ФОРМАЛИЗАЦИЯ ВИДОВ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМОБИЛЯ

Категория: Транспорт.

Автомобилю, как сложной технической системе, состоящей из более 20 тысяч деталей, каждая из которых работает в широком диапазоне нагрузочных, скоростных и тепловых режимах, различных физико-химических средах и цепях (механических, электрических, гидравлических, пневматических), достичь идентичных показателей надежности по всем его элементам чрезвычайно сложно, прежде всего по экономическим соображениям. В связи с этим элементам автомобиля присуща структурная неравномерность изменения технического состояния; многие его детали имеют ресурс меньше, чем регламентированный срок службы автотранспортного средства (АТС) до списания, что, в свою очередь, обусловливает целесообразность выполнения им текущих и капитальных ремонтов (КР) – замену изношенных деталей новыми или восстановленными.

Структурная неравномерности эксплуатационной надежности элементов автомобиля отражается в про центных соотношениях статистических данных отказов по агрегатам и системам АТС (рис. 1) или по номенклатуре деталей в ДВС, трансмиссии, ходовой части за период амортизации (или до КР). Ее показатели позволяют сравнивать степень совершенства конструкций транспортных средств одного класса. Основные недостатки показателей структурной неравномерности элементов АТС в том, что они представлены вне зависимости от временных рамок использования автомобиля и не дают возможности оценки внутреннего расклада индивидуального поведения отдельных звеньев в составе системных групп, поскольку они скрыты в общей статистике их эксплуатационной надежности.

Для технической эксплуатации АТС, как науки и сферы практической деятельности автотранспортных предприятий (АТП), интерес представляют зависимости деградации технического состояния элементов автомобиля в процессе эксплуатации, то есть по мере выработки установленного ресурса. Эти динамики необходимы для нормирования режимов технических воздействий, предельных структурных и диагностических параметров, планирования текущих материальных и трудовых затрат на поддержание работоспособности и прогнозирования технико-экономических показателей АТС. Применительно к этой области понятие «неравномерность изменения технического состояния» многофункционально: оно имеет несколько специфических форм отображения динамик в зависимости от уровня сложности составных элементов АТС – деталей, сборочных единиц, агрегатов и систем. Поясним сказанное на примерах и дадим для каждой характерной группы рассматриваемых взаимодействующих сопряжений АТС классификационное формализованное описание структурных изменений от пробега – обоснование физической сути трибологических процессов по трансформации их технических состояний. При этом основное внимание уделим сопряжениям, техническое состояние которых изменяется по причине изнашивания, поскольку их доля отказов является преобладающей и составляет около 80%.

Нами рассматриваются три основные, базовые реализации функциональных зависимостей, суммирующих и отражающих специфические различия неравномерности изменения технического состояния элементов АТС как по типовым особенностям их функционирования, так и по отношению к определенным этапам эксплуатационного цикла автомобиля.

Сущность первой реализации заключается в раскрытии неравномерности негативных преобразований – деградации технического состояния элементов автомобиля в процессе его использования, а именно в нелинейной зависимости (динамике) приращений их структурных параметров относительно пробега l, т. е. S = f (l).Разновидности таких функциональных зависимостей – динамик применительно к области автомобильного транспорта представлены в трудах [1, 8, 9, 10, 12, 16, 18]. По ним техническое состояние элемента определяется по измеренному структурному (диагностическому) параметру – «точке» его нахождения на динамике в зоне работоспособности (рис. 2), ограниченной исходным номинальным значением Sном, полученным в процессе производства согласно технической документации, и предельным Sпред., при котором эксплуатация АТС невозможна – необходимо выполнить ТО или ТР с целью предотвращения отказа.

Общепризнано, что для подавляющего числа элементов автомобиля динамика изнашивания от текущего пробега l с достаточной точностью описывается зависимостью [1, 3, 5]:

Традиционно считают, ссылаясь на исследования [18], что для каждого элемента, сопряжения АТС при типовых условиях их работы индивидуальный вид динамики (1) имеет неизменные показатели (S0 и b) на всем периоде эксплуатационного цикла АТС. Этот вывод является одним из основных исходных положений в теории износостойкости механических конструкций [16, 18].

Однако он не в полной мере достоверен, поскольку в указанных работах [16, 18] не оговаривается и, соответственно, не учитывается в расчетных методиках наличие в аппроксимированных динамиках периодических нестандартностей, которые проявляются в виде существенных отклонений «точечных» экспериментальных данных от трендовых линий изменения технического состояния объектов в межремонтных периодах [6]. Как показано в исследованиях [5, 6], параметры динамики конкретного элемента автомобиля правомерно могут быть использованы только в конкретных межремонтных интервалах, когда структурные связи в его сопряжениях не нарушены ремонтным (первым или очередным) воздействием.

По этой причине вторая форма представления неравномерности изменения технического состояния отражает циклическую трансформацию показателей динамик структурных параметров элементов автомобиля в межремонтных циклах по зависимости, графически отображенной на рисунке 3 [5].

На графике (рис. 3) неравномерность изменения технического состояния АТС выражена через эксплуатационные затраты на технические воздействия в последовательных межремонтных периодах эксплуатационного цикла, на котором вертикальными сплошными линиями выделены затраты на проведение КР, а пунктирными – межремонтные пробеги автомобиля. Аналитические доводы [5] и многочисленный статистический материал свидетельствуют, что затраты на восстановительные ремонты от цикла к циклу возрастают Скр2> Скр1, а каждый последующий послеремонтный эксплуатационный период АТС неуклонно снижается и становится в 1,3…2 раза короче основного – начального, исходного. Отмечено, что после проведения КР основным агрегатам автомобиля затраты на поддержание его работоспособности в начальные периоды следующего цикла эксплуатации возвращаются к значениям, близким к исходным, свойственным новым автомобилям. Однако из-за худших показателей надежности (технологический уровень восстановленных агрегатов после КР значительно ниже) рост затрат осуществляется по более крутой нелинейной зависимости (1), со значениями коэффициента интенсификации изнашивания b(i + 1) > bi.

Учет неравномерности интервальных значений пробега АТС в межремонтных циклах и соответствующих им динамик изменения технических состояний существенно меняет сложившуюся в рамках планово-предупредительной системы методику обоснования периодичностей, объемов технических воздействий и материально-трудовых затрат в межремонтных, достаточно продолжительных периодах эксплуатации АТС. Эту функциональную особенность поведения динамик следует принимать во внимание и при обосновании доли снижения ресурса вновь восстанавливаемой системы от предшествующего его значения, поскольку установленные при КР (ТР) новые детали взамен отказавших будут функционировать в ряду с частично изношенными [5, 6].

Третья разновидность формы представления неравномерности состояний относится к аналитическим описаниям трибологических процессов во взаимосвязанных сопряженных деталях с разными структурными параметрами, совместно функционирующим в составе конкретного аг регата или системы автомобиля.Такие элементы работают в самых ответственных, определяющих технико-эксплуатационные показатели АТС агрегатах (ДВС, ТНВД, редукторы трансмиссии, АКБ). В них техническое состояние каждого элемента непосредственно оказывает влияние на интенсивность изнашивания других и систему в целом [1, 5, 6, 9]. Именно этим обстоятельством объясняется тот факт, что в одних и тех же агрегатах автомобилей одной модели при одинаковой наработке нередко отмечается существенная разница в значениях показателей их изнашивания и, соответственно, ресурсов. Например, известно, что долговечность подшипников качения одного типоразмера из одной партии производства, работающих в строго сопоставимых условиях эксплуатации, может отличаться в 40 раз [15].

В связи с этим, отметим, что на настоящем этапе развития планово-предупредительной системы обеспечения работоспособности АТС научно обоснованной методологии принятия решений по выполнению ремонтно-восстановительных работ с гарантированным ресурсом агрегатов, связанных с подбором запасных частей взамен предельно изношенных, которые будут функционировать в составе восстановленной системы с разной степенью износа взаимо связанных элементов, нет. Но такая задача возникает ежедневно перед техническими службами АТП при осуществлении искусственной коррекции технического состояния любого элемента автомобиля при отказе или его предупреждении.

Процесс адекватного реагирования технических служб на совокупность измененных структурных параметров в функционально зависимых элементах автомобиля, в которых произошел отказ, требует специфического подхода к анализу и принятию решения по оптимальному формированию их размерных цепей, требующих в отдельных случаях замены не одной (вышедшей из строя), а двух или нескольких деталей. Такие задачи исполнителями по-прежнему решаются на интуитивном уровне, подтверждением чему служит ряд публикаций [2, 11, 13, 14, 17, 19], косвенно касающихся данной тематики исследования. В этих работах обращается внимание на сложность формирования заключения о техническом состоянии объекта, состоящего из одноименных элементов со значительной вариацией в них структурных параметров, а также приводятся практические рекомендации о необходимости обеспечения равномерности зазоров и соосности в одноименных парах трения конкретных механизмов АТС. Кроме этого, исследователи [8, 13] ресурсных возможностей двигателей ЗМЗ в условиях неравномерных значений зазоров в одноименных их сопряжениях, отметили существенную особенность: чем выше флуктуация зазоров в подшипниках коленчатого вала и цилиндропоршневой группы, тем меньше степень реализации потенциального ресурса кривошипно-шатунного механизма – основного элемента ДВС.

Указанные обстоятельства оп ределили актуальную проблемную ситуацию в рамках выполнения фундаментальной научно-исследовательской программы СГТУ им. Ю. А. Га гарина, заключающейся в методологии обоснования ресурсных возможностей взаимосвязанных элементов АТС в зависимости от показателей неравномерности их структурных параметров, положительные результаты которой рассматриваются ниже.

Установлено, что оценки общего технического состояния совокупности взаимосвязанных деталей всборочных единицах, агрегатах и системах АТС и показатели предельных их структурных параметров зависят от характера и степени их взаимного влияния на неравномерность изменения их технического состояния в процессе эксплуатации.

По этим признакам в третьей форме представления аналитических описаний неравномерностей трибологических процессов во взаимосвязанных сопряженных деталях все механизмы и системы автомобиля делятся на две группы.

Первую группу составляют одноименные детали и сборочные единицы, выполняющие одинаковые функции в автомобиле, взаимодействие которых осуществляется через опосредственные связи – элементы кузова и ходовой части. Соответственно, воспринимаемые ими нагрузки могут отличаться различиями дорожных условий на них. Вторую группу составляют одноименные элементы с кинематическими связями, посредством которых или через которые осуществляется передача крутящего момента от ДВС или иной нагрузки от одного элемента к другому.

К одноименным элементам первой группы, работающим в автономных условиях функционирования, например, относятся детали тормозной системы (накладки, диски, барабаны), передней подвески и ходовой части (амортизаторы, рессоры, шаровые опоры и шарниры, подшипники ступиц колес, шины).Они расположены симметрично относительно оси автомобиля и вполне доступны для инструментального и визуального контроля. Динамика их изнашивания в процессе эксплуатации представляется в виде (1) как для автономно работающих элементов. Степень взаимного влияния технического состояния их друг на друга менее зависима, но она есть. С ухудшением технического состояния одного из них увеличивается не только интенсивность изнашивания его собственных деталей от действия дополнительных динамических нагрузок, пропорциональных росту зазора в сопряжениях, но и за счет более жестких условий его функционирования нагрузки через опосредственные связи перераспределяются и возрастают в других, идентичных ему элементах.

Поскольку динамика изменения показателя технического состояния автономно функционирующих одноименных элементов подчиняется зависимости (1), то при известных предельных Sпред значениях структурных или диагностических параметрах определение их ресурса l не вызывает трудностей:

. (2)

При необходимости замены одного из автономно функционирующих одноименных элементов их прогнозируемый ресурс существенно не изменяется по сравнению с предшествующими заменами, поскольку взаимосвязь ресурсов l1 , l2 в соответствии с формулой (2) экспоненциально зависит только от неравномерности соотношения их текущих исходных значений структурных параметров (зазоров) S01 и S02 на момент замены:

. (3)

Независимо от характера и степени взаимодействия общая оценка степени неравномерности технического состояния взаимодействующих элементов характеризуется максимальной разностью текущих структурных (или диагностических параметров), отнесенной к определенному пробегу l АТС:

Ориентируясь на показатель неравномерности (4) для некоторых одноименных элементов, техническими и нормативными требованиями на изготовление и эксплуатацию АТС фирмы-изготовители вводят предельные численные их ограничения. Они обусловлены существенным негативным влиянием сверхдопустимой неравномерности на рабочие процессы в ДВС, управляемость, тормозные качества, износ шин, коррозионную стойкость кузова и другие технико-эксплуатационные характеристики АТС (конкретные данные приведены в [6, 7]).

Ко второй, а по значимости рассматриваемого вопроса – главной группе относят кинематически взаимодействующие элементы в наиболее дорогостоящих агрегатах и механизмах системы «ДВС – трансмиссия», определяющих техническую готовность и себестоимость перевозок автомобиля. В ДВС это одноименные детали ЦПГ, КШМ, ГРМ, плунжерные пары топливного насоса высокого давления. Элементы этих звеньев соединены параллельно или последовательно, кинематически связаны с коленчатым (распределительным) валом и расположены в едином блоке цилиндров (корпусе). Их достаточно сложно диагностировать по конкретным сопряжениям, например подшипникам коленчатого вала, а нарушение работоспособности одного из них приводит к отказу ДВС и автомобиля в целом. Аналогичные условия работы характерны и для элементов трансмиссии (фрикционные диски в многодисковом сцеплении, зубчатые зацепления коробки передач, редукторов ведущих мостов, карданные сочленения), шарниров рулевых тяг, резиновых втулок стабилизатора поперечной устойчивости, лонжеронов рамы и многих других узлов автомобиля.

Неравномерность состояний этой группы одноименных элементов, функционирующих в составе единой кинематической системы или агрегата, оценивается относительной величиной – коэффициентом неравномерности исходных структурных, рабочих и диагностических параметров в процессе производства (на этапе изготовления и сборки агрегата) или текущих (в процессе эксплуатации), а также динамикой последующего ее развития на прогнозируемой стадии эксплуатации АТС.

Используются коэффициенты двух видов, каждый из которых имеет свое рациональное поле применения. Предложенный исследователями Заволжского моторного завода [13, 19] коэффициент более прост и рекомендован для количественной оценки неравномерности износа любой совокупности одноименных деталей:

. (5)

Для определения динамик неравномерности изменения технического состояния агрегатов и систем, в составе которого взаимодействуют одноименные детали и сопряжения, предпочтительнее применять коэффициент [7], который учитывает размах неравномерности износа сопряжений

, (6)

– среднеарифметическое значение износа анализируемых одноименных деталей.

Рассмотрим изменение неравномерности изнашивания наиболее сложных взаимодействующих элементов второй группы в процессе эксплуатации на примере сопряжений подшипников коленчатого вала дви гателя.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено [5, 6], что для динамически нагруженных подшипников коленчатого вала неравномерность их изнашивания в процессе эксплуатации увеличивается и рассчитывается по формуле

, (7)

По такой же зависимости увеличиваются неравномерности макроотклонений цилиндрических поверхностей εн деталей от идеальных форм от пробега автомобиля, например, конусности и овальности шеек коленчатого вала:

, (8)

Из анализа зависимостей (7), (8) следует, что при одинаковых среднеарифметических Sср значениях исходных зазоров в одноименных подшипниках, в двигателе с меньшими значениями исходной неравномерности Sн0 зазоров и макроотклонений εн0 достижение предельного значений Sпред зазора, установленного заводом-изготовителем ДВС, и соответству ющего ему потенциального ресурса является наиболее вероятным событием.

С учетом неравномерности структурных параметров значение предельно допустимого зазора Sпн для всей совокупности подшипников коленчатого валана прогнозируемом пробеге l рассчитывается по формуле

. (9)

Следовательно, ресурс подшипников будет уменьшаться не пропорционально значению исходной неравномерности Sн0, а по экспоненциальной зависимости

. (10)

Поэтому на этапе производства важно минимизировать начальную неравномерность структурных параметров одноименных сопряжений, а в эксплуатационном цикле – не допускать увеличения неравномерности параметров рабочих процессов в цилиндрах ДВС и трансмиссии.Указанные закономерности распространяются и на другие кинематически взаимодействующие элементы, функционирующие в составе агрегатов и систем АТС.

Литература

1. Авдонькин Ф. Н. Теоретические основы технической эксплуатации автомобилей. – М. : Транспорт, 1985. – 215 с.
2. Антропов Б. С. Чтобы полнее использовать ресурс дизелей // Автомобильная промышленность, 1998. – № 5. – С. 24–25.
3. Бажинов А. В., Серикова Е. А., Быков А. М. Долговечность легкового автомобиля. – Харьков : Мачулин, 2012. – 178 с.
4. Билик Ш. М. Макрогеометрия деталей машин. М. : Машиностроение, 1972. – 344 с.
5. Гребенников А. С., Гребенни ков С. А., Ко сарева А. В. Не учтенные факторы в нормативах технической эксплуатации автомобилей // Мир транспорта и технологических машин. – 2016. – № 3. – С. 10–20.
6. Прогнозирование ресурса одноименных элементов автомобиля от условий их взаимодействия и неравномерности исходных состояний / А. С. Гребенников, С. А. Гребенников, А. В. Коновалов, А. В. Косарева // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2008. – № 1. – С. 103–110.
7. Гребенников С. А., Гребенни ков А. С., Обельцев А. С. Причинно-следственные связи неравномерности изменения технического состояния элементов автомобиля // Грузовик. – 2016. – № 11. – С. 3–9.
8. Гурвич И. Б., Сыркин П. Э., Чумак В. И. Эксплуатационная надежность автомобильных двигателей. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Транспорт, 1994. – 144 с.
9. Денисов А. С. Основы формирования эксплуатационно-ремонтного цикла автомобилей. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1999. – 352 с.
10. Диагностирование технического состояния автомобилей на автотракторных предприятиях / Л. В. Мирошников, А. П. Болдин, В. И. Пал [и др.]. – М. : Транспорт, 1977. – 263 с.
11. Ждановский Н. С., Николаен ко А. В. Надежность и долговечность автотракторных двигателей. – Л. : Колос, 1974. – 223 с.
12. Михлин В. М. Управление надежностью сельскохозяйственной техники. – М. : Колос, 1984. – 335 с.
13. Назаров А. Д. Дисбалансы автотракторных двигателей: определение и нормирование. – М. : Машино строение, 1992. – 272 с.
14. Непомилуев В. В. Исследование возможностей повышения качества сборки путем индивидуального подбора деталей // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2006. – № 10. – С. 43–46.
15. Перель Л. Я. Подшипники качения. М. : Машиностроение, 1999. – 336 с.
16. Проников А. С. Параметрическая надежность машин. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. – 560 с.
17. Санинский В. А. Групповая идентифицированная сборка вкладышей коренных подшипников скольжения с коренными опорами и коленчатым валом ДВС // Вестник машиностроения. – 2006. – № 4. – С. 31–36.
18. Тененбаум М. М. Сопротивление абразивному изнашиванию. – М. : Машино строение, 1976. – 271 с.
19. Цой И. М., Гурвич И. Б. Влияние некоторых технологических факторов на неравномерность износа коренных подшипников коленчатого вала // Автомобильная промышленность. – 1970. – № 1. – С. 36–38.

Метки: Транспорт, Сельское и лесное хозяйство

• Назад
• Вперед