Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

Для смазывания ТК с подшипниками скольжения применяют две системы: напорно-гравитационную и автономную гравитацион­ ную, В напорно-гравитационной системе масло к подшипникам подается непосредственно от насоса циркуляционной смазочной си­ стемы двигателя. В случае остановки насоса в течение некото­ рого времени оно продолжает поступать из предусмотренной для этой цели напорной (гравитационной) цистерны. Недостаток си­ стемы состоит в использовании масла, в полной мере не отвечаю­ щего повышенным требованиям чистоты и качества.

В мощных судовых двигателях отдается предпочтение автоном­ ной гравитационной системе (рис. 7,11). Масло из сточной цистер­ ны 6 одним из двух автономных насосов 5 нагнетается через фильтр 4 и охладитель 3 в напорную цистерну (с переливной трубой 2)f установленную на 5-—9 м выше турбокомпрессоров. Из цистерны масло самотеком через фильтры 8 поступает к подшипникам турбо­ компрессора, затем стекает в цистерну L Для наблюдения за пото­ ком масла в трубопроводы врезаны смотровые стекла 7.

7.3. Смазывание цилиндров, поршней и поршневых колец

Смазывание цилиндров» Поршни и кольца, скользящие по поверхности цилиндра, должны быть разделены масляной плен­ кой, обеспечивающей минимальный износ колец, цилиндра и поршня, эффективное уплотнение от прорыва газов, охлаждение и промывание трущихся поверхностей.

Задача поршневых колец заключается в равномерном распреде­ лении подведенного в цилиндр масла в соответствии с указанными требованиями, и прежде всего •— по высоте втулки цилиндра» При этом, учитывая более высокие температуры и испарение мас­ ла с поверхности, а также более интенсивную электрохимическую коррозию в верхней части цилиндра, последняя должна получать масла больше. Если подача масла не регулируется и оно подводит­ ся в избытке (а это характерно для тронковых двигателей со смазы­ ванием разбрызгиванием), то поршневые кольца должны обеспечи­ вать поддержание слоя масла, достаточного для осуществления гидродинамического трения, а избыток масла сбрасывать в картер, одновременно препятствуя его попаданию в камеру сгорания.

Существуют три способа смазывания цилиндров:

смазывание смесью — масло, в количестве 10— 15 % примешан» ное к бензину, поступает в цилиндр, большая часть его сгорает, часть же оседает на стенках цилиндра и растаскивается по его по­ верхности кольцами (в мотоциклетных, лодочных карбюраторных двигателях);

смазывание разбрызгиванием — масло, вытекающее из подшип­ ников кривощипно-шатунного механизма, забрасывается на ниж­ нюю часть втулки цилиндра и разносится по втулке вверх поршне­

150

смотрового стекла. Для удаления воздуха из насосных элементов •отвертывают винт 4, рукояткой вращают эксцентричную ось рычагов, приводя в действие плунжеры. Прокачивание прекращают пос­ ле появления сплошной струи масла, из воздушных отверстий. Для удаления воздуха из системы отсоединяют трубки у точек сма­ зывания и прокачивают систему.

В мощных тронковых двигателях Вяртсиля Ваза-32 и 46 ЦПГ смазывают маслом, поступающим по шатуну на охлаждение поршня (рис, 7.13). Из полости а охлаждения по каналу Ъ масло поступает в. равномерно расположенные по окружности сопла, далее оно рас­ пределяется по проточенной в тронке поршня канавке с и заполня­

ключает появление микрозадиров и большие износы, вероятность которых в высоконапряженных двигателях достаточно велика. Обильный подвод масла требует применения колец с большим мае-

.лосбрасывающим действием в целях уменьшения его заброса в ка­ меру сгорания и потерь на угар.

Смазывание разбрызгиванием является наиболее простым ре­ шением, но по сравнению с принудительным способом оно облада-

152

ет двумя существенными недостатками*, подача масла на втулку цилиндра нерегулируема и, как правило, избыточна; на втулку по­ падает несвежее масло, проработавшее в циркуляционной системе смазки, частично окислившееся и потерявшее в известкой мере ней­ трализующее и другие необходимые свойства. В противополож­ ность отмеченному, принудительное смазывание позволяет строго дозировать подачу масла в цилиндры и подавать свежее масло, наиболее удовлетворяющее по своим характеристикам требованиям смазки цилиндров и нейтрализации в них кислых соединений.

Подаваемое в цилиндры масло расходуется на смазывание ра­ бочих поверхностей цилиндров, поршневых колец, поршней, забрасывается в камеру сгорания и продувочно-выпускные окна (в двухтактных двигателях) либо сбрасывается в картер или в подпоршневые полости. Масло, распределяемое тонкой пленкой по поверхности цилиндра, выполняя функцию разделения трущихся поверхностей, одновременно нагревается, подвергается воздейст­ вию горячих, агрессивных продуктов сгорания и воздуха, большим тепловым потокам со стороны поршня. В масле в результате окисли­ тельных процессов образуются органические кислоты, оно насы­ щается сильными неорганическими кислотами, сажей. Большая часть масла, особенно находящаяся на верхней, поверхности ци­ линдра, испаряется. Пары масла диффундируют в воздух и сгора­ ют либо уносятся с выпускными газами в выпускной тракт. Осталь­ ная часть масла, ставшая более вязкой и. вобравшая в себя продук­ ты старения, частично сбрасывается поршневыми кольцами в кар­ тер либо в подпоршневые полости, частично остается на стенках, цилиндра и поршней, преобразовываясь в лаки и нагары.

На толщину масляной пленки на поверхности цилиндра оказы­ вают влияние: количество подаваемого масла и способ подвода; скорость движения колец вдоль поверхности цилиндра, зависящая от скорости поршня и двигателя; радиальное давление колец на втулку, определяемое нагрузкой цилиндра, упругостью колец и их расположением на поршне; качество рабочей поверхности ци­ линдра (шероховатость); свойства масла (вязкость, маслянистость, термическая стабильность и пр.); температура и давление газов в цилиндре, температура смазываемых поверхностей втулки, поршня.

Необходимое возобновление или освежение масляной пленки на рабочей поверхности цилиндра в двигателе с подачей масла раз­ брызгиванием происходит при каждом ходе поршня вверх. В дви­ гателе с принудительным смазыванием нерегулярность поступле­ ния масла из штуцеров в известной мере нарушает цикличность во­ зобновления пленки на поверхности цилиндра. Для сохранения мас­ ляной пленки необходимо, чтобы количество возмещаемого масла GM покрывало его расход GMP? обусловленный испарением и сгора­ нием масла GHcn, его забрасыванием кольцами в камеру сгорания Gm (частично это масло сгорает, переходит в нагары, уносится с вы­ пускными газами), сбросом частично окислившегося масла в выпуск­

153

ные окна» где оно откладывается в виде нагара, и в подпоршневую полость или в картер GK:

G Mp = &ИСП + ^КС ~Т" *

Если подача масла в цилиндр недостаточна (GM< GMP), то под­ держание масляной пленки необходимой толщины становится не­ возможным, режим трения из жидкостного может перейти в гранич­ ный или в пределе — к сухому трению.

Родь поршневых колец в формировании масляной пленки., Поршневое кольцо в радиальном направлении испытывает действиесилы газов Р т (рис, 7.14), проникших в заколечный объем и прижи­ мающих кольцо к поверхности втулки цилиндра. В этом же направ­

щ ей,поршня (сказывается лабиринтное действие колец) максималь­ на у первого кольца и минимальна у последнего. Первое кольцо ввиду большого радиального давления на ходе сжатия срезает часть масла с поверхности втулки и гонит его перед собой, созда­ вая валик, заполняющий зазор между боковой поверхностью го­ ловки поршня и втулкой цилиндра. Это масло можно считать поте­ рянным, так как оно либо забрасывается в камеру сгорания, либо полимеризуется и сгорает в зазоре, образуя при больших подачах масла в цилиндр на головке поршня твердые отложения золы при­ садок.

При трении твердых отложений о рабочую поверхность цилин­ дра на ней образуются полосы натира и даже износа, располагаю­ щиеся в плоскостях нахождения масляных штуцеров. Захвату масла кольцами и поршнем способствует насосное действие колец, усиливающее перекачивание масла в камеру сгорания. Перекачи­ вание масла или проход его через кольцевое уплотнение вверх про­ исходит в те короткие промежутки времени, когда кольцо под действием силы инерции своей массы меняет опорную торцовую по­ верхность (см. рис. 3.5, ж). Это происходит во время насосных хо­ дов четырехтактного двигателя, когда кольца разгружены от силы действия газов. В двухтактном двигателе кольца практически все время прижаты своей нижней торцовой поверхностью к поверх­ ности кепа поршня, поэтому влияние перекачивания масла в них отсутствует.

Интенсивное перекачивание масла и связанное с этим увеличе­ ние расхода на угар наступает ввиду плохого прилегания колец к опорным поверхностям при сильно изношенных или плохо обра­ ботанных поршневых канавках. Рабочая поверхность поршневого

под ним клина и сопутствующего ему расклинивающего эффекта. Возникающая гидродинамическая сила Р гд, будучи направленной

154

цилиндра, кольцо всплывает, оставляя под собой слой масла 5. Силы Р рад и Р тд в свою очередь зависят от силы действия га­

вязкости масла, гидродинамическая сила растет, сила действия газов в свою очередь снижается, и равенство сил достигается при большей толщине слоя масла. Этим, а также суммарным действием ранее перечисленных факторов объясняется неодинаковая толщи­ на пленки масла по высоте цилиндра (рис. 7.15). Вблизи ВМТ, где скорость поршня близка к нулю, толщина слоя минимальна, и условия трения близки к граничному. Зона граничного трения от ВМТ распространяется вниз на значительный участок втулки, так как здесь, помимо малой скорости поршня, отрицательное влия­ ние на пленку оказывают также высокие температуры, снижающие вязкость масла и способствующие его интенсивному испарению. Вблизи НМТ благодаря интенсивному забросу масла из картера толщина пленки достигает максимального значения. Однако по мере продвижения вверх она быстро уменьшается, что определяется маслосбрасывающим действием колец. Второго максимума толщи­ на 6 достигает в зоне, расположенной от середины хода поршня вниз; именно здесь поршень развивает максимальную скорость, сила гидродинамического давления на поршневые кольца со сторо­ ны масла увеличивается, а температура и интенсивность испарения масла с поверхности не столь велики.

155

На большей части хода поршня толщина пленки составляет более 20 мкм? поэтому режим смазывания здесь носит гидродинами­ ческий характер. Приведенный пример относится к высокооборотному двигателю, в двигателе малооборотном в связи с меньшими скоростью поршня и подачей масла на смазывание цилиндров тол» щина слоя масла меньше, однако и в них режим смазывания в ос­ новном носит гидродинамический характер. Исключение состав» ляют зоны ВМТ и НМТ, более протяженные, чем в высокооборот­ ных двигателях, где режим смазывания подчиняется законам гра­ ничного трения,

Эффективное смазывание существенно затрудняется или нару­ шается там, где имеется пропуск газов вдоль образующей цилинд­ ра — независимого от того, вызван он нарушением цилиндричго­ сти вследствие деформации или износа» или нарушениями в работе колец (потеря упругости, зависание в кепах, поломка). В местах прорыва газов масляная пленка перегревается, окисляется, сгора­ ет или сдувается; если в таких случаях локальные участки поверх­ ности металла остаются незащищенными, это способствует как кор­ розионному, так и механическому изнашиванию. Особенно велика опасность прорыва газов через первое поршневое кольцо. Прорыв газов происходит всегда через открытые замки поршневых колец» особенно опасна ситуация, когда замки колец выстраиваются в од­ ну линию. Поэтому важно сохранение подвижности колец в кепах, когда кольца имеют возможность непрерывно вращаться, занимая положения» не зависимые друг от друга.

Пропуск газов через кольца вследствие их неплотного приле­ гания определяют по появлению на кольцах местных пятен (ожо­ га), а на втулке — темных полос. Особенно тяжелые условия смазы­ вания отмечаются в двухтактном двигателе в поясе выпускных окон, где существуют благоприятные условия для сдувания масла

катором, Масло, поданное в цилиндр лубрикатором, должно разде­ лить трущиеся поверхности ЦПГ путем создания на них слоя, состоящего из адсорбированных полярных молекул (граничная смазка) или более толстого слоя масла (жидкостная смазка). В этих случаях внешнее трение сопряженных поверхностей заменя­ ется на внутреннее трение между слоями масла» при котором резко уменьшаются работа трения и износ. Но количество поступаю­ щего масла должно быть достаточным для нейтрализации щелоч­ ными соединениями масла коррозионно-активных кислот, конден­ сирующихся на стенках цилиндра при работе двигателя на сернис­ тых топливах, Поэтому расход масла, имеющего высокую щелоч­ ность, может быть установлен ниже расхода слабощелочного масла»

156

Подача масла при заданной его щелочности считается достаточ­ ной, если при использовании топлива с содержанием серы более 2 % щелочность отработавшего масла, стекающего со стенок цилин­ дра в подпоршневую полость, превышает 10 мг КОН/г.

Дозировку масла осуществляют общим регулированием подачи лубрикатора. Если по условиям плавания предполагается длитель­ ная работа двигателя на режимах малых нагрузок, то во избежание чрезмерного расхода масла, загрязнения цилиндра продуктами полимерзации и замасливания выпускного тракта следует умень­ шить подачу лубрикатора.

При использовании в двигателе тяжелого топлива с высоким со­ держанием серы рекомендуется перед началом маневров увеличить подачу масла и возвратить ее на прежний уровень лишь после вы­ вода двигателя на режим постоянной нагрузки. Это предотвратит коррозию зеркала цилиндров и поршневых колец во время оста­

Толщина формируемого кольцами слоя масла по высоте втулки меняется от нескольких микрон в зонах ВМТ до 20 мкм и более в. средней ее части. Первые порции масла, поступающего в цилиндры перед пуском двигателя при ручной прокачке лубрикаторов, рас­ ходуются на создание этого слоя.

Несложный расчет показывает, что единичная подача масла на цилиндр через все точки смазывания (8 штуцеров в двигателях Зульцер RD) на протяжении 12 оборотов при удельном расходе масла gm = 0,8 г/(кВт*ч), будучи равномерно распределенной но поверхностям цилиндра и поршня, обеспечивает толщину слоя мас­ ла всего 0,269 мкм. Этого явно недостаточно, и желательно, чтобы при проворачивании лубрикаторов была осуществлена по крайней мере десятикратная подача. После того как пленка в цилиндрах будет сформирована, подача масла должна продолжаться, так как при работе двигателя оно необходимо для восполнения потерь, связанных с его испарением с поверхностей цилиндра, сгоранием и сбросом в подпоршневые полости и в окна. Оставшееся на стен­ ках цилиндра масло частично теряет свои свойства вследствие окис­ ления и расходования присадки, поэтому добавка свежего масла необходима не только для замещения потерь, но и для обновления его состава — освежения.

Количество подаваемого масла должно соответствовать реко­ мендациям фирм-двигателестроителей и опыту эксплуатации кон­ кретного двигателя. Важны также организация газообмена, распо­ ложение маслолодводящих отверстий, температуры поршня, втул­ ки, поршневых колец. Так, в двигателях с контурными схемами га­ зообмена (Зульцер, МАН) существует большая вероятность сдува­ ния масла в выпускные окна и его заброса в камеру сгорания (по­ следнее определяется верхним расположением маслоподводящих отверстий). В результате эти двигатели по сравнению с двигателями

157

с прямоточной схемой газообмена имеют более высокий удельный расход масла. Повышенные подачи масла требуются также в дви­ гателях. с большей форсировкой рабочего процесса в связи с ростом потерь масла на испарение, окислительную полимеризацию и нагарообразование. Ведущие фирмы дают рекомендации по количеству масла на смазывание цилиндров. Нормирование подачи масла при­ нято на основе удельного расхода gm = GM/Ne$ отнесенного к но­ минальной мощности при номинальной частоте вращения.

Применительно к каждому типу двигателя задается диапазон значений расхода масла в зависимости от его качества (щелочно­ сти) и, что особенно важно, технического состояния двигателя. Правильность выбранного расхода масла проверяется практикой эксплуатации по следующим признакам.

При завышенной подаче масла отмечаются: значительное коли­ чество углеродистых отложений и золы присадок на боковой по­ верхности головки поршня, расположенной над верхним кольцом; повышенные отложения нагара по периметру выпускных окон и в выпускном тракте; обильное количество масла на тронке поршня

изеркале цилиндра; повышенный сброс масла в подпоршневую по»

лость; щелочность проб масла, отбираемых из подпоршневых поло» стей цилиндров, превышает 25 % исходной щелочности свежего масла.

При заниженной подаче масла отмечаются: появление участков сухой поверхности на тронке поршня и зеркале цилиндра; ухуд­ шение подвижности, защемление в слое нагара в кепах и пригоравне поршневых колец; прорыв газов и искр в подпоршневую полость, возгорание масляных отложений в подпоршневых полостях; по» явление местных прижогов на втулках цилиндров, а также следов прорыва газов,

7.4.Масла

Циркуляционные масла. Смазочные циркуляционные масла ис­ пользуют в циркуляционных системах» Вязкость масла для крейц­ копфных дизелей должна быть достаточно высокой для создания

.158

в подшипниках гидродинамического клина., хорошо противостояще­ го высоким нагрузкам: масло, находящееся в тонком слое, не долж­ но выдавливаться, тем самым предотвращая непосредственный кон­ такт трущихся поверхностей.

Оптимальной является вязкость 9—11 мм2/с при 100 °С./При большей вязкости увеличиваются потери на трение, ухудшается теплоотвод от смазываемых поверхностей, при меньшей - / снижа­ ется несущая способность масла, т. е. способность противостоять высоким удельным нагрузкам, увеличиваются потери на угар.

Масло в циркуляционной системе работает в условиях уме­ ренных температур, поэтому происходящие в нем окислительные процессы протекают с небольшой скоростью,, Более тяжелые усло­ вия работы масла в двигателях с масляным охлаждением поршней, где вследствие контакта с горячими поверхностями головок порш­ ней (температура со стороны охлаждения 175—225 °С) происходят окисление углеводородов масла, термический распад, приводящие к уплотнению молекул с образованием асфальтосмолистых веществ. Поэтому масло должно хорошо противостоять процессам окисления и термического разложения, не образовывать в головках поршней отложений, затрудняющих теплоотвод.

Кроме того, циркуляционное масло не должно образовывать отложений в картере, на деталях движения, в масляных магистра» лях? т. е. должно обладать хорошими диспергирующими свойства­ ми, защищать металлические поверхности, в первую очередь под­ шипников, от коррозии. Масло не должно терять смазывающих, свойств при попадании воды, образовывать с водой эмульсии, должно легко отделяться от воды при сепарировании. Важно также, чтобы находящиеся в масле присадки при обводнении не отслаива­ лись и не выпадали в осадок. Оно не должно вспениваться, долж­ но противостоять образованию эмульсии масло — воздух^ препятст­ вующей нормальной работе масляного насоса.

Хорошо очищенные минеральные масла без присадок или с до­ бавкой небольшого количества антиокислнтельных или антикорро­ зионных присадок вполне удовлетворяют отмеченным требованиям.

Присадки увеличивают срок службы масла, так как противодей» ствуют его окислению, придают ему нейтрализующие щелочные свойства, характеризуемые щелочным числом.

Щелочное число выражается в миллиграммах гидроокиси калия на грамм масла (мг КОН/г) и наряду с нейтрализующей способно­ стью масла характеризует его моющее (детергентно-диспергирую- щее) действие. Моющие присадки предотвращают объединение и ук­ рупнение (коагуляцию)-мелких частиц сажи, продуктов окисления и уплотнения масла (смол, асфальтенов) и удерживают их в масле в дисперсном взвешенном состоянии, тем самым препятствуя их отложению на металлических поверхностях двигателя. Чем выше общее щелочное число (ОЩЧ) масла, тем лучше его нейтрализующая способность и моющее действие.

159