CC BY
153
В. Т. Каллиников, А. И. Николаев, Ю. Д. Брусницын // Вопросы материаловедения. - 2006. -№ 1 (45). - С. 201 - 219.
7. Инструкция по сварочным и наплавочным работам при ремонте тепловозов, электровозов, электропоездов и дизель-поездов [Текст]. - М., 1996. - 236 с.
8. Инструкция по сварке и наплавке при ремонте грузовых вагонов [Текст]. - М.: Транспорт - Трансинфо, 1999. - 255 с.
УДК 629.424.3:621.436
Д. В. Балагин
ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЕЙ
В статье выполнен анализ отказов и эффективности средств диагностирования технического состояния топливной аппаратуры дизелей вусловиях эксплуатации.
Система впрыска топлива является одной из важнейших систем дизеля, она предназначена для обеспечения нормального питания дизеля топливом при различных режимах его работы. От степени совершенства топливной системы и ее технического состояния в процессе эксплуатации в значительной степени зависят показатели рабочего процесса дизеля, его надежность и долговечность, атакже эксплуатационные характеристики [1].
В связи с этим к топливным системам дизелей предъявляются высокие требования, связанные с эффективностью их работы, надежностью, долговечностью, простотой обслуживания и ремонта и др.
К топливной аппаратуре (ТА) тепловозов предъявляются следующие основные требования:
- стабильность показателей рабочего процесса в течение всего периода эксплуатации дизеля;
- удобство обслуживания отдельных узлов и регулирования, возможность монтажа и демонтажа форсунок и насосов, разборки и замены отдельных изношенных деталей;
- надежная работа всех узлов в течение установленного срока службы;
- обеспечение необходимых скоростных и нагрузочных характеристик подачи топлива;
- возможность изменения угла опережения подачи в зависимости от режимных условий работы дизеля;
- устойчивая работа дизеля на малых скоростных и нагрузочных режимах без пропусков подач топлива отдельными форсунками;
- возможность прокачки объемов с целью удаления из них воздуха и отвода паров топлива из подводящей магистрали [5].
Условия работы тягового подвижного состава в значительной степени влияют на выполнение перечисленных требований к качеству работы топливной аппаратуры тепловозов.
Анализ результатов диагностирования топливной аппаратуры показывает, что основными неисправностями топливных форсунок и насосов высокого давления являются следующие: малый подъем и «подклинивание» иглы; закоксовывание сопловых наконечников; излом или «просадка» пружины форсунки; малая плотность плунжерных пар; нестабильность цикловой подачи и нестабильность впрыска топлива; потеря упругости пружин плунжера и нагнетательного клапана; потеря герметичности нагнетательного клапана по запирающему конусу.
Основные и часто возникающие причины неисправностей топливной аппаратуры высо-кого давления тепловозных дизелей можно свести к следующим: несвоевременное и неква-
I
м;п3!11) ИЗВЕСТИЯ Транссиба
лифицированное техническое обслуживание; нарушение режимов эксплуатации дизеля; использование топлива низкого качества и нарушения в работе фильтров; естественный износ трущихся прецизионных пар [4].
Если учесть общеизвестный факт, что большой процент отказов дизелей приходится на топливную аппаратуру, то становится очевидным, что в общем объеме издержек основную часть составляют топливные потери.
Анализ отчетных данных ОАО «РЖД» за период с 2005 по 2010 г. позволил установить процентное соотношение неисправностей основных узлов тепловозов, возникающих в процессе эксплуатации [8 - 13].
Согласно отчетным данным ОАО «РЖД» 2005 - 2010 гг. и отчетам РБ-2Т за 2005 - 2010 гг. (таблица 1) общий процент неисправностей по дизельному оборудованию локомотивов по всем дорогам ОАО «РЖД» составил 40 % от всех отказов на ТПС, в том числе 12 - 13 % по топливной аппаратуре. Круговая диаграмма распределения неисправностей по основным узлам тепловозов представлена на рисунке 1.
Вспомогательное и тормозное оборудование -15,07%
Колесные пары 6,84%
Прочее оборудование -5,63%
Дизель -40,25%
Электрическое оборудование -32,21%
Рисунок 1 - Процентное соотношение неисправностей по основным узлам тепловозов за период 2005 - 2010 гг.
Таблица 1 - Процентное соотношение неисправностей по основным узлам тепловозов за период 2005 - 2010 гг.
Узлы локомотива Отчетный период, г
2005 2006 2007 2008 2009 2010 В среднем
Дизель 38,6 39,41 42,32 41,08 39,02 41,07 40,25
Вспомогательное и тормозное 15,16 14,49 14,09 15,89 15,66 15,14 15,07
оборудование
Электрическое оборудование 33,84 32,72 32,76 30,80 31,21 31,95 32,21
Колесные пары 6,84 6,48 6,51 7,05 6,98 7,15 6,84
Прочее оборудование 5,90 6,49 3,78 5,51 6,85 5,23 5,63
Распределение количества отказов по узлам и системам дизелей за указанный период эксплуатации представлено в таблице 2 ив виде круговой диаграммы на рисунке 2.
№ 3(1 2012
Таблица 2 - Распределение количества отказов по узлам и системам дизелей за период 2005 - 2010 гг.
Доля в общем количестве
Год порч и неисправностей коленчатый вал и его подшипники цилиндро-поршневая группа топливная аппаратура система охлаждения дизеля воздухонагнетатели
2005 38,6 3,08 16,30 4,97 8,01 6,24
2006 39,41 4,04 16,05 4,82 7,68 6,82
2007 42,32 4,82 17,18 5,45 8,72 6,15
2008 41,08 4,71 17,45 4,92 7,25 6,75
2009 39,02 3,58 15,44 5,12 8,24 6,64
2010 41,07 4,79 16,63 4,64 8,12 6,89
Коленчатый вал и его подшипники -, 4,17 %
т-> / 10 36 % Цилиндр опоршневая
Воздухонагнетатели - / /и ^ г г
19,88 % Топливная аппаратура -
4,99 % 12,40 %
Рисунок 2 - Процентное соотношение неисправностей по дизелю за период 2005 - 2010 гг.: числитель - доля в общем количестве неисправностей; знаменатель - доля от общего количества
неисправностей дизеля
Анализ отчетных данных позволяет сделать вывод о том, что ситуация с надежностью работы топливной аппаратуры, несмотря на широкое внедрение современных средств диагностирования и ремонта, остается без существенных изменений. В среднем за период с 2005 по 2010 г. динамика изменения основных неисправностей топливной аппаратуры дизелей приведена на рисунке 3.
Каждый третий случай непланового ремонта тепловозов связан с выходом из строя топливной аппаратуры. Эксплуатация тепловозов часто характеризуется условиями, когда и отдельные агрегаты, и двигатель в целом работают до частичной потери работоспособности без проведения достаточных профилактических мероприятий. Так, по статистическим данным в условиях эксплуатации число отказов наименее надежных составных частей топливной аппаратуры дизеля происходит по двум явно выраженным причинам:
- закоксовывание распылителя форсунки, нарушение подвижности ее иглы;
- разрегулировка топливного насоса высокого давления (ТНВД), износ плунжерных пар и нагнетательных клапанов, понижение давления впрыска.
Топливная система должна обеспечивать бесперебойную подачу топлива для работы дизеля на любых возможных режимах его эксплуатации. Дизельное топливо при транспортировке и последующем хранении может загрязниться, в него может попадать пыль из воздуха. Возможно засорение дизельного топлива и при экипировке тепловозов, особенно если за-
№ 3(11) 2012
правка топливного бака производится одновременно с набором песка или после этой операции [4].
20 %
14
Цилиндропоршневая группа
а с о к
<D К н К <D
я о а
Система охлаждения дизеля
Воздухонагнетатели
Топливная аппаратура
Коленчатый вал и его подшипники
2005
2006
2007
2008
2009
2010
Год наблюдения
Рисунок 3 - Динамика изменения основных неисправностей топливной аппаратуры тепловозовза период 2005 - 2010 гг.
В результате в дизельное топливо могут попасть вредные для работы системы механические примеси (главным образом мелкие частицы кремне- и глинозема). Эти частицы имеют очень высокую твердость, равную или даже превышающую твердость сталей, применяемых для изготовления деталей топливной аппаратуры. Попадая в зазор между плунжером и гильзой топливного насоса, такие частицы могут заклиниваться в нем и при работе насоса будут истирать поверхности плунжера и гильзы. Заклиниванию частиц способствует также то, что в момент подачи топлива под действием его давления гильза топливного насоса деформируется, как бы «раздается», увеличивается зазор между плунжером и гильзой. В этот увеличенный зазор (он может быть в два - три раза больше первоначального, который составляет 2 -
3 мкм) могут проникать в более крупные частицы. После отсечки и падения давления гильза стягивается и зажимает проникшие в зазор частицы. В результате по мере износа деталей плунжерной пары радиальный зазор между ними возрастает, увеличиваются утечки и снижается давление подачи [5].
Для надежной эксплуатации дизеля необходима постоянная и тщательная очистка топлива, и поэтому в топливную систему дизеля для этой цели обязательно включают топливные фильтры.
Надежная работа форсунок возможна только при строгом выполнении профилактических работ по смене и очистке фильтроэлементов, предотвращающих попадание грязи и воды, соблюдении чистоты при проведении ремонтных операций. Особенно важно не допустить попадания в распылитель из каналов форсунки и топливопроводов технологической грязи (шлам от механических и сварочных работ, продукты износа во время приработки и сборки) в начальный период эксплуатации [6].
Расчеты, выполненные в МИИТе (даже по заниженным оценкам), показывают, что по отмеченным выше причинам дизель магистрального тепловоза в современных условиях эксплуатации перерасходует в среднем в год 14 - 26 т топлива (двухсекционный тепловоз перерасходует цистерну дизельного топлива) и увеличивает выброс в атмосферу вредных компонентов: СО - на 300 - 650 кг, СН - на 120 - 350 кг. При этом отклонение энергоэкономических параметров (мощность и топливная экономичность) от номинальных значений составляет 8 - 15 % и более. Это означает, что в условиях реальной эксплуатации тепловоз будет расходовать топлива на 10 - 18 % больше [1].
Отказы в эксплуатации говорят о необходимости дальнейшего совершенствования в равной мере как конструкции отдельных узлов, так и системы их технического обслуживания и ремонтов.
К методам контроля технического состояния топливной аппаратуры (ТА) с позиции диагностирования предъявляются следующие требования:
- обеспечение достаточной достоверности результатов диагностирования;
- установление обобщенных параметров, количество которых должно быть меньше общего количества параметров, полностью характеризующих состояние объекта диагностирования;
- определение неисправности по обобщенным параметрам;
- простота и применимость в условиях депо.
Наличие сложной структуры дизель-генераторной установки (ДГУ) и существенное взаимное влияние работоспособности ее блоков предопределило многоуровневую стратегию диагностирования технического состояния и применение разнообразных методов и систем технического диагностирования.
При эксплуатации локомотива, т. е. в поездке, качество работы топливной аппаратуры практически не оценивается (за исключением «прощелкивания» насосов и прослушивания нехарактерных для нормальной работы дизеля стуков). Оснащение тепловозов бортовыми системами контроля проблему контроля технического состояния топливной аппаратуры в полном объеме не решает.
Доведенная до предельного технического состояния топливная аппаратура в соответствии с существующей системой планово-предупредительного ремонта попадает в ремонтное депо. Однако и здесь ее технические характеристики не восстанавливаются в полном объеме.
Стендовое оборудование топливных отделений для испытания топливной аппаратуры морально и технически устарело. В моечных отделениях эксплуатируются (да и то далеко не во всех депо) моечные машины, конструкция которых разрабатывалась в первой половине двадцатого столетия.
Для испытаний в депо топливной аппаратуры разработаны различные модели стендов (А2589, А106, А53, А760 и др.). Не касаясь конструктивных преимуществ и недостатков данных разработок, следует признать их общее «слабое место» в организации цехового ремонта топливной аппаратуры - отсутствие объективного контроля качества выполненных на стендах работ и «обезличивание» элементов топливной системы после снятия с дизеля. Например, подачу насосов регулируют в комплекте с образцовыми (контрольными) трубопроводами высокого давления и форсунками, при этом гидравлические характеристики форсунок и топливных трубок, с которыми реально будут работать данные ТНВД, игнорируются. Испытание форсунок на существующем стенде ведется «на глазок», проверочные режимы далеки от эксплуатационных. Поэтому форсунки, которые проходят стендовый контроль, при постановке на дизель изменяют свои рабочие характеристики [7].
Технологический процесс ремонта и настройки топливных насосов, форсунок и трубопроводов высокого давления состоит из следующих основных операций:
- разборка, промывка и замена неисправных деталей;
- определение размера В насоса (расстояние от торца хвостовика плунжера при перекрытии его головкой всасывающего отверстия в гильзе до привалочной плоскости корпуса насоса);
- определение плотности плунжерных пар топливных насосов;
- обкатка насоса на стенде и регулировка его минимальной и максимальной производительности;
- определение плотности распылителя форсунки;
- проверка разработки отверстий сопловых наконечников форсунки;
- настройка и регулировка форсунки по давлению впрыска на стенде;
- опрессовка нагнетательных трубок для выявления трещин и других дефектов, восста-
I
№2031121) ИЗВЕСТИЯ Транссиба
новление конусов путем наплавки с последующей механической обработкой [1].
Проверка разработки отверстий сопловых наконечников форсунок проводится при помощи длинномера. Этот метод позволяет произвести отбраковку сопловых наконечников, имеющих или сильно разработанные, или закоксованные отверстия. Деление годных сопловых наконечников на группы в зависимости от действительного проходного сечения не производится.
При восстановлении конусов трубопроводов меняются проходное сечение и форма трубопровода, т. е. изменяются его гидравлические характеристики.
Разброс гидравлических характеристик форсунок и нагнетательных трубопроводов существующей технологией ремонта при подборе комплекта топливной аппаратуры не учитывается.
В настоящее время в локомотивных депо для диагностирования топливной аппаратуры применяют автоматизированный комплекс «Кипарис» (на сегодняшний день на все дороги ОАО «РЖД» поставлено более 120 комплексов), такие переносные комплексы, как «ДЭСТА», «ИСТАД», ярославская разработка АЛ-030-05, Diesel Master ДМ-100 из Санкт-Петербурга, переносные микропроцессорные устройства для диагностики дизель-генераторных установок «ПМУ ДГУ» разработки НИИТКД и др. [5].
Недостатками применения таких комплексов, как «ДЭСТА», «ИСТАД», а также «Кипарис» является применение большого числа датчиков для снятия информации с оборудования, и нередко установка датчиков на объект диагностирования требует проведения слесарных работ, недостатком является и наличие кабелей связи датчиков с блоком преобразования сигналов. Большое количество датчиков может привести к их неправильной установке, может возникнуть обрыв кабеля [7].
Тепловизионный контроль как метод диагностирования представляет собой метод теплового неразрушающего контроля, основанный на использовании электронных средств тепловидения, на анализе теплового изображения с помощью термограмм, на основания которого принимается экспертное решение о состоянии топливного оборудования. Распределение температуры по поверхности диагностируемого аппарата несет информацию не только о его общем тепловом состоянии, но и о наличии теплопроводных неоднородностей. Распределение температуры фиксируется приборами на термограмме, которая представляет собой цветное плоское тепловое изображение поверхности объекта, где каждому цвету соответствует определенная температура поверхности [3].
Преимуществами тепловизионного контроля являются следующие:
- дистанционность (для ИК-систем - тепловизоров тепловых дефектоскопов);
- высокая скорость обработки информации;
- высокая производительность испытаний;
- возможность контроля при одно- и двустороннем подходе к изделию;
- теоретическая возможность контроля любых материалов;
- многопараметрический характер испытаний;
- возможность взаимодополняющего сочетания тепловизионного неразрушающего контроля с другими видами неразрушающего контроля;
- сочетаемость со стандартными системами обработки информации;
- возможность поточного контроля и создания автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами;
- выявление дефектов неразрушающим методом;
- предотвращение аварий и повреждений оборудования;
- достоверность, объективность и точность получаемых сведений;
- безопасность при проведении обследования оборудования;
- не требуется отключение и демонтаж оборудования;
- большой объем выполняемых работ за единицу времени;
- возможность определения дефектов на ранней стадии развития.
Сложность внедрения тепловизионного метода связана с тем, что практически не развиты диагностические модели (формализованное описание объекта, необходимое для решения задач диагностирования), отсутствуют термограммы или термопрофилограммы исправного оборудования, их тепловые характеристики.
На основе выполненных теоретических исследований установлено:
- процент отказов топливной аппаратуры тепловозов по сети железных дорог за период с 2005 по 2010 г. сохраняется на высоком уровне;
- выход из строя топливной аппаратуры связан не только с особенностями эксплуатации, но ис несовершенством существующей системы технического обслуживания и ремонта;
- анализ методов и технических средств контроля работы топливной аппаратуры выявил перспективное направление в развитии средств диагностирования. Исследованы возможности применения тепловизионного метода контроля.
Для реализации поставленной задачи на кафедре «Локомотивы» ОмГУПСа выполняются
исследование процессов топливоподачи и нагрева узлов топливной системы тепловозного дизеля;
экспериментальные исследования возможности применения тепловизионного метода для контроля работоспособности топливной аппаратуры;
теоретические и экспериментальные исследования оценки состояния топливной аппаратуры и качества протекания рабочего процесса в цилиндре дизеля по температуре топливных трубопроводов высокого давления;
разработка методики оценки рабочего процесса в цилиндрах дизеля по температуре трубопроводов насоса высокого давления.
Список литературы
1. Лышевский, А. С. Питание дизелей: Учебное пособие [Текст] / А. С. Лышевский / Новочеркасский политехи. ин-т - Новочеркасск, 1974. - 468 с.
2. Володин, А. И. Исследование процессов теплопередачи в тепловозном дизеле [Текст] / А. И. Володин, Д. В. Балагин, Ю. С. Комкова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. -№ 4 (8). - С. 6 - 10.
3. Алексенко, В. М. Тепловая диагностика элементов подвижного состава: Монография [Текст] / В. М. Алексенко. - М.: Маршрут, 2006. - 398 с.
4. Блинов, П. Н. Модель процесса топливоподачи топливной аппаратурой тепловозных дизелей с учетом технологических характеристик ее деталей [Текст] / П. Н. Блинов, А. П. Блинов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. -№ 3 (3). - С. 2 - 7.
5. Блинов, П. Н. Совершенствование технического обслуживания и ремонта топливной аппаратуры тепловозных дизелей: Дис. доктора техн. наук [Текст] / П. Н. Блинов. - Омск, 1986. - 178 с.
6. Четвергов, В. А. Математические модели внезапных отказов деталей локомтивов в эксплуатации [Текст] / В. А. Четвергов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - № 2 (6). - С. 51 - 59.
7. Блинов, П. Н. Автоматизация стендовых испытаний топливной и регулирующей аппаратуры тепловозных дизелей [Текст] / П. Н. Блинов, А. П. Блинов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - №1 (1). - С. 8 - 15.
8. Анализ технического состояния тепловозов и дизельного мотор-вагонного подвижного состава федерального железнодорожного транспорта России за 2005 год [Текст] - М.: Трансиздат, 2006 - 68 с.
9. Анализ технического состояния тепловозов и дизельного мотор-вагонного подвижного состава федерального железнодорожного транспорта России за 2006 год [Текст] - М.: Трансиздат, 2007. - 81 с.
№2031121) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 13
10. Анализ технического состояния тепловозов федерального железнодорожного транспорта России за 2007 год. - М.: Желдориздат, 2008 [Текст] - 64 с.
11. Анализ технического состояния тепловозов федерального железнодорожного транспорта России за 2008 год. - М.: Желдориздат, 2009 [Текст] - 74 с.
12. Анализ технического состояния тепловозов и дизельного мотор-вагонного подвижного состава федерального железнодорожного транспорта России за 2009 год [Текст] - М.: Желдориздат, 2010. - 64 с.
13. Анализ технического состояния тепловозов и дизельного мотор-вагонного подвижного состава федерального железнодорожного транспорта России за 2010 год [Текст] - М.: Желдориздат, 2011. - 64 с.
УДК 629.423.31
Д. Ю. Белан, А. А. Ражковский
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН МЕТОДОМ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Данная статья посвящена описанию методики упрочнения углеродом медной поверхности коллектора. Для улучшения коммутационных характеристик и повышения надежности работы электрических машин предлагается использовать метод химико-термической обработки.
Анализ основных показателей технического состояния локомотивного парка по сети магистральных железных дорог за последние года показывает, что общее число неисправных локомотивов сохраняется на уровне 10 - 12 %. Наиболее часто выходят из строя электрическая аппаратура - 44 - 55,0 % и тяговые электродвигатели (ТЭД) - 13 - 17 % от общего числа отказов. Неисправности коллекторно-щеточного узла (КЩУ) составляют 10 - 15 % от общего количества отказов ТЭД электровозов [1]. Качество работы электрических машин во многом зависит от работы коллекторно-щеточного узла [2]. Эксплуатация ТЭД постоянно происходит в условиях прерывистого контактного взаимодействия поверхностного слоя медных коллекторных пластин с угольным материалом щетки. На коммутационные характеристики электрической машины существенное влияние оказывают как состояние пары «щетка - коллектор» (шероховатость, слабое нажатие щеток, абразивный износ, заволакивание межла-мельного пространства медью, различные дефекты при изготовлении коллектора и т. д.), так и механические свойства коллекторной меди. Известно, что изготавливаются пять марок меди: от М0 с содержанием не менее 99,5 % меди до М4 с содержанием меди не менее 99,0 %. Из этих марок делают проводники тока, а также прокатываемые и литейные сплавы на медной основе. Коллекторные пластины изготавливают из холоднотянутой меди специального трапецеидального профиля. Для большинства коллекторов применяют медь марок М0, М1, МЛ, а для коллекторов скоростных машин - кадмиевую медь (с содержанием 1% кадмия) с большей механической прочностью, меньшим износом при трении по сравнению с холоднокатаной коллекторной медью и увеличением твердости поверхностного слоя до 80 - 90 НВ, что позволяет улучшить коммутационные характеристики электрических машин постоянного тока и увеличить межремонтные пробеги.
Проблема повышения эксплуатационных свойств (износо-, жаро-, коррозионной стойкости) деталей электрических машин постоянного тока, инструментов, приборов методами поверхностного легирования и упрочнения приобретает все большую актуальность. Одним из наиболее перспективных методов упрочнения поверхностей коллекторных пластин тяговых электродвигателей является объемное и поверхностное изменение структуры и свойств термообработкой.
При ремонте коллектора необходимо стремиться получать поверхность коллектора и по-
