РАСЧЕТ СКОРОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК В СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЯХ
Авторы:
1.
Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота Калининградского государственного технического университета
Тип:
Статья
Страницы:
с 74
по 80
Статус:
Опубликован
Получено:
20.05.2014
Одобрено:
25.05.2014
Опубликовано:
25.05.2014
Классификаторы:
УДК 629.125
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
судовые среднеоборотные дизели, расчет скорости изнашивания
Аннотация (русский):
Приведен анализ существующих моделей по расчету скорости изнашивания цилиндровых втулок. Отмечается, что для совпадения расчетных данных с экспериментальными в них вводятся эмпирические коэффициенты. Разработана зависимость, позволяющая вычислить коэффициент трения в функции от диаметра цилиндра, хода поршня, частоты вращения коленчатого вала и среднего эффективного давления. Проведен анализ процессов изнашивания современных среднеоборотных двигателей внутреннего сгорания, полученных в ходе эксплуатационных экспериментов на судах универсального назначения. Выявлены закономерности изнашивания деталей цилиндропоршневой группы.
Приведен анализ существующих моделей по расчету скорости изнашивания цилиндровых втулок. Отмечается, что для совпадения расчетных данных с экспериментальными в них вводятся эмпирические коэффициенты. Разработана зависимость, позволяющая вычислить коэффициент трения в функции от диаметра цилиндра, хода поршня, частоты вращения коленчатого вала и среднего эффективного давления. Проведен анализ процессов изнашивания современных среднеоборотных двигателей внутреннего сгорания, полученных в ходе эксплуатационных экспериментов на судах универсального назначения. Выявлены закономерности изнашивания деталей цилиндропоршневой группы.
Ключевые слова:
судовые среднеоборотные дизели, расчет скорости изнашивания
судовые среднеоборотные дизели, расчет скорости изнашивания
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.
1. Погодаев Л. И. Структурно-энергетические модели надежности материалов и деталей машин / Л. И. Погодаев, В. Н. Кузьмин. СПб.: А. Т. Р. Ф., 2006. 607 с.
2. Погодаев Л. И. Исследование тонких поверхностных слоев металлов при изнашивании методом микротвердости / Л. И. Погодаев // Тр. Ленинград. ин-та водного транспорта. 1968. Вып. 111. Технология судостроения и судоремонта. С. 23-29.
3. Погодаев Л. И. Критическая плотность потока энергии ударных волн как критерий долговечности многофазных материалов при ударном изнашивании / Л. И. Погодаев, А. И. Некоз // Проблемы трения и изнашивания. Вып. 8. Киев: Техника, 1975. С. 18-23.
4. Погодаев Л. И. Прочность и износостойкость гетерогенных материалов при микроударном нагружении / Л. И. Погодаев, Ю. Т. Борщевский, А. И. Некоз // Проблемы трения и изнашивания, вып.Киев: Техника, 1975. С. 35-44.
5. Погодаев Л. И. Обобщенный критерий оценки износостойкости материалов / Л. И. Погодаев, Ю. Т. Борщевский // Повышение износостойкости и срока службы машин. Вып. 1. ИМП АН УССР. Киев: НТО «Машпром», 1977. С. 8-10.
6. Кузькин В. Г. Относительная скорость изнашивания деталей судовых дизелей при работе по винтовой и нагрузочной характеристикам / В. Г. Кузькин // Надежность и эффективность технических систем: междунар. сб. науч. тр. Калининград, 2006. С. 117-127.
7. Зубаков А. С. Эксплуатационные характеристики четырехтактного двигателя типа 12 ЧН46/58 (Wartsila 12V46C3) / А. С. Зубаков, В. Б. Одинцов, М. К. Корнев, М. В. Усатов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2011. № 2. С. 65-68.
8. Одинцов В. И. Рабочий процесс судовых ДВС / В. И. Одинцов: моногр. Калининград: Изд-во БГАРФ, 2010. 141 с.
9. Ваншейдт В. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания / В. А. Ваншейдт. Л.: Судостроение, 1977. 392 с.
10. Райков И. Я. Автомобильные двигатели внутреннего сгорания / И. Я. Райков, Г. Н. Рытвинский. М.: Высш. шк., 1971. 431 c.
