Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

Г л а в а 7, СИСТЕМЫ СМАЗОЧНАЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ, СМАЗОЧНЫЕ МАСЛА

7.1. Режимы трения и смазывания

В зависимости от характера и скорости взаимного перемещения трущихся поверхностей, действующих на них нагрузок, количест­ ва и способа подачи масла в дизелях возможны гидродинамический, контактно-гидродинамический и граничный режимы смазывания (трения).

Гидродина мический (жидкостный) режим смазывания приме­ няют в тех случаях, когда толщина слоя масла достаточна для пре­ дотвращения непосредственного касания микронеровностей тру­ щихся поверхностей. Если перемещающиеся поверхности разделе­ ны относительно толстым слоем масла (более 0,1 мкм), то свойства масла в пленке и в объеме одинаковы.

В нерабочем положении вал под действием собственного веса

ипостоянной нагрузки занимает эксцентричное положение. По обе стороны вала образуется клиновидная щель с максимальным за­ зором б в верхней части (рис. 7.1, а).

При вращении вала тонкий слой масла, связанный с поверх­ ностью вала силами сорбции, увлекает за собой последующие слои

инагнетает их в суженную часть клиновидного зазора. Взаимная связь между адсорбированной на поверхности вала пленкой и мас­ лом в зазоре со осуществляется силами вязкости (рис. 7.1, б). Так как масло в этих условиях практически несжимаемо, то оно стре­ мится к растеканию в продольном направлении (к торцам подшип­

ника) и по направлению вращения вала. Ограниченность зазоров препятствует свободному истечению масла, в результате чего созда­ ется гидродинамическое давление, воздействующее на вал. Это давление возрастает в направлении уменьшения размеров щели по окружности. В продольном направлении эпюра давления имеет вид гиперболы (рис, 7.1, в). В результате вал приподнимается и смещается в сторону вращения (см. рис. 7.1, б). Часть масла выте­ кает через торцы подшипника, а остальное прокачивается через уз­ кую часть зазора. Равновесное состояние вала в подшипнике на­ ступает тогда, когда проходное сечение /гмин достаточно для пропус­ ка части масла, оставшегося после торцового истечения.

Рис. 7.1. Схемы образования масляного клина, разделяюще­ го поверхности трения, в усло­ виях гидродинамического режи­ ма и эпюра распределения дав­ ления в подшипнике

140

Рис. 7.2. Зоны режимов смазы­ вания: граничного (/), неустой­ чивого (//), гидродинамическо­ го (UI)

В результате гидродинамическое давление, развиваемое в слое смазки, обеспечивает разделение поверхностей вала и подшип­ ника, и трение между поверхностями заменяется внутренним трением слоев масла. При этом коэффициент трения весьма мал. Теоретически, как это считалось до последнего времени, при гид­ родинамическом режиме смазывания. износ должен отсутствовать. В действительности же он появляется в результате электростатиче­ ских разрядов, возникающих при трении между поверхностями. В условиях работы ДВС неизбежны частые нарушения чисто гид­ родинамического режима смазывания при пуске двигателя, резких колебаниях нагрузки и попадании в зазор твердых частиц, размер которых превышает толщину гидродинамической макропленки.

Отклонения вала от заданной геометрической формы, вызван­ ные прогибом и неточностями изготовления или сборки, также мо­ гут вызвать нарушения гидродинамического режима смазыва­ ния. В связи с этим в некоторых конструкциях двигателей прибе­ гают к особой форме расточки подшипников, которая обеспечивает равномерность прилегания шейки вала в деформированном состоя­ нии ■— под нагрузкой. Примером может служить подшипник голов­ ного соединения крейцкопфного двигателя.

На рис. 7.2 левая часть кривой соответствует режиму выхода подшипника из состояния покоя, частота вращения вала мала и смазывание осуществляется в условиях граничного трения, силы трения велики. По мере увеличения частоты вращения толщина мас­ ляной пленки увеличивается, вал всплывает и сила трения быстро понижается, достигая минимума при цп/р = 10. Дальнейший рост частоты вращения сопровождается увеличением гидродинамиче­ ского давления в зоне клина, несущая способность масляного слоя повышается, но одновременно несколько увеличивается сила трения в связи с увеличением сил жидкостного трения в слое масла.

141

Работа подшипника в зоне минимальных значений \i характери­ зуется неустойчивым режимом смазывания, и поэтому рекомендо­ ванная область работы располагается правее» Вязкость масла в значительной степени определяет развитие гидродинамического смазывания, однако, как следует из отношения цп/р, это не озна­ чает, что необходимо стремиться к применению масел большой вязкости, Нужно иметь в виду, что повышение вязкости влечет за собой рост энергетических затрат на работу трения и усиление тепловыделения в подшипниках.

Контактно-гидродинамическое (эластогидродинамическое) и гид­ ростатическое смазывание имеет место там, где при наличии масла трущиеся поверхности контактируют в точке или по линии кон­ такта. В подобных условиях работают шарикоподшипники, тяжело нагруженные зубья шестерен, детали газораспределения двигате­ ля. Для этих элементов характерны высокие контактные нагрузки, при которых работа пары трения осуществляется в условиях «от­ жатой пленки», когда, по-видимому, молекулярная структура мас­ ла подвергается изменениям, вязкость масла увеличивается в де­ сятки раз, и оно теряет свойства Ньютоновской жидкости. Одновре­ менно под действием увеличивающейся жесткости масла происхо­ дит пластическая деформация металла. Толщина остающегося под действием высоких нагрузок слоя масла в 10 раз и более превышает высоту микронеровностей на поверхности трения.

Подобный режим смазывания применяют в крейцкопфных под­ шипниках судовых дизелей. Гидродинамическое смазывание в этих подшипниках затруднено вследствие больших нагрузок и малой скорости движения подшипника относительно цапфы. Их взаимное перемещение происходит на небольшой дуге и носит возвратно-по­ ступательный характер, поэтому режим смазывания приближается к гидростатическому , при котором поддерживающий масля­ ный слой создается при высоком давлении в масляных канавках под действием нагрузки (в двухтактных двигателях она носит односто­ ронний характер и направлена вниз) либо масляными насосами, Подобные автономные плунжерные насосы в двигателях МАН наве­ шиваются на крейцкопф каждого цилиндра»

Увеличение температур и давлений в узле трения, а также облегчение условий вытекания масла из него способствуют умень­ шению толщины разделяющей трущиеся поверхности пленки масла, а при достижении 8 < 0,02—0?1 мкм закономерности жидкостной смазки (гидродинамической, контактно-гидродинамической) нару­ шаются. В новых условиях коэффициент трения зависит не от объемной вязкости масла, а от наличия в нем полярно-активных компонентов, Такой режим смазывания называется граничным.

142

кислородом или присадками масла. Они прочно сцепляются с по­ верхностями, и их удаление сопровождается повреждением припо­ верхностных слоев. Разрушаются они лишь при достижении темпе­ ратур плавления окислов. К пленкам химического происхождения относятся также различные мыла, образующиеся при взаимодейст­ вии находящихся в масле высших органических кислот с металлом.

Основная положительная роль окисных пленок — предупреж­ дение схватывания, которое может наступить при касании метал­ лических поверхностей. Адсорбционные слои образуются на трущих­ ся поверхностях полярно-активными углеводородами, выстраиваю­ щимися перпендикулярно к ним в виде цепочек (рис. 7.3). Такая ориентация может быть сравнена с ворсом плотно сотканного ков­ ра. Поверхностные слои состоят из нескольких молекул (этим опре­ деляется их толщина), причем каждая молекула своим полярным концом прикрепляется к неполярному концу предыдущей молеку­ лы. Чем дальше от поверхности, тем слабее связь между молекула­ ми. Над ориентированными находятся хаотически расположенные молекулы. Плоскостями облегченного скольжения являются сты­ ки между молекулами, образованные неполярными метальными группами.

Граничные пленки могут выдержать давление нескольких тысяч мегапаскалей, но в то же время они легко разрушаются по достиже­ нии температуры, при которой усиливающееся тепловое движение молекул разрушает полярные связи, ориентация молекул наруша­ ется и граничная пленка теряет сцепление с поверхностью метал­ ла. Для минеральных масел эта температура (температура десорб­ ции) составляет 90— 100 °С. Полярные молекулы содержат не толь­ ко жирные кислоты, но и продукты окисления масла, органические кислоты, образующиеся при работе масла в двигателе. Этим объяс­ няется в известной мере улучшение смазывающих свойств масел в процессе старения.

Для усиления маслянистости масел, повышения полярности мо­ лекул в базовые масла специально вводят 0,5—2 % наиболее устой­ чивых жирных кислот, касторовое масло, амины и эфиры, а также графит. Графит образует мономолекулярный слой, исключительно прочно сцепляющийся с поверхностью металла, и, что особенно важ­ но, графитная пленка обладает высокой теплостойкостью.

143

При чрезвычайно тяжелых условиях работы, когда лучшие ми­ неральные масла и даже масла с поляризующими присадками не в состоянии предотвратить сухое трение и износ» в масла включают специальные противозадирные присадки — соединения серы, хло­ ра, реже — брома, йода и фосфора. При реагировании их с метал­ лом на его поверхности образуются тонкие сплошные пленки сер­ нистого железа, хлорида или фосфида, разделяющие трущиеся по­ верхности и существенно сокращающие-износ. Наиболее эффектив­ ными противозадирными средствами признаны присадки на основе соединений серы, они эффективны в условиях граничного трения ери температуре до 650 °С.

7.2* Смазочная система

Требования к системе. К смазочной системе предъявляют сле­ дующие требования: своевременная подача необходимого количе­ ства масла к узлам трения двигателя для защиты поверхностей от износа и коррозии (смазывающее и защитное действие); отвод теп­ лоты от трущихся поверхностей и деталей (терморегулирующее действие); очистка и охлаждение масел. От того, насколько удовлет­ воряет отмеченным требованиям смазочная система, в значитель­ ной степени зависят надежность и долговечность работы двигателя.

Для смазывания рамовых, шатунных подшипников» подшипни­ ков распределительного вала и приводных вспомогательных агре­ гатов применяют принудительную циркуляционную систему ■смазки под давлением 0,15-—0,6 МПа. От этой же системы отбирает­ ся масло на охлаждение поршней, а также для работы серводвига­ телей систем управления и регулирования.

Виды систем, В зависимости от места расположения основной емкости масла, работающего в циркуляционной смазочной системе, различают системы с мокрым или сухим картером,

В системе с мокрым картером (рис. 7.4) основной емкостью мас­ ла является поддон, или нижняя часть картера (маслосборник), откуда масло забирается односекционным шестеренным насосом 7 и нагнетается через маслоохладитель 2 и фильтр 3 в главную маги­ страль 5 смазки двигателя и затем распределяется по всем смазы­ ваемым узлам. Через штуцер 1 масло поступает на охлаждение поршня, по трубопроводу 9 — к приводу клапанов (4, 6 — клапа­ ны предохранительный и регулирования давления; 8 — приемный фильтр). Систему применяют в основном в двигателях малой и

откачивается особым насосом (в среднеоборотных двизелях) в от­ дельную цистерну вне дизеля. Удельная вместимость такой цис­ терны для крейцкопфных двигателей 0,8—2,0 л/кВт в МОД и 1,5— 2 л/кВт в СОД. В двигателях с масляным охлаждением поршней

144

Рис. 7.4. Смазочная система с мокрым картером

145

более половины масла прокачивается через поршни, где оно под­ вергается действию высоких температур и в нем быстрее протекают термоокислительные процессы старения. Поэтому, стремясь увели­ чить аккумулирующую способность масла и тем самым повысить срок его службы, в таком двигателе вместимость циркуляционной системы смазки увеличивают в 2—3 раза.

В циркуляционной смазочной системе важной характеристикой, от которой во многом зависит срок службы масла, является крат­ ность циркуляции /Сц, показывающая число рабочих циклов, со»

что обусловлено малой их вместимостью. У крейцкопфного дизеля вместимость смазочной системы значительна, что позволяет умень­ шить кратность циркуляции (Кц — 4 -f- 12). При большой крат­ ности циркуляции масло не успевает отстояться в цистерне или картере, быстро загрязняется и стареет.

Смазочные системы деталей механизма движения. В тронковых двигателях масло подводится к рамовым подшипникам обычно по сверлению в шейках и щеках коленчатого вала, подходит к криво­ шипным подшипникам и по сверлению в шатуне идет на смазыва­ ние поршневых подшипников. При этом наиболее нагруженные поршневые подшипники получают масло в последнюю очередь.

В крейцкопфном двигателе Бурмейстер и Вайн типа МС от цир­ куляционной системы смазки масло распределяется по двум маги­ стралям (рис. 7,5). По одной, пройдя через регулируемый клапан

146

Рис, 7.8. Смазочная система распре­ делительного вала дизеля Б.МЗ

ДКРН-10 (SMC)

Рис. 7,7. Смазочная система в дизеле МАН KZ

З у масло подается к рамовым 2 и упорному 1 подшипникам. По дру­ гой масло поступает на смазывание цепного привода 4, ГТК 5 и через телескопические трубы к крейцкопфным узлам 7. Здесь масло распределяется на охлаждение поршня 6, смазывание ползунов 7, крейцкопфного и шатунного 8 подшипников, Затем масло стекает в поддон 9 и оттуда в циркуляционную систему.

Во избежание попадания в циркуляционное масло топлива под­ шипники распределительного вала 1 и топливных насосов смазы­ ваются от отдельной системы (рис. 7.6), куда входят небольшая циркуляционная цистерна 4, насосы 5, охладитель 3 и фильтры

/, смазывание шестерен привода и подшипников распределитель­ ного вала. По сверлениям в шейках и щеках вала масло поступает на смазывание шатунных подшипников 4 и по сверлению а в теле шатуна движется вверх.

Обычно в подшипниках применяют гидродинамический режим, смазывания, но в крейцкопфных подшипниках поддержание масля­ ного клина затруднено ввиду наличия больших нагрузок и малой скорости движения подшипника относительно цапфы. Поэтому,-ре­ жим смазывания приближается к гидростатическому, при котором поддерживающий масляный слой создается благодари высокому

147

Рис. 7.8. Схема подвода масла к крейцкопфным подшипникам дизеля МАН KZ

До 3,5— 14 МПа) и через отверстия в цапфах подается в канавку d нижних вкладышей крейцкопфного подшипника 3. Маслораспре­ делительные канавки распределяют масло по рабочей поверхности вкладыша» По сверлениям Ь, с масло подводится к верхним вклады»

148