TRWAŁOŚĆ I NIEZAWODNOŚĆ ŁOŻYSK ROZRUSZNIKA

Transkrypt

1 4-23 T R I B O L O G I A 69 J. Burcan, K. Siczek * TRWAŁOŚĆ I NIEAWODNOŚĆ ŁOŻYSK RORUSNIKA THE DURABILITY AND RELIABILITY OF BEARING OF CAR STARTER Słowa kluczowe: rozrusznik, łożyska porowate, trwałość i niezawoność łożysk Key wors: car starter, sintere bearing, urability an reliability of bearing Streszczenie: W referacie zaprezentowano wyniki baań trwałości łożysk rozrusznika. Geometria łożysk rozrusznika ecyuje o ich trwałości i niezawoności. Wzrost początkowej wartości luzu powouje spaek trwałości łożysk. Dla mniejszych wartości prękości obrotowej spaek trwałości jest mniejszy. Trwałość i niezawoność łożysk nowych i naprawianych mogą być zbliżone. Nawet po trzeciej naprawie nie zaobserwowano wzrostu wartości momentu tarcia, temperatury i amplituy rgań w łożyskach. Po trzeciej wymianie panewek rozrusznik powinien być wymieniony na nowy. Politechnika Łózka

2 7 T R I B O L O G I A 4-23 WPROWADENIE Trwałość rozrusznika zależy o trwałości łożysk - słabego ogniwa w jego strukturze niezawonościowej. Jenym ze sposobów wyłużenia czasu eksploatacji rozrusznika jest wykonanie w opowienim czasie naprawy łożysk, poprzez wymianę panewek na nowe. Obiektem baań jest ukła łożyskowy rozrusznika, w silniku samochou FIAT 126p. Bezobsługowe łożyska rozrusznika skłaają się ze stalowych, ulepszanych cieplnie i szlifowanych czopów oraz porowatych panewek, wykonanych ze spieków brązu z afitem. Panewki polegają kalibrowaniu i są fabrycznie nasycane olejem Antykol TS-12. Łożyska rozrusznika pracują w systemie pracy start stop, w warunkach tarcia mieszanego, w którym uział tarcia płynnego zmniejsza się w miarę upływu czasu eksploatacji. użycie i opory ruchu w łożyskach zależą o prękości poślizgu, obciążenia, temperatury pracy i warunków smarowania, pomięzy którymi zachozą sprzężenia zwrotne. Łożyska rozrusznika przenoszą zmienne obciążenia, w obecności rgań. Obciążenie łożysk wynika z ciężaru wirnika, sił szczotkotrzymaczy i siły oziaływań zębnika. Poczas naprawy łożysk rozrusznika czopy pozostawia się. Po kilku kolejnych wymianach panewek wymienia się także wirnik na nowy. Naprawa czopów, przez nałożenie warstw regeneracyjnych, jest nieopłacalna, ponieważ wymaga emontażu elementów wirnika. Materiały czopów i panewek, rozaj oleju naprawianych i nowych łożysk rozrusznika są takie same. Jene i rugie pracują w poobnych warunkach obciążenia, prękości poślizgu, temperatury oraz parametrów otoczenia. Geometria łożysk naprawianych, na ogół zecyowanie różni się o geometrii łożysk nowych. Właściwy obór geometrii łożysk, umożliwia uzyskiwanie trwałości naprawianych łożysk zbliżonej o trwałości łożysk nowych. Poczas baań określano wpływ geometrii łożysk na ich trwałość i niezawoność. Wyznaczono parametry krzywej zużycia i ustalono kryteria stanu anicznego moelowych łożysk rozrusznika. Wyznaczone parametry stanu anicznego i krzywej zużycia łożysk wykorzystano o szacowania trwałości i niezawoności łożysk.

3 4-23 T R I B O L O G I A 71 BADANIA WŁASNE Stanowisko baawcze Baania przeprowazono na specjalnie przygotowanym stanowisku (rys. 1). W celu zapewnienia warunków pracy łożysk zbliżonych o rzeczywistości, stanowisko baawcze wykonano na bazie silnika samochou FIAT 126p. Wprowazone zmiany konstrukcyjne były poyktowane koniecznością zabuowy aparatury pomiarowej. Poczas baań mierzono moment tarcia w tylnym łożysku, amplituę rgań i temperaturę - w przenim i w obu łożyskach zużycie objętościowe. Mierzono także prękość obrotową wału korbowego, prą rozruchu, napięcie zasilania, liczbę obrotów i uruchomień. wał II korbowy silnika 2 a f e A c 1 wał I rozrusznik B g b Rys.1. Schemat stanowiska o pomiaru momentu tarcia, temperatury i amplituy rgań ukłau łożyskowego [1]. a czujnik prękości obrotowej, b czujnik siły, c-termopara, -czujnik rgań, e kaseta sterownicza, f ysk komputera, g - licznik obrotów wirnika rozrusznika. Fig. 1. The scheme of stan for measurement of friction moment, temperature an vibration in bearing system. a sensor of rotational spee, b- sensor of force, c sensor of temperature, sensor of vibration, e control cassette, f computer isc, g sensor of number of rotates of car starter ałożenia przyjęte poczas szacowania trwałości i niezawoności łożysk Dla oszacowania trwałości i niezawoności przyjęto założenia upraszczające.

4 72 T R I B O L O G I A ) Dla przykłaowego wariancyjnego rozkłau Bernsteina czasu poprawnej pracy łożyska, opisano funkcję niezawoności łożysk zależnością (1) R () t = Φ 2 D E( ) ( ) ( ) ( ) E wz t D wz t (1), gzie: zużycie łożyska po koniec okresu quasiliniowego D 2 - wartość oczekiwana i wariancja zużycia zużycia, E( ), ( ) łożyska po czasie ocierania, E(w z ), D 2 ( ) w z - wartość oczekiwana i wariancja prękości zużycia łożyska w czasie quasiliniowego zużycia. 2) Miarą trwałości łożysk może być wartość resursu 5%, oszacowana ze wzoru (2) E( ) ( w ) t5 = (2). E 3) Miarą trwałości może być również śreni czas poprawnej pracy łożyska - zależność (3) 2 E( ) D ( w ) ( ) ( ) = + z tśr 1 (3). 2 E wz E wz 4) Miarą trwałości może być też czas t o zakończenia okresu umiarkowanego zużycia - (4) t l l = E[ wz () t ] t (4), gzie: l opuszczalna wartość luzu w łożysku, l początkowa wartość luzu w łożysku. 5) Powiększenie luzu w łożysku wynika tylko ze zużycia panewki. użycie czopa pominięto. Moel zużycia ukłau łożyskowego rozrusznika Najczęściej, w znanych opracowaniach, zużycie la anej prękości zużywania się w z, zależy wyłącznie o czasu trwania eksploatacji (5) z

5 4-23 T R I B O L O G I A 73 t () t w () t = t, (5) Prękość zużycia w z wyznacza się z eksperymentu, na przykła z zależności (6). B A( t t ) + w, < t < t wz = w, t t t, (6), D C ( t t ) + w, t t Stałe współczynniki A, B, C, D zależą o stanu powierzchni, rozaju materiałów, itp. Wartości współczynników B i D założono, ponieważ jenoczesne wyznaczenie współczynników A i B oraz C i D było niemożliwe, na roze rozwiązania ukłau równań. W celu umożliwienia obliczenia wartości współczynnika A, przyjęto, że la wszystkich przypaków baanych łożysk, wartość współczynnika B była taka sama. Wartość współczynnika A wyznaczono z równania (7) z B t [ A ( t t ) + w ] t + w t t = t (7), Wartość współczynnika C wyznaczono ze wzoru (8) awaria B t t awaria [ A ( t t ) + w ] t + w t + C ( t t ) D [ + w ] t t o t t = (8), Wartości prękości zużycia w oraz czasy t, t - o uzyskania stanu zakończenia, opowienio ocierania i okresu quasiliniowego zużycia wyznaczono na postawie wyników pomiaru. W przeprowazonych baaniach wartości stałych parametrów wynosiły: t =1 uruchomień, t = 7 uruchomień. Wartość zużycia anicznego wyznaczono eksperymentalnie, la łożysk pracujących o osiągnięcia początku okresu przyspieszonego zużycia. Wartość t awaria =3675 uruchomień oraz wartość zużycia w momencie awarii awaria, wyznaczono eksperymentalnie w serii pomiarów łożysk pracujących o wystąpienia awarii. Wartości prękości zużycia materiału panewki obliczano ze wzoru 8 2 (9), wobec przyjęcia liniowej intensywności zużycia = p, I h

6 74 T R I B O L O G I A 4-23 śreniego nacisku powierzchniowego mięzy czopem i panewką p, prękości liniowej czopa wzglęem panewki v, promienia otworu panewki r p, ługości panewki l, kąta styku czopa z panewką ϕ. w = 2 I h v rp ϕ l, (9) Naciski powierzchniowe w łożysku obliczono przyjmując, że powierzchnie robocze czopów i panewek są iealnie głakie. ałożono, że reakcje w łożyskach są przyłożone w miejscu styku krawęzi otworów panewek ze współpracującymi powierzchniami czopów, co zachozi w warunkach przekoszenia wirnika w łożyskowaniu. Wyniki baań amieszczone w pracy [2] przebiegi mierzonych wartości momentu tarcia, temperatury, amplituy rgań i prękości obrotowej, w funkcji liczby cykli, pozwalają opisać i porównać zmiany tych wielkości, występujące w nowych i naprawianych łożyskach. W przeciągu 6 początkowych uruchomień nowego rozrusznika, występował spaek i uże wahania wartości temperatury. Poobnie, w przeciągu 1 początkowych uruchomień wystąpił spaek i uże wahania wartości momentu tarcia. Poziom amplitu rgań, w przeciągu pierwszych 3 uruchomień łagonie wzrastał, a w alszej części okresu pracy ustabilizował się. Mierzone wartości prękości obrotowej wykazywały uże wahania, ale śreni poziom wartości prękości nie ulegał zmianie w całym okresie pracy. Należy sązić, że poczas początkowego okresu pracy nastąpiło otarcie powierzchni roboczych. W okresie alszych 6 uruchomień występowały zmniejszone wartości i wahania momentu tarcia. mniejszone wartości i wahania temperatury trwały o około 12 uruchomienia. W okresie przyspieszonego zużycia obserwowano wzrost wahań momentu tarcia i temperatury. Okres przyspieszonego zużycia zakończył się awarią, po wykonaniu 3675 uruchomień. W łożyskach pracujących po pierwszej i po rugiej wymianie panewek poziom wartości temperatury łagonie wzrastał o początku pracy. Dla łożysk pracujących po trzeciej wymianie panewek praktycznie był stały. Wahania temperatury w naprawianych łożyskach były znacznie niższe niż w przypaku łożysk nowych.

7 4-23 T R I B O L O G I A 75 Poziom amplitu rgań w naprawianych łożyskach praktycznie był stały i niższy niż w łożyskach nowych. Wartości momentu tarcia w naprawianych łożyskach wykazywały spaek o początku pracy. Po każej naprawie poziom wartości momentu tarcia był większy. Wartości momentu tarcia w łożyskach naprawianych były na ogół wa razy większe, niż w nowych. Prękość obrotowa w przypaku łożysk naprawianych praktycznie nie zmieniała się i była na ogół wukrotnie wyższa, niż w przypaku łożysk nowych. Umownie przyjęto, że okres ocierania łożysk nowych i naprawianych był taki sam. Dla zachowania porównywalnych warunków oceny baanych łożysk przyjęto la wszystkich wymian, jako kryterium osiągnięcie umownego stanu anicznego po 7 uruchomieniach. Nawet po trzeciej naprawie nie obserwowano użego przyrostu wartości momentu tarcia, temperatury lub rgań, co pozwoliło przywrócić stan zatności łożysk. Wartości współczynników (A, B, C, D) i charakterystyczne punkty (t, ), (t, ), (t awaria, awaria ) krzywej zużycia praktycznie są takie same lub zbliżone la wszystkich przypaków baanych łożysk, to znaczy łożysk nowych i naprawianych. mieniają się A,, i, pozostałe nie (tabela I). Tabela I. Parametry krzywej zużycia łożyska rozrusznika [1]. Table I. The parameters of wear curve for bearing in car starter [1]. Okres pracy łożysk Do I wymiany panewek Po I wymiani e panewek Po II wymiani e panewek Po III wymiani e panewek t [s] t [s] t awaria [s] E(v z ) [mm 3 /s] [mm 3 ] [mm 3 ] awaria [mm 3 ] A B C D * * * * * * * * *

8 76 T R I B O L O G I A 4-23 abezpieczenie prze wystąpieniem awarii rozrusznika wymaga przyjęcia opuszczalnej wartości luzu promieniowego. Łożyska muszą zostać poane naprawie, po osiągnięciu wartości luzu promieniowego uniemożliwiającej ocieranie wirnika o stojan. Wartości zużycia łożysk otartych i wartości zużycia anicznego na ogół są la łożysk po naprawie większe o około 2% o analogicznych wartości la łożysk nowych. W przypaku łożysk naprawianych występują większe wartości prękości obrotowej, niż w przypaku łożysk nowych. apewne latego intensywność zużycia łożysk naprawianych jest większa niż łożysk nowych (tabela I). aobserwowano, że spaek obliczanych wartości niezawoności łożysk naprawianych występuje później i jest większy, niż w przypaku łożysk nowych (rysunek 2) Obliczane wartości resursu 5% la łożysk nowych i naprawianych są zbliżone. Obliczane wartości śreniego czasu poprawnej pracy łożysk naprawianych są prawie 2 razy mniejsze niż w przypaku łożysk nowych (tabela II). Wynika to z większego rozrzutu prękości zużywania się łożysk nowych. Tabela II Wartości resursu 5% i śreniego czasu poprawnej pracy łożyska Table II. The value of resource 5% an of mean time of correct bearing work Okres pracy łożyska t 5 [ilość uruchomień] t śr [ilość uruchomień] Do I wymiany panewek Po I wymianie panewek Po II wymianie panewek po III wymianie panewek ,2 1,8,6,4,2 niezawoność [-] liczba cykli [-] Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 Rys.2. Niezawoność baanych nowych i naprawionych łożysk rozrusznika Fig.2. The reliability of new an of repaire bearing in car starter

9 4-23 T R I B O L O G I A 77 e wzrostem początkowej wartości luzu maleje trwałość łożyska (rysunek 3). liczba uruchomień [ - ] y = -138,45Ln(x) - 591,46 R 2 =,9864 y = -47,128Ln(x) - 2,5 R 2 =,9891 4,,4,8,12,16 początkowy luz wzglęny/opuszczalny luz wzglęny [-] Rys. 3. Trwałość łożysk w funkcji początkowej wartości luzu w łożysku [1]. Dolny wykres la prękości obrotowej wału korbowego n=2 obr/s, Górny wykres la prękości obrotowej wału korbowego n=4.3 obr/s. Fig. 3. The urability of bearing vs begin value of clearance in bearing. The lower curve for rotational spee n=2 rotate/s, upper curve for rotational spee n=4.3 rotate/s. e wzrostem śreniej wartości prękości obrotowej poprawiają się warunki tarcia, co objawia się wzrostem trwałości. Dwukrotny wzrost prękości obrotowej powouje trzykrotny wzrost trwałości łożyska. Dla mniejszych wartości prękości obrotowej spaek trwałości łożyska jest mniejszy. WNIOSKI 1) Wartość luzu promieniowego w łożyskach ecyuje o bezawaryjnej pracy ukłau łożyskowego. W przypaku baanego rozrusznika przekroczenie wartości luzu 5 w wyniku zużycia łożysk oprowaziło o awarii, polegającej na uerzeniu wirnika o stojan. 2) Wymiana panewek poczas naprawy nie powouje występowania wzrostu oporów ruchu, temperatury i rgań poczas pracy łożysk. Poczas czwartej wymiany panewek także wirnik powinien być wymieniony na nowy.

10 78 T R I B O L O G I A ) Prękość zużycia łożysk naprawianych i nowych są porównywalne. 4) achowanie poczas naprawy porównywalnych warunków geometrii łożysk pozwala na uzyskiwanie trwałości i niezawoności łożysk naprawianych takich samych, jak la łożysk nowych. 5) e wzrostem początkowej wartości luzu maleje trwałość łożyska. Dla mniejszych wartości prękości obrotowej spaek trwałości łożyska jest mniejszy. 6) Moelowy charakter baań pozwala wykorzystywać uzyskane o opisu i interpretacji rzeczywistych procesów eksploatacyjnych, a także o oceny trwałości innych urzązeń pracujących z bezobsługowymi łożyskami o porowatych panewkach. LITERATURA 1. K. Siczek: Baania trwałości ponaprawczej ślizgowych łożysk rozrusznika, rozprawa oktorska, Politechnika Poznańska. Poznań J. Burcan, K. Siczek: Baania trwałości łożysk rozrusznika, eszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, Mechanika, nr 27/21, z.68, s Recenzent: Marek Wiśniewski Summary The obtaine results from researches of urability of bearing in car starter have been presente in the paper. The geometry of sintere bearing influences the urability an reliability of bearing system in car starter. The increasing of the begin value of bearing clearance results in ecreasing of urability of bearing in car starter. For lower value of rotational spee the ecreasing of urability of bearing is lower. The urability an reliability of repaire bearing can be close to the urability an reliability of new bearing. Even after the thir repairing the bearing can work without increasing of resistance of motion, of value of temperature an of vibration. After the thir repairing of bearing the car starter shoul be change for new one.