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

Износ вызывает снижение прочности или жесткости деталей, обусловливает появление недопустимых динамических нагрузок, ухудшение смазки. Поэтому для деталей устанавливают предельно допустимые значения износа, после достижения которых эксплуа­ тация двигателя невозможна без замены или восстановления изно­ шенных деталей. Предельно допустимые значения износа выби­ рают так, чтобы его превышение не привело сразу к аварии, т. е. предусматривается определенный запас прочности. Часто зна­ чение предельно допустимого износа назначают с учетом возмож­ ного восстановления деталей без существенного усложнения и удорожания ремонтных работ.

При увеличении износа деталей сверх допустимого значения характер изнашивания меняется и оно становится форсирован­ ным. Поэтому предельно допустимые значения износа ограничи­ вают началом форсированного изнашивания деталей. Так уста­ навливают предельно допустимые значения износа, например, для подшипников скольжения. Согласно гидродинамической теории смазки жидкостное трение создается в подшипниках только при определенном зазоре, изменение которого ведет к нарушению работы сопряжения. Кроме того, для создания масляного слоя необходимо обеспечить соответствующую скорость вращения вала. Изменение скорости вращения вала приводит к изменению за­ зора и увеличению износа. При естественном износе зазор в под­ шипнике увеличивается и с определенного момента является причиной форсированного износа. Этот момент и ограничивает значение предельно допустимого износа.

Износ двигателя приводит к снижению эффективности его использования. Износ деталей двигателя приводит к снижению его выходной мощности, увеличению расхода топлива и масла. Поэтому срок службы двигателя до ремонта, ограничивающий износ его деталей, назначают по экономическому критерию при сопоставлении затрат на дальнейшую его эксплуатацию и ремонт.

Существенное влияние на износ деталей оказывает состоя­ ние поверхностей трения, определяемое качеством их обработки, твердостью и другими факторами, зависящими от совершенства конструкции, технологии изготовления и сборки, а также хра­ нение, техническое обслуживание и использование машин.

Нарушение правил хранения может привести к механическому повреждению, а также интенсификации коррозионного изнаши­ вания деталей. Коррозии особенно подвержены наружные и другие детали двигателя, например, гильзы цилиндров. Боль­ шое влияние на износ деталей оказывает наличие и состояние смазки.

В зависимости от условий смазки и состояния поверхностей

разделенных очень тонким слоем смазки и выполненных с высокой

17

чистотой (например, в прецизионных парах топливной аппаратуры дизелей);

2)жидкостное трение, при котором поверхности разделены слоем смазки (например, подшипники качения при расчетной скорости вращения вала);

3)полужидкостное трение, когда большая часть поверхностей разделена слоем смазки, однако ее меньшая часть работает в ус­ ловиях сухого трения (обычно этот вид трения наблюдается в под­ шипниках скольжения при неустановившемся режиме вращения вала);-

4)полусухое трение, когда большая часть поверхностей не разделена слоем смазки (этот вид трения характерен, например, для сопряжения гильзы цилиндра с поршневыми кольцами).

Наиболее благоприятно для повышения срока службы деталей двигателя жидкостное или полужидкостное трение, но оно дости­ жимо не во всех узлах. Значительного снижения интенсивности изнашивания можно достичь своевременным выполнением сма­ зочных операций.

Большое значение имеет качество смазочных материалов. Загрязнение масла, наличие в нем вредных примесей может уве­ личить износ деталей двигателя в несколько раз. Наоборот, сма­ зочное масло, содержащее высокоэффективные комплексные при­ садки, может значительно уменьшить износ деталей.

При эксплуатации двигателей строительных и дорожных ма­ шин имеют место все перечисленные виды износа деталей. Виды износа и его интенсивность обусловлены теми специфическими условиями, в которых работают двигатели машин: резко неустановившийся характер нагрузки и высокая нагрузка двигателей, значительная запыленность воздуха и существенные колебания его температуры, особенности технического обслуживания двигателей. В связи с этим двигатели, установленные на строительных и до­ рожных машинах, как правило, имеют значительно меньший моторесурс, чем однотипные двигатели сельскохозяйственных тракторов и автомобилей. Кроме того, показатели надежности у двигателей ниже, чем аналогичные показатели других агрегатов строительных и дорожных машин.

Повышение надежности двигателей для улучшения технико­ экономических показателей строительных и дорожных машин может быть осуществлено на основе выявления и тщательного ана­ лиза основных факторов, определяющих интенсивность изнаши­ вания и безотказность работы двигателей.

Кроме того, важную роль играет научно обоснованное плани­ рование технического обслуживания и ремонта, а также планиро­ вание поставки запасных частей и агрегатов, что возможно лишь на основе изучения динамики изменения основных показателей надежности и установления фактических сроков службы двигате­ лей в типичных условиях эксплуатации строительных и дорож­ ных машин.

58

Высокую точность при измерении износа позволяет получить метод «лунок». Он заключается в нарезании лунок определенной формы и размера на изнашиваемой поверхности детали. Для наре­ зания лунок и их измерения применяются специальные приборы. Прибор УПОИ-6 для определения износа гильз цилиндров дви­ гателя состоит из нарезного устройства с алмазным резцом, по­ зволяющим получить на внутренней цилиндрической поверхности серпообразные углубления, и измерительного устройства, вклю­ чающего в себя микроскоп с масшбатной сеткой. Аналогичные приборы существуют для измерения износа и других деталей, например шеек валов и т. п.

Глубина нарезанной лунки находится в определенном соот­ ношении с ее длиной. Так, при нанесении лунок на внутреннюю цилиндрическую поверхность (например, зеркало гильзы цилин­ дров) глубина лунки может быть определена из выражения:

При известном радиусе цилиндра в случае измерения износа гильз цилиндров определенного двигателя значения г и R явля­ ются постоянными. Таким образом, глубина лунки пропорцио­ нальна квадрату ее длины. Например, для гильзы цилиндра дви­ гателя СМД-14 в этом случае выражение (2) примет вид:

h = 0,012875/2.

При износе зеркала цилиндра длина лунки уменьшается. Поэтому по изменению длины лунки через заданное число часов работы двигателя можно определить радиальный износ зеркала цилиндров

Д/і = h — hi = k (/2 — it),

где / і и / — глубина и длина лунки перед началом испытания; /ij и /і — глубина и длина лунки после наработки заданного

числа часов.

Если же нарезать лунки в ряде точек, характеризующих работу детали, то можно построить эпюры распределения износа аналогично тому, как это делается при микрометраже.

При определении износа зеркала гильзы цилиндра двигателя СМД-14 лунки были расположены в трех поясах. Верхний пояс / расположен на уровне первого компрессионного кольца при поло­ жении поршня в в. м. т. Это зона максимального износа цилин-

59

дров. Нижний пояс I I I расположен на максимальной глубине, на которой можно нарезать лунки без съема поршня (при поло­ жении поршня в н. м. т.). Средний пояс I I расположен на равных расстояниях между поясами I и III. В каждом поясе нарезано восемь лунок по окружности через 45°. Образец лунки, нарезанной на зеркале цилиндра, приведен на рис. 38. На фотографии отчет­ ливо видны раковины на зеркале цилиндров, являющиеся след­ ствием коррозионного изнашивания.

Лабораторные испытания тракторного дизеля СМД-14, про­ веденные авторами на режиме нагрузки одноковшового экскава­ тора с механической трансмиссией, показали, что средний общий износ цилиндров Дср 2, определенный методом «лунок», в 1,45 раза интенсивнее, чем при установившейся нагрузке и одинаковой оптимальной загрузке* Мсропт двигателя. При этом наиболее интенсивный износ АсрІ наблюдается в зонб верхнего пояса лунок, находящегося на уровне первого компрессионного кольца при положении поршня в в. м. т. Такой износ, средний для сечения с максимальным износом, назван среднемаксимальным. Этот из­ нос, определяющий срок службы цилиндрово-поршневой группы и в значительной степени моторесурс двигателей, в 1,47 раза пре­ восходит соответствующий износ при установившейся нагрузке

60

чем более тяжелым для двигателя является неустановившийся режим нагрузки. Так, несмотря на то, что оптимальная загрузка двигателя на режиме экскаватора ниже, чем на режиме автогрей­ дера и погрузчика, среднемаксимальный износ цилиндров на ре-

бі

жиме экскаватора в 1,20 раза больше, чем на режиме автогрей­ дера, и в 1,24 раза больше, чем на режиме погрузчика. На режиме автогрейдера среднемаксимальный износ в 1,07 раза больше, чем при той же загрузке на установившемся режиме.

В табл. 5 приведены аналогичные данные за 180 ч работы дви­ гателя на режиме экскаватора при оптимальной и других загруз­ ках. Во втором случае при каждом значении загрузки двигатель работал в течение 60 ч.

Очевидно, что значение загрузки оказывает влияние на износ двигателя, особенно ощутимое при загрузке двигателя выше опти­ мального значения. Несмотря на то, что при работе с различной загрузкой среднее ее значение (Л4ср = 0,67УИ№) ниже оптималь­ ного (44ср опт = 0,78М№), и з н о с ы за время испытаний оказались примерно одинаковыми. Это объясняется тем, что в течение 60 ч испытаний с максимально допустимой (из условий устойчивой, без остановки работы) загрузкой (Мср доп = 0,87Л4ен *) двига­ тель длительное время работал с большими перегрузками по кор­

износе двигателя дает метод «железо в масле».

Метод «железо в масле» заключается в определении концентра­

62

вмасле двигателя. С этой целью на работающем дви­ гателе периодически отби­ раются пробы масла, кото­ рые подвергаются анализу

влабораторных условиях. Количество продуктов из­ носа определяется спек­ тральным анализом, с по­ мощью фотоэлектроколо­ риметра по шкале оптиче­ ской плотности растворов или другими аналогичны­

дров.

Аналогичным образом можно определять содержание в масле не только железа, но и других металлов и тем самым судить об износе определенных деталей двигателя. Так, содержание в масле алюминия характеризует износ поршней, меди—подшипников, хрома—поршневых колец и т. д.

На рис. 41 показано увеличение содержания железа в масле ба, определенное анализом проб масла и характеризующее общий износ деталей двигателя в процессе его работы на режимах на­ грузки различных строительных и дорожных машин при оптималь­ ной загрузке, а также на установившемся режиме при номиналь­ ной загрузке М еа.

Из рисунка видно, что чем более тяжелым, неустановившимся является режим нагрузки, тем интенсивнее происходит изнашива­ ние деталей двигателя. Так, если износ за 60 ч при установившейся нагрузке принять за единицу, то за это же время работы на режиме погрузчика износ будет в 1,03, на режиме автогрейдера в 1,12, на режиме экскаватора в 1,56 и на режиме бульдозера в 1,68 раза

больше.

Интенсивность изнашивания на режиме экскаватора в 1,65 раза, а на режиме автогрейдера в 1,13 раза больше при оптимальной загрузке, чем при установившейся нагрузке.

63

двигателя по регуляторной ветви характеристики) интенсивность изнашивания возрастает примерно пропорционально увеличению загрузки. При неустановившейся нагрузке (при работе на режиме экскаватора) износ также увеличивается примерно пропорцио­ нально росту загрузки до оптимальной загрузки, однако значи­ тельно интенсивнее, чем при установившейся нагрузке. При уве­ личении загрузки выше оптимальной отмеченная пропорциональ­ ность нарушается и интенсивность изнашивания резко возрастает, что объясняется длительной работой двигателя с перегрузкой по безрегуляторной ветви характеристики.

Таким образом, при оптимальной загрузке двигателя обеспе­ чиваются не только наилучшие показатели мощности, но и отно­ сительно небольшая интенсивность изнашивания его основных деталей, что обеспечивает высокий моторесурс. Очевидно, что эффект от загрузки двигателя до оптимальной для сохранения высокого моторесурса тем значительнее, чем более тяжелым, неустановившимся является режим нагрузки.

Таким образом, качественные зависимости износа цилиндров, определенные методом «лунок», хорошо согласуются с аналогич­ ными зависимостями общего износа двигателя, определенного методом железо в «масле». В связи с этим представляется возмож­ ным установить коэффициент пропорциональности между средне­ максимальным износом и увеличением содержания железа в масле:

kср 2 — АсрІ

«а '

Для исследованных режимов нагрузки дизелей тракторного типа строительных и дорожных машин по осредненным дан­ ным можно принять указанный коэффициент равным kcp2 = = 546 мкм/%.

64

Коэффициент 6ср2 имеет важное практическое значение. Он позволяет с определенной степенью точности без разборки дви­ гателя судить об износе цилиндров в процессе его работы по ре­ зультатам анализов отбираемых проб масла.

Рассмотренные данные лабораторного исследования влияния характера нагрузки и значения загрузки двигателя на интенсив­ ность изнашивания позволяют оценить лишь относительное влия­ ние этих факторов. Абсолютные значения износа в условиях эксплуатации с учетом запыленности .воздуха, влияния темпера­ турных факторов, культуры эксплуатации и т. п. будут значи­ тельно больше, чем значения износа в лабораторных условиях.

Так, на основании данных нескольких крупных автохозяйств, применяющих дизельное топливо с различным содержанием серы, установлено, что средний срок службы деталей цилиндрово-поршне­ вой группы двигателей, работающих на малосернистом топливе, в 1,5—2,2 раза больше, чем срок службы деталей двигателей, работающих на топливе с высоким содержанием серы [9].

При работе с перегрузкой износ двигателя интенсифицируется еще и из-за ухудшения смесеобразования и закоксовывания дета­ лей поршневой группы форсунок, увеличения тепловой напря­ женности деталей двигателя в связи с уменьшением производи­ тельности вентилятора и водяного насоса, ускорения процесса «старения» масла. Влияние этих факторов на износ при относи­ тельно кратковременном лабораторном исследовании учесть не­ возможно.

Наконец, в реальных условиях эксплуатации комплексное воздействие неустановившейся нагрузки и запыленности воздуха оказывает существенное влияние на интенсивность износа дви­ гателя.

3« Динамика износа и показатели надежности двигателей

В связи с комплексным влиянием на износ ряда факторов и сложным взаимодействием этих факторов между собой в условиях эксплуатации строительных и дорожных машин динамику из­ носа двигателей целесообразно оценивать несколькими методами:

1) замерами давления масла в системе смазки на протяжении всего периода эксплуатации, определяющими в основном степень износа сопряжений кривошипно-шатунного механизма;

2)замером количества газов, прорывающихся в картер дви­ гателя, позволяющим оценить степень износа цилиндрово-поршне­ вой группы;

3)замерами мощностных показателей, определяющими общее

техническое состояние двигателя;

4)спектральным анализом масел и отложений, позволяющим оценить общий износ двигателя;

5)микрометражом, оценивающим износ конкретных деталей.

т. е. функцией зазоров в них. Периодические измерения давления масла в двигателе позво­ ляют построить кривую его изменения от времени работы машин и с определенной точностью судить об изнашивании подшипников коленчатого и распределительного валов. Давление масла припрочих равных условиях зависит от его вязкости и от подачи масляного насоса, поэтому при измерениях необходимо строго

выдерживать температурный и скоростной режим двигателя. Замеры производят на прогретом двигателе (температура масла

должна быть в пределах 75—85° С) и при работе на различных скоростных режимах (малая, средняя и максимальная частота вра­ щения холостого хода). Периодичность замеров давления масла должна составлять 200—300 ч работы двигателя. При про­ верке давления обычно используют манометры с ценой деления

0,1 кгс/см2.

На рис. 43 представлены осредненные статистические данные по изменению давления масла в системе смазки дизелей СМД-14А, полученные авторами при эксплуатации двигателей в Казахстане. Как видно, падение давления масла в зависимости от срока службы двигателей бульдозеров, автогрейдеров и кранов различно, од­ нако на каждой кривой можно выделить два-три специфичных участка, которые соответствуют характеру изнашивания во вре­ мени.

Особенно ярко выражены эти участки для двигателей бульдо­ зеров. На первом участке наблюдается значительный темп паде­ ния давления масла, равный 826-10~6 кгс/(см2-мото-ч). Протя­ женность этого участка составляет около 1000 мото-ч и соот­ ветствует периоду приработки сопряжения шейка вала—под­ шипник.

На следующем участке наблюдается замедленный темп паде­ ния давления масла, равный 350 10~6 кгс/(см2-мото-ч), что соответствует стабильному износу примерно до 1400 мото-ч. На третьем участке темп снижения давления масла увеличивается до 820-ІО"6 кгс/(см2-мото-ч), т. е. примерно до того же зна-

66