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

чения, что и на первом участке. По-видимому, в этот период начинается повышенное изнашивание указанных сопряжений двигателей бульдозеров.

Для двигателей автогрейдеров и кранов отмеченные участки менее ярко выражены, однако определенные закономерности также можно проследить. Приработка сопряжений двигателей автогрейдеров и кранов более продолжительна, чем приработка сопряжений двигателей бульдозеров. Стабилизация темпа паде­ ния давления масла наступает позднее, примерно через 1000— 1200 мото-ч. Темп падения давления масла для двигателей авто­ грейдеров на участке приработки составил 350-1СИ6 кгс/(см2Х

Xмото-ч)., а для двигателей кранов — 610 10“6 кгс/(см2-мото-ч). На участке примерно 1200—2000 мото-ч падение давления

масла стабилизировалось и составляло 337-10"6 кгс/(см2-мото-ч) для двигателей автогрейдеров и 225• 10_в кгс/(см2-мото-ч) для двигателей кранов.

Таким образом, наибольший темп падения давления масла свойственен двигателям бульдозеров на протяжении всего пери­ ода эксплуатации (400—2000 мото-ч), что является косвенным подтверждением наиболее интенсивного износа у них сопряже­ ний шейка вала—подшипник. Темп падения давления масла у дви­ гателей автогрейдеров ниже, чем темп падения давления масла у двигателей кранов. Соотношение темпов падения давления масла для двигателей бульдозеров, автогрейдеров и кранов при условии одинакового начального давления 4,5 кгс/см2 при тем­ пературе масла 70° С на участке 400—2000 мото-ч составило соот­ ветственно 1 : 0,695 : 0,597.

Используя методику расчета относительного износа по дав­ лению масла [14], можно рассчитать относительный износ сопря­ жений шейка вала—подшипник через 2000 мото-ч для двигателей этих машин, принимая в качестве расчетной не абсолютное давление, а разность давлений в начале эксплуатации и через 2000 мото-ч. Относительный износ составил для двигателей буль­ дозеров 0,55, автогрейдеров — 0,42, кранов — 0,34.

Известно, что темп износа не остается постоянным и в конце срока службы двигателя резко возрастает. Соответственно не остается постоянным и темп падения давления масла.

Наблюдения за работой машин показали, что после 2000 мото-ч для всех двигателей темп падения давления масла был на 12— 30% выше, чем до этого срока и оставался примерно постоянным.

На основании этих данных были рассчитаны относительные износы и моторесурсы на участке 2000—2600 мото-ч (табл. 6).

Степень изношенности цилиндрово-поршневой группы может быть косвенно оценена количеством газов, прорывающихся в кар­ тер двигателя. Измерение количества прорывающихся в картер газов производится газовыми счетчиками. Для этого герметизи­ руют картер двигателя и с помощью шланга соединяют масло­ заливную горловину с газовым счетчиком. Прорыв газов в картер

от срока службы двигателей приведена на рис. 44.

Эта зависимость в обоих случаях линейная. Наибольшие значения Qr и темпа прироста Qr, а также Хц. п и темпа его роста по времени свойственны двигателям бульдозеров.

Темп роста Qr • ІО4 в л/(мин-мото-ч) при наработке до 2000 мото-ч составил для двигателей бульдозеров 374, автогрейдеров 231, кра­ нов 176.

Относительный износ через 2000 мото-ч равен соответственно

1,0; 0,88; 0,85 [14].

Таким образом, цилиндрово-поршневая группа двигателей бульдозеров изнашивается примерно через 2000 мото-ч. Путем про­ дления линии относительного износа для двигателей кранов и автогрейдеров до пересечения с линией, соответствующей значе­ нию Хц. п = 1, рассчитан предполагаемый моторесурс цилиндро­ во-поршневой группы. Эти значения составили соответственно 3100 и 2600 мото-ч. Найденные значения близки к значениям, полу­ ченным при микрометраже, причем предельный износ, как пра­

68

и после 1600 мото-ч у бульдозеров объясняется проведенной регулировкой форсунок.

После 1600 мото-ч работы наблюдается наиболее быстрое паде­ ние мощности у двигателей кранов, что объясняется интенсивным закоксовыванием распылителей форсунок из-за пониженного теп­ лового режима.

Спектральный анализ масел и данные микрометража некото­ рых двигателей подтвердили, что наибольший темп изнашивания

Наибольшее число отказов зарегистрировано по системам пита­ ния и смазки двигателей.

Наработка на отказ по системам питания составила (мото-ч) для двигателей бульдозеров 570, автогрейдеров 604, кранов

710 мото-ч.

Распределение отказов по системам, агрегатам и узлам дви­ гателей приведено в табл. 7.

Сравнительные данные по безотказности работы систем и узлов двигателей сельскохозяйственных тракторов и дорожно­ строительных машин с теми же двигателями СМД-14А приведены в табл. 8.

Наработка на отказ с учетом данных табл. 8 составила для двигателей тракторов Т-74 — 316, буЛьдозеров Д-535 — Ц8, автогрейдеров Д-598— 176, кранов К-161 — 320 мото-ч,

69

В табл. 9 приведены полученные авторами статистические осредненные данные по фактическим срокам службы тракторных ди­ зелей КДМ-100 и СМД-14А до первого и второго капитального ремонта при работе на различных строительных и дорожных маши­ нах, полученные в типичных условиях эксплуатации.

70

Из табл. 9 видно, что наименьший срок службы имеют двига­ тели бульдозеров. Срок службы этих двигателей до второго капи­ тального ремонта примерно в 1,5 раза меньше, чем до первого.

Таким образом, динамика изнашивания и показатели надеж­ ности двигателей строительных и дорожных машин зависят от условий их работы. Двигатели, работающие в наиболее тяжелых условиях, имеют наибольший темп изнашивания и наиболее низ­ кие показатели надежности.

Очевидно, что для увеличения моторесурса двигателей стро­ ительных и дорожных машин необходимо разработать комплекс мероприятий, улучшающих условия их работы и направленных на:

уменьшение запыленности в зоне воздухозаборника (располо­ жение его в зоне наименьшей запыленности, уменьшение источ­ ников пылеобразования на машине, применениё отражателей перед радиатором, рациональная компоновка машины и т. п.); обеспечение оптимального теплового режима при пуске и эксплуатации двигателей (установка предпусковых подогрева­ телей, термостатов повышенной эффективности, системы шторок, жалюзи, утеплительных чехлов, вентиляторов переменной про­

изводительности) ; достижение относительно равномерного режима нагрузки

(правильный подбор и оптимальная загрузка двигателей, обеспе­ чение наивыгоднейшей характеристики двигателя для каждого типа машины, использование непрозрачных прогрессивных транс­ миссий);

повышение культуры эксплуатации, технического обслужи­ вания и ремонта двигателей.

Г Л А В А V

ПРИСПОСОБЛЕННОСТЬ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ РАБОТЫ НА СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИНАХ

1« Соответствие различных типов двигателей условиям работы

Для работы в рассмотренных специфических условиях на строи­ тельных и дорожных машинах наиболее пригоден четырехтакт­ ный дизель, у которого выходные показатели менее зависят от характера нагрузки, чем у карбюраторного двигателя, как было показано в гл. III.

Снижение мощности карбюраторного двигателя из-за влияния неустановившегося характера нагрузки на рабочий процесс достигает 20%, а у дизеля лишь 5% [1, 7].

Известно, что скоростная характеристика карбюраторного двигателя более благоприятна для преодоления нагрузок, свой-

71

ственных строительным и дорожным машинам, чем скоростная характеристика дизеля из-за более высокого коэффициента приспо­ собляемости. Поэтому карбюраторный двигатель может относи­ тельно легко форсировать перегрузки, возникающие из-за неуста­ новившейся нагрузки. Однако меньшее значение коэффициента приспособляемости дизеля по сравнению со значением коэффици­ ента приспособляемости карбюраторного двигателя компенси­ руется значительно большим приведенным к коленчатому валу моментом инерции движущихся масс, способствующим стабили­ зации скоростного режима двигателя.

У карбюраторного двигателя влияние неустановившегося характера нагрузки на интенсивность изнашивания больше, чем у дизеля. Изменения скоростного режима карбюраторного дви­ гателя более существенны, чем изменение скоростного режима дизеля.

Автомобильный карбюраторный двигатель не приспособлен для длительной работы на режиме максимальной мощности и максимального крутящего момента. Поэтому перед установкой на строительные и дорожные машины карбюраторный двигатель необходимо задросселировать на 40—50% максимальной мощности и частоты вращения. Дросселирование карбюраторного двига­ теля равноценно прикрытию дроссельной заслонки (работа на частичных нагрузках), при котором нарушается процесс смесе­ образования, ухудшается наполнение цилиндров, увеличивается количество остаточных газов, а также возрастают относительные потери тепла в окружающую среду. Все это приводит к ухудше­ нию условий сгорания. Для обеспечения удовлетворительного сгорания при прикрытой дроссельной заслонке необходимо обо­ гащение рабочей смеси, что осуществляется системой компенса­ ции карбюратора. Обогащенная рабочая смесь сгорает не пол­ ностью, поэтому удельный расход топлива повышается. Кроме того, несгоревшее топливо смывает смазку с зеркала цилиндров, что ведет к увеличению износа двигателя.

Как показывает опыт, при дросселировании карбюраторного двигателя удельный расход топлива увеличивается на 12— 15%.

На основании экспериментальных данных установлено, что при работе в экскаваторном режиме нагрузки расход топлива карбю­ раторного двигателя при одинаковой выходной мощности примерно на 50% больше расхода топлива дизелд.

Все это приводит к тому, что хотя стоимость изготовления дизеля существенно выше, чем карбюраторного двигателя, крайне высокие эксплуатационные расходы делают нерентабельной уста­ новку последнего на строительные и дорожные машины1. Несмотря на то, что отношение массы к мощности у карбюраторного дви­

1 По обобщенным средним показателям стоимость единицы энергии, выра­ батываемой дизелем, примерно вдвое ниже, чем стоимость единицы энергии карбю­ раторного двигателя той же мощности.

72

средний за цикл момент сопротивления, равный 85% номиналь­ ного крутящего момента. Для дизеля эта величина составляет 87%. Однако при такой загрузке существенно снижается выходная мощность (на 32%) и топливная экономичность (на

73

зеля эти величины составляют соответственно 22 и 21 %. Загрузка, при которой мощность имеет максимально возможное значение, составляет для карбюраторного двигателя 74% номинального крутящего момента, а для дизеля 78%. При этом у карбюратор­ ного двигателя снижение мощности составляет 8 и топливной экономичности 10%, а у дизеля соответственно 4 и 6%.

Изложенное свидетельствует о том, что на строительные и дорожные машины целесообразно устанавливать дизели. При этом более пригодны четырехтактные дизели.

Теоретически двухтактный дизель такого же рабочего объема, что и четырехтактный, может развивать большую мощность. Од­ нако его тепловая и механическая напряженность значительно выше, поэтому для увеличения долговечности двухтактный ди­ зель необходимо дефорсировать. Кроме того, в двухтактном ди­ зеле необходимо размещать полости и ресиверы продувки и вы­ пуска, силовая схема его остова менее благоприятна. В связи с этим металлоемкость двухтактного дизеля будет примерно та­ кой же, как и металлоемкость четырехтактного.

Большая тепловая и механическая напряженность двухтакт­ ного дизеля и несколько менее совершенный рабочий процесс приводят к частым ремонтам и смене таких деталей как поршни, поршневые кольца, гильзы цилиндров, поэтому его эксплуатация обходится дороже, чем четырехтактного дизеля.

Несмотря на то, что минимальный удельный расход топлива у двухтактного дизеля ниже, чем у четырехтактного, часовой рас­ ход топлива при работе на переменных режимах (на частичных нагрузках, на режимах, близких к режиму холостого хода при максимальной частоте вращения) на 4—6% больше расхода у че­ тырехтактного за счет мощности, необходимой для привода про­ дувочного насоса. Таким образом, применение на строительных и дорожных машинах двухтактных дизелей менее экономично, чем применение четырехтактных.

Двухтактные дизели конструктивно проще четырехтактных, обладают более равномерным крутящим моментом, но менее при­ способлены для работы на неустановившейся нагрузке. Они могут быть использованы лишь при работе на постоянном (стаци­ онарном) режиме.

Проведенные на режимах нагрузки различных строительных и дорожных машин лабораторные исследования дизелей с вихре­ камерным (Д-75, СМД-14) и объемнопленочным (А-41) смесеобра­ зованием показали, что способ смесеобразования практически не влияет на эффективность использования мощности и топливной экономичности. Дизель с объемнопленочным смесеобразованием обладает более высокой топливной экономичностью. Для уста­ новки на строительные и дорожные машины более всего пригодны четырехтактные дизели тракторного типа, а также автомо­ бильные дизели при условии соответствующего их дефорсиро­ вания.

74

2* Влияние конструктивных особенностей и основных параметров двигателей и их систем

на степень приспособленности

В настоящее время происходит рост литровых мощностей, уменьшение удельных масс и габаритов двигателей. Реализация этих тенденций возможна при увеличении частоты вращения и повышении среднего эффективного давления.

Предел повышения частоты вращения ограничивается сред­ ней скоростью поршня, которая определяет инерционные на­ грузки, а следовательно, и надежность деталей кривошипно-ша­ тунного механизма. Форсирование двигателей по среднему эф­ фективному давлению также ограничивается ростом механи­ ческих и тепловых нагрузок на детали цилиндрово-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма. Среднее эффектив­ ное давление карбюраторных двигателей может быть повышено увеличением степени сжатия, рост которой ограничивается антидетонационными свойствами бензинов. Для форсирования дизе­ лей по среднему эффективному давлению все большее распростра­ нение получает наддув, т. е. нагнетание воздуха в цилиндры в про­ цессе их наполнения. Особенно большое распространение полу­ чил турбонаддув, осуществляемый от нагнетателя обычно центро­ бежного типа, приводимого в действие турбиной, работающей на выпускных газах двигателя.

Наддув увеличивает массовое наполнение цилиндров и поз­ воляет сжечь в том же рабочем объеме больше топлива, что уве­ личивает мощность двигателя. Турбонаддув улучшает топливную экономичность дизеля, так как создает более благоприятные ус­ ловия для сгорания рабочей смеси в цилиндрах. Исследования авторов показали, что турбонаддув позволяет уменьшить сниже­ ние мощности и топливной экономичности дизеля из-за неуста­ новившейся нагрузки, свойственной строительным и дорожным машинам. Это объясняется двумя причинами.

1. Турбонаддув обеспечивает работу дизеля с более высоким коэффициентом избытка воздуха и, следовательно, полное сго­ рание большого количества топлива даже при относительно низ­ ких частотах вращения под нагрузкой. В результате этого коэф­ фициент приспособляемости дизеля увеличивается, а коэффициент снижения частоты вращения 1 уменьшается, т. е. характеристика становится более благоприятной для преодоления неустановив­ шейся нагрузки. Эффект этот тем ощутимее, чем выше (при од­ ном и том же двигателе и турбокомпрессоре) коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме, т. е. чем меньше номинальная мощность. Изложенное иллюстрируется данными табл. 11, полу-

1 Коэффициентом снижения частоты вращения называется отношение ча­ стоты вращения при максимальном крутящем моменте к частоте вращения при максимальной мощности.

75

одноковшового экскаватора и автогрейдера, полученное в резуль­ тате лабораторных испытаний. Очевидно, что положительный эффект от введения турбонаддува тем ощутимее, чем более тяже­ лым для двигателя является режим нагрузки (например, экска­ ватор по сравнению с автогрейдером).

Особенно эффективно применение на режимах нагрузки строи­ тельных и дорожных машин специально настроенных на опре­ деленный скоростной режим турбокомпрессоров. Такие турбоком­ прессоры создают на номинальном режиме завышенный, против необходимого для нормального сгорания, коэффициент избытка воздуха. Это в сочетании с коррекцией подачи топлива при работе по скоростной характеристике (корректорной ветви) обусловли­ вает высокий коэффициент приспособляемости двигателя. На рис. 49 приведено сравнение выходной мощности и топливной экономичности дизеля А-41 со свободным всасыванием при Nen = = 92 л. с. и с настроенным на режим максимального крутящего момента турбокомпрессором при Neii = 90 л. с. на режиме на­ грузки бульдозера.

Наиболее эффективно применение на режимах резко неуста­ новившейся нагрузки строительных и дорожных машин регули­ руемого турбонаддува. Регулируемый турбонаддув в сочетании с коррекцией подачи топлива обеспечивает постоянную мощность двигателя в определенном диапазоне изменения частоты враще­ ния. Это значительно улучшает тягово-динамические качества машин и позволяет упростить конструкцию трансмиссий.

Известно, что методы регулирования турбокомпрессоров де­ лятся на внешние (изменение частоты вращения ротора, дроссе­ лирование воздуха на входе в компрессор, перепуск части выпуск­ ных газов, минуя турбину, в атмосферу и др.) и внутренние (пово­ рот направляющих и диффузорных лопаток компрессора, изме­ нение степени парциальности турбины, поворот лопаток сопло­ вого аппарата турбины и др.). Внешние методы обеспечивают

76