книги из ГПНТБ / Багиров Д.Д. Двигатели внутреннего сгорания строительных и дорожных машин

Для погрузчиков характерно большое рассеивание результа­ тов, что объясняется погрузкой материалов с различным содер­ жанием пыли.

Для скреперов (рис. 4) диапазон запыленности находится в пре­ делах 0,01— 1,6 г/м3. Наиболее вероятная запыленность 0,2— 0,6 г/м3 получена при разработке суглинка, а максимальное зна­ чение запыленности получено при отсыпке грунта на трассе при наличии посторонних транспортных средств.

Запыленность в области воздухозаборника зависит от мощности двигателя (класса машины) и возрастает с ее увеличением. Эту зависимость можно объяснить увеличением количества пыли вслед­ ствие больших размеров рабочего органа, элементов ходовой части и повышенных рабочих скоростей машин более высокой мощности.

На запыленность влияет также и тип рабочего оборудования. Так, пробы воздуха, отобранные при работе бульдозера Д-661, погрузчика Д-660 и скрепера ДЗ-74, имеющих один и тот же тип базового тягача, при одинаковых условиях работы имеют разную запыленность (табл. 1).

Наибольшая запыленность имеет место при работе скрепера, что объясняется более высоким ее уровнем при отсыпке грунта, чем при разработке, пересечением зоны пылевого облака тягачом при поворотах. Кроме того, отсыпка грунта скрепером занимает большую долю цикла, чем погрузчиком.

Большое влияние на пылеобразование оказывает тип ходового устройства машины— гусеничный или колесный. Так, для буль­ дозеров Д-661 на колесном тракторе и Д-271 на гусеничном трак­ торе одинакового класса, имеющих одинаковый рабочий орган и приблизительно равные рабочие скорости, запыленность соста­ вила соответственно 0,482 и 0,780 г/м3 (табл. 1). При этом условия работы машин были примерно идентичными, а разница в располо­ жении воздухозаборников двигателей незначительна. Большее пылеобразование при работе гусеничных машин объясняется более значительным разрушением поверхностных слоев почвы.

Изложенное позволяет сделать заключение о том, что запылен­ ность воздуха, поступающего в двигатели некоторых строительных

7

идорожных машин при их работе, значительна и превосходит запыленность воздуха, поступающего в двигатели автомобилей и тракторов сельскохозяйственного назначения, которая достигает лишь 1,2 г/м3.

Грунт, на котором работают строительные и дорожные машины, разнообразен и определяет не только высокую запыленность, но

иразличный химический и дисперсионный состав пыли. Так, машины в ра личных географических районах могут работать на скальных породах, на вечной мерзлоте, наконец, на лессовых почвах, которые очень податливы и мягки во влажном состоянии, но приобретают свойства скальных пород при высыхании. Часто даже в одном географическом районе машины работают и на лег­ ких супесях, и на тяжелых глинах, и на скальных грунтах. Хими­

ческие и дисперсионные качества пыли отражаются, также как и запыленность воздуха, на интенсивности износа двигателей. Все это создает определенную специфику и трудности при эксплуа­ тации строительных и дорожных машин.1

2, Температура и влажность воздуха

Строительные и дорожные машины эксплуатируются в разно­ образных климатических условиях. Наряду с работой в условиях Крайнего Севера, где температура в холодное время года дости­ гает —60° С, машины работают в жарком, тропическом климате

8

при температуре воздуха, достигающей 55° С, и относительной влажности до 90%. В некоторых районах эксплуатации резкие колебания температуры (от положительного до отрицательного значения) могут происходить не толькб в течение года, но и в те­ чение суток. Такие условия эксплуатации затрудняют поддержа­ ние нормального температурного режима двигателей, затрудняют их пуск, увеличивают опасность замерзания и повреждения си­ стем охлаждения.

Низкая температура окружающего воздуха приводит к увели­ чению потерь на трение, ухудшению протекания рабочих процес­ сов в цилиндрах, снижению мощности двигателя и ухудшению его топливной экономичности.

Низкая температура деталей вызывает увеличенный износ двигателя за счет интенсивной конденсации топлива на стенках цилиндров и камер сгорания и смыва смазки с зеркала цилиндров. Кроме того, низкая температура способствует интенсификации закоксовывания поршневых колец (а для дизелей и форсунок), что приводит к повышенному расходу масла и ускоренному из­ носу двигателя. Наблюдается также конденсация воды в цилин­ драх, увеличивается концентрация кислот, что увеличивает износ двигателя (коррозия). При переохлаждении двигателя увеличи­ вается «жесткость» его работы, что также увеличивает износ. Низкая температура изменяет механические свойства материалов деталей двигателя (уменьшается сопротивление ударным нагруз­ кам, повышается склонность к изломам и трещинам, ухудшаются антифрикционные свойства), что также снижает срок службы двигателя.

Повышение вязкости топлива и кристаллизация при низкой температуре воды и парафина, содержащихся в нем, могут нару­ шить подачу топлива в цилиндры двигателя. На некоторых дви­ гателях (например, Д6, Д12) во избежание прекращения подачи масла при низкой температуре устанавливают специальные масло­ прокачивающие насосы и автоматические устройства, отключа­ ющие подачу топлива до тех пор, пока давление масла не достигнет определенного значения.

В связи с трудностью пуска двигателей, особенно дизелей, при низкой температуре часто при стоянке двигатели не останавливают, что приводит к перерасходу горюче-смазочных материалов и до­ полнительному износу. В том случае, когда длительная работа двигателя на холостом ходу определяется специфическими усло­ виями работы машины, наблюдаются пониженные температуры воды и масла и усиленный износ двигателя. Так, например у дви­ гателя самоходного стрелового крана К-161, характеризующегося низкой средней загрузкой и значительным временем холостого хода (25%), температура воды и масла была 40—60° С.

У двигателей этих кранов наблюдались частые закоксовывания распылителей форсунок, отложения нагара, образования низко­ температурных осадков в масле и повышенная склонность деталей

9

к коррозионному изнашиванию. В связи с изложенным до '45% отказов по двигателям приходилось на системы их питания.

Понижение теплового режима (до 50—70° С воды и масла) наблюдалось и у автогрейдеров при выполнении планировочных работ и при очистке дорог от снега. По этой причине до 30% отка­ зов приходилось на системы питания.

Наблюдение за работой снегоочистителей Д-470, двигатели которых в зимний период работали при пониженном тепловом режиме, показало, что дефектов по топливной аппаратуре было примерно в 2 раза больше, чем на таких же двигателях автогрей­ деров Д-395. Вследствие интенсивного дымления и повышенного нагарообразования на двигателях снегоочистителей требовалась

неблагоприятно сказывается на показателях и сроках службы двигателей. При высокой температуре воздуха снижается раз­ виваемая двигателем мощность из-за ухудшения наполнения цилиндров и повышается удельный расход топлива. Из-за паде­ ния вязкости масла и ухудшения его смазывающих свойств уве­ личивается износ двигателя. При повышении температуры охла­ ждающей жидкости и особенно при ее кипении ухудшается тепло­ отвод и увеличивается испарение жидкости. Частые доливы жидкости для компенсации ее испарения ускоряют образование накипи в системе охлаждения. Это ухудшает отвод тепла.

Под воздействием высокой температуры окружающей среды усиливается испарение топлива в емкостях и ускоряется старение масла. Это приводит к тому, что срок годности горюче-смазочных материалов уменьшается.

Проведенное авторами обследование экскаваторов Э-10011, оборудованных гидротрансформаторами, в районах Средней Азии показало, что при температуре воздуха 32—33° после 30—60 мин работы экскаватора вода в системе охлаждения двигателя нагре­ валась до 100°, а масло в гидротрансформаторе — до 102° С. Вследствие этого для охлаждения двигателя и гидротрансформа­ тора приходилось через каждый час работы делать перерывы про­ должительностью 1— 1,5 ч, что резко снижало эксплуатационную производительность машин.

Перегрев двигателей в эксплуатации носит все-таки эпизоди­ ческий характер, а относительное их переохлаждение (машины

сциклом работы, подобным крановому) является постоянным. На долговечность двигателей отрицательно влияет повышенная

влажность воздуха, которая усиливает коррозионный износ дви­ гателя, особенно зеркала цилиндров и камер сгорания.

Работа в высокогорных условиях, в разреженной атмосфере может привести к перегреву двигателя, снижению мощности и ухудшению его топливной экономичности в связи с уменьшением наполнения цилиндров воздухом.

10

3, Напряженность работы

Напряженность работы характеризует комплекс следующих показателей: і

1) время работы под нагрузкой в процентах от общего фонда рабочего времени двигателя;

2)распределение времени по элементам цикла при выполнении типичных технологических операций;

3)число включений за 1 ч работы муфты сцепления, коробки передач, фрикционов, гидросистемы, оказывающих влияние на

Как видно, напряженность работы двигателей (по времени и нагрузке) достаточно высока у всех типов исследованных машин.

Табл. 2 позволяет оценить напряженность работы двигателей строительных и дорожных машин по числу включений основных

Т а б л и ц а 2

* Без учета включений при переключении передач.

11

механизмов и сравнить ее с напряженностью работы двигателей карьерных автомобилей-самосвалов и трелевочных тракторов.

Таким образом; число включений основных механизмов наи­ более велико у бульдозера, скрепера и погрузчика.

Наибольшее количество пусков за 100 ч работы (—83) имеют двигатели кранов, что объясняется спецификой их работы. Осо­ бенно велико количество пусков (18—22 за смену) двигателей кранов при использовании их на монтаже колонн, перекрытий, сборных конструкций.

4„ Особенности технического обслуживания

Часто строительные и дорожные машины эксплуатируют в ме­ стах, отдаленных от крупных населенных пунктов. При этом воз­ никают затруднения в снабжении двигателей запасными частями и горюче-смазочными материалами, в высококачественном и свое­ временном техническом обслуживании и ремонте.

Низкая квалификация обслуживающего персонала отрица­ тельно сказывается на сроке службы двигателей, производитель­ ности и топливной экономичности машин. О е л и я н и и культуры эксплуатации на долговечность можно судить по тому, что часто в реальных условиях эксплуатации основные детали двигателей изнашиваются в 2—2,5 раза быстрее, чем в условиях, когда соблю­ даются правила эксплуатации и технического обслуживания, записанные в инструкциях. Основные факторы, определяющие повышенный износ деталей, а также снижение мощности и топлив­ ной экономичности двигателей: несоблюдение правил хранения машин, горюче-смазочных материалов и заправки двигателей, холодный пуск двигателей и несоблюдение нормального теплового режима при работе; подсос запыленного воздуха во всасывающий коллектор и несвоевременное обслуживание воздушных, масля­ ных и топливных фильтров; загрязнение топлива и масла; разрегулирование топливной аппаратуры дизелей; неквалифициро­ ванное управление машинами.

Важным фактором, определяющим величину моторесурса дви­ гателя, является полное использование износостойкости его де­ талей, заложенных при конструировании и изготовлении. На прак­ тике же часто имеют место случаи, когда двигатель поступает

вкапитальный ремонт лишь потому, что в ремонт идет машина.

Вкачестве примера можно привести частые случаи капитального ремонта двигателей снегоочистителей в летнее время, когда ма­

шины находятся на консервации, хотя никакой необходимости в ремонте двигателей нет. В настоящее время моторесурс капи­ тально отремонтированного на ремонтном заводе двигателя в 1,5— 2 раза меньше, чем нового.

Как показывает практика, на строительных и дорожных машинах эксплуатация топливной аппаратуры дизелей ведется с недопустимыми отступлениями от инструкций по обслуживанию.

12

Рис. 5. Зависимость эффективных показателей дизеля от неравномер­ ности подачи топлива:

1 — новые топливные насосы; 2 — из­ ношенные топливные насосы с плун­ жерными парами одинаковой плотно­ сти; 3 — изношенные топливные насосы с плунжерными парами различной плотности; 4 — разрегулированные

форсунки

Так, например, профилакти­ ческий осмотр и регулировка форсунок проводятся от слу­ чая к случаю (если затруднен пуск двигателя или значи­ тельно нарушается равномер­ ность его работы). Топлив­ ные насосы, как и двигатели, часто регулируют и ремон­ тируют при общем ремонте машины.

В инструкциях по экс­ плуатации дизелей не всегда четко указываются сроки

проверки и регулировки форсунок и топливных насосов. Так, например, иногда рекомендуется проводить проверки и регули­ ровки лишь в том случае, если наблюдается ненормальная работа двигателя. Между тем, в условиях эксплуатации на машине даже опытному машинисту трудно установить качество работы, а тем более — топливную экономичность двигателя.

При работе строительных и дорожных машин наиболее часто обнаруживаются следующие эксплуатационные дефекты топлив­ ной аппаратуры:

1) закоксовывание распылителей форсунок; 2) нарушение регулировки цикловой подачи топлива; 3) заедание игл и износ деталей форсунок, топливных насосов из-за загрязнения топлива;

4)негерметичность посадки иглы распылителя.

Как известно, закоксовывание распылителей искажает факел

распыла, уменьшает ' пропускную способность распылителя и увеличивает неравномерность подачи топлива. Нарушение цикло­ вой подачи топлива, вызванное различными причинами, ухуд­ шает мощностные и экономические показатели, увеличивает износ двигателя. Заедание игл форсунок в верхнем или нижнем положе­ нии вызывает снижение частоты вращения, неравномерную работу двигателя, повышенное дымление и даже полное прекращение распыла и выключение цилиндра. Износ деталей форсунок и топ­ ливных насосов влечет за собой ухудшение распыла топлива, изменение угла опережения и продолжительности впрыска, уве­ личение неравномерности подачи, затрудненный пуск двигателя.

13

Нарушение герметичности посадки игл распылителя приводит к подтеканию топлива и, как следствие, к перегреву и закоксовыванию форсунок и зависанию игл.

На рис. 5 показана зависимость потерь мощности ANe, % и топливной экономичности Age, % от степени неравномерности подачи топлива -б, %, возникающей от нарушения нормальной работы топливной аппаратуры, полученная при испытаниях дизелей Д-40 и Д-54 [23]. Так, например, при степени неравно­ мерности подачи топлива, равной 20%, возникающей при раз­ регулировании топливных насосов, потери мощности и снижение топливной экономичности составляют 1,5%. При разрегулиро­ вании изношенных топливных насосов с плунжерными парами одинаковой плотности потери мощности и снижение топливной экономичности составляют 2%. В случае разрегулирования изно­ шенных топливных насосов с плунжерными парами различной плотности потери мощности составляют 15,5%. При разрегули­ рованных форсунках (кривые 4) потери мощности составляют 3,5%, а снижение топливной экономичности 3,0%.

Из практики эксплуатации машин известно, что регулировка лишь форсунок позволяет увеличить мощность двигателей буль­ дозеров на 1,6%, кранов на 2,8%, автогрейдеров на 3%.

При проведении авторами во ВНИИстройдормаше лабора­ торных испытаний дизеля А-41 на режимах нагрузки бульдозера, экскаватора, автогрейдера и погрузчика за 300 ч работы мощность двигателя из-за разрегулирования топливной аппаратуры сни­ зилась примерно на 5%, а удельный расход топлива увеличился на 10%. Таким образом, качество технического обслуживания может оказывать значительное влияние на выходные показатели, а также на показатели надежности двигателей.

1« Особенности режимов нагрузки

Работы, выполняемые строительными и дорожными машинами, разнообразны. Машины одного и того же типа часто выполняют технологические операции, значительно отличающиеся друг от друга. Например, бульдозер, помимо рытья траншей, котлованов и т. п., используется для их засыпки, для планировочных работ, для перемещения грунта на нёбольшие расстояния или же в ка­ честве толкача при загрузке скрепера. Не менее разнообразны и технологические операции, выполняемые экскаватором. Он может рыть грунт и отсыпать его в отвал, грузить его в транспортные средства (самосвалы и т. п.), работать в качестве крана. На экска-

14

ваторе применяют различное сменное оборудование: прямую и обратную лопаты, драглайн, грейфер, клин-бабу и т. п. Выполне­ ние различных операций требует различных энергозатрат, и по­ этому загрузка двигателей различных строительных и дорожных машин разнообразна.

Машины работают в неодинаковых климатических и погодных условиях, а также перерабатывают разнообразные материалы и разрабатывают различные грунты. Поэтому даже при выполнении одинаковых операций однотипными машинами режимы работы их двигателей могут значительно различаться. Так, например, значение и характер нагружения двигателя бульдозера при раз­ работке песчаного грунта не могут быть такими же, как при раз­ работке тяжелой глины. Режимы работы двигателя зависят также от температуры, влажности и целого ряда других показателей раз­ рабатываемого грунта.

За время выполнения технологической операции (за рабочий цикл) значение и характер нагрузки двигателей большинства строительных и дорожных машин не остаются постоянными.(При выполнении отдельных элементов операции крутящий момент двигателя, необходимый для преодоления сопротивления переме­ щению рабочего органа или движителя машины, и меняется. Так, при наборе грунта .в ковш экскаватора крутящий момент, развиваемый двигателем, должен быть больше крутящего момента при выгрузке грунта из ковша.

При выполнении машиной отдельного элемента технологи­ ческой операции момент сопротивления перемещению рабочего органа или движителя машины, а следовательно, и требуемый крутящий момент двигателя может изменяться в зависимости от ряда факторов. Большое влияние на изменение момента сопротив­ ления оказывает неоднородность перерабатываемого материала или грунта. Так, например, скальные включения и крупные ва­ луны могут резко изменять характер нагрузочного режима дви­ гателей землеройных машин. Существенную роль играет неравно­ мерность толщины срезаемой стружки, зависящая от микрорельефа рабочего участка, а также от способа управления машиной. На работе двигателей машин, имеющих транспортеры, сказывается неравномерность подачи материала на транспортерную ленту.

Изменение сопротивления перемещению материала приводит к изменению скорости движущихся частей рабочего органа, ходового устройства, трансмиссии и двигателя. Это вызывает дополнительное динамическое нагружение двигателя инерцион­ ными силами. Особенно сильно динамические нагрузки влияют на работу двигателя при трогании машины (или ее рабочего органа) с места, разгоне и торможении машины, а также в момент сопри­ косновения рабочего органа с неожиданным препятствием (на­ пример, с крупным камнем во время разработки грунта). Значение момента сопротивления при работе двигателей многих строитель­ ных и дорожных машин изменяется в широких пределах от нуля

15

же к излишней пробуксовке дисков муфты, что отрицательно сказывается на сроке службы машины. Поэтому при необходи­ мости частого выключения муфты сцепления машинист вынужден переходить на работу на низшей передаче, а это снижает произ­ водительность машины.

Частое изменение нагрузочного режима двигателей большин­ ства строительных и дорожных машин приводит к необходимости поддержания их скоростного режима постоянным, что достигается регулированием подачи топлива у дизелей или подачи бензо­ воздушной смеси у карбюраторных двигателей. Регулирование подачи топлива с помощью педали дроссельной заслонки значи­ тельно усложняет работу машиниста, поэтому на двигателях большинства строительных и дорожных машин установлены всережимные регуляторы частоты вращения. При наличии на дви­ гателе всережимного регулятора машинист устанавливает перед началом выполнения операции рычаг (педаль) управления дви­ гателем в положение, соответствующее определенной частоте вра­ щения холостого хода (в большинстве случаев — максимальной частоте вращения холостого хода), а затем регулирование подачи топлива производится автоматически. По мере изменения момента сопротивления вращению коленчатого вала изменяется и скорост­ ной режим двигателя, определяющий подачу топлива в цилиндры.

Работу двигателя с регулятором удобно проследить по его скоростной характеристике, показанной на рис. 6.

При увеличении момента сопротивления подача топлива увели­ чивается, и двигатель работает по регуляторной ветви характе­ ристики до тех пор, пока не разовьет номинальной мощности Nea. При этом частота вращения коленчатого вала снижается незначи­ тельно, так как центробежный регулятор реагирует на уменьше-

16