Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia
.pdfГ 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.
При гидродинамическом |
смазывании |
коэффициент |
трения |
|
|
|
li = f ЦП |
|
|
где / — функция |
конструкции |
подшипника; |
т] — динамическая вязкость |
|
Па*с; п — частота |
вращения, |
об/мин; р — давление масла, |
Па. |
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.
Пленки на поверхностях, образующиеся |
при граничном тре |
|
нии, могут быт! |
:еского (хемосорбция) и физического (адсорб |
|
ция) происхож |
К химическим относятся пленки окислов, |
|
возникающие в |
результате взаимодействия |
поверхности трения с |
142
Рис. |
7.3. |
Схема |
образования |
|||
граничных слоев масла: |
|
|
||||
а — мономолекулярный |
слой; |
б — |
||||
изгиб |
молекул при |
относительном |
||||
перемещении |
поверхностей |
трения; |
||||
в — полимолекулярные |
слои |
с |
уча |
|||
стием |
неполярных молекул |
|
|
а)
Щ Ш 1 шипи н и т и пиши пиши п и и т
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
средней мощности, |
имеющих |
большие |
запасы |
масла в картере. |
||
В системе с сухим картером |
масло, |
стекающее в поддон, |
либо |
|||
удаляется из него |
самотеком |
(в |
малооборотных |
дизелях), |
либо |
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»
вершаемых маслом в час. В системе мокрого типа К ц = 30 |
40, |
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
тонкой очистки |
2. |
В дизеле МАН (рис. 7.7) масло из общей магистрали 2 поступает |
|
на смазывание |
рамовых подшипников 3, охлаждение параллелей |
/, 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
давлению* создаслемому |
в масля м г |
м м (1. л под действием на |
|||
грузки, либо с посияло |
масляны? |
\ |
^ г |
*i |
i п.саемых на крейц |
копф. К насосу 2 (рис. 7.8) масло |
аодьоди гея |
ъа системы по свер |
|||
лению е в стержне шатуна (в |
насосе |
давление поднимается |
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»
шам 7, затем по сверлениям а |
поперечине поступает на смазывание- |
||||||||||
|
подошвы ползуна. Таким образом, |
||||||||||
|
к нагруженным |
нижним |
вклады |
||||||||
|
шам масло |
поступает под высоким |
|||||||||
|
давлением, а к верхним ненагру- |
||||||||||
|
женным |
и к ползуну |
оно |
идет |
от |
||||||
|
общей магистрали циркуляционной |
||||||||||
|
смазочной |
системы. |
|
|
|
|
|||||
|
Крейцкопфный |
насос двигателя |
|||||||||
|
МАН (рис. 7.9) — сдвоенный плун |
||||||||||
|
жерный, |
прикреплен |
|
к |
верхней |
||||||
|
части |
стержня |
|
шатуна |
1 и приво |
||||||
|
дится в действие с помощью |
ры |
|||||||||
|
чагов вследствие качательнош дви |
||||||||||
|
жения шатуна, |
|
Каждый насосный |
||||||||
|
элемент |
состоит |
из |
плунжера 6f |
|||||||
|
втулки |
|
5 |
и крышки 3. |
В |
верхней |
|||||
|
части |
втулки |
имеются |
отверстия, |
|||||||
|
через которые |
надплунжерное про |
|||||||||
|
странство |
заполняется |
|
маслом, |
на |
||||||
|
фланец |
втулки |
опирается |
корпус |
|||||||
1 |
невозвратного клапана 4. Рычаг 2 |
||||||||||
шарнирно |
прикреплен |
к |
попере |
||||||||
Рис. 7.9. Крейцкопфный насос ди |
чине крейцкопфа» насосный рычаг |
||||||||||
зеля МАН KZ |
7 — к |
шатуну. |
|
При |
качательном |
148
Рис. 7.10. Шарнирные трубы для подачи масла на охлаждение поршня