Расчет скорости изнашивания цилиндровых втулок в судовых среднеоборотных дизелях

УДК 629.125

А. С. Зубаков

РАСЧЕТ СКОРОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК В СУДОВЫ1Х среднеоборотный дизелях

A. S. Zubakov

CALCULATION OF THE WEAR RATE OF THE CYLINDER LINERS OF MARINE MEDIUM-SPEED DIESEL ENGINES

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.

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 cylin-der-piston group are identified.

Key words: marine medium-speed diesel engines, calculation of wear rate.

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:

у = -0,003 т 3 + 0,132 т 2 + 3,082 т + 35,47 ,

где т - 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 Я2 = 0,9852.

Закономерности изнашивания первого и второго компрессионных колец (рис. 2, 3) аппроксимируются полиномом второй степени:

у = -0,03 0 т2 + 4,029 т + 51,73,

у = -0,047 т 2 + 4,957 т + 43,02,

где т - продолжительность работы, тыс. ч.

Знак «-» в первых коэффициентах уравнений (2), (3) обусловлен тем, что средняя скорость износа поршневых колец незначительно уменьшается. Точность аппроксимации для дан-

ных уравнений составила Я2 = 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.

мкм

Рис. 1. Характеристика изнашивания верхнего пояса цилиндровой втулки (50 мм от верхней мертвой точки (ВМТ)) двигателей типа ЧН 46/58

ллклл

работы

Рис. 2. Характеристика изнашивания первого компрессионного кольца двигателей типа ЧН 46/58

мкм

работы

Рис. 3. Характеристика изнашивания второго компрессионного кольца двигателей типа ЧН 46/58

МКМ

25 т

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 часое

работы

Рис. 4. Скорость изнашивания первого компрессионного кольца двигателей типа ЧН 46/58

МКЛЛ

хЮОО

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

часов

работы

Рис. 5. Скорость изнашивания второго компрессионного кольца двигателей типа ЧН 46/58

3Слклл

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 х100°

часов ра боты

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:

Яш = 1х(кхД) + !1(Рше X

где /\(кхД) - функция, учитывающая влияние конструктивных характеристик двигателя и технологических факторов; /2(Рше) - функция, отражающая влияние удельного давления колец на втулку, пропорциональное среднему эффективному давлению.

Для двухтактных дизелей, кВт:

/^ • п)2Т = 43,5 + 0,261 (п • d • 5 • п - 250).

Для четырехтактных дизелей, кВт:

/1(F • п)4Т = 25 + 0,214(п • d • 5 • п - 250).

Среднее значение, кВт:

/^ • п) = 35 + 0,257 (п • d • 5 • п - 250).

/2( Рте) = 1,4366 •Ю-3 • d2 • 5 • п (рте - А ),

где F - площадь рабочей поверхности цилиндровой втулки, м2; п - частота вращения коленчатого вала, 1/мин; ё - диаметр цилиндра, м; 5 - ход поршня, м; рте - среднее эффективное давление, кПа; А - 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 = РV Потери мощности на трение представим отношением

Lшр РУи(1 Пм) BтрKтp,

где Втр - часть механических потерь, обусловленная трением в деталях ЦПГ.

В то же время работа трения Lтр, может быть представлена как Lтр = Ртр5.

Исходя из условия, что в цилиндре наблюдается вязкостное или граничное трение [9], силу трения можно представить в виде

Ртр ктрР

где Ртр - сила трения; ктр - коэффициент трения; Рц - давление поршневых колец на стенки цилиндровой втулки, Рц=0,2 МПа [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, Втр = 0,5 и Кк,т = 0,95 показал, что коэффициент трения Ктр = 0,095. Скорость изнашивания вычислялась по формуле Л. И. Погодаева [1]:

иизн = С0П^4

к„

Реп

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 Втр = 0,5, использованного в экспериментах Л. И. Погодаева [1], - Ктр= 0,11, а скорость изнашивания цилиндровой втулки -9,0 мкм/1000 ч. Экспериментальное значение скорости изнашивания - 9,4 мкм/1000 ч.

3

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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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. 8. 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 (Wart-sila 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 с.

REFERENCES

1. Pogodaev L. I., Kuz'min V. N. Strukturno-energeticheskie modeli nadezhnosti materialov i detalei mashin [Structural and energy models of reliability of the materials and machine details]. Saint Petersburg, A. T. R. F., 2006. 607 p.

2. Pogodaev L. I. Issledovanie tonkikh poverkhnostnykh sloev metallov pri iznashivanii metodom mikrot-verdosti [Study of thin surface layers of metals while wearing using the method of micro-hardness]. Trudy Lenin-gradskogo instituta vodnogo transporta, 1968, iss. 111. Tekhnologiia sudostroeniia i sudoremonta, pp. 23-29.

3. Pogodaev L. I., Nekoz A. I. Kriticheskaia plotnost' potoka energii udarnykh voln kak kriterii dol-govechnosti mnogofaznykh materialov pri udarnom iznashivanii [Critical density of the energy flow of blast as a criterion of life time of multiphase materials while blast wearing]. Problemy treniia i iznashivaniia, iss. 8. Kiev, Tekhnika Publ., 1975, pp. 18-23.

4. Pogodaev L. I., Borshchevskii Iu. T., Nekoz A. I. Prochnost' i iznosostoikost' geterogennykh materialov pri mikroudarnom nagruzhenii [Hardness and wearing capacity of heterogeneous materials while microshock loading]. Problemy treniia i iznashivaniia, iss. 8. Kiev, Tekhnika Publ., 1975, pp. 35-44.

5. Pogodaev L. I., Borshchevskii Iu. T. Obobshchennyi kriterii otsenki iznosostoikosti materialov [Generalized criterion of assessment of wearing capacity of the materials]. Povyshenie iznosostoikosti i sroka sluzhby mashin, iss. 1. IMP AN USSR. Kiev, NTO «Mashprom», 1977, pp. 8-10.

6. Kuz'kin V. G. Otnositel'naia skorost' iznashivaniia detalei sudovykh dizelei pri rabote po vintovoi i na-gruzochnoi kharakteristikam [Relative rate of wearing of the details of marine diesels while operating by screw and load characteristics]. Nadezhnost’ i effektivnost’ tekhnicheskikh sistem. Mezhdunarodnyi sbornik nauchnykh trudov. Kaliningrad, 2006, pp. 117-127.

7. Zubakov A. S., Odintsov V. B., Kornev M. K., Usatov M. V. Ekspluatatsionnye kharakteristiki che-tyrekhtaktnogo dvigatelia tipa 12 ChN46/58 (Wartsila 12V46C3) [Operational characteristics of four-stroke en-

gine 12 ChN46/58 (Wartsila 12V46C3)]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2011, no. 2, pp. 65-68.

8. Odintsov V. I. Rabochii protsess sudovykh DVS [Operational process of marine engines of internal combustion]. Kaliningrad, Izd-vo BGARF, 2010. 141 p.

9. Vansheidt V. A. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoraniia [Marine engines of internal combustion]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1977. 392 p.

10. Raikov I. Ia., Rytvinskii G. N. Avtomobil'nye dvigateli vnutrennego sgoraniia [Automobile engines of internal combustion]. Moscow, Vysshaia shkola Publ., 1971. 431 p.

Статья поступила в редакцию 8.04.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Зубаков Александр Сергеевич - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», аспирант кафедры «Судовые энергетические установки»; Zubakovalexander@yandex.ru.

Zubakov Alexander Sergeevich - Baltic State Academy of Fishing Fleet of Kaliningrad State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Marine Power Installations"; Zubakovalexander@yandex.ru.