Конструкторская разработка - Стенд для гидравлического испытания блок-картера ДВС.

Испытание блок – картеров ДВС на отсутствие или наличие трещин гидравлическим методом (гидравлическая опрессовка) является наиболее распространенным техническим методом.

Обзор литературы, патентной документации, научно-технических и информационных материалов показал, что машиностроительной промышленностью Украины испытательное оборудование для осуществления данного метода серийно не выпускается. Установки для гидравлического испытания блоков двигателей производятся единичными экземплярами по технической документации, представляемой заказчиком.

Таким образом, для оснащения участка ремонта двигателей внутреннего сгорания необходимо разработать конструкцию испытательного стенда.

Устройство и работа стенда

Общий вид стенда для гидравлического испытания блок. Стенд состоит из основания , представляющего собой металлическую конструкцию коробчатого типа, скрепленную электросваркой из металлопроката стандартного профиля. Во внутреннем пространстве основания размещены баллон для воды с гидронапорным узлом, узел фиксатора фиксирующий каркас в нужном положении. Фиксатор системой тяг связан с управляющей педалью . На лицевой стороне основания приборный ящик, в котором установлены приборы управления стендом: пневмораспределители, масляный кран гидросистемы, кнопки пуска и остановки электродвигателя гидронапорного узла.

На верхнем поясе основания установлены четыре катковые опоры на которые, через два металлических кольца опирается поворотный каркас. Кольца к каркасу прикреплены болтами.

Таким образом каркас, вместе с установленным в нем испытываемом двигателе, может свободно вращаться вокруг горизонтальной оси, предоставляя поверхности блока для осмотра и выявления в нем трещин.

Каркас стенда имеет коробчатую форму и выполнен также с помощью электросварки из металлического проката. В нижней плоскости каркаса выполнен рольган. Концевые части рольганга имеют обычные ролики с шарикоподшипниками. В средней части рольганга (внутри каркаса), где размещается испытываемый блок установлены подпружиненные ролики, способные утопляться под действием усилия прижимной плиты до уровня опорной поверхности. Плита прижимная представляет собой металлическую пластину с одной стороны оклеенную резиновым листом, с другой стороны имеются пазы для сопряжения со штоками прижимных гидроцилиндров. Прижимная плита служит одновременно для закрепления, путем прижатия к опорной плоскости и для заглушки водяных проходов в верхней плоскости испытуемого блок – картера. Гидроцилиндры обеспечивающие вертикальное прижатие плиты к блоку установлены в верхней плоскости каркаса.

На металлоконструкции каркаса размещены также пневмоприжимы: правый, левый и два боковых.

В передней части металлоконструкции каркаса имеется цилиндрический с лысками стержень, на котором размещены пневмоприжимы: правый, левый и два боковых.

Пневмоприжимы могут поворачиваться вокруг стержня и тем самым занимать необходимое положение относительно стенок блока, т. е. подводиться к отверстиям водной полости блока.

Все пневмоприжимы объединены пневмо - гидросистемой, схема которой приведена на листе 6. Пневмогидросистема стенда работает от внешнего источника сжатого воздуха давлением не менее 0,4 Мпа.

Пневмогидросистема включает следующие узлы и приборы: маслораспылитель, регулятор давления, манометр, пневмораспределитель, пневмоцилиндры, баллон с водой, поддон в воронке которого имеется водосборный клапан. Поддон установлен в верхней части основания стенда под каркасом и служит для сбора воды использующейся в испытании и возврате ее в баллон гидросистемы.

Работой верхних прижимных гидроцилиндров управляет другая, масляная гидросистема. Эта гидросистема включает в себя: приводной электродвигатель 4А71В6У3, N=0,55 квт, n = 1000 об/мин; топливный шести секционный насос высокого давления 6ТН-9-10Т, использующийся как масляный насос, гидроаккумулятора, редукционного клапана М-ПКР, запорного крана, манометра, масляного бка.

Вращение от электродвигателя к насосу передается через понижающую (i=2) клиноременную передачу.

Все эти узлы и приборы масляной гидросистемы образуют гидронапорный узел, и размещены в основании стенда.

Подача рабочей жидкости под давлением от гидронапорного узла к гидроцилиндрам на каркасе осуществляется по гибким рукавам типа.

Работает стенд следующим образом. Испытываемый блок-картер с невыпрессоваными гильзами цилиндров подъемно-транспортным механизмом подается на концевой рольган стенда, при этом левый боковой пневмоприжим отведен вверх. Здесь на верхнюю плоскость блока устанавливается прижимная плита и блок по рольгангу продвигают внутрь каркаса до упора в правый боковой пневмоприжим. Последний закрывает отверстие для подвода воды в блок. Затем опускается левый пневмоприжим, который перекрывает еще одно отверстие для подвода воды в торце блока. Передние пневмоприжимы, перемещением по стержню, устанавливаю против других отверстий водной полости блока.

Далее нажатием кнопки включается приводной двигатель гидронапорного узла. Все плунжеры насоса начинают подавать масло под давлением в масляный аккумулятор. Давление в аккумуляторе регулируется редукционным клапаном до величины 10 Мпа. Контроль за давлением осуществляется манометром.

Переключением запорного крана масло под давлением подается в верхние гидроцилиндры – прижимы, которые через плиту воздействуют (давят) на блок. Блок, находясь на утапливаемых роликах, так же давит на них. В результате чего ролики утапливаются, а блок становится на опорную поверхность каркаса. Дальнейшее развитие усилия гидроцилиндров приводит к полной загерметизации всех отверстий в верхней плоскости блока, а так же обеспечивает надежное прижатие (закрепление) блока к поверхности каркаса.

Проверка целостности корпуса блока на данном стенде состоит в том, что в водяную полость блока подается вода под давлением 0,4 Мпа, после выдержки 5…7 минут блок осматривается со всех сторон – определяется наличие течей по которым выявляются трещины.

Подача воды в блок под давлением осуществляется с помощью сжатого воздуха. Для этого у стенда предназначена пневмо-гидросистема устройство которой описано выше. Выполняется это следующим образом. Сжатый воздух из внешнего источника (пневмомагистраль мастерской) поступает через маслораспылитель. Далее образованы две пневмолинии (см. схему лист 8). По первой из них через пневмораспределитель, сжатый воздух подается по всем боковым пневмоприжима, которые прижимаются к блоку пневмоцилиндром и за счет имеющихся резиновых уплотнений гермитизируют боковые отверстия в блок – картере. По этой же пневмолинии сжатый воздух поступает в клапан между поддоном и баллоном и запирает его.

По второй пневмолинии через регулятор давления и пневмораспределитель сжатый воздух подается в баллон с водой. Регулятором давления устанавливается давление воздуха – 0,4 Мпа.

Вода под действием сжатого воздуха поступает в проверяемый блок-картер и заполняет его. При этом воздух оставшийся в водных полостях блока, выпускается через краник, имеющийся в прижимной плите.

Блок – картер выдерживается под давлением 5…7 минут и осматривается со всех сторон в поисках наличия течей по которым выявляются возможные трещины в его стенках. Осмотр должен быть тщательным, т. к. начальные трещины могут иметь размер несколько миллиметров. Для этого у стенда имеется возможность поворачивать блок в нужном направлении. Производится это путем поворота каркаса в котором установлен блок. Каркас опирается своими кольцами на катки и легко поворачивается ручным усилием. Предварительно нажатием педали фиксатор отводится от паза в кольце. Для фиксации каркаса и соответственно блок-картера в нужном положении педаль отпускается и фиксатор вновь срабатывает.

Расчеты к проектированию стенда

Определение рабочих нагрузок

Рабочие нагрузки определяются исходя из принципа работы стенда и его конструктивных особенностей.

Так рабочее усилие верхних гидроприжимных цилиндров должно обеспечить такое прижатие двигателя, чтобы произошла не только загерметизация верхних отверстий блока, но и отсутствовала вероятность сдвига блока по опорной поверхности каркаса, когда он повернут на 90о относительно исходного положения.

Условие отсутствия перемещения блока по опорной поверхности:

где - сила веса блока двигателя;

- сила трения препятствующая смещению блока.

где - статический коэффициент трения резины по стали [ ];

- статический коэффициент трения стали по стали.

Усилие прижатия создаваемое гидроцилиндрами:

где - усилие прижатия создаваемое одним гидроцилиндром;

n = 4 - число гидроцилиндров;

Р – гидравлическое давление в гидросистеме;

D=65 мм – диаметр гидроцилиндра.

Сила трения:

Таким образом, условие устойчивости блока выполняется, т. е.

Т. е. усилие, развиваемое гидроцилиндром вполне достаточно.

Расчет и выбор электродвигателя привода гидронапорного узла и кинематические параметры

В качестве насоса в гидронапорном узле масляной гидросистемы используется топливный насос высокого давления 6ТН-9-10Т, имеющий шесть нагнетающих плунжерных секций ТН 9´10 таким образом подача масла за один оборот его кулачкового вала составит Q=1,62 л/мин.

Данная модель насоса выбрана потому, что он обладает гидродинамической характеристикой, которая обеспечивает необходимую динамику нагружения прижимной плиты при ее прижатии к блоку.

Скорость возрастания нагрузки, определяемая скоростью выдвижения штока гидроцилиндров должна быть в пределах 7…9 мм/сек., что обеспечивает надежную герметизацию блока и надежное прижатие его к основанию [ ].

Оптимальная частота вращения приводного вала данной модели ~ 300 об/мин. Тогда подача насоса:

где nн – частота вращения вала насоса, об/мин;

dп=9 мм – диаметр плунжерной камеры;

hп=10 мм – ход плунжера.

Тогда необходимая мощность насоса:

Необходимая (расчетная) мощность электродвигателя для привода насоса:

где - к. п.д. насоса;

- к. п.д. механической передачи.

На основании расчета принимаю электродвигатель трехфазный асинхронный с рабочим напряжением 380В, [ ]: модель 4А71В6У3, его мощность N=0,55 квт; частота вращения вала nэ=1000 об/мин.

Для понижения частоты вращения электродвигателя до рабочей частоты вращения вала насоса необходима понижающая передача с передаточным числом:

Намечаю применить клиноременную передачу.

Скорость нагружения прижимной плиты:

где S1 – площадь поршня гидроцилиндра при его диаметре 65 мм.

Прочностные расчеты

Прочностные расчеты выполнены для основных узлов и деталей определяющих работоспособность и надежность стенда.

Расчет пружины утопляемых роликоопор

Как указывалось ранее в конструкции рольганга каркаса в зоне опорной поверхности блок - картера использованы утопляемые роликоопоры.

Исходя из функционального назначения подвижной роликоопоры и из принципа ее действия предполагаю, что величина ее жесткости должна обеспечивать удержание ролика в рабочем состоянии – в верхнем крайнем положении, т. е. противостоять распределенному весу блок -картера и сжиматься, т. е. позволить «утонуть» ролику при начале воздействия прижатия вертикальными гидроцилиндрами.

Из анализа процесса перемещения блок –картера по рольгангу видно, что возможны случаи, когда вес блок – картера с прижимной плитой распределяется на 6 из 12 роликоопор. Таким образом, распределенный вес на одну роликоопору равен:

Дальнейший расчет пружины выполняем по методике [ ]

Предварительно задаюсь конструктивными параметрами пружины:

- наружный диаметр D = 35¸39 мм;

- высота пружины при предварительной деформации Н1= 50 мм.;

- рабочий ход из условия работы роликоопоры h = 15 мм.

Для изготовления пружины назначаю сталь 60С2А с пределом прочности и пределом текучести при кручении

Сила пружины при предварительной деформации ;

Сила пружины при рабочей деформации, т. е. соответствующая началу прижатия блок – картера гидроцилиндрами, ;

По условию и режиму работы рассчитываемую пружину следует отнести ко II классу. Для данного класса пружины относительный инерционный зазор d от 0,05 до 0,25.

Сила пружины при максимальной деформации:

;

Диаметр проволоки пружины из условий деформации при кручении:

где - допускаемое напряжение при предельном усилии;

(предварительно);

- коэффициент кривизны.

По таблице (ГОСТ 13767-88) принимаю пружину № 111, с наружным диаметром D = 38 мм; диаметр проволоки d = 3 мм; сила P3 = 1060 Н; жесткость одного витка z1 = 217,5 Н/мм; наибольший прогиб одного витка f3 = 4,5 мм.

Жесткость пружины

Число рабочих витков пружины

Уточненная жесткость пружины

При полутора нерабочих витка, полное число витков пружины

Средний диаметр пружины

Предварительная деформация пружины

Рабочая деформация (допустимая)

Максимальная деформация

Высота пружины при предварительной деформации

где

высота пружины в свободном состоянии (конструктивно);

соответствует начальным техническим требованиям т. е.

Высота пружины при максимальной деформации

Высота пружины при рабочей деформации

Т. е. , что соответствует нормальным условиям эксплуатации пружины.

Шаг пружины

Рассчитанные размеры пружины, ее эксплуатационная характеристика (жесткость) соответствуют конструктивным размерам узла и эксплуатационным требованиям стенда.

Расчет и выбор посадки для сопряжения «ось-ролик»

Надежная работа роликоопор рольганга, т. е. свободное вращение роликов под нагрузкой, обеспечивает точную установку блок – картера под прижимные гидроцилиндры и в конечном итоге производительность стенда. Для этого необходима оптимальная посадка в сопряжении «ось - ролик», представляющего собой подшипник скольжения, назначение которой наиболее эффективно с помощью расчета.

Исходные данные для расчета:

- номинальный диаметр соединения d = 12 мм = 0,012 м;

- длина соединения l = 25 мм = 0,025 м;

- средняя угловая скорость вращения ролика при перемещении блок – картера w = 10 c-1;

- динамическая вязкость смазки ;

- шероховатость поверхности вала Rzd = 1,6 мкм;

- шероховатость поверхности отверстия RzD = 3,2 мкм;

Условие выбора стандартной посадки

(3.1)

Величина расчетного зазора

Оптимальный зазор в сопряжении

где Мпа – удельное давление.

Вышеприведенному условию (3.1) соответствует посадка:Æ12

у которой : Smax..ст.= 220 мкм;

Smin..ст.= 95 мкм;

Толщина смазочного слоя в сопряжении при наибольшем зазоре принятой посадки

Проверка достаточности толщины смазочного слоя по условию

Т. е. сопряжение, представляющее собой подшипник скольжения с принятой посадкой – работоспособно.

Расчет прочности сварочного соединения кронштейна бокового пневмоцилиндра

Надежность данного соединения определяет безопасность эксплуатации стенда.

Катет сварочного шва равен 5 мм.

Величина усилия, действующего на кронштейн:

Условие прочности сварочного соединения:

где - допускаемое напряжение в сварочном шве.

При ручной дуговой сварке электродом Э 42, [ ]:

где =160 Мпа – допускаемое напряжение растяжения для основного металла конструкции (сталь Ст 3).

Действительное напряжение в сварочном шве:

Изгибающий момент:

Момент сопротивления изгибу:

где nш = 6 – количество швов соединения.

Условие прочности сварочного соединения выполняется, т. е.

Выводы.

Выполненные прочностные расчеты деталей и узлов стенда и силовые расчеты гидропривода подтверждают работоспособность и достаточную надежность стенда в целом.