Abstract and keywords
Abstract (English):
The study presents an analysis of the existing models for the calculation of wear rate of cylinder liners. It is noted that for coincidence between the calculated and experimental data the empirical coefficients are necessary. The dependence for calculating the functional coefficient of friction on the diameter of the cylinder, piston stroke, rotation frequency of crankshaft and average effective pressure. The processes of wearing modern medium-speed diesel engines are analyzed during operational experiments on multi-purpose vessels. The regularities of wearing the parts of the cylinder-piston group are identified.

Keywords:
marine medium-speed diesel engines, calculation of wear rate
Text
Введение Надежность и эффективность работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) во многом определяется конструктивным и технологическим совершенством узлов трения, в частности деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). В частности, продолжительность межремонтных периодов работы двигателя является одним из важнейших факторов его надежности и безопасности мореплавания. Кроме того, с увеличением износа ухудшается процесс сгорания и увеличивается выброс токсичных веществ с отработавшими газами. Большой вклад в изучение процессов изнашивания внесли исследования таких видных ученых, как Л. И. Погодаев, В. Г. Кузькин, В. Ф. Большаков, Л. Г. Гинзбург, Л. И. Двойрис, В. В. Овсянников, разработавших теоретические модели по расчету и прогнозированию продолжительности работы ДВС в межремонтные периоды. Профессором Л. И. Погодаевым [1-5] в эксплуатационных условиях исследовано влияние температуры охлаждающей жидкости, качества применяемого топлива и смазочных материалов для трех групп двигателей типа 8НВД36У в количестве 36 единиц. Установлена критическая температура для охлаждающей жидкости на выходе из цилиндровых втулок, повышение которой ухудшает условия трения и увеличивает скорость изнашивания. Влияние приведенных выше факторов учитывается изменением величины коэффициента трения. В работах В. Г. Кузькина [6] установлены зависимости для расчета относительного изменения скорости изнашивания деталей ЦПГ при работе двигателя по нагрузочной и винтовой характеристикам. Скорость изнашивания на режимах винтовой характеристики больше, чем на режимах нагрузочной, т. к. одновременно изменяются и частота вращения коленчатого вала, и цикловая подача. Однако тип двигателей и пределы изменения среднего эффективного давления не указываются. Несмотря на большое количество работ, посвященных проблеме повышения долговечности деталей ЦПГ ДВС, до сих пор отсутствуют надежные математические зависимости, учитывающие влияние действующих факторов. Для совпадения расчетных данных с экспериментальными вводятся эмпирические коэффициенты. В связи с отсутствием в литературе данных по скорости изнашивания современных среднеоборотных ДВС были проведены пассивные испытания на двух судах универсального назначения с четырьмя двигателями типа 12ЧН 46/58 (Wartsila 12V46C3) номинальной мощностью 12 600 кВт, со средним эффективным давлением 26,1 бара, максимальным давлением цикла 220 бар и удельным расходом топлива 170-177 г ∙ кВт/ч. На каждом поршне двигателя данного типа устанавливаются два компрессионных и одно маслосъемное кольцо [7]. С целью выявления закономерности процесса изнашивания поочередно на каждом поршне, с усредненным интервалом в 500 рабочих часов, производили моточистки, включавшие в себя разборку деталей ЦПГ, замеры цилиндровых втулок и поршневых колец. Износ каждой втулки определялся как среднее арифметическое значение износов, измеренных в четырех поясах втулки с помощью шаблона. В каждом поясе производились замеры по четырем точкам. Поршневые кольца замерялись в пяти точках и в замках. Результаты измерений представлены на рис. 1-6. На графиках скорости изнашивания поршневых колец (рис. 4, 5) и цилиндровой втулки (рис. 6) хорошо просматривается период приработки ЦПГ (в первые 3500 часов работы), период нормальной эксплуатации, а также период интенсивного износа поршневых колец (начиная с 21 000 часов работы). Закономерности изнашивания цилиндровых втулок в верхнем поясе в период нормальной эксплуатации (рис. 1) аппроксимируются полиномом третьей степени: y = -0,003 τ 3 + 0,132 τ 2 + 3,082 τ + 35,47 , (1) где τ - продолжительность работы, тыс. ч. Знак «-» в первом коэффициенте уравнения (1) обусловлен тем, что средняя скорость износа цилиндровой втулки незначительно увеличивается. Точность аппроксимации при этом составила R² = 0,9852. Закономерности изнашивания первого и второго компрессионных колец (рис. 2, 3) аппроксимируются полиномом второй степени: y = -0,030 τ2 + 4,029 τ + 51,73, (2) y = -0,047 τ 2 + 4,957 τ + 43,02, (3) где τ - продолжительность работы, тыс. ч. Знак «-» в первых коэффициентах уравнений (2), (3) обусловлен тем, что средняя скорость износа поршневых колец незначительно уменьшается. Точность аппроксимации для данных уравнений составила R² = 0,9801-0,9894. Такому характеру процесса изнашивания соответствуют постоянные значения скорости: для втулки - 8,2 мкм/1000 ч; для компрессионных колец соответственно: первое кольцо - 5,4 мкм/1000 ч, второе кольцо - 5,8 мкм/1000 ч. Рис. 1. Характеристика изнашивания верхнего пояса цилиндровой втулки (50 мм от верхней мертвой точки (ВМТ)) двигателей типа ЧН 46/58 Рис. 2. Характеристика изнашивания первого компрессионного кольца двигателей типа ЧН 46/58 Рис. 3. Характеристика изнашивания второго компрессионного кольца двигателей типа ЧН 46/58 Рис. 4. Скорость изнашивания первого компрессионного кольца двигателей типа ЧН 46/58 Рис. 5. Скорость изнашивания второго компрессионного кольца двигателей типа ЧН 46/58 Рис. 6. Скорость изнашивания верхнего пояса втулки (50 мм от ВМТ) двигателей типа ЧН 46/58 В связи со сложностью проблемы учета всех действующих факторов в известных моделях ограничиваются исследованием только некоторых из них, поэтому целесообразно применить интегральный метод расчета, косвенно учитывающий их влияние. При его разработке было принято: 1. При изготовлении деталей ЦПГ, несмотря на применение технологии суперфиниширования, поверхности трения имеют неравномерное распределение микронеровностей, заполняемых смазочным маслом. В результате этого микронеровности заполняются маслом неравномерно, создавая зоны контакта. 2. Для разрыва фрикционных связей на пятнах контакта затрачивается энергия, потери которой учитываются механическим КПД. 3. На величину механических потерь в ЦПГ влияют: геометрические характеристики трущихся пар, свойства применяемых материалов, технология их изготовления, условия работы (характеристики процесса сгорания, среднее эффективное давление, частота вращения коленчатого вала, качество применяемых топлива и масла, эффективность охлаждения). Для вычисления мощности механических потерь воспользуемся методом профессора В. И. Одинцова [8], в соответствии с которым мощность механических потерь представлена в виде суммы двух слагаемых: где f1(kxД) - функция, учитывающая влияние конструктивных характеристик двигателя и технологических факторов; f2(Pmе) - функция, отражающая влияние удельного давления колец на втулку, пропорциональное среднему эффективному давлению. Для двухтактных дизелей, кВт: Для четырехтактных дизелей, кВт: Среднее значение, кВт: где F - площадь рабочей поверхности цилиндровой втулки, м2; n - частота вращения коленчатого вала, 1/мин; d - диаметр цилиндра, м; S - ход поршня, м; - среднее эффективное давление, кПа; A - постоянная, равная 700, кПа. Для учета влияния технологического и конструктивного совершенства дизелей вводится коэффициент Кк,т = 0,95-097, снижающий величину механических потерь, которые вычисляются по вышеприведенным формулам. Работа в цилиндре дизеля за один рабочий ход вычисляется по формуле Li = PiVi. Потери мощности на трение представим отношением Lmр = PiVh(1 - ηм) BтрKтp, где Bтр - часть механических потерь, обусловленная трением в деталях ЦПГ. В то же время работа трения Lтр, может быть представлена как Lтр = PтpS. Исходя из условия, что в цилиндре наблюдается вязкостное или граничное трение [9], силу трения можно представить в виде Pтp = kтpPцFтp, где Pтp - сила трения; kтp - коэффициент трения; Pц - давление поршневых колец на стенки цилиндровой втулки, Pц=0,2 MПа [10]; Fтp - площадь трения. Схематическое действие сил представлено на рис. 7. Рис. 7. Схематическая развертка втулки с действующими силами Расчет по вышеприведенным формулам для двигателя 12 ЧН46/58 с механическим КПД = = 0,91, Bтр = 0,5 и Кк,т = 0,95 показал, что коэффициент трения Ктр = 0,095. Скорость изнашивания вычислялась по формуле Л. И. Погодаева [1]: Расчетное значение скорости изнашивания для цилиндровой втулки равно 8,5 мкм/1000 ч, а экспериментальное значение - 8,2 мкм/1000 ч. Расчетное значение коэффициента трения для двигателя 8НВД36У, со средним эффективным давлением 0,662 МПа, механическим КПД 0,87 и Bтр = 0,5, использованного в экспериментах Л. И. Погодаева [1], - Ктp= 0,11, а скорость изнашивания цилиндровой втулки - 9,0 мкм/1000 ч. Экспериментальное значение скорости изнашивания - 9,4 мкм/1000 ч. Разница в значениях величины трения объясняется более низким механическим КПД в двигателях 8НВД36У, большей относительной величиной поверхности трения, отнесенной к объему цилиндров, и худшей степенью технологического и конструктивного совершенства при меньшей форсировке двигателя. Таким образом, расчетные и экспериментальные данные по скоростям изнашивания имеют удовлетворительную сходимость. Меньшую скорость изнашивания поршневых колец можно объяснить их поверхностным упрочнением.
References

1. Pogodaev L. I. Strukturno-energeticheskie modeli nadezhnosti materialov i detaley mashin / L. I. Pogodaev, V. N. Kuz'min. SPb.: A. T. R. F., 2006. 607 s.

2. Pogodaev L. I. Issledovanie tonkih poverhnostnyh sloev metallov pri iznashivanii metodom mikrotverdosti / L. I. Pogodaev // Tr. Leningrad. in-ta vodnogo transporta. 1968. Vyp. 111. Tehnologiya sudostroeniya i sudoremonta. S. 23-29.

3. Pogodaev L. I. Kriticheskaya plotnost' potoka energii udarnyh voln kak kriteriy dolgovechnosti mnogofaznyh materialov pri udarnom iznashivanii / L. I. Pogodaev, A. I. Nekoz // Problemy treniya i iznashivaniya. Vyp. 8. Kiev: Tehnika, 1975. S. 18-23.

4. Pogodaev L. I. Prochnost' i iznosostoykost' geterogennyh materialov pri mikroudarnom nagruzhenii / L. I. Pogodaev, Yu. T. Borschevskiy, A. I. Nekoz // Problemy treniya i iznashivaniya, vyp.Kiev: Tehnika, 1975. S. 35-44.

5. Pogodaev L. I. Obobschennyy kriteriy ocenki iznosostoykosti materialov / L. I. Pogodaev, Yu. T. Borschevskiy // Povyshenie iznosostoykosti i sroka sluzhby mashin. Vyp. 1. IMP AN USSR. Kiev: NTO «Mashprom», 1977. S. 8-10.

6. Kuz'kin V. G. Otnositel'naya skorost' iznashivaniya detaley sudovyh dizeley pri rabote po vintovoy i nagruzochnoy harakteristikam / V. G. Kuz'kin // Nadezhnost' i effektivnost' tehnicheskih sistem: mezhdunar. sb. nauch. tr. Kaliningrad, 2006. S. 117-127.

7. Zubakov A. S. Ekspluatacionnye harakteristiki chetyrehtaktnogo dvigatelya tipa 12 ChN46/58 (Wartsila 12V46C3) / A. S. Zubakov, V. B. Odincov, M. K. Kornev, M. V. Usatov // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2011. № 2. S. 65-68.

8. Odincov V. I. Rabochiy process sudovyh DVS / V. I. Odincov: monogr. Kaliningrad: Izd-vo BGARF, 2010. 141 s.

9. Vansheydt V. A. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoraniya / V. A. Vansheydt. L.: Sudostroenie, 1977. 392 s.

10. Raykov I. Ya. Avtomobil'nye dvigateli vnutrennego sgoraniya / I. Ya. Raykov, G. N. Rytvinskiy. M.: Vyssh. shk., 1971. 431 c.