УДК 892.097.2: 629.114.4

В. А. АМЕТОВ, канд. техн. наук, доцент

ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОСАДКООБРАЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ В АГРЕГАТАХ ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЕЙ

Установлен механизм осадкообразования продуктов в масляных системах механических и гидромеханических передач под действием сил гравитационного и центробежного поля и выполнены расчеты наработки на отказ с учетом критических значений массы (mкр) и диаметра (dкр) частиц железа, кварца и частиц органического происхождения, а также максимальной скорости (vос) и времени (tос) их выпадения в осадок на примере фрикциона ГМП автобуса ЛиАЗ-677.

Одной из причин, приводящей к снижению надежности и необходимости замены работающего масла в агрегатах трансмиссии автомобилей, как правило, не оборудованных эффективной системой их очистки, является образование твердых отложений и выпадение осадков (далее по тексту «осадкообразование») в различных полостях масляных систем. Эти отложения и осадки, состоящие преимущественно из продуктов износа, окисления и дорожной пыли, способны вызывать нарушения в функционировании и даже приводить к поломкам отдельных узлов и деталей механических (МП) и гидромеханических передач (ГМП).

Теоретическим обоснованием процесса осадкообразования послужили расчеты критических значений массы (mкр) и диаметра (dкр) частиц железа, кварца и частиц органического происхождения, а также максимальной скорости (vос) и времени (tос) их выпадения в осадок. Эти расчеты выполнены с применением теории силовых очистителей [6] как для механических, так и гидромеханических передач.

Для расчетов приняты следующие допущения:

- процесс осадкообразования в МП без организации смазки деталей под давлением (коробки передач - КП, редукторы главных передач - РГП, редукторы мотор-колес - РМК и т. д.) подобен осаждению частиц в грязевых отстойниках под действием сил гравитационного поля;

- процесс осадкообразования в ГМП, т. е. передачах с организацией смазки деталей под давлением, аналогичен процессу фильтрации жидкости в центробежных масляных очистителях (ЦМО) под действием сил центробежного поля;

- течение масла в МП - ламинарное, с нарушенной сплошностью потока, а в ГМП – ламинарное, с ненарушенной сплошностью потока;

- все частицы загрязнения имеют шарообразную форму, постоянную плотность и равномерно распределяются по осадительному ложу;

- температура масла в работающих передачах находится в пределах нормы и составляет 40…60 0С;

- объем, вязкость и уровень концентрации загрязняющих частиц в масле остаются постоянными и находятся в пределах, установленных нормативной документацией.

В соответствии с принятыми допущениями были определены предельные значения массы, размеров, времени и скорости выпадения в осадок частиц различного происхождения для номинальных режимов работы механической передачи автомобиля КрАЗ и ГМП автобуса ЛиАЗ-677.

Результаты расчетов показали, что в масляный поддон КП автомобиля КрАЗ могут выпасть в осадок лишь те частицы, размеры и масса которых превышают так называемые «критические» диаметры, и массы частиц, оседающих в масляной системе под действием сил гравитации. Так, в нашем примере в масле М-10В2 КП автомобиля КрАЗ в осадок выпадают частицы железа, диаметр и масса которых равны соответственно не менее 490 мкм и 0,48 мг, а остальные остаются в масле во взвешенном состоянии. При этом даже частицы критической массы и размеров обладают относительно малой скоростью (0,0045 м/с) и большим временем (13,3 с) выпадения их на осадительное дно масляной системы. Эти расчеты указывают на то, что большинство частиц, несмотря на воздействие на них сил гравитационного поля напряженностью, равной свободному ускорению (g), остаются циркулировать в работающем масле передачи. Дополнительным подтверждением этому служат относительно низкие значения коэффициента осадкообразования элементов-индикаторов износа (осi) в масле механической КП автомобиля КрАЗ, составляющие от 0,21…0,35 [7]. Исключение здесь составляют лишь передачи с установленными в них магнитными сливными пробками, где значения осi находятся в пределах 0,36…0,59 (36…59 %). По-видимому, возникновение в механических передачах отказов, связанных с выкрашиванием и характерными поломками контактируемых поверхностей деталей (зубьев шестерен, шлицев и т. п.), непосредственно связано с попаданием в зоны их зацепления крупных твердых частиц. Вероятность попадания частиц в зоны зацепления повышается пропорционально увеличению общей массы продуктов износа, циркулирующих в масле.

В работах [2, 8] установлено, что доля продуктов, выпадающих в осадок в редукторах главных передач (РГП) и редукторах мотор-колес (РМК), соответственно у большегрузных автосамосвалов КрАЗ и БелАЗ составляет в среднем около 20 %. Эта часть продуктов, представляющая собой крупные конгломераты и отдельные частицы, по мере их накопления, все чаще попадает в зоны зацепления тяжелонагруженных передач (зубьев, шлиц, шарико - и роликоподшипников и др.), вызывая повышенный износ и выкрашивание трущихся поверхностей вплоть до задиров, сколов и крупных поломок. В соответствии с Руководствами по эксплуатации МП [1, 5], основными мероприятиями по предотвращению этих отказов принято считать промывку масляных систем, обеспечение их герметичности и своевременную замену масла, а также установку специальных сливных масляных пробок-магнитофильтров.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Еще более остро эта проблема стоит в гидромеханических передачах автомобилей. Помимо нарушений в механической части, у них наблюдаются и другие виды неисправности, обусловленные осадкообразованием. Так, в работе [3, 8] показано, что отказы ГМП карьерных самосвалов БелАЗ грузоподъемностью 30…42 тонны и городских автобусов ЛиАЗ-677 ГМП соответственно в 11,9 % и 7,2 % случаях при низких уровнях их технического состояния и обслуживания обусловлены образованием твердых отложений в полостях золотников и бустерах фрикционов. Учитывая то, что в основе этих отказов лежит процесс осадкообразования, влияющий на функционирование ГМП, выполним расчеты, устанавливающие взаимосвязи между показателями осадкообразования и надежности.

В отличие от механической передачи, в полостях ГМП имеет место относительно высокая напряженность центробежного поля (Fr), величина которого определяется как [6]

, (1)

где - угловая скорость вращения частиц жидкости, равная номинальной частоте вращения;

r - максимальный радиус, на котором происходит отброс частиц (внутренний радиус корпуса), м.

Как показывают расчеты, в ГМП величина Fr, как правило, в десятки и даже сотни раз превышает напряженность гравитационного поля (g). Поэтому в ГМП в осадок способны выпадать не только крупные, но и более мелкие частицы, диаметр которых удовлетворяет неравенству

d d кр., (2)

где d и d кр – соответственно фактический (средний) и критический диаметры частиц, движущихся в силовом центробежном поле, м.

При этом скорость отброса частиц к осадительному ложу также возрастает на 2…3 порядка и становится соизмеримой со временем работы механических передач на характерных режимах. Так, согласно данным работы [6], среднее время работы включения фрикционов гидромеханических передач автобуса ЛиАЗ-677 при различных положениях дросселя и полезной нагрузке составляет: для 1 передачи 5,6…15,4 секунд; для 2 - 4,6…23,2 секунд. Эти данные позволяют утверждать, что для осуществления процесса осадкообразования продуктов различного происхождения (частиц железа, кварца и крупных органических частиц) времени вполне достаточно.

Исходя из вышесказанного, в работе впервые предпринята попытка установления зависимости параметров процесса осадкообразования и стандартных показателей надежности агрегатов АТС. В результате теоретического исследования предложена формула, устанавливающая связь между коэффициентом осадкообразования и средней наработкой фрикциона ГМП на отказ, обусловленного выпадением предельного объема и массы осадка под действием центробежных сил, объективно существующих и действующих в их полостях (бустерах). В соответствии с исследованием [2] и на основании анализа конструктивных особенностей ГМП следует, что нарушение их работоспособности может иметь место при условии, когда

Gос. пред. , (3)

где – текущая масса i-го элемента-индикатора, содержащаяся в химическом составе осадка;

Gос. пред. - предельная масса i - го элемента-индикатора, при накоплении которой происходит нарушение функционирования ГМП.

Текущая масса i-го элемента-индикатора в химическом составе осадка определяется как

= (4)

Здесь - предельный объем накопленного осадка, м3; pос - плотность осадка, кг/м3.

Исходя из исследований [6], текущая масса i - го элемента-индикатора в химическом составе осадка может быть выражена как произведение

= , (5)

где - общее число циклов циркуляции масла в полости бустера ГМП;

gос i - масса осадка, осажденного на ложе бустера ГМП за один цикл циркуляции масла, кг/цикл.

Согласно работе [6] расчет массы осадка можно выполнить по формуле

gос. i = 0,1 . Сi. рм. . ос. I , (6)

где Сi - концентрация i-го элемента-индикатора в циркулирующем работающем масле, % (104 г/т);

рм - плотность масла, кг/м3;

- объем масла, заполняющий полость бустера фрикциона, м3;

ос. i - коэффициент осадкообразования.

После преобразования уравнения (5) с учетом (6) получим

= 0,1 . Сi. рм. . ос. I , (7)

Концентрацию i-го элемента-индикатора в циркулирующем работающем масле, входящую в формулу (7), целесообразно определять экспериментально, в частности, методом ЭСАМ, позволяющим одновременно анализировать содержание всех элементов-индикаторов износа и загрязнения в работающем масле. Тогда коэффициент осадкообразования определится из выражения

ос. i = / Gmi , (8)

В общем виде среднюю наработку ГМП до отказа, обусловленного накоплением в полости ее бустеров предельного объема и массы осадка (Tос. пред), можно выразить как

Tос. пред = Nц. крит. / N, мото-ч (9)

После преобразования выражения (9) с учетом (7) и (8) получим

Тос. пред = , в мото-часах (10)

При необходимости среднюю наработку до отказа ГМП можно выразить в км пробега (Lос. пред ) как

Lос. пред = , (11)

где Lc. c. – среднесуточный пробег автомобиля, км; tн - время автомобиля в наряде, ч.

В формуле (11) все параметры, кроме коэффициента осадкообразования осi определяются расчетным путем или принимаются исходя из конструктивных размеров ГМП. Коэффициент осi рассчитывается по формуле:

ос i = , (12)

где Gпром.i - масса i-го элемента-индикатора, содержащегося в k-ом промывочном растворе, кг;

n - количество промывочных растворов, используемых для удаления осадка из агрегата методом промывки;

Gр. i - масса i-го элемента-индикатора в чистом промывочном раство-
ре, кг.

Следует отметить, что формула (8) справедлива для определения коэффициента осадкообразования данной модели ГМП, т. е. отражает частный случай с учетом конструктивных особенностей передачи, хотя сам подход к оценке процесса осадкообразования достаточно универсален. Для расчетов по другим моделям ГМП дополнительно потребуется лишь количественный химический анализ состава осадка, что может быть совмещено с разборкой узлов, отказавших при накоплении предельной массы осадка.

С учетом вышеуказанного, выполнены расчеты средней наработки до отказа ГМП, связанного с накоплением предельной массы и объема осадка в полости переднего фрикциона, с учетом реальных условий функционирования и уровня загрязненности масла в ГМП. В частности, выполним расчеты ГМП модели ЛАЗ-НАМИ 695Ж2, которая, как известно, не была оборудована эффективной системой очистки масла [5].

Результаты расчета получены применительно следующих реальных условий функционирования:

- номинальный скоростной режим работы двигателя (в данном случае номинальные обороты коленчатого вала для двигателя ЗИЛ-375)..3200 мин-1;

- плотность частиц железа …………………………… 7,8 х 103 кг/м3;

- концентрация железа равна его средневзвешенному значению,

равному ………………………………………………. 150 г/т или 0,015 %;

- объем бустера переднего фрикциона, определенный исходя из

геометрических размеров конструкции ………… 0,735 х 10-3 м3 (735 см3);

- удельное число включений фрикционов …………………… 30 ч-1;

- среднесуточный пробег …………………………………… 250 км;

- время автобуса в наряде ………………………………………… 8 ч;

- максимальное значение коэффициента осадкообразования…… 0,5.

А

А – А

rд h ос

3 2

1

rл

А

Рис. 1. Схема образования осадка в полости переднего фрикциона ГМП:

1 – корпус (бустер) фрикциона; 2 – нажимной диск; 3 – осадок

В соответствии со схемой (рис. 1) предельная масса осадка (3), накопление которого в бустере переднего фрикциона (1) будет сопровождаться отказом, с учетом размеров последнего определится из выражения

, (13)

где h пред. ос - предельная толщина осадка, м;

rл и rд - соответственно радиус ложа и диска фрикциона, м.

После подставления всех значений, получим

3,14 . 0,06 . (0,2 . 0,2 – 0,,188)

G ос. пред. = кг.

Тогда окончательно наработка на отказ переднего фрикциона составит:
- в часах

Т ос. пред. = = 132 ч,

- в километрах

L ос. пред.= = 4125 км.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что существенная доля отказов агрегатов трансмиссии отечественных автомобилей, составляющих в эксплуатации до 20 % и более, приходится на отказы, обусловленные процессами осадкообразования продуктов органического и неорганического происхождения в масляной системе.

2. В механических передачах причинами таких отказов являются попадания в зону зацепления зубъев шестерен, шлиц и т. д. крупных твердых частиц, с целью предупреждения которых предложены промывки масляных систем, обеспечение герметичности МП и своевременная замена масла по достижению в нем предельного уровня загрязнений, а также установка сливных масляных пробок – магнитофильтров.

3. Отказы ГМП, обусловленные накоплением предельных масс и объемов осадков в их полостях, происходят с интенсивностью, зависящей от темпа загрязненности масла и реальных режимов функционирования. В частности, как показал расчет, средняя наработка на отказ переднего фрикциона ГМП автобуса ЛиАЗ-677 в условиях городской эксплуатации при предельном уровне загрязненности рабочей жидкости составит 132 часа или 4125 км пробега.

Список литературы

1. Автомобили БелАЗ-7540, 75401, 75405, 75407, 7548, 75485, 75486, 75487, 75489. Руководство по эксплуатации 15 РЭ. - Минск: Изд-во «Полымя», 19с.

2. , Гладков -экспериментальная оценка процесса осадкообразования продуктов в масляной системе агрегатов трансмиссии /Деп. рукопись в ВИНИТИ.-Томск: Томск. инж.-строит. ин-т, 19с.

3. , Соколов надежности ГМП автобусов ЛиАЗ-677. //Автомобильный транспорт. -№9. -1980. - С.54-55.

4. Веревкин эксплуатационной надежности элементов трансмиссии автобусов ЛАЗ-695Е и ЛАЗ-695М в условиях эксплуатации города Ленинграда /Автореф. дисс….канд. техн. наук/.- Л.: Ленингр. инж.-строит. ин-т, 1974.

5. Гидромеханическая передача автобуса. /, Есеновский-, и др.- М.: Транспорт, 19с.

6. Григорьев масла и топлива в автотракторных двигателях.- М.: Машиностроение, 19с.

7. Исследование надежности и долговечности коробок перемены передач автомобилей КрАЗ-256Б методом спектрального анализа масла (отчет НИР, гос. рег. № ).- Томск, Томск. инж.- строит. ин-т, 19с.

8.  Разработка методов диагностики двигателей и гидромеханических передач автомобилей БелАЗ по параметрам работающего масла /Отчет о НИР /Томск. инж.-строит. ин-т
№ г. р. , ч.2.- Томск, 19с.

Материал поступил в редакцию 17.04.2000.

V. A. Ametov

EVALUATION of RELIABILITY FACTOrs DEPENDING ON FORMatIoN of A PRECIPITATION PRODUCTS IN TRANSMISSION OF CARS

Mechanism of products precipitation in oil system of mechanical and hidromechanical transmission under the influence of gravitation and centrifugal fields was defined. Calculations of reliability taking into account critical values of mass and diameter of ferric and quartz particles and organic ones as well a maximum velocity and time of their precipitation in sediment were carried out.