью и существует вероятность их среза.

Материал болтов М 12 – сталь Ст.3. Необходимое условие прочности:

[tср] ³ tср,

где [tср] – допускаемое напряжение среза для материала болта;

tср – действительное напряжение среза в болте от максимального вращающего момента, развиваемого стендом.

Допускаемое напряжение среза при переменной нагрузке [ ]:

[tср]=0,3· sт=0,3·216=65 МПа;

где sт=216 МПа – предел текучести для стали Ст.3. [ ];

Действительное напряжение среза в болте под действием максимального вращающего момента:

где d = 10,1 мм=0,01 м – внутренний диаметр резьбы;

D = 370 мм=0,37 м – диаметр окружности по которой расположены болты;

z = 4 – число болтов.

Расчетный вращающий момент:

Мвр. р.= Мвр.·К·К1=196·1,5·2,0=588 Н·м.

где К=1,5 – коэффициент режима работы;

К1=2,0 – коэффициент безопасности;

Мвр=196 Н·м – максимальный вращающий момент, развиваемый стендом;

где NT=81 кВт – наибольшая тормозная мощность стенда при частоте вращения коленчатого вала 2000 об/мин.

Условие прочности соединения «планка-маховик» выполняется, т. е.

65 МПа = [tср] > tср = 10 МПа.

Расчет прочности шлицевого соединения карданного вала. Составные части карданного вала стенда сочленяются шлицевым соединением средней серии, имеющим размеры:

;

Шлицевой вал и втулка изготовлены из стали 45.

Поскольку размеры шлицевого соединения приняты конструктивно, необходимо проверить его под нагрузкой, создаваемой стендом.

Прочностная проверка выполняется по напряжениям смятия. Необходимо соблюдение условия прочности:

[sсм] ³ sсм.

где [sсм]=50 МПа – допускаемое напряжение смятия для стали 45, соединение подвижное под нагрузкой [19].

Действительное напряжение смятия:

.

где z=8 – число шлицов;

D= 42 мм – наружный диаметр вала, м;

d=36 мм – внутренний диаметр вала, м;

z1=z2=0,3 мм – радиусы закруглений пазов, м;

l=50 мм – длина шлицевой втулки, м;

Мвр.- передаваемый вращающий момент, Н·м.

Таким образом, шлицевое соединение карданного вала работоспособно, т. к. условие прочности выполняется, т. е.

50 МПа = [sсм] ³ sсм = 10 МПа.

Расчет прочности сварочного соединения лапы выдвижной стойки. Лапа выдвижной стойки состоит из двух деталей: ходовой гайки и кронштейна, которые соединены электроприваркой.

Прочностная надежность данного соединения определяет надежность установки и крепления обкатываемого ДВС и соответственно безопасность эксплуатации стенда. Поэтому необходим проверочный расчет соединения.

Марка металла гайки и кронштейна – сталь Ст. 3, с допускаемым напряжением растяжения [sр]=129 МПа.

[sр]=0,6·sт=216·0,6=129 МПа;

sт=216 МПа.

Сварка выполнена вручную электродом Э42А на длину l=65 мм с каждой стороны листа кронштейна. Размер катета шва к=5 мм.

Проанализировав схему нагружения лапы (рис. 3.5) и приняв во внимание незначительный размер плеча приложения силы Р, считаю, что сварной шов нагружен продольной сдвигающей силой Р.

Из условия достаточной прочности длина флангового шва с каждой стороны должна быть:

где Р=1500 Н – расчетное усилие, действующее на лапу стойки;

к – размер катета шва, м.

Лапа выдвижной стойки

Рис. Лапа выдвижной стойки.

1 – ходовая гайка; 2 – кронштейн.

Допускаемое напряжение среза для шва:

[tср]=0,65· [sp]·Kg=0,65·129·0,5=42 МПа;

где Kg=0,5 – коэффициент динамичности, учитывает характер нагрузки.

Поскольку действительная длина шва значительно больше расчетной, считаем прочность сварного соединения достаточной.

Расчет винтовой пары выдвижной стойки. Винтовая пара стойки является главным грузонесущим узлом стойки. Поэтому прочностная проверка ее элементов является целесообразной.

В винтовой паре использована трапецеидальная резьба (ГОСТ 9484-81) со следующими размерами: d=40 мм; d2=37 мм; d1=33 мм; s=6 мм; a=30о.

Схема нагружения представлена на рисунке 3.6

Проверим резьбовую пару на самоторможение, т. е. отсутствие опускания гайки (лапы) под действием груза.

Угол подъема резьбы:

;

Угол трения поверхности резьбы:

где f = 0,09 – коэффициент трения смазанной винтовой пары;

Таким образом самоторможение обеспечивается (j>b).

Винтовая пара лапы

Рис. Винтовая пара лапы.

1 – винт; 2 – гайка (лапа); 3 – опора верхняя; 4 – опора нижняя.

Так как тело винта имеет большое соотношение длины к диаметру, его можно считать тонким стержнем и необходимо выполнить проверку его устойчивости под нагрузкой Р.

Выполнить это можно по критической силе (т. е. сила при которой шток теряет устойчивость и прогибается), которая определяется по формуле Эйлера:

.

где Е = 0,21·106 МПа – модуль упругости стали.

lпр=0,5·l, м – приведенная длина стержня для данной схемы крепления винта. lпр=0,5·0,38=0,19 м.

I=0,049·d14 – момент инерции сечения винта, м.

Максимально допустимое рабочее усилие на винт:

F=Fкр/n=3·106/3,5=8,2·105H.

n=3,5 – запас прочности.

Так как допустимое усилие на винт значительно превышает действительное усилие – прочностная устойчивость винта достаточна.

Определим минимально необходимую высоту гайки:

H=s;

Число витков гайки из условия контактной прочности:

.

[sсм]=7,5Н/мм2 – допускаемое напряжение смятия.

H=s=3·6=18 мм.

Конструктивно принята высота гайки Н=70 мм.

Выводы. Выполненные кинематические и прочностные расчеты подтверждают работоспособность и надежность конструкции стенда.

 


Стенд для холодной обкатки ДВС - 4.7 out of 5 based on 3 votes

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить