Тепловая диагностика состояния клапанов судового четырехтактного дизеля

¡Выпуск 4

УДК 621.436:629.12 О. К. Безюков

д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;

С. В. Шаршавин

аспирант,

СПГУВК

ТЕПЛОВАЯ ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ КЛАПАНОВ СУДОВОГО ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ THERMAL DIAGNOSTICS OF THE VALVE MECHANISM OF THE SHIP ENGINE

В статье на примере клапанного механизма рассмотрена возможность систематизации поиска неисправностей судового дизеля путем обработки и анализа инфракрасных тепловых изображений элементов двигателя.

The article presents (using the example of the valve mechanism) the opportunity of the categorisation of the defect searching of the ship engine by working on and analysing infrared thermal pictures of some elements of the engine.

Ключевые слова: судовой дизель, клапанный механизм, тепловизионное диагностирование, систематизация неисправностей.

Key words: ship engine, valve mechanism, thermovision diagnostics, categorisation of defects.

ПОВЫШЕНИЕ экономичности и снижение токсичности выбросов с отработанными газами в определяющей степени связано с процессами газообмена в судовых дизелях.

Механизм газораспределения, определяющий эффективность процессов наполнения и очистки цилиндров, наряду с механическими нагрузками подвержен интенсивным тепловым и коррозионным воздействиям. В результате в процессе эксплуатации судовых дизелей возникают дефекты деталей механизма газораспределения.

К числу наиболее характерных относятся изнашивание посадочных фасок клапанов и седел в головках цилиндров, стрежней клапанов и направляющих в головках цилиндров, рабочих поверхностей кулачков и роликов толкателей, а также поломки клапанных пружин, зависание и обрыв клапанов, потеря устойчивости и деформация штанг толкателей [3].

Кроме того, периодически требуется проверка и регулировка тепловых зазоров в механизме газораспределения, которые влияют на значения фаз газораспределения и плотность посадки клапанов на седла.

Перечисленные выше негативные процессы особенно интенсивны в высокооборотных дизелях, поэтому в качестве объекта исследований был выбран дизель 4Ч 8,5/11 с вихрекамерным смесеобразованием, предназначенный для привода электрогенераторов постоянного или переменного тока, а также других судовых вспомогательных механизмов [5].

Целью представленных в статье исследований было определение возможностей технического диагностирования механизма газораспределения судовых дизелей по его тепловому состоянию.

Таблица 1

Краткие технические характеристики дизеля 4Ч 8,5/11

Параметр и его обозначение Размерность Значение

Диаметр цилиндра, Бц м 0,085

Ход поршня, 8п м 0,11

Таблица 1

Мощность, Ые кВт 17,8

Номинальная частота вращения, п мин-1 1500

Среднее эффективное давление, Ре МПа 0,575

Максимальное давление цикла, Рг МПа 5,2-6,5

Зазор между поршнем и втулкой, 5 м 0,0002-0,00029 0,0005

Боковая сила, N 7 тах Н 2,268 • 103

Толщина втулки, Ий м 0,006

Жесткость втулки, Б кг-м2 с2 3506

Толщина блока, И М 0,021

Жесткость блока, Б . 7 еіЬ кг-м2 с2 70 110

В исследованиях были использованы тепловизор Testo 881 и пирометр TESTO 845.

В процессе испытаний одновременно снимались показания со всех штатных приборов и фиксировались изменения теплового состояния поверхностей деталей дизеля [1, с. 160-164].

Замеры проводились при работе дизеля по нагрузочной (холостой ход; 25 % нагрузки; 50 % нагрузки; 75 % нагрузки; 100 % нагрузки) и винтовой характеристиках (940, 1190, 1360 и 1500 мин-1).

После замеров и компьютерной обработки полученных результатов тепловизионной съемки были выявлены зоны, тепловое состояние которых контрастирует на фоне идентичных деталей других цилиндров дизеля.

К их числу относится патрубок выхлопного коллектора 3-го цилиндра, температура которого на 40-50 % ниже по сравнению с остальными патрубками. Указанные отклонения обнаружены с помощью пирометра (рис. 1), тепловизора (рис. 2, точки М1, М2, М3) и отражены на графиках теплового состояния дизеля (рис. 3).

Таблица 2

Замеры теплового состояния деталей в зависимости от режимов работы дизеля

Нагрузочные характеристики Винтовые характеристики

Нагрузка, % мин-1

№ п/п Прибор 0 % 25 % 50 % 75 % 100 % 940 1190 1360 1500

1 Время испытаний, ч/мин 14,00 14,15 14,30 14,45 15,00 15,15 15,30 15,45 16,00

2 Амперметр 0 40 55 82 107 52 59 76 110

3 Вольтметр 0 76 103 108 114 61 77 99 113

4 Температура воды 61 65 72 82 88 50 53 71 84

Выпуск 4

¡Выпуск 4

Таблица 2

5 Температура масла 57 62 68 73 76 77 76 75 76

6 Температура выпускных газов 115 160 215 300 405 145 195 260 401

ПОКАЗАНИЯ ПИРОМЕТРА

7 Клапанная крышка 1 73 74,5 77,5 78 82 76,6 71,5 74 78

8 Клапанная крышка 2 65 66,8 71,5 73 78 73 69,5 70 73

9 Головка блока 1 110 112,5 115 122 123 101 101,5 110 116

10 Головка блока 2 103 107 111 118 118 97 99 106 113

11 Блок цилиндров 102 88 92 96 96 90,5 86,5 88,5 94

12 Выпускной коллектор 110,4 115,1 149 180,1 269,8 121 134,9 183 259

13 Выпускной патрубок 1-го цилиндра 102,1 105 137,3 174,1 264 103,9 130 179 261

14 Выпускной патрубок 2-го цилиндра 110 112,6 127,2 161,6 249,2 113,6 123,1 157,6 244,2

15 Выпускной патрубок 3-го цилиндра 99 97,3 97,9 111,3 160,1 98,1 98,1 105,3 154,4

16 Выпускной патрубок 4-го цилиндра 107 114,3 141 166,9 250,4 117,3 132,2 160,9 246,7

нагрузочная характеристика викювад характеристика

250 200 150 1

ІЇШ 50

0 % 25 % 50 % 75 % 100 % 940 1190 1360 1500

мшмЁШ

Рис. 1. Зависимость теплового состояния патрубков выхлопного коллектора

от режима работы дизеля

Рис. 2. Зависимость теплового состояния головки блока и клапанных крышек

от режима работы дизеля

№: Темп. [°С Излуч, Отраж.те Примечд!

М1 267,0 0,93 20,0 ВЫХЛ.К0ЛЛ

М2 165,4 0,93 20,0 ВЫХЛ.К0ЛЛ

М3 254,1 0,93 20,0 ВЫХЛ.К0ЛЛ

Рис. 3. Тепловизионное, фотографическое изображение, таблица температур выхлопных коллекторов

Согласно Правилам технической эксплуатации дизелей судов речного флота [2; 4] при теплотехническом контроле температура выпускных газов по цилиндрам не должна превышать ±2030 °С.

Налицо нарушение качества рабочего процесса в 3-м цилиндре, что может быть следствием ряда причин:

Выпуск 4

¡Выпуск 4

1) некачественное смесеобразование из-за нарушений в работе топливного насоса высокого давления (ТНВД) или форсунки (давление подачи топлива с плунжерной пары; локальное нарушение контакта рабочей поверхности иглы с посадочным местом в корпусе распылителя; неправильная регулировка форсунки и пр.);

2) нарушение герметичности камеры сгорания, что может иметь место при чрезмерном износе деталей цилиндропоршневой группы, износе или залегании компрессионных колец и т. д.;

3) нарушение работы системы газораспределения (прорыв газов между седлом и рабочей поверхностью клапана, штоком и втулкой клапана, неправильная регулировка тепловых зазоров; дефект пружины клапана, износ кулачка распределительного вала и др.).

Были произведены стендовые испытания топливного насоса высокого давления (ТНВД), в которых были определены значения давления и расход топлива по секциям. Они показали, что все параметры находятся в рамках допуска для ТНВД данного типа дизеля. Определение давления подъема иглы форсунки 3-го цилиндра, также не выявило отклонений от паспортных данных.

Затем после перестановки форсунок 1-го и 3-го цилиндров были еще раз произведены замеры теплового состояния выпускных коллекторов, которые остались на прежнем уровне, что исключает влияние топливной аппаратуры на тепловое состояние выпускного коллектора 3-го цилиндра.

Другой причиной выявленных отклонений может быть неплотное прилегание клапана к седлу головки цилиндра, что вызывает поступление воздуха во впускной коллектор на такте наполнения.

№: Темп. [°С] Излуч. Отраж.те Примечав

М1 45,6 0,93 20,0 вс. колл. 1,

М2 51,9 0,93 20,0 ВС. колл. 3,

Рис. 4. Тепловизионное и фотографическое изображение, график и таблица температурного состояния впускных коллекторов

Демонтаж впускных коллекторов показал отсутствие отложений сажи в коллекторах 1-го и 2-го цилиндров и значительные их отложения в коллекторах 3-го, 4-го цилиндров.

Осмотр головки блока 3-го и 4-го цилиндров показал одностороннюю выработку седла впускного клапана и раковины на посадочном пояске впускного клапана 3-го цилиндра.

Притирка клапана к седлу 3-го цилиндра привела к выравниванию теплового состояния выхлопных коллекторов.

Таким образом, информация о различиях в тепловом состоянии одинаковых деталей и узлов, установленных на разных цилиндрах многоцилиндрового двигателя, в частности выпускных

коллекторов и головок блока, дает основания для определения зон с эксплуатационными дефектами.

Предложенные приборы и методика их использования для целей диагностирования существенно сокращают время поиска неисправностей, поскольку не требуют специальной подготовки или вывода судового дизеля из эксплуатации, позволяют получать результаты измерений в реальном масштабе времени.

1. Безюков О. К. Диагностирование технического состояния судовых дизелей по инфракрасному излучению их наружных поверхностей / О. К. Безюков, А. А. Кардаков, С. В. Шаршавин // Журнал университета водных коммуникаций. — 2010. — Вып. 3 (7).

2. Инструкция по проведению теплотехнического контроля СДВС. — СПб.: Российский речной регистр, 2006. — 35 с.

3. Кондратьев Н. Н. Отказы и дефекты судовых дизелей / Н. Н. Кондратьев. — М.: Транспорт, 1985. — 152 с.

4. Цветков В. С. Эксплуатация судовых дизельных установок: справ. пособие / В. С. Цветков, В. И. Горелкин, Ю. П. Шанин. — Н. Новгород: Волжская гос. академия водного транспорта, 1995. — 525 с.

5. Дизели Ч 8,5/11. Руководство по эксплуатации (1Р2-6-1000 РЭ). Изд. № 20162 ВТИ. — М.: Внешторгиздат. — Зак. 329. — 230 с.

Список литературы

Выпуск 4