Підвищення експлуатаційних характеристик автотракторних двигунів за рахунок використання композитних матеріалів

Abstract

Загальний обсяг роботи становить 75 сторінок, що включають 54 рисунків, 12 таблиць, 37 літературних джерел, додаток. В даний час існує тенденція підвищення агрегатних потужностей двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ). Одним із найефективніших способів досягнення цього є застосування у руховій установці турбокомпресора (ТК). За всіх переваг цього способу підвищення продуктивності ДВЗ, він має ряд недоліків. Однією із проблем залишається недостатня експлуатаційна надійність підшипникового вузла [1-5], з яким пов’язана значна частка відмов у роботі ТК загалом. Залежно від конструктивних особливостей ТК, кількість відмов системи наддуву від загальної кількості відмов двигуна становить 8-26%. Відмови підшипників здебільшого пов’язані з умовами їхньої експлуатації, зокрема, з високим рівнем їхньої навантаженості, який у свою чергу визначається масами та моментами інерції елементів ротора. На це вказують результати [6]. Відповідно до положень цієї роботи, масово-інерційні характеристики робочих коліс турбокомпресора практично повністю визначають ступінь навантаженості підшипників, отже їх зниження дозволить підвищити надійність вузла та ресурсні характеристики ТК загалом. З високою інерційністю ротора пов’язана також проблема появи сухого тертя в підшипнику після зупинки двигуна. Це відбувається, коли ротор за інерцією ще продовжує обертатися, а надлишковий тиск масляної лінії близько до нуля [7,8]. На даний момент ця проблема вирішується шляхом встановлення гідроакумулятора в систему для утримання тиску масла після зупинки двигуна або шляхом забезпечення експлуатації двигуна без різких зупинок за рахунок дій персоналу. Іншою важливою проблемою сучасних систем турбонаддуву є те, що двигун, що працює спільно з такою системою, на відміну від безнаддувного варіанта, як правило, має уповільнений відгук на збільшення подачі палива, що зумовлює таке негативне явище як "Турбояма". Після подолання системою «турбоями» виникає стрибок потужності – турбопідхоплення, що характеризується зростанням динамічних навантажень на деталі двигуна. Зазначені негативні особливості газотурбінного наддуву погіршують пускові властивості двигуна, його ємність та економічність. Оцінці впливу інерційності ротора на тривалість перебігу перехідних процесів присвячена робота [9], у якій у результаті розрахунку отримано такий висновок: «зменшення моменту інерції на 31% призвело до зниження тривалості перехідного процесу на 12%». Результати, представлені у цій роботі, показують, що тривалість перехідного процесу має прямо пропорційну залежність від моменту інерції ротора. На основі експериментального дослідження авторами роботи [10] сформульовано тезу про те, що зниження моменту інерції ротора на 47% здатне зменшити час тривалості зростання тиску на впуску з 0,1 МПа до 0,141 МПа на 32%. Таким чином, пошук можливостей щодо вдосконалення експлуатаційних характеристик двигуна та його системи турбонаддуву шляхом зниження маси та моментів інерції елементів ротора ТК може бути віднесений до одного з актуальних напрямів у дослідницькій практиці двигунобудування. В даний час в інженерній практиці для зниження масово-інерційних характеристик різних конструкцій широко використовуються композиційні матеріали (КМ). В галузі матеріалознавства активно ведуться роботи з пошуку подібних матеріалів з високою питомою міцністю, що не поступаються традиційним металевим сплавам. Тому доцільними є дослідження в галузі застосування КМ в елементах конструкції турбокомпресора, його робочих колесах (РК). Слід зазначити, що у двигунобудуванні на сьогоднішній день існує низка бар’єрів, які стоять на шляху практичного застосування КМ у конструкціях ТК ДВЗ. Мета роботи полягає у вдосконаленні експлуатаційних характеристик автотракторних двигунів шляхом застосування композиційних матеріалів у робочих колесах турбокомпресора.