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

Очевидно, что мгновенные мощности при работе в неустановив­ шемся режиме отличаются от их значений по статической харак­ теристике.

Как показывают результаты экспериментальных исследова­ ний, часовые расходы топлива при установившемся и неустановив­ шемся нагружении двигателя с одинаковой средней загрузкой примерно равны [11 ]. Однако развиваемая мощность при неуста­ новившейся нагрузке оказывается меньше. Поэтому удельный расход топлива при неустановившемся режиме выше, чем при ста­ ционарном. Установлено, что удельный расход топлива у дизеля, работающего при неустановившейся нагрузке, увеличивается на 30—50% по сравнению с удельным расходом при работе в стацио­ нарном режиме [13].

Инерционность масляного насоса при колебаниях нагрузки может привести к тому, что минимальной подаче насоса будет соответствовать максимальное, либо близкое к нему давление в цилиндрах, а следовательно, и максимальные нагрузки на тру­ щиеся поверхности деталей.

Наряду с повышенным содержанием продуктов износа в масле при неустановившейся нагрузке из-за колебаний скоростного ре­ жима ухудшается очистка масла в центрифугах. Повышенное содержание продуктов износа в масле в сочетании с уменьшением толщины масляного слоя существенно интенсифицирует износ двигателя при неустановившейся нагрузке.

Как показали исследования, понижение производительности масляного насоса при неустановившейся нагрузке может дости­ гать 20%, понижение показателя тонкости очистки масла в цен­ трифуге 25%, а увеличение загрязненности масла продуктами из­ носа 40% [22].

Существенное влияние на изнашивание деталей оказывают величины действующих на них сил. При неустановившейся на­ грузке возникают дополнительные динамические (инерционные) силы, способствующие снижению срока службы деталей.

На износе двигателя сказывается также и ухудшение качества смесеобразования и сгорания топлива в цилиндрах.

3* Выходные показатели двигателей

Изменение мгновенных значений мощности под влиянием неустановившегося режима таково, что в процессе торможения ко­ ленчатого вала ее величина ниже, а в процессе разгона — выше соответствующих значений при стационарном режиме. Особен­ ность нагрузочных режимов двигателей строительных и дорожных машин заключается в том, что торможение двигателя за рабочий цикл продолжается дольше, чем разгон, и его влияние на мощность более существенно. Поэтому средняя за рабочий цикл машины мощность, развиваемая двигателем, оказывается ниже, чем ее значение по статической характеристике при одинаковом моменте

47

сопротивления (загрузке двигателя). По этой же причине средняя за рабочий цикл частота вращения коленчатого вала ниже, чем при установившемся режиме.

О скоростном режиме двигателя при неустановившейся на­ грузке нельзя судить только по средней за технологический цикл частоте вращения пср, так как мгновенные значения частоты вращения за цикл существенно отклоняются от среднего значе­ ния. Поэтому важную роль при оценке скоростного режима дви­ гателя играют максимальная nmax и минимальная пт1п за цикл нагрузки частота вращения. Кроме того, вследствие многократного изменения частоты вращения представляют интерес также и сред­ ние за цикл нагрузки максимальная ncp тах и минимальная пср т1п частоты вращения, являющиеся среднеарифметическими значе­ ниями, определяемыми по кривой изменения частоты вращения. Таким образом, представляется возможным определить макси­ мальную 2Аятах и среднюю 2Апср за цикл нагрузки амплитуду колебания частоты вращения коленчатого вала

Текущее же значение амплитуды колебания частоты вращения определяется как разность частот вращений, соответствующих соседнему выступу (п1шах) и впадине (ni mln) на кривой изменения частоты вращения:

tl[ max n t m]n .

Постоянное колебание мощности, развиваемой двигателем при неустановившемся режиме, вызывает необходимость введения понятия о средней за цикл нагрузки мощности Ncp, которая при одинаковой загрузке двигателя ниже соответствующего значения при стационарном режиме.

Потери мощности, связанные с отрицательным влиянием неустановившегося характера нагрузки, можно оценить коэффициен­ том использования мощности:

А— ^ с р

и - м ~ Ne ’

где Ne— мощность при установившемся режиме (по статичес­ кой характеристике) при моменте сопротивления, равном сред­ нему его значению за цикл нагрузки (Ме = Мср). Степень факти­ ческого использования мощности, связанная как с влиянием неустановившегося режима на выходные показатели двигателя, так и со снижением ее из-за изменения скоростного режима может быть оценена коэффициентом выходной мощности

где Nea— номинальная мощность двигателя.

48

При условии работы двигателя на режиме, близком к номиналь­ ному,

Очевидно, что из-за влияния неустановившейся нагрузки на подачу топлива и рабочий процесс, а также из-за снижения раз­ виваемой мощности топливная экономичность двигателя ухуд­ шится и средний удельный расход топлива будет выше, чем его значение при установившейся нагрузке и одинаковой загрузке двигателя. Коэффициент использования топливной экономичности

где ge — удельный расход топлива по статической характеристике

.где geн — номинальный удельный расход топлива.

На рис. 30—37 приведены зависимости показателей двигателя от значения его загрузки при работе на режимах некоторых строи­ тельных и дорожных машин. Сопоставление изменения показа­ телей двигателя с параметрами нагрузки показывает, что интен­

момента сопротивления, а также амплитуды колебания момента. При этом соответственно снижаются и выходные показатели двигателя по мощности и топливной экономичности (Ncp, gcp)- Отмеченное явление объясняется тем, что на показатели дви­ гателя решающее значение оказывает его работа с перегрузкой (по корректорной ветви характеристики), когда снижение разви­ ваемой двигателем мощности и частоты вращения происходит наиболее интенсивно. Отчасти снижение выходных показателей с ростом загрузки происходит и из-за увеличения амплитуды колебаний скоростного режима двигателя, влекущих за собой нарушение рабочего процесса и работы системы регулирования

подачи топлива.

Из рис. 32 и 36 видно, что при относительно невысокой загрузке, когда двигатель в течение цикла нагрузки в основном работает

49

Р и с . 3 6 . З а в и с и м о с т ь м о щ н о с т н ы х п о к а з а т е л е й д в и г а т е л я а в т о г р е й '

д е р а о т с р е д н е й з а г р у з к и

по регуляторной ветви характеристики, увеличение среднего момента сопротивления приводит к увеличению (примерно про­ порциональному) средней мощности. Однако с ростом загрузки увеличение средней мощности становится все менее интенсивным и при определенном значении момента сопротивления, несмотря на дальнейшее возрастание загрузки, выходная мощность двига­ теля начинает уменьшаться. Это объясняется тем, что при большом среднем моменте сопротивления все более увеличивается пере­ грузка двигателя (работа по корректорной ветви) и амплитуда колебания его скоростного режима, приводящие к описанным выше отрицательным последствиям.

52

Наиболее интенсивное уменьшение частот вращения колен­ чатого вала и ухудшение мощностных и экономических показате­ лей с ростом загрузки наблюдается у двигателей экскаваторов и бульдозеров, имеющих резко переменный режим нагружения. При менее неустановившихся режимах нагружения (самоходные скреперы, автогрейдеры, погрузчики) двигатели могут быть загружены до большей величины. В этом случае двигатели могут иметь высокие выходные показатели, а их снижение с ростом загрузки на указанных режимах происходит менее интенсивно. Выходные показатели двигателей машин, работающих при уста­ новившемся режиме— самоходные катки, дорожные фрезы, грунто­ смесительные машины, практически не зависят от характера нагрузки.

Таким образом, для большинства строительных и дорожных машин вследствие влияния неустановившегося характера нагрузки максимально возможная средняя за цикл мощность всегда меньше номинальной мощности двигателя. Наибольшая средняя за цикл мощность достигается при меньшем моменте сопротивления, чем номинальный крутящий момент двигателя. Чем тяжелей режим нагружения двигателя, тем больше снижается средняя мощность, и ее максимум достигается при более низких средних моментах сопротивления.

Так как средний за цикл удельный расход топлива зависит от развиваемой двигателем мощности, то кривые зависимости топливной экономичности от загрузки (см. рис. 33 и 37) могут быть объяснены аналогично тому, как это было сделано при объяснении кривых мощностных показателей. Кривая среднего удельного расхода топлива имеет минимум практически почти при той же загрузке, на которую приходится максимум средней мощности.

Г Л А В А IV

НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ И СРОКИ СЛУЖБЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

1* Основные понятия о надежности и видах износа двигателей

Надежность двигателя является одним из важнейших его тех­ нико-экономических показателей. Под надежностью понимается свойство двигателя или отдельных его узлов выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в установ­ ленных пределах в течение требуемого промежутка времени. На­ дежность является комплексным показателем и оценивается безот­ казностью, долговечностью и ремонтопригодностью двигателя.

Во время эксплуатации машины двигатель под влиянием раз­ личных факторов может потерять свою работоспособность. Собы­ тие, наступление которого связано с нарушением работоспособ­

53

ности двигателя, называется отказом. Отказ влечет за собой оста­ новку двигателя для его ремонта или регулировки. Очевидно, что нормальная эксплуатация двигателя возможна лишь при неболь­ шом числе отказов за время межремонтного периода, так как час­ тые и длительные остановки машины для ремонта двигателя при­ ведут к удорожанию эксплуатации машины и снижению ее произ­ водительности. Поэтому безотказность, т. е. свойство машины сохранять работоспособность в течение заданного периода вре­ мени без вынужденных перерывов, является важнейшим критерием надежности. Безотказность оценивается числом часов работы машины до появления отказа («наработка на отказ») или коли­ чеством отказов за определенный промежуток времени эксплу­ атации машины («частота отказов»). В большинстве случаев отказы двигателя зависят от качества изготовления и эксплуатации машины, их появление зависит также от характера и интенсивности нагрузки, климатических условий, технического обслуживания и ремонта и носит случайный характер. Это приводит к тому, что даже для однотипных двигателей, но различного качества изго­ товления и работающих в различных условиях показатели безот­ казности могут изменяться в широких пределах. Поэтому опре­ деление безотказности работы двигателей производится методами теории вероятности [10, 14].

Долговечность — это свойство двигателя сохранять работо­ способность в течение определенного времени с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта. Оцени­ вается долговечность временем эксплуатации двигателя до пре­ дельного состояния. Под предельным состоянием понимается такое критическое состояние двигателя, по достижении которого его дальнейшая эксплуатация нецелесообразна по техническим или экономическим соображениям. Долговечность двигателя зависит от интенсивности изнашивания его основных деталей, на которую влияют качество их изготовления и условия эксплуатации. По­ этому долговечность каждого двигателя одной и той же марки может существенно изменяться, и для однотипных двигателей определяется среднее время работы («средняя наработка») до пре­ дельного состояния.

Дефекты, возникающие в результате эксплуатации, могут быть устранены при выполнении ремонтных работ. Время простоя машины в ремонте и стоимость ремонта при устранении идентич­ ных неисправностей у различных двигателей могут быть неодина­ ковыми. Приспособленность двигателя к предупреждению, обна­ ружению и устранению отказов оценивается ремонтопригод­ ностью. Показателями ремонтопригодности могут быть среднее время ремонта или его стоимость, а также вероятность устране­ ния неисправности в заданное время. Очевидно, что ремонтопри­ годность в большой степени зависит от конструкции двигателя, а также от организации технического обслуживания и ремонта на месте эксплуатации.

54

В процессе эксплуатации детали двигателя изнашиваются. Износ деталей происходит в результате взаимодействия их поверх­ ностей друг с другом и с внешней средой. Поэтому в зависимости от характера этого взаимодействия различают несколько видов изнашивания: механическое, химическое, электрическое, моле­ кулярное, тепловое.

Механическое изнашивание — следствие воздействия на детали нагружающих сил и сил трения. Разновидностью механического изнашивания является абразивное изнашивание, которое возни­ кает в результате попадания на трущиеся поверхности инородных твердых частиц. Эти частицы могут попадать извне, например с воздухом, засасываемым в цилиндры двигателя, а также при загрязнении топлива или масла. Абразивное изнашивание могут вызывать также и металлические частицы, образующиеся в ре­ зультате механического изнашивания поверхностей. Попадая на поверхности трения, твердые частицы разрушают их. Абразив­ ное изнашивание поверхностей деталей особенно характерно для двигателей строительных и дорожных машин, работающих, как правило, в запыленных и загрязненных условиях. Наиболее под­ вержены механическому и абразивному изнашиванию детали цилиндро-поршневой группы, подшипники скольжения, направля­ ющие втулки и т. п.

При изготовлении сопряженных деталей из металлов различ­ ной твердости иногда возникает эффект «шаржирования», когда абразивные частицы, внедряясь в более мягкий металл, увеличи­ вают износ детали из более твердого материала (как правило, более дорогой и ответственной). Это может, например привести к повышенному износу коленчатого вала при неправильном выборе материала вкладышей.

Особым видом изнашивания, вызываемого механическими причинами, является усталостное разрушение и выкрашивание металла деталей. Усталостному разрушению особенно подвер­ жены такие детали двигателя, как валы, работающие при пере­ менных нагрузках. Так, например, около 50% всех коленчатых валов, бракуемых при ремонте двигателей, имеют усталостный характер разрушения. Выкрашивание рабочей поверхности из-за усталости металла наблюдается у вкладышей коренных и шатун­ ных подшипников. Усталостному разрушению подвержены также зубья шестерен масляного насоса и механизма газораспределе­ ния, шатуны и другие детали. Появлению усталостных явлений способствует наличие концентраторов напряжений.

Химическое изнашивание происходит в результате химичес­ кого взаимодействия металла детали и газа или жидкости внешней среды. Образующиеся на поверхности химические соединения, обладающие, как правило, пониженной механической прочностью, в результате действия механических нагрузок разрушаются и удаляются при взаимодействии рабочих поверхностей сопряжен­ ных деталей, подвергая коррозии более глубокие слои металла.

55

Характерной разновидностью коррозионно-механического изна­ шивания является окисление металла кислородом воздуха.

При наличии электролита, например, водных растворов кис­ лот, щелочей или солей, поверхности деталей из разных сплавов подвергаются электрохимической коррозии. Электрохимическому изнашиванию подвергаются также детали, изготовленные из однородного металла, если возникает разность потенциалов за счет высоких контактных напряжений, различного давления, воспринимаемого разными участками детали, и т. д.

Химическое и электрохимическое изнашивание усиливается в случае работы деталей при повышенных температурах и в агрес­ сивной среде. Такому изнашиванию подвержены гильзы цилин­ дров и поршень, работающие при высоких температурах и в кон­ такте с отработавшими газами и водными растворами кислот, образующихся при конденсации продуктов сгорания. Коррозия является характерным видом износа выпускного коллектора, клапанов механизма газораспределения, топливопроводов и дру­ гих деталей.

Износ деталей может происходить и в результате непосредст­ венного воздействия на них электрических разрядов. Электрокор­ розии наиболее подвержены электроды свечей, контакты преры­ вателей, реле и т. п.

Молекулярно-механическое изнашивание вызывается раз­ рушением на трущихся поверхностях металлических связей, которые образуются как результат мгновенного молекулярного воздействия частиц металла. Разрыв связей приводит к тому, что с поверхности детали уносятся частицы металла. Обычно молеку­ лярно-механическое изнашивание наблюдается в тех случаях, когда поверхности деталей находятся на очень близком рассто­ янии, т. е. при очень высокой чистоте обработки сопрягаемых поверхностей и малом зазоре между ними.

При повышенном трении в сопряжении образуется избыток тепла, который приводит к повышению температуры деталей. При перегреве изменяются физико-химические свойства металла, уменьшается его прочность. Кроме того, чрезмерный нагрев может привести к оплавлению поверхностей или их свариванию. Приме­ ром теплового изнашивания деталей двигателя может служить изнашивание рабочих поверхностей коленчатого вала и вклады­ шей при уменьшенных зазорах в подшипнике или недостаточной смазке.

При эксплуатации двигателей одни и те же детали могут под­ вергаться нескольким видам изнашивания. Например, гильза цилиндров одновременно подвергается абразивному, механичес­ кому и коррозионному изнашиванию, вкладыши подвергаются механическому, коррозионному и усталостному изнашиванию и т. п. Однако, даже при суммарном воздействии нескольких видов изнашивания, почти всегда можно выделить основной вид, определяющий износ детали и надежность ее работы. -

56