CC BY
9
Вестник Воронежского института ГПС МЧС России (Современные проблемы гражданской защиты)
4(25) 2017, ISSN2226-700Х
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ДИЗЕЛЕЙ ПОЖАРНОЙ ТЕХНИКИ ПО СООТНОШЕНИЮ КОНЦЕНТРАЦИЙ ПРОДУКТОВ ИЗНАШИВАНИЯ В МОТОРНОМ МАСЛЕ
А.В. Скрипка, Д.В. Брусянин, А.И. Ситников, П.С. Куприенко
Методика диагностирования дизелей КамАЗ по соотношению продуктов изнашивания в работавшем масле. В основу методики лег новый подход к оценке полученных результатов с применением эмиссионного спектрального анализа масла.
Ключевые слова: методика диагностирования, контроль технического состояния двигателя, диагностический параметр.
Эксплуатация автомобильной техники в МЧС России организуется в соответствии с Приказом МЧС № 555 от 18.09.2012г. «Инструкция по организации материально-технического обеспечения системы МЧС» в целях выполнения территориальным органом, учреждением задач по предназначению, обеспечения плана подготовки, хозяйственной деятельности и жизнедеятельности территориального органа, учреждений.
Под организацией эксплуатации понимается деятельность должностных лиц территориального органа, учреждения по планированию, контролю, учету, анализу и прогнозированию работы техники, поддержанию готовности техники к применению по назначению, профилактике и предупреждению ДТП. Основным качественным показателем является готовность техники подразделений к применению по назначению.
Готовность техники к применению по назначению определяется ее исправностью, надежностью (ресурсом до очередного среднего или капитального ремонта, качеством технического обслуживания и ремонта) и другими факторами [1]. Техническая готовность пожарной техники находится в прямой зависимости от технического состояния двигателей, их готовности надежно, качественно, экономно и безопасно осуществлять свои функции энергетической установки.
Однако долговечность двигателя зависит от его индивидуальных особенностей, квалификации водителя, качества применяемых топлива и смазочных материалов, климатических и дорожных условий, нагрузки и других факторов. Поэтому одними данными о нормах наработки двигателя нельзя ограничиваться при определении его фактического технического состояния.
В ходе эксплуатации пожарного автомобиля изнашивание всех трущихся деталей двигателя является естественным и неизбежным процессом. При этом основной интерес представляют износы деталей, лимитирующих моторесурс двигателей. К ним относятся детали, износы которых особенно влияют на эксплуатационные показатели двигателя, а их замена связана со значительными трудозатратами: вкладыши коленчатого вала, гильзы цилиндров, поршни и поршневые кольца.
Известно, что все продукты изнашивания (ПИ) равномерно поступают в моторное масло, вследствие этого диагностирование по параметрам
работавшего картерного масла является одним из наиболее эффективных методов технического диагностирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС). К основным его преимуществам относится возможность раннего обнаружения неисправностей двигателя без его разборки, установление необходимости своевременной замены масла, предотвращение отказов в двигателе из-за повышенного загрязнения масла и износа деталей [2]. Наиболее приемлемым для диагностирования дизелей КамАЗ является метод эмиссионного спектрального анализа масла (ЭСАМ) с использованием многоканальных спектрометров. Метод позволяет определять техническое состояние основных узлов и агрегатов дизеля без его разборки, специальной подготовки и отрыва от выполнения основных задач подразделения.
Анализ методик диагностирования дизелей с применением ЭСАМ позволил выявить ряд причин, по которым определение технического состояния, по предельным концентрациям продуктов изнашивания в работавшем масле, не эффективно и, как следствие, имеют низкую достоверность результатов, которые в свою очередь влияют на принятие решения по техническому обслуживанию дизеля. Очевидно, что вследствие этих причин рассмотренные методики диагностирования по предельным концентрациям продуктов изнашивания в работавших маслах, не нашли широкого применения [2].
Разработана методика диагностирования дизелей КамАЗ по соотношению продуктов изнашивания в работавшем масле. В основу методики лег новый подход к оценке полученных результатов с применением ЭСАМ. Методика основана на сравнении относительных концентраций химических элементов, составляющих основу конструкционных материалов одной детали, а также закономерностях, которые существуют между химическими элементами, циркулирующими в масле.
В качестве диагностического параметра, характеризующего техническое состояние коренных и шатунных вкладышей подшипников коленчатого вала дизеля КамАЗ-740, выбран коэффициент соотношения концентраций свинца к меди (К1):
К РЬ
К= „ , (1)
К Си
Вестник Воронежского института ГПС МЧС России (Современные проблемы гражданской защиты)
4(25) 2017, ISSN2226-700Х
где КрЬ - концентрация свинца в работавшем масле, г/т;
КСи - концентрация меди в работавшем масле, г/т.
Анализ условий эксплуатации, структуры, химического состава, а также размеров коренных и шатунных вкладышей подшипников коленчатого вала дизеля КамАЗ-740 позволил сделать заключение о том, что рабочим антифрикционным слоем вкладышей подшипников дизеля является диффузионный слой, в котором концентрация свинца больше, чем концентрация меди, а следовательно, коэффициент соотношения концентраций свинца к меди больше 1 (^>1). Значения К^1 свидетельствуют об интенсивном изнашивании подшипников и шеек коленчатого вала и необходимости применения технического воздействия. Значение К1=1 указывает на пограничное состояние вкладышей.
В качестве диагностического параметра, характеризующего техническое состояние цилиндропоршневой группы дизеля КамАЗ-740, используется коэффициент соотношения
концентраций кремния к алюминию (К2):
К я
К2=
К
(2)
Al
где К81 - концентрация кремния в работавшем масле, г/т;
КА1 - концентрация алюминия в работавшем масле, г/т.
Анализ процесса изнашивания деталей цилиндропоршневой группы дизеля позволил выявить, что при работе исправного дизеля коэффициент соотношения концентраций кремния к алюминию больше 1 (К2 >1), а в случае интенсивного изнашивания канавок и юбки поршня в работающее масло поступает алюминий в больших концентрациях, чем кремний, т.е. коэффициент соотношения концентраций кремния к алюминию будет меньше или равен 1 (К2 < 1).
Значительное процентное содержание хрома (Сг) во впускных и выпускных клапанах указывает на возможность его применения в качестве элемента-индикатора износа деталей клапанной группы газораспределительного механизма (ГРМ) дизеля КамАЗ-740.
Большое процентное содержание железа (Бе) почти во всех деталях дизеля КамАЗ-740 затрудняет его применение в качестве элемента-индикатора износа. Повышение концентрации железа в работавшем масле может отражать суммарный износ деталей механизмов и узлов дизеля КамАЗ-740, т.е. является фоновым показателем износа.
Для оценки состояния топливной системы и степени разжижения масла топливом в качестве диагностического параметра использовалась «температура вспышки», характеризующая наличие в масле более лёгких топливных фракций.
Выделение области факторного
пространства и выбор интервалов варьирования факторов был произведён на основе анализа опыта эксплуатации, технического обслуживания и ремонта дизелей КамАЗ-740, в соответствии с таблицей.
Таблица
Факторы, используемые при однофакторных исследованиях
Этапы проведения одно факторных исследований Факторы Уровни варьирования
-1 0 +1 Интервал варьирования
1 Количество форсунок со сниженным давлением начала подъёма иглы (Рф0 = 13 Мпа), шт 2 4 6 2
2 Угол опережения впрыскивания топлива, (Д6), град ПКВ 8 18 28 10
3 Количество клапанов ГРМ с разрегулированными тепловыми зазорами (Адз= +1мм), шт 4 8 12 4
4 Концентрация кварцевой пыли в 1м3 воздуха, подаваемой во впускной тракт дизеля (А), г/м3 0,5 1 1,5 0,5
Определение значений соотношений концентраций ПИ (к1;2) при работе исправного дизеля
По результатам исследования характера изменения концентраций ПИ и температуры вспышки работавшего масла (М6з/10В) в процессе работы исправного дизеля получены графические зависимости изменения соотношений концентраций ПИ (к1;2) от времени работы исправного дизеля,
описываемые эмпирическими уравнениями (при достоверности Я2):
к! = 5,3-6,1х+2,9х2-0,4х3, (Я2 = 1); к2 = 0,3+1,2333х-0,5х2+0,0667х3, (Я2 = 1); а также КСг = - 0,6+2,6х-1,15х2+0,15х3, (Я2 = 1);
КРе = 10-2,5х+0,5х2, (Я2 = 1); 1всп = 211-4,3333х+1,5х2-0,1667х3, (Я2 = 1), (3)
где К - концентрация элемента в масле, г/т.
Вестник Воронежского института ГПС МЧС России (Современные проблемы гражданской защиты)
4(25) 2017, ISSN2226-700Х
Анализ зависимостей, представленных на рисунке 1 , показывает, что при работе исправного дизеля значения диагностических параметров практически стабилизированы на протяжении всего периода испытания и за нормативные значения диагностических параметров исправного дизеля следует принять:
- к1 > 1; - к2 > 1;
- Ка < 4 г/т;
- Ксг < 2 г/т;
- 1ВСп > 175 0С,
Таким образом, результатами
экспериментального исследования установлено, что при работе исправного дизеля коэффициент соотношения концентраций свинца к меди больше 1 (кх>1), а коэффициент соотношения концентраций кремния к алюминию также больше 1 (к2 >1).
Исследование влияния снижения давления начала подъёма иглы форсунки на изменение соотношений концентраций ПИ (к1:2)
Выполнены исследования по установлению зависимости выбранных диагностических параметров от количества форсунок со сниженным давлением начала подъёма иглы к1;2=/(Рфо). По результатам исследования получены графические зависимости, описываемые эмпирическими уравнениями (при достоверности Я2):
к! = 5,4 - 6,3667х +3,1х2 - 0,4333х3, (Я2 = 1); к2 = 0,7 + 1,6167х - 0,95х2 + 0,1333х3, (Я2 = 1), а также КСг = 2,3 - 2,1667х + х2 - 0,1333х3, (Я2 = 1);
КРе = - 5 +18,5х - 6,5х2 + х3, (Я2 = 1); гвсп = 193 +33,667х - 22,5х2 + 2,8333х3, (Я2 = 1). (4)
Анализ зависимостей показывает, что с увеличением количества неисправных форсунок происходит интенсивное разжижение работающего масла фракциями несгоревшего дизельного топлива, что приводит к понижению температуры вспышки масла.
Повышенное изнашивание вкладышей КШМ подтверждается некоторым увеличением
концентрации свинца и меди, но при этом коэффициент соотношения концентраций больше 1 (к1>1), что подтверждает наличие во вкладышах рабочего диффузионного слоя.
Значение коэффициента соотношения концентраций меньше 1 (к2<1) свидетельствует о повышенном изнашивании поршней ЦПГ вследствие возрастания на них ударных нагрузок.
Концентрация хрома практически не изменяется, что указывает на незначительное изнашивание клапанов ГРМ. Также отмечается повышение концентрации железа, что отражает суммарный износ деталей механизмов и узлов дизеля КамАЗ-740.
Таким образом, полученные зависимости показывают, что наличие такой распространенной неисправности системы питания, как снижение давления начала подъёма иглы форсунок, увеличивает
рост концентраций практически всех ПИ, а также значительно снижает температуру вспышки работавшего масла и значения коэффициентов соотношений концентраций ПИ к! и к2.
Исследование влияния изменения угла опережения впрыскивания топлива на изменение соотношений концентраций ПИ (к1;2)
Выполнено исследование по установлению зависимости выбранных диагностических параметров от технического состояния муфты опережения впрыскивания топлива к1;2=/(фоп). По результатам исследования построены
аппроксимированные графические зависимости, описываемые эмпирическими уравнениями (при достоверности Я2):
к! = 6,5 - 6,0833х +3х2 - 0,4167х3, (Я2 = 1); к2 = - 0,6 +2,9833х -1,35х2 + 0,1667х3, (Я2 = 1); а также КСг= 1,3 - 1,0333х +0,5х2 - 0,0667х3, (Я2 = 1);
КРе = 16 - 24,167х +11,5х2 -1,3333х3, (Я2 = 1); Твсп = 196 +19х - 7,5х2 + 0,5х3, (Я2 = 1). (5)
Анализ зависимостей показывает, что увеличение угла опережения впрыскивания топлива, равно как и его уменьшение, одинаково влияют на изменение соотношений концентраций ПИ к1 и к2, а также других диагностических параметров. Причём прослеживается корреляционная связь между изменением диагностических параметров в зависимости от эксплуатационных факторов, характеризующих техническое состояние системы питания топливом (СПТ). Таким образом, снижение давления начала подъёма иглы форсунок и изменения угла опережения впрыскивания топлива практически в равной степени оказывают влияние на изменение рассматриваемых диагностических параметров.
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что неисправности СПТ приводят к увеличению роста концентраций практически всех ПИ, а также к значительному снижению температуры вспышки работавшего масла и значений коэффициентов соотношений
концентраций ПИ к! и к2. Отсюда следует, что контроль технического состояния СПТ дизеля КамАЗ-740 возможно осуществлять, руководствуясь только значением температуры вспышки работавшего масла:
- ^сп>175 0С - СПТ исправна;
- 1всп<175 0С - СПТ не исправна.
Коэффициенты соотношений концентраций
ПИ к1 и к2 при этом свидетельствуют о фактическом техническом состоянии деталей дизеля, лимитирующих его моторесурс.
Таким образом, применение методики, где в качестве диагностических параметров используются соотношения концентраций продуктов изнашивания в работавшем масле, позволяет повысить точность определения технического состояния дизеля, а следовательно, повысить готовность пожарной техники к использованию по предназначению.
Вестник Воронежского института ГПС МЧС России (Современные проблемы гражданской
защиты) 4(25) 2017, ISSN2226-700Х
Библиография
1. Пресное А.И., Марченко М.А., Мироньчев А.В., Скрипка А.В., Данилевич А.В. Пожарная техника: учебник. Том 2. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2016. - 538 с.
2. Кюрегян С.К. Оценка износа двигателей внутреннего сгорания методом спектрального анализа. - М., Машиностроение, 1996.
3. Зубков С.Ю., Романов Р.А., тезисы доклада http://www.baltech.ru/catalog.php?catalog=288 (дата обращения 14.08.2017).
References
1. Presnov A.I., Marchenko M.A., Miron'chev A.V., Skripka A.V., Danilevich A.V. Pozharnaya tekhnika: uchebnik. Tom 2. - SPb.: Sankt-Peterburgskij universitet GPS MCHS Rossii, 2016. - 538 s.
2. Kyuregyan S.K. Ocenka iznosa dvigatelej vnutrennego sgoraniya metodom spektral'nogo analiza. - M., Mashinostroenie, 1996.
3. Zubkov S.YU., Romanov R.A., tezisy doklada http://www.baltech.ru/catalog.php?catalog=288 (data obrashcheniya 14.08.2017).
DIAGNOSTICS OF DIESEL ENGINES OF FIRE FIGHTING EQUIPMENT THE RATIO OF THE CONCENTRATIONS OF THE PRODUCTS OF WEAR IN THE MOTOR OIL
Methods of diagnosis of diesel engines KAMAZ ratio of the products of wear in the working oil. The methodology laid down a new approach to the evaluation of the results obtained with the application of emission spectral oil analysis.
Key words: methods of diagnosing, monitoring the technical condition of the engine, the diagnostic parameter.
Скрипка Александр Владимирович,
к.т.н.,
доцент кафедры пожарной, аварийно-спасательной техники и автомобильного хозяйства
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, Россия, г. Санкт-Петербург, Violin A. V., Ph.D.,
Associate Professor of Fire, Emergency Rescue and Automotive Department, St. Petersburg University of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, St. Petersburg.
Брусянин Дмитрий Владимирович,
к.т.н.,
доцент кафедры пожарной, аварийно-спасательной техники и автомобильного
хозяйства техники и автомобильного хозяйства
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России,
Россия, г. Санкт-Петербург,
Brusyanin D. V.,
Ph.D.,
Associate Professor of the Department of Fire, Rescue and Automotive Technology St. Petersburg University of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, St. Petersburg.
Ситников Александр Иванович,
к.т.н., доцент,
Воронежский институт МВД России, Россия, г. Воронеж, Sitnikov A.I.,
candidate of technical sciences, associate professor, Voronezh Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia, Russia, Voronezh.
Куприенко Павел Сергеевич,
д.т.н., профессор,
заведующий кафедрой техносферной и пожарной безопасности, Воронежский государственный технический университет, Россия, г. Воронеж, Kuprienko P.S.,
Doctor of Technical Sciences, Professor,
Head of the Department of Technospheric and Fire Safety,
Voronezh State Technical University,
Russia, Voronezh.
© Скрипка А.В., Брусянин Д.В., Ситников А.И., Куприенко П.С., 2017
