Задорожний Олександр Олексійович

УДК 621.431.74.03-57

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ

МАСТИЛЬНИХ СИСТЕМ ЦИЛІНДРІВ

СУДНОВИХ ДИЗЕЛІВ

05.08.05 - суднові енергетичні установки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Богач Валентин Михайлович,

Одеська національна морська академія, доцент

кафедри технології матеріалів і судноремонту.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Ханмамедов Серго Альбертович,

Одеська національна морська академія,

завідувач кафедри суднових енергетичних

установок,

кандидат технічних наук

Кірюхін Олександр Львович,

Севастопольський військово-морський ордена Червоної зірки інститут ім. П.С.Нахімова,

старший викладач кафедри корабельної енергетики та електроенергетичних установок.

Провідна установа: Національний університет кораблебудування ім. адм. С.О.Макарова Міністерства освіти і науки України, м. Миколаїв.

Захист відбудеться " 15 " червня 2006 р. о 13-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 1, зал засідання вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської національної морської академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 2.

Автореферат розісланий " 12 " травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Голіков В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На суднах морського флоту (МФ) України як головні двигуни в основному використовуються дизельні енергоустановки, експлуатація яких супроводжується істотними витратами на мастильні матеріали. Частка витрат на паливо і мастило в загальній сумі експлуатаційних витрат складає близько 40%, при цьому вартість мастил неухильно зростає. Характерні для дизелів високі витрати мастила, часті розкриття циліндрів, значні зноси, а також істотні нагари у випускному тракті вказують на недосконалість систем змащування циліндрів (СЗЦ). Особливістю організації змащування деталей циліндропоршневої групи (ЦПГ) останніх моделей дизелів є неминучий ріст витрати мастила (більш 1г/квт·год) у зв'язку зі збільшенням довжини циліндрових втулок, через що виникають складності в рівномірному розподілі мастила по дзеркалу циліндра.

Розширення використання на суднах довгоходових двигунів, їхнє форсування й усе більше застосування важких палив з підвищеним вмістом сірки вимагає нових рішень по ефективному змащуванню деталей ЦПГ. Такі рішення повинні передбачати не тільки правильність вибору сорту циліндрового мастила (ЦМ) стосовно до сорту палива, але і визначення оптимальної кількості його, більш повне підведення до поверхонь тертя, рівномірний розподіл по висоті циліндрової втулки (ЦВ) і організацію стабільної масляної плівки при мінімальній витраті мастила. У цьому зв'язку, підвищення ефективності роботи систем змащування циліндрів довгоходових двигунів являє собою актуальну задачу, необхідність вирішення якої випливає з потреб морського флоту.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація розвиває результати досліджень, виконаних автором у рамках загального плану наукових досліджень ОНМА по удосконалюванню СЗЦ дизелів, а також науково-дослідних робіт "Дослідження і підвищення ефективності систем змащування циліндрів суднових дизелів" (№ держ. реєстрації 0181.1013786) і "Удосконалювання технічної експлуатації суднових енергетичних установок транспортних суден" (№ держ. реєстрації 0102U007164), в яких автор приймав участь як виконавець.

Мета і задачі роботи. Метою дисертаційної роботи є стабілізація руху мастила в лубрикаторних системах суднових двигунів в експлуатаційних умовах.

Робоча гіпотеза полягає в тому, що при виході мастила із каналів до поверхонь тертя можливо обмеження його швидкості шляхом приводу потоку до ламінарного режиму з формуванням однофазної рідини.

Головна задача дисертаційного дослідження полягає у оптимізації режимів руху рідини в мастильній системі циліндрів ДВЗ шляхом конструктивного вдосконалення системи.

Для вирішення головної задачі слід вирішити чотири допоміжних задачі:

- розробити фізичну і математичну моделі витікання мастила на робочі поверхні циліндрів дизелів;

- дослідити рух мастила в системах змащування циліндрів довгоходових дизелів MAN-B&W останніх модифікацій в лабораторних умовах і на судновому двигуні;

- визначити оптимальні умови роботи систем змащування, при яких забезпечуються мінімальні витрати мастила і мінімальні зноси деталей ЦПГ;

- модернізувати систему змащування циліндрів довгоходових дизелів, і провести її стендові й експлуатаційні дослідження.

Об'єкт дослідження – процеси руху мастила в системах змащування циліндрів суднових двигунів внутрішнього згоряння (СДВЗ).

Предметом дослідження є гідродинамічні параметри процесу подачі мастила і їхній вплив на ефективність експлуатації систем змащування циліндрів суднових дизелів.

Методи дослідження. Розв’язання поставлених задач здійснено методом планування факторного експерименту і статистичної обробки дослідних даних; фізичним і математичним моделюванням процесів руху мастила в системах; чисельними способами рішення диференціальних рівнянь; імітаційним моделюванням на персональних комп’ютерах; оцінкою адекватності та визначеності в рамках прийнятих допущень фізичних та математичних моделей з реальними процесами.

Наукова новизна отриманих результатів. В дисертаційній роботі було сформульовано наукове положення: стабілізація руху мастила в системах змащування циліндрів суднових дизелів на основних експлуатаційних режимах їх роботи забезпечується завданням таких гідравлічних характеристик системи, які дозволяють оптимізувати потік масла, приводячи його до ламінарного, формуванням однофазної рідини.

Для систем змащування циліндрів довгоходових СДВЗ вперше досягнуті такі наукові результати:

- процес подачі мастила в існуючих системах являється нестабільним із-за проникнення газів в канал, взаємодія яких з мастилом викликає викид великої (40-85%) його частини в порожнину циліндра при швидкостях 1,5-2,5 м/с, з перервами в 2-6 обертів, і в основному минаючи маслорозподільні канавки;

- стабілізація руху мастила в системі забезпечується виключенням проникнення газів із циліндра в канал шляхом виконання крайньої ділянки каналу з нахилом вверх на кут до 45о;

- обмеження швидкості рідини до 0,2-0,5 м/с за рахунок повного заповнення каналу мастилом обумовлює його подачу безпосередньо до поверхонь тертя під дією нагнітального хода плунжера рівномірними порціями на протязі всього періоду змащування;

- оптимальні значення конструктивних характеристик мастилопроводу створюють умови виключення прориву газів до каналу та викид мастила у циліндр, забезпечуючи підвищення у 1,4 - 1,5 рази ефективності роботи систем змащування завдяки зменшенню його витрат і зносів деталей ЦПГ.

Отримала подальший розвиток методика дослідження процесів руху мастил в системах дизельних установок в частині їх моделювання на експериментальних стендах з застосуванням персональних комп’ютерів.

Практичне значення отриманих результатів. Метод розрахунку основних параметрів процесу подачі мастила дозволяє визначати досконалість мастильної системи, а також одержувати вихідні дані для проектування нових вузлів і СЗЦ.

Розроблено і впроваджено на двигунах MAN-B&W т/х "Thyra" (акт від 21.08.2001 р., судновласник ASP – Seascot Ship Management Limited) і т/х "Paige" (акт від 12.09.2005 р., судновласник Franco Compania Naviera S.A.) вдосконалену СЗЦ з оптимальною геометрією каналів, яка підвищує її ефективність.

Впроваджені в навчальний процес ОНМА і використовуються в науково-дослідній роботі методика розрахунків основних характеристик і експериментальна установка по дослідженню мастильних систем циліндрів СДВЗ (акт від 10.01.2006 р.).

Використання результатів досліджень забезпечує зниження витрати циліндрового мастила (ЦМ) на 20-25%, зменшення відкладень у циліндрах і зносів деталей ЦПГ у 1,2-1,5 рази і підвищення техніко-економічних показників (ТЕП) роботи двигунів в цілому.

Особистий внесок здобувача полягає у розробці математичної моделі, плануванні і проведенні експериментів, обробці та інтерпретації їхніх результатів, розробці методики і впровадженні модернізованих конструкцій, формулюванні висновків і написанні дисертації. Основні дослідження в дисертації виконані автором особисто.

Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідалися й обговорювалися на наукових і науково–методичних конференціях професорсько-викладацького складу та курсантів ОНМА (№ 53, 25 квітня 2001 р, № 55, 19 травня 2003 р., м. Одеса), на міжнародній науково-технічній конференції "Сучасне судноплавство і морська освіта" (8 квітня 2004 р., м. Одеса) і на науково-технічному семінарі "Удосконалювання технічної експлуатації суднових енергетичних установок морських транспортних суден" (м. Одеса, 2004 р.);

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 5 наукових статей у наукових фахових виданнях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 178 сторінках і складається із вступу, 5-ти розділів, висновків, додатка і списку літератури. Основний текст складає 160 сторінок, додаток на 18 сторінках. В основній частині - 72 рис., 12 табл. і 9 сторінок списку літератури із 115 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, її зв'язок з науковими планами, темами, мету і задачі досліджень. Описано методи досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, що виносяться на захист. наведено відомості про апробацію роботи і публікації з теми досліджень.

У першому розділі приведено аналіз стану ефективності СЗЦ дизелів, які застосовуються як головні двигуни (ГД) на морських суднах, сформульовані мета і задачі дослідження. Виконано огляд робіт О.С.Пілюгіна, Ю.Я.Фоміна, В.М.Богача, О.А.Мірющенка, В.С.Мітрохіна, Л.Г.Гінзбурга, Б.К.Гундоріна та ін., присвячених надійності й ефективності СЗЦ СДВЗ.

Тенденції розвитку МФ показують, що спостерігається переміщення типорозмірних рядів МОД усіх фірм у бік моделей з малими діаметрами циліндрів, що раніш були характерні для середньообертових двигунів (СОД). Так, компанія MAN-B&W розробила двигуни серії L-MC з діаметром циліндра 280мм і відношенням S/D=3, а фірма "Зульцер" – варіанти двигуна моделі RTA з діаметром циліндрів 480 і 380мм.

Зміни в конструкції торкнулися і СЗЦ. В результаті досліджень встановлено, що нові системи поліпшують стан ЦПГ і мають можливість підвищення ТЕП двигунів. Однак, як показала експлуатація, застосування нових систем не вичерпало всіх можливостей поліпшення розподілу і ефективності використання мастил. Як і раніше, мають місце інтенсивні зноси деталей ЦПГ, натирання на втулках, поломка поршневих кілець (ПК) і закоксовування вікон.

Завищені витрати мастила призводять до збільшення продуктів забруднення, утворення відкладень на деталях ЦПГ у продувних вікнах ЦВ, у продувному ресивері і у газовипускному тракті. Спостерігається підвищене скидання мастила в підпоршневий простір (ПП). У той же час недостатня подача мастила служить причиною порушення цілісності масляної плівки на робочій поверхні ЦВ і виникнення напівсухого чи сухого тертя.

Це супроводжується інтенсивними зносами, а іноді і задиранням тертьових поверхонь, що приводить до змушених зупинок, знижує надійність і ресурс дизелів. Циліндрове мастило повинно бути подане в циліндр у визначеному положенні поршня і у визначений час для одержання оптимального ефекту, що не завжди забезпечується звичайними лубрикаторами (ЛБ). Фірма MAN-B&W почала розробку електронної СЗЦ - "Альфа".

Аналіз конструкції системи "Альфа" показує, що фактично новим є керований комп'ютером гідравлічний привід плунжерів (замість механічного) і забезпечення зв'язку з навантаженням двигуна. Застосування комп'ютера в електричній схемі ЛБ створює передумови для регулювання порцій мастила у залежності від процентного вмісту сірки в паливі і властивостей ЦМ.

У той же час, у нових двигунах MAN-B&W мастильні канали виконуються у верхній частині ЦВ аналогічно двигунам "Зульцер". Отже, відбулося переміщення цих каналів з нижньої частини втулки (район продувних вікон), де мав місце тиск газів 0,2-1,5 МПа, у район з тиском 1- 3 МПа.

Крім того, якщо в 4-й і наступних модифікаціях двигунів B&W вихідна ділянка мастильних каналів (МК) розташовувалась зі зсувом нагору, то тут знову зустрічаються центральні канали (як у старих модифікацій). Усе це лише погіршило умови роботи СЗЦ і знизило її ефективність. У дійсності, на нових двигунах мають місце завищені дозування ЦМ і суперечливі рекомендації з норм витрати мастила. За новий напрямок фірма MAN-B&W вибирає створення алгоритму подачі мастила, заснованого на аналізі відпрацьованого мастила, його дозування, навантаження на двигун і норми зносу циліндрів.

Встановлено, що у всіх дизелів, незалежно від особливостей СЗЦ, на голівках поршнів (ГП) вище першого ПК навпроти МК присутні однакові сліди зустрічі мастила з поршнем. Ці сліди, у сполученні з результатами осцилографування (ОЛГ), ставлять під сумнів відповідність часу надходження мастила періоду відкриття безповоротного клапана.

Тому підхід до модернізації існуючих конструкцій, проектуванню і розробці нових СЗЦ СДВЗ, у тому числі і для довгоходових машин, повинний ґрунтуватися, насамперед, на результатах всебічних теоретичних і експериментальних досліджень, а також на вивченні взаємозв'язку геометричних характеристик системи з механізмом і параметрами процесу витікання мастила, що визначають ефективність його використання, величину зносів деталей ЦПГ і інші ТЕП дизелів.

Другий розділ. У цьому розділі знайшли відображення методологічні аспекти дослідження. Неприступність вивчення процесів витікання мастила в циліндр на двигуні, а також значне різномаїття конструкцій СЗЦ і умов їх роботи вимагають спеціальних безмоторних засобів, що дозволяють задавати умови досліджень систем, близькі до реальних.

Виходячи з викладеного, для досліджень СЗЦ розроблений стенд, що має широкі функціональні можливості, які дозволяють випробовувати практично будь-які системи змащування в умовах, аналогічних їх роботі на двигуні. Дослідження СЗЦ із конкретним каналом при подачі мастила ЛБ "Альфа" здійснювалися безпосередньо на двигуні. Для цього до одного зі штуцерів 1 (рис.1) за допомогою переходу 2 підключалася камера 3 із прозорими стінками .

Рис.1. Схема установки для вивчення роботи СЗЦ безпосередньо на двигуні

У камеру з протилежної сторони встановлювався штуцер 4, аналогічний штатному, на який зсередини камери кріпилася прозора модель 5 МК із необхідною геометрією. Мастило за допомогою трубопроводів 6 і вентилів 7 направлялося в штуцер 1 двигуна для забезпечення змащування чи в штуцер 4 камери. Для забезпечення надходження газів у штуцер 1 і далі в камеру використовувався спеціальний віджимний пристрій 8 клапана 9. Зливалося мастило по напрямку 10 через встановлений там кран. Застосування камери з прозорими стінками дозволило вести спостереження за процесом подачі мастила і здійснювати його кінозйомку за допомогою швидкісної кінокамери. Експерименти супроводжувалися реєстрацією тиску газів і мастила, ходу плунжера лубрикатора, ходу клапана штуцера, моменту виходу ЦМ із каналу, часу і верхньої мертвої точки (вмт).

У зв'язку зі специфічними особливостями СЗЦ для кожного конкретного штуцера і системи розроблялися датчики ходу клапана, що встановлювалися безпосередньо в місці його розташування, без порушення гідравлічних характеристик мастилопроводу. Датчиком моменту виходу мастила на дзеркало служив фоторезистор, на який фокусувався промінь світла. При цьому джерело світла і датчик розташовувалися один проти одного з обох сторін прозорих стінок камери на одній лінії, що проходить через край МК.

Для одержання достовірних результатів проведених експериментів у прозорій камері, що імітує циліндр по протитиску газів, задавався такий же закон зміни тиску, що формується в МК збоку циліндра двигуна. Визначення випадкових погрішностей вимірів виконувалось з використанням тарировок датчиків, що значно спростило обробку результатів вимірів і підвищило їхню точність. Щоб звести до мінімуму погрішність вимірів, тарировка виконувалась по 3 рази до і після проведення дослідження. При цьому середньоквадратична помилка тензометрії не перевищувала 6 %.

Розроблена методика досліджень дозволила проводити дослідження існуючих конструкцій СЗЦ довгоходових дизелів у широкому діапазоні їхньої роботи в лабораторних і експлуатаційних умовах.

Для прогнозування характеру витікання ЦМ із МК у циліндр визначені критичні значення швидкості газу над вільною поверхнею мастила в каналі (рис.2), а також фактична швидкість і швидкості викиду (рис.3) за допомогою програм (мова Visual basic) для персонального комп’ютера.

Як показали розрахунки, фактична швидкість потоку газів над вільною поверхнею (Vф) значно більше критичної швидкості (vкр), що підтверджує існування умов, при яких виникає захлинання в МК досліджуваної системи, що в умовах двигуна MAN - B&W створює передумови для викидання мастила в циліндр зі значними швидкостями його руху за межами каналу.

Рис.2. Характер зміни критичної швидкості (хкр): а - середня висота шару мастила,

Q - витрати мастила | Рис.3. Характер зміни розрахункової

швидкості (U) викиду мастила

У третьому розділі представлені теоретичні дослідження гідродинаміки руху мастила в нагнітальному мастилопроводі і каналах штуцера і стінки ЦВ, засновані на рішенні рівнянь несталого ізотермічного руху в’язкої рідини з урахуванням початкових і граничних умов у вузлах системи змащування: а також рівнянні нестисливої рідини в циліндричній системі координат (r, ?, z). Виходячи з даних попередніх досліджень, на цих ділянках має місце ламінарний плин однофазної рідини, в'язкість якої не залежить від напружень зрушення і часу.

Як встановлено, істотний вплив на характер надходження мастила в циліндр має остання ділянка мастильного тракту – канал між клапаном і дзеркалом циліндра. Ця складна ділянка з'єднана з порожниною циліндра постійно, тому процес руху мастила тут значно залежить від процесів, що відбуваються в циліндрі.

Рівняння руху мастила в трубопроводі як нестисливої рідини: |

. У даному випадку:

де l1 – довжина нагнітального трубопроводу; - перепад тиску.

Після перетворень для витрати в будь-який момент часу одержуємо:

Середня по витраті швидкість у перетині мастилопроводу дорівнює:

де а – діаметр каналу; с – щільність мастила;

, тут бk – корені функції Беселя.

Ці рівняння встановлюють зв'язок параметрів процесу подачі мастила з геометрією нагнітального тракту. Розроблено методику спрощеного розрахунку руху мастила на ділянці між клапаном штуцера і дзеркалом ЦВ, для чого нагнітальний мастилопровід ділився на шість тимчасових ділянок, а швидкості плину мастила V3(r,t3), V5(r,t5), V6(r,t6) визначалися шляхом часткового осереднення швидкостей V2(r,t3), V4(r,t5), V5(r,t6) по перетині каналу з використанням

формули | . При цьому вважали,

що | де -коефіцієнт пропорцій-

ності P/z на ділянці (0, t1).

При постановці і вирішенні граничної задачі для рівняння руху мастила на першій ділянці (0, t1) враховувалося, що перепад тиску на одиницю довжини збільшується з часом за лінійним законом, тому для швидкості V1 записували таку початково-крайову умову

де знаходиться із умови

В результаті рішення задачі одержали для швидкості V1(r,t) на першій тимчасовій ділянці

де - динамічний коефіцієнт в'язкості; R, Н1, W, E1 – перемінні:

Аналогічно отримані формули для швидкостей V2 (r,t) - V6 (r,t) на інших часових ділянках. Для визначення об'ємної витрати мастила протягом одного циклу на одну точку змащення множили вираження швидкості у всіх проміжках часу на 2rdrdt і інтегрували по r у межах 0 - a, а по t відповідно в проміжках (0,Т1), (0,Т2), (0,Т3), (0,Т4), (0,Т5), (0,Т6).

Рис.4. Розрахункові значення швидкості

мастила (V) при розширенні в циліндрі:

d-діаметр каналу; Vц–циклова подача | Рис.5. Розрахункові і дослідні значення

швидкостей мастила

На базі отриманих рівнянь розроблена методика, алгоритм і програма розрахунку основних параметрів витікання мастила в циліндри довгоходових двигунів. Вибір вихідних даних для виконання розрахунків по отриманих рівняннях здійснюється на підставі аналізу конструктивних параметрів системи змащування, експлуатаційних показників роботи двигуна і ОЛГ процесу подачі мастила, по яких оцінюються також моменти, тривалість і частота подачі мастила в двигун.

Оцінка досконалості системи і процесу подачі мастила в кожному конкретному випадку здійснюється на підставі порівняння величин швидкостей і витрат з оптимальними їхніми значеннями. Істотний вплив цих параметрів на швидкість витікання мастила в циліндр (рис.4) вказує на один зі шляхів підвищення ефективності роботи системи змащування і двигуна в цілому.

Перевірка похибки розробленого методу виконана на підставі порівняння розрахункових і експериментальних даних визначення швидкості витікання мастила в циліндри двигунів MAN-B&W.

Зіставлення експериментальних і розрахункових даних (рис.5) показало, що похибка методу не перевищувала 10 %.

Рис.6. Залежність величини викиду від

експлуатаційних показників двигуна | Рис.7. Характер зміни швидкості

викиду при подачі ЛБ "Альфа"

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням процесу подачі мастила в циліндри довгоходових двигунів MAN-B&W в лабораторних умовах і на реальному двигуні по каналах з різними гідравлічними характеристиками існуючих СЗЦ.

Експериментальні дослідження дозволили визначити основні характеристики процесу подачі мастила в циліндри досліджуваних двигунів (рис.6,7). Встановлено, що характерний для традиційного ЛБ викид має місце і при нагнітанні мастила "Альфа" ЛБ (рис.8).

З осцилограм (рис.9) випливає, що момент появи мастила на виході із отвору не має прямого зв'язку з нагнітальним ходом плунжера ЛБ і відкриттям зворотного клапана. Витікання мастила (лінія Мв) у циліндр двигуна відбувається як при нерухомому плунжері (лінія Хп), так і при закритому клапані (лінія Хкл).

Рис.8. Кінокадри викиду при подачі ЛБ "Альфа"

Це є ще одним доказом того, що процесом витікання мастила в циліндр керує не лубрикатор, а сукупність умов взаємодії газів з мастилом, розміщеним у заклапанній частині тракту системи.

Більш того, існують періоди, коли нагнітальний хід плунжера і відкриття клапана не приводять до витікання мастила з каналу. Мастило, подане в ці періоди, йде на поповнення спустошеного МК, і поява його на зрізі відбувається лише через деякий час, що залежить від величини попередніх викидів і ступеня спустошеності каналу. Встановлено, що викид відбувається як при стисканні, так і при розширенні в циліндрі. В першому випадку він приходиться на тронк, коли нижнє компресійне кільце знаходиться вище лінії розташування МК. Кінець викиду може приходитися на останнє кільце при русі поршня до НМТ. Отже, викид у цій фазі є власне кажучи газовим виштовхуванням мастила в зазор між ЦВ і тронком.

Рис.9. Осцилограма процесу

подачі мастила лубрикатором "Альфа"

Маючи на увазі участь поверхні тронка в розподілі мастила по дзеркалу, можна вважати, що розглянута фаза викиду несе із собою визначену кількість мастила, що використовується за призначенням. Однак частина мастила цієї фази, безсумнівно, потрапить у вікна, ПП, ресивер продувного повітря і може бути однією з причин, що визначають виникнення там пожежі.

Інша, основна і найбільш марнотратна фаза викиду відбувається після другого, більш могутнього імпульсу тиску газів (на розширенні), коли днище голівки поршня знаходиться нижче МК у 55-60о п.к.в.

В експлуатації зустрічаються також канали, зміщені нагору щодо осі штуцера. Як показують результати розкриття циліндрів і аналіз нагарів, у двигунів з такою конструкцією системи присутні сліди зустрічі мастила з бічною поверхнею голівки поршня і натирання на дзеркалі циліндра, що свідчать про заповнення нагарами зазору між голівкою поршня і дзеркалом.

Дослідження процесу мастилоподачі системою "Альфа" через зміщені канали здійснювалися в експлуатаційних умовах на різних режимах роботи.

Рис.10. Кінокадри викиду мастила зі зміщених каналів

Візуальні спостереження і кінокадри (рис.10), отримані на двигуні, показують, що під дією тиску газів в циліндрі на вільній поверхні мастила в каналі виникає хвильовий рух, який обумовлює замикання газових обсягів. При різкому падінні тиску в циліндрі під дією енергії розширення замкнутих обсягів газу рух формується з каналу до циліндра і супроводжується викидом частини мастила зі значною швидкістю за межі каналу. Частина, що залишилася, стікає по стінці втулки.

Аналіз ОЛГ показує, що в розглянутих умовах викид мастила може відбуватися в один, два і більше прийомів як після першого імпульсу, тобто на висхідному ході поршня, так і після другого, тобто на ході, що відповідає розширенню газів у циліндрі.

Однак викид відбувається тільки при падінні тиску, отже, після першого – малого імпульсу масло частково подається в район останніх кілець і на тронк, а після другого – вище кілець, переважно на бічну поверхню, днище голівки поршня й у порожнину циліндра, що підтверджується спостереженнями.

Рис.11. Швидкості витікання мастила зі зміщеного каналу (система "Альфа")

Варто відмітити, що у досліджуваних дизелів друга фаза подачі супроводжується більш енергійним викидом, який відбувається при нерухомому плунжері ЛБ і закритому клапані штуцера. Притому швидкість витікання мастила в циліндр може досягати декількох метрів у секунду (рис.11). Це є доказом відсутності прямого зв'язку й особистої участі лубрикаторної системи, розташованої до передкамери, у формуванні процесу витікання мастила в циліндр, тобто цей процес не визначається параметрами в мастилопроводі перед безповоротним клапаном.

Перерахування часу фіксованого процесу стосовно положення поршня в циліндрі показує, що період зміни початку викиду на розширенні коливається в межах від 90 до I00о п.к.в. Голівка поршня в цей період знаходиться нижче МК. Звідси випливає, що порція мастила, яка надійшла з викидом у розглянутий період, попадає на гарячі поверхні голівки поршня, в обсяг робочого циліндра з високою температурою газу (400-500°С) і неефективно використовується, збільшуючи нагари на деталях ЦПГ і у випускному тракті. Кількісно ця порція складає 30-40% від циклової подачі.

Рис.12. Геометричні

параметри каналу

Частина мастила, що залишилася, надходить на другому оберті, у ті ж проміжки, що і на першому, з кількісним співвідношенням 15 і 25%. Це визначає скидання великої кількості мастила в продувні вікна, а також віднесення його з продувним повітрям. Надалі настають перерви в надходженні мастила на дзеркало через спустошення МК в результаті викиду. Експериментальні дослідження дозволили визначити характеристики нагнітального тракту, що впливають на формування процесу подачі мастила в циліндр. До них у першу чергу відносяться геометричні характеристики каналу в стінці втулки (рис.12). Для визначення шляхів удосконалювання систем змащування необхідно відшукати оптимальне сполучення геометричних параметрів каналу. Ця задача вирішувалась методом багатофакторного експерименту. При цьому за оцінюючий показник досконалості процесу подачі мастила обрана кількість мастила (VМ), що надходить у циліндр стіканням по дзеркалу, у відсотках від величини подачі його насосною секцією ЛБ.

Таблиця

Математична модель і її перевірка

Параметр | Оцінка результатів

експерименту | Оцінка коефіцієнтів регресії

В0 | В1 | В2 | В3

58,57 | -2,66 | 26,07 | 3,52

Номер експерименту | В4 | В12=В34 | В13=В24 | В23=В14

-7,24 | -5,38 | 1,59 | -3,63

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | Перевірка значимості коефіцієнтів регресії

82,4 | 31,5 | 19,2 | 87,1 | 70,8 | 28,1 | 51,2 | 98,2 | Tp2 | 118,89 | 5,40 | 52,91 | 7,14

14,70 | 10,91 | 3,23 | 7,38

0,9 | 3,9 | 5,1 | 5,8 | 1,4 | 0,3 | 1,1 | 0,9 | Коефіцієнти значимі,

якщо Tp 2 > Tт 2, де Tт 2 = 2,12

rmax | 1,4 | 0,8 | 1,4 | 1,1 | 1,0 | 1,1 | 1,3 | 1,2 | Перевірка адекватності моделі

Значення відгуку однорідні,

якщо rmax < rт, де rт=1,689 | 82,37 | 31,47 | 19,23 | 87,13

70,83 | 28,10 | 51,20 | 98,20

Gp=0,299 | Модель адекватна, якщо Fp < FT,

де FT = 4,5 Fp = 0,00658

Дисперсії однорідні,

якщо Gp< GТ, де GТ=0,516

2,413 | Рівняння регресії

tp1 | 62,3 | =58,57-2,66Х1+26,07Х2+3,52Х3 -7,24Х4-

-5,38Х12+1,59Х13-3,63Х23-5,38Х34+1,59Х24-3,63Х14

Різниця між значеннями відгуку значна, якщо tp1> t Т1, де t Т1=2,54

За фактори обрано: довжину вихідного каналу - l (Х1); кут нахилу вихідного каналу - 1 (Х2); кут нахилу торцевої поверхні каналу під штуцер - 2 (Х3); діаметр вихідного каналу - (Х4). Після рандомізації дослідів і складання матриці планування були проведені дослідження. Обробка результатів експерименту виконана у формі алгебраїчного полінома 1-го порядку (таблиця на стор.12).

Після визначення коефіцієнтів полінома, перевірки їхньої значимості й адекватності моделі отримане рівняння регресії, що у безрозмірній формі натуральної величини обсягу мастила, що стікає по дзеркалу втулки, має вид:

= 58,57 - 2,66l + 26,071 + 3,522 - 7,24d -5,38l1 +

+1,59l2 - 3,6312 - 5,382d + 1,591d - 3,63ld .

Оптимальне сполучення приведених факторів визначено в результаті руху по градієнті, проведення уявних дослідів і їхній реалізації на стенді, при цьому отримано оптимальне значення відгуку, тобто знайдені умови, при яких витікання мастила з каналу здійснюється без явища відриву мастила від дзеркала циліндра.

В результаті виконаних експериментальних досліджень СЗЦ довгоходових суднових двигунів фірми MAN – B&W встановлено таке: витікання мастила в циліндр із каналу за клапаном штуцера здійснюється не під дією плунжера ЛБ, а в результаті взаємодії газів з маслом в цьому каналі; витікання мастила з каналу на дзеркало відбувається з викидом і в основному повз канавки, що не сприяє рівномірному його розподілу по окружності ЦВ і обумовлює скидання мастила у вікна, ПП і віднесення з продувним повітрям; має місце нерівномірна подача мастила по обертах і непропорційний розподіл його між верхньою і нижньою частинами дзеркала; оптимальними геометричними параметрами нагнітального тракту СЗЦ, які в основному впливають на якість процесу подачі мастила, є кут нахилу і діаметр вихідної ділянки каналу. Для безвикидного надходження мастила в циліндр оптимальним є короткий канал діаметром близько 1,0 – 1,5 мм із нахилом його нагору на кут до 45о.

У п'ятому розділі наведені результати синтезу модернізованих масляних пристроїв і експлуатаційної перевірки їхньої ефективності. Розробка конструкцій проводилася із врахуванням результатів виконаних досліджень, аналізу патентних матеріалів, а також даних стендових і експлуатаційних досліджень.

Спостереження за процесом витікання мастила в циліндри двигунів дозволили виявити основні недоліки цього процесу і визначити ті вузли систем змащування, що мають потребу в зміні чи у вдосконаленні. Це канал між торцем штуцера і дзеркалом циліндра, форма мастилорозподільних канавок на дзеркалі і нагнітальний мастилопровід з метою збільшення частоти витікання мастила в циліндр.

Для зміни характеристик процесу подачі мастила з метою підвищення ефективності його використання і поліпшення показників роботи циліндрів двигуна на підставі викладених досліджень розроблена технологія вдосконалення нагнітального тракту лубрикаторної системи дизелів MAN - B&W. Ця технологія включає зміни форми вихідної ділянки каналу з осьового на похилий, зміна профілю перерізу мастилорозподільних канавок із симетричного на жолобообразний.

При цьому встановлено, що нові вузли цілком усувають явище викиду мастила в порожнину циліндра (рис.13) за рахунок граничного зменшення чи повного виключення газових порожнин, що обумовлює зменшення швидкостей плину мастила.

Рис.13. Кінокадри подачі мастила

"Альфа" лубрикатором

Осцилографуванням процесу подачі мастила "Альфа" лубрикатором при вдосконаленій системі (без акумулятора) встановлено, що поповнення каналу відбувається в результаті нагнітального ходу плунжера, після чого із запізненням відбувається вихід основної частини мастила на дзеркало протягом 1-2-х обертів, а потім настає перерва в подачі до наступного нагнітального ходу плунжера.

Таким чином, кількість обертів, протягом яких поповнюється канал, близько до кількості обертів, на яких відбувається основна подача мастила в циліндр.

Надходження мастила на дзеркало є наслідком нагнітального ходу плунжера, у періоди, коли плунжер нерухомий, мастило практично не надходить у циліндр. Отже, як і при штатному лубрикаторі, має місце нерівномірне надходження мастила по оборотах, а якщо врахувати, що "Альфа" лубрикатор нагнітає мастило з перервою в 4-6 обертів, то стає очевидним необхідність застосування акумуляторів тиску мастила.

Рис.14. Осцилограма подачі мастила

"Альфа" лубрикатором (з акумулятором )

Дослідженнями "Альфа" системи в сполученні з акумуляторами встановлено, що процес подачі мастила в циліндр став регулярним і не супроводжується викидом. Мастило до поверхонь тертя надходять у вигляді крапель в двох напрямках: через мастилорозподільні канавки і частково стіканням униз під отвір. Спостереження за зрізом вихідного отвору й обробка осцилограм (рис.14) показали, що надходження мастила в циліндр (лінія Мв) відбувається регулярно, рівномірними порціями, що випливають з каналу в двох фазах на кожнім обороті.

Слід зазначити, що застосування дроселя в акумуляторі забезпечує регулярне надходження мастила в циліндр на всіх режимах роботи двигуна, у тому числі і на перемінних. Зіставлення осцилограм роботи системи "Альфа" без акумулятора і з акумулятором (рис.14) наочно показує перевагу акумулювання тиску мастила в нагнітальному трубопроводі до зворотного клапана штуцера з наступним розвантаженням акумулятора за допомогою дроселя.

В результаті лабораторних досліджень удосконалених конструкцій СЗЦ двигунів MAN - B&W типу L-MC/MCE встановлено, що вони забезпечують безвикидне, зі значно меншими швидкостями (рис.15) рівномірне і регулярне витікання мастила. Це визначає можливість зниження витрати циліндрових мастил з одночасним зменшенням нагарів і зносів деталей ЦПГ.

Усунення викиду привело до збільшення кількості мастила, що надходить безпосередньо на дзеркало циліндра. Одночасно з цим, за рахунок зміни гідравлічних характеристик каналів, у 2-3 рази зросла частота і рівномірність витікання мастила на дзеркало.

Рис.15. Характеристики подачі мастила

Перетворення профілю мастилорозподільних канавок у жолобообразний збільшує в 6-8 разів кількість мастила, поданого на дзеркало через канавки, що визначає істотне поліпшення рівномірності розподілу мастила по окружності циліндрової втулки.

Розроблені вдосконалення мастильних пристроїв проходили експлуатаційну перевірку на двигунах MAN - B&W типу L-MC/MCE 3-х суден. Час роботи нових вузлів по окремих суднах склав від 600 до 5000 годин, при цьому отримані результати, аналіз яких дозволив оцінити ефективність запропонованих розробок.

На судні "PAIGE" з головним двигуном MITSUI MAN-B&W 6L60 MCE потужністю 7171 квт при 117 хв-1 перед дослідженнями всі циліндри були розділені на 3 групи – базову, експериментальну і контрольну. Циліндри № 3,6, обладнані вдосконаленою системою змащування (з поетапно зниженою витратою мастила з 1,2 до 0,8 г/ квт·год), складали експериментальну групу, циліндр № 5 (зі штатною системою мащення), на якому знижувалася витрата мастила з 1,2 до 1,1 г/ квт·год був контрольним, а інші циліндри – базові.

Надалі циліндри № 3,6 двигуна працювали зі зниженою витратою мастила до 40% щодо рівня, встановленого в експлуатації. Весь період головний двигун працював на паливі IFO-380 із застосуванням ЦМ Мобілгард - 570. Розкриття цилиндрів № 3,6 показало, що всі компресійні кільця рухливі, явно виражених рисок і натирань на дзеркалі циліндра немає. Загоряння вікон експериментальних циліндрів № 3,6, що працювали зі зниженням витрати мастила, у 2-2,5 рази нижче, ніж у контрольного циліндра № 5. Візуальний огляд деталей ЦПГ № 5 показав, що на бічній поверхні і днищі поршня є нагари у вигляді доріжок з основою у першого кільця, розташовані напроти всіх точок змащування. Нагар на перемичках між кільцями локалізований в одній площині з нагаром над першим кільцем. Він твердий, товщиною більш 1 мм.

Такий нагар поширюється на перемички між 1,2 і 3 кільцями, на відміну від експериментальних циліндрів, у яких має місце рівномірно розподілений, пухкий, тонкий (близько 0,2-0,4 мм) нагар над першим і в перемичці між 1 і 2 кільцями.

Нижче, на перемичках між 2,3 і 4 кільцями нагар відсутній, перемички чисті, добре змащені. Стан базових циліндрів № 1,2,4 (зі штатною системою змазування і встановленою фірмою експлуатаційною витратою мастила на рівні 1,2 г/ квт·год) практично не відрізнявся від контрольного циліндра № 5. На дзеркалі базових циліндрів № 1,2,4 і контрольного № 5 спостерігалися вертикальні натирання, що є наслідком тертя нагару на голівці поршня об дзеркало втулки. На дзеркалі експериментальних циліндрів № 3,6 натирання відсутні.

Рис.16. Знос циліндрових втулок

Аналіз обмірювань деталей ЦПГ показав, що середня величина зносу втулок експериментальних циліндрів по поясі максимального вироблення в порівнянні зі зносом втулок базових циліндрів менше (рис. 16): по ходу – у 1,4 рази; по осі – у 1,2 рази.

Зміна зазорів у замках поршневих кілець (рис.17) відрізняється: по першому кільцю – у 2 рази; по комплекті кілець – у 1,9 рази. Втрата ваги перших компресійних кілець базових циліндрів у 1,5 рази, а комплекту кілець – у 1,3 рази більше, ніж в експериментальних № 3,6. Експлуатація двигуна MAN - B&W т/х "Луїза" і "Тіра", на 2-х циліндрах яких встановлені вдосконалення, описані вище, також підтверджують їхню ефективність.

Рис.17. Знос поршневих кілець

Таким чином, результати експлуатації показують, що вдосконаленням систем змащування циліндрів забезпечує істотне зниження зносів дорогих деталей ЦПГ при значному скороченні витрати дефіцитних циліндрових мастил, що обумовлює підвищення техніко-економічних показників роботи двигуна в цілому. Експлуатаційні дослідження показали, що удосконалювання процесів і систем мастилоподачі забезпечує зниження до 25% витрати циліндрового мастила, у 2-2,5 рази зменшує нагаровідкладення в циліндрі й у 1,2-1,5 рази - зноси деталей ЦПГ, а отже, є ефективним напрямком підвищення техніко-економічних показників роботи суднових ДВС.

У висновках викладені наукові і практичні результаті, які були отримані в дисертаційній роботі.

У додатках наведені матеріали, що містять результаті досліджень, які приводяться в роботі: тексти програм і алгоритмів, розроблених і використаних при моделюванні процесу мастилоподачі в циліндри суднових дизелів, а також документи, що підтверджують впровадження розроблених систем змащування циліндрів СДВЗ.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дане нове рішення актуальної наукової задачі по підвищенню ефективності експлуатації мастильних систем циліндрів суднових дизелів шляхом удосконалення геометричних характеристик мастильних каналів, що створює умови рівномірного розподілу мастила по поверхні тертя. Проведене вивчення закономірностей процесу подачі мастила в циліндри довгоходових дизелів, побудована його математична модель, а також визначений вплив характеристик цього процесу на технічний стан деталей ЦПГ і отримані такі основні результати:

1. Розроблено фізичну і математичну моделі витікання мастила на робочі поверхні циліндрів дизелів. На базі отриманих аналітичних залежностей розроблена методика, алгоритм і програми розрахунку оціночних показників досконалості системи і процесу подачі мастила, що дозволяє визначати оптимальне сполучення основних факторів, які забезпечують найбільш раціональний вихід мастила на дзеркало циліндрової втулки.

2. Проведені дослідження існуючих конструкцій систем змащування циліндрів в лабораторних умовах і при експлуатації дизелів