Причины повышенного износа деталей цилиндро-поршневой группы судовых среднеоборотных дизелей при работе на тяжелых сортах топлива Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Список литературы

[1] Кутыркин В.А., Постников В.А. Специальные системы нефтеналивных судов- М.: Транспорт, 1983. - 188 с.

[2] СВЧ энергетика / Под ред. Окресса. - М.: Мир, 1971. - 258 с.

[3] Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник для вузов. - М: Высшая школа, 1988.

[4] Кикоин И.К. Таблицы физических величин. - М.: Атомиздат, 1976. - 476 с.

[5] Кошкин И.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1982. - 286 с.

[6] Дж. Кей., Т. Леби. Таблицы физических и химических постоянных. - М.: ГИФМЛ, 1962. - 310 с.

[7] Отраслевая нормаль, ОН9-589-66., Система обогревания топливных, масляных и водяных цистерн. Нормы и правила проектирования. Методика расчета и типовые схемы. - 1967. - 133 с.

USE OF THE ENVIRONMENTALLY APPROPRIATE METHOD OF HIGH-VISCOUS FUEL HEATING FOR INLAND WATER OIL-TANKERS, IN STEAD OF STEAM-HEATING METHODS

A. E. Mazynin, M.H. Sadekov

Development of the new environmentally appropriate method of high-viscous fuel heating, for inland water oil-tankers, using microwaves energy. Performance and basic comparison characteristics.

УДК 621.43.74:621.793

Ю. И. Матвеев, д. т. н., профессор, ВГАВТ.

603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

ПРИЧИНЫ ПОВЫШЕННОГО ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВООЙ ГРУППЫ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПРИ РАБОТЕ НА ТЯЖЕЛЫХ СОРТАХ ТОПЛИВА

В работе приводятся результаты исследований изнашивания цилиндровых втулок и поршневых колец судовых дизелей при работе на тяжелых сортах топлива. Даны практические для снижения интенсивности изнашивания данных деталей, определяющих работоспособность и надежность эксплуатации дизелей.

От надежности эксплуатации судовых СОД зависит своевременная доставка грузов, перевозка пассажиров водным транспортом, а также эффективность работы судов. В связи с этим вопросы обеспечения работоспособности и экономичности судовых дизелей приобретают первостепенное значение. Тенденция перевода мощных дизелей отечественного производства (СДВС 6 ЧРН 36/45), а также некоторых зарубежных (СДВС 6-8 НФД 48) с дизельного на тяжелые сорта топлива существенно сказалась на увеличении объемов текущего и среднего ремонтов; увеличился расход запасных деталей ЦПГ по причине их изнашивания.

Моторное топливо является сложной смесью углеводородов, в том числе содержащих воду, соединения серы, ванадия и натрия [11, 18, 19].

Исследования показали, что преобладающую роль в изнашивании деталей ЦПГ на тяжелых сортах топлива имеют разнообразные сернистые и лаковые соединения (элементарная сера, дисульфиды, сульфокислоты, сероводород, меркаптаны, тиофе-ны, сульфиды) [6, 9, 10].

При сгорании сернистые соединения образуют 802 и 803 в зависимости от условий в камере сгорания цилиндра дизеля (давления, температуры, влажности, наличия катализаторов и др.), которые могут активизировать газовую или электрохимическую (кислотную) коррозию. Перечисленные факторы усиливают коррозионномеханический износ ЦВ и ПК [9, 17, 19].

В процессе сгорания топлива образуется большое количество водяных паров, часть которых, конденсируясь на стенках цилиндра, взаимодействует с окислами 802, БОз и образует сернистую Н2803 и серную кислоты Н2804.

Электрохимическая (кислотная) коррозия имеет место при переменных режимах работы дизеля в зонах, где темпера?ура рабочей поверхности трения ниже точки росы. Условием выпадения кислот является превышение температуры ее конденсации над температурой стенки цилиндра [9, 18, 27]. При работе судовых дизелей 6 ЧРН 36/45, 6-8 НФД 48 на моторном топливе с содержанием серы от 0.5-1.5%, температура точки росы продуктов сгорания составляет 235-245°С. Рабочая температура стенок цилиндра находится в пределах 160-200°С, а при переменных режимах работы дизеля - 120-180°С. Следовательно, выпадение кислотного конденсата неизбежно. ПК и ЦВ дизелей при наличии электролита образуют гальванические пары как между собой, так и между графитом, фосфидной эвтектикой, а внутри перлита - между цементитом и ферритом. Кроме этого, вследствие неравномерности распределения температуры на стенках цилиндра, образуются анодные участки в областях с более высокой температурой.

В работах [30] установлено, что в цилиндре дизеля диапазон концентрации кислоты наибольшей агрессивности составляет 2-20 %. Следовательно, очень важно при работе дизелей на высокосернистых сортах топлив предотвратить выпадения серного конденсата на стенках цилиндра. Необходимо, чтобы температура рабочих поверхностей ЦВ была выше температуры конденсации водяных паров.

В экспериментальных исследованиях [29] получены результаты, свидетельствующие, что максимальная температура точки росы продуктов сгорания намного превышает температуру конденсации водяных ларов и растет с увеличением нагрузки дизеля (уменьшение коэффициента избытка воздуха при сгорании) и содержании серы в топливе.

Непосредственного взаимодействия между кислотным конденсатом и парой трения (ЦВ - ПК) в большинстве случаев не происходит, т. к. рассматриваемые детали при установившемся режиме работают в условиях граничного трения.

Толщина масляной пленки между трущимися деталями ЦПГ в зависимости от применяемого смазочного масла и режима работы дизеля составляет несколько микрометров. Поскольку к трущимся поверхностям ЦВ и ПК нет непрерывного подвода свежего масла химические антикоррозионные присадки базового масла полностью не могут защитить поверхности трения от кислотной коррозии.

Поэтому в процессе работы в цилиндре дизеля нейтрализуется всего лишь часть кислотного конденсата. Так в работе [5] приводятся данные исследований, где утверждается, что кислотный конденсат беспрепятственно проникает через масляную пленку, разрушает ее сплошность, тем самым агрессивно воздействует на металл поверхности трения.

В работе [31] приводятся результаты исследований коррозионного износа ЦВ СОД, работающих на тяжелых сортах топлива. Авторами установлено, что между температурой рабочей поверхности ЦВ и интенсивностью изнашивания существует зависимость: наиболее интенсивный коррозионный износ возникает при низких нагрузках двигателя и небольших частотах вращения коленчатого вала; при переменных режимах работы двигателя, его пуске и реверсе; коррозионный износ линейно повышается по мере увеличения содержания серы в топливе; при повышении температуры

наддувочного воздуха и температуры охлаждающей воды скорость износа трущихся деталей ЦПГ уменьшается.

Наряду с кислотной коррозией в цилиндре дизеля при работе на моторном топливе имеет место ванадиевая коррозия, механизм которой заключается в том, что оксиды ванадия и его соединения с натрием являются переносчиками кислорода и ускоряют окисление металла [11]. В жидком состоянии оксид ванадия растворяет окисную пленку на поверхности металла, тем самым ускоряет кислотную коррозию.

Оксид ванадия и оксиды железа в цилиндре дизеля одновременно являются катализаторами, которые ускоряют процесс окисления 802 в 803, в результате чего вероятность образования конденсата верной кислоты Н2804 повышается.

В моторных топливах (ДТ, ДМ ГОСТ 1667-68) содержание ванадия составляет (0,005-0,015) %, наличие которого также способствует протеканию химических реакций на рабочей поверхности втулки цилиндров с образованием оксидов железа Ре203 и Ре304 [11].

Средством борьбы с электрохимической и газовой коррозией при работе дизелей на высокосернистых топливах является: применение специальных чугунов и покрытий, имеющих высокую коррозионную стойкость к агрессивным средствам; использование смазочных масел с высоким щелочным числом, обладающих достаточным запасом нейтрализующих, антиокислительных и др. свойств; введение в топливо соответствующих присадок в зависимости от механизма коррозионного процесса; замедление реакций преобразования оксидов 802 в Э03 в цилиндре дизеля. Автором работы [14] проведены исследования, где утверждается, что при вводе газообразного аммиака во всасывающий коллектор дизеля уменьшается износ деталей ЦПГ. Повышение износостойкости объясняется тем, что происходит выделение кислорода из 803.

При работе дизелей на моторном топливе усиливается абразивный износ деталей ЦПГ вследствие нагарообразования, лаковых отложений и сажеобразования в цилиндре.

Нагар лаковых отложений образуется из смол путем обогащения высококипящих фракций серой. По данным [28] содержания серы в нагаре превышает ее содержание в топливе, значительно повышается плотность и твердость нагара (при увеличении серы в топливе с 0,1 % до 1,5 % плотность нагара поднимается в 10-15 раз).

Наиболее твердой составляющей нагара является зола, которая приводит к повышенному абразивному износу деталей ЦПГ. К источникам лакообразований и нагаро-отложений относится смазочное масло. На лакообразование в большей степени влияет качество и количество подаваемого масла на трущиеся детали ЦПГ, а также температурный режим дизеля. Скорость увеличения толщины нагара уменьшается со временем, и через 150-180 ч. работы дизеля достигается равенство скоростей образования и удаления нагара [6].

Вопросу изучения абразивного изнашивания деталей машин, в том числе и ЦПГ, посвящено большое количество работ известных ученых [15, 22, 24, 25]. Снижение абразивного изнашивания деталей ЦПГ дизелей может проводиться в следующих направлениях:

совершенствование топливоподготовки (сепарация, подогрев тяжелых сортов топлива и др.) и улучшение сгорания топлива в цилиндре совершенствованием топливной аппаратуры;

ввод в топливо и масло специальных присадок, уменьшающих скорость нагаро-образоваиия и лаковых отложений;

работа двигателя на оптимальных режимах;

применение материалов и покрытий повышенной износо- и коррозионной стойкости.

Одним из мало изученных видов износа, возникающих при работе пары трения ЦВ-ПК, является водородное изнашивание [4, 12, 21].

Большое количество экспериментальных данных подтверждает влияние на изнашивание металлических поверхностей водорода, выделение которого при разложении молекул масла, воды, топлива усиливаются при трении [16, 21, 23, 26]. Рассматривая особенности водородного изнашивания деталей ЦПГ, следует учитывать, что в объеме смазки, в граничных слоях и на поверхности трения водород может существовать в трех формах: в виде ионизированного атома-протона Н+, атомарного Н и молекулярного Н2 водорода. Водород присутствует в различных соединениях, но выделяться из них он может в виде Н+ [8]. Важным фактором, способствующим выделению Н+, является попадание дипольной группы (ОН или СООН) на границу раздела сред. Так, адсорбция молекул спиртов, жирны* кислот и неполярной среды на твердой поверхности сопровождается обрывом Н+, направленного в сторону более полярной среды, следствием чего может стать положительный потенциал ее поверхности [7]. Этот процесс усиливается разными видами трения. Возникшие протоны водорода имеют чрезвычайно малые размеры (10-15 м). Они проявляют высокую поляризующую активность, вследствие чего в активном состоянии находятся лишь в течение малого времени (10~12 с) [8] и образуют ассоциаты с дипольными молекулами. В центре таких ассоциатов, находятся ионы, представленные молекулой СН+ оксониевого типа, с одной стороны, и противоионы в виде молекул, утративших Н+ - с другой.

Переход Н+ в более устойчивое электронейтральное состояние может происходить при рекомбинации противоионов. Когда протоносодержащая частица приближается к поверхности происходит нейтрализация свободными электронами е~ электронного облака металлической поверхности. Такое превращение идет в граничном

слое с выделением энергии Е = 13,6 эВ = 2,18-10~!8 Дж, Нь + е- Н+Е [26]. Атом водорода обладает высокой проникающей способностью в отношении твердой фазы поверхностных слоев трущейся поверхности, которая стимулируется градиентами их концентрации, температуры, давления [1, 2, 3, 20].

Взаимодействие атомарного водорода с поверхностью может сопровождаться следующими процессами:

проникновением Н в материал, гидрадизацией последнего и охрупчиванием;

взаимодействие водорода с составляющимй сплавов и примесями;

образованием Н2 при соударении атомов Н и образовании ковалентной связи.

Водород, окисляясь, может создавать воду:

Н2 + 0,5 02 => Н2 О + 4,9-10"19 Дж.

Во всех трех моментах превращение водорода сопровождается выделением тепла, которое стимулирует химические и физические превращения на поверхности и в верхних слоях трущейся поверхности.

Химические и физические несовершенства поверхности трения наиболее активны в отношении разрушения и изнашивания. Таким образом, Н* как родоначальник цепочки превращений является наиболее энергичным. Атом водорода становится главным фактором процесса Н-изнашивания, вызываемого энергетикой процессов, локализующихся на поверхности трения. Проходящие явления характеризуются цикличностью и самовоспроизводимостью при граничном трении на трущихся поверхностях деталей ЦПГ. Следствием этого является увеличение концентрации водорода в приповерхностных слоях ЦВ, ПК, которое может приводить к повышенному их износу.

Анализ работы пары трения ЦВ - ПК, учитывая температурные поля, удельные нагрузки, цикличность, внутренние напряжения и др., а также аналитический обзор работ исследователей [13, 16, 23] позволили установить, что в большей степени среди деталей ЦПГ СОД водородному изнашиванию подвергаются поршневые компрессионные кольца.

Для снижения водородного износа при граничном трении авторы в своих работах дают следующие рекомендации [12, 23,26]:

необходимо ограничивать использование в смазочных материалах добавок, молекулы которых содержат дипольные группы с концевым водородом и проводить подбор полярных добавок к смазкам, которые бы связывали оксониевые ионы в ассоциа-ты и с предотвращением возникновения свободных атомов Н;

подбирать добавки к материалу трущейся поверхности, чтобы они блокировали действие водорода (хром, титан, ванадий и др.);

подавать на трущуюся поверхность положительный энергический потенциал для отталкивающего воздействия на Н*, чтобы его нейтрализация происходила в объеме смазки.

Проведенный анализ и обзор работы и причин изнашивания деталей ЦПГ дизелей позволили установить:

на трущихся поверхностях втулок цилиндров и поршневых колец во время работы дизеля наблюдаются и протекают сложные процессы разрушения поверхностных слоев трения;

из рассмотренных вариантов повышения и износостойкости деталей ЦПГ особое внимание следует уделять новым износо- и коррозионностойким материалам и покрытиям с учетом существующих прогрессивных упрочняющих технологий.

Поэтому для повышения ресурса деталей ЦПГ судовых дизелей, в особенности работающих на тяжелых сортах топлива, до нормативных значений необходимо применять также методы, способные восстанавливать работоспособность изношенных поверхностей.

Список литературы

[1] Аксенов А.Ф., Назаренко П.В., Макарин А.Н. Исследование влияния водорода на упругопластические деформации и характеристики внешнего трения титанового сплава ВТЗ-1 // Трение и износ. - 1982. - Т. 3. -№ 1. - С. 13-17.

[2] Белл Р. Протон в химии. - М.: 1977. - 158 с.

[3] Белоглазов С.М. Наводороживание стали при электрохимических процессах. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1975.-410 с.

[4] Беспрозванных J1.B., Федорущенко A.A. Исследование водородного износа сталей. - В кн.: Трибоника и антифрикционное материаловедение. - Новочеркасск: НПИ, 1980. - 257 с.

[5] Болезин С.Д., Солодкин И.С. и др. Коррозия азотированной стали продуктами сгорания сернистого топлива // Сб. "Борьба с коррозией двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок". - М.: Машгиз, 1961. - С. 62-69.

[6] Большаков В.Ф. Исследование работы судового малооборотного дизеля на моторном топливе ДТ-1. "Техническая эксплуатация морского флота" // Инф. сборник. ЦНИИМФа. - Вып. 119,

- 1964.-С. 44-59.

[7] Бронштейн Л.А., Фурман А.Я., Широкова Г.Б., Шехтер Ю.Н. // Трение и износ, 1985. - Т. 6,

- № 2. - С. 301.

[8] Бронштейн Л.А., Шехтер Ю.Н., Фурман А.Я., и др. Трение, износ и смазочные материалы: Тр. межд. научн. конф. - Ташкент, 1985. - Т.2. - С. 94.

[9] Гембом Б.Б. Механизм влияния серы на износ цилиндров двигателей внутреннего сгорания. В кн. "Борьба о коррозией двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок". - М.: Машгиэ, 1961. - С. 81-88.

[10] Григорьев М.А., Павлинский В,М., Бунаков В.М. Соотношение износов, вызванных различными эксплуатационными факторами, в общем износе цилиндров двигателей // Автомобильная промышленность. - 1975. - №3. - С. 3-5.

[11] Гулин Е.И., Сомов В.А., Чечет И.М. Справочник по горюче-смазочным материалам в судовой технике. - Л.: Судостроение, 1981. - 320 с.

[12] Защита от водородного износа в узлах трения / под ред. A.A. Полякова и др. - М.: Машиностроение, 1980. - 136 с.

[13] Крагельский И.В., Добычин М.Н. Основы расчета на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 123 с.

[14] Лосинов Б.В. и др. Применение "нетрадиционных" веществ в двигателях, работающих на высокосернистых дизельных топливах // Сб. "Борьба с коррозией двигателей". - М.: Машгиз, 1962.-С. 77-85.

[15] Матвеев Ю.И., Тренин В.Ф. Исследование износостойкости цилиндровых втулок судовых дизелей 6ЧРН36/45 // Тр. ГИИВТ. - 1987. - Вып. 228. - С. 67-74.

[16] Матюшенко В.Я., Соловей Н.Ф., Тороп В.В. Водородный износ ЦПГ ДВС // Трение и износ. - 1987.-Т. 8.-№ 3. - С. 541-545. *

[17] Мишин И.А. Долговечность двигателей. - Л.: Машиностроение, 1976. - 288 с.

[18] Семенов B.C. Теплонапряженность и долговечность цилиндро-поршневой группы судовых дизелей. - М.: Транспорт, 1977. - 182 с.

[19] Семенов B.C., Трофимов П.С. Долговечность цилиндро-поршневой группы судовых дизелей. - М.: Транспорт, 1969. - 215 с.

[20] Симаков Ю.С., Поляков A.A. Физико-химические процессы на фрикционном контакте, приводящие к образованию водорода // ФХММ, 1978, № 1. - С. 27-33.

[21] Соловей Н.Ф. Влияние наводороживания на износостойкость трущихся деталей ДВС и разработка методов его устранения: дис. канд. техн. Наук. - Гомель: 1985. - 180 с.

[22] Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абразивном изнашивании - М.: Машиностроение, 1966. -331с.

[23] Тороп В.В., Матюшенко В.Я., Соловей Н.Ф. Связь водородосодержания с износостойкостью поршневых колец ДВС // Долговеч. трущ. деталей машин. - 1990. - № 4. - С. 205-208.

[24] Тренин В.Ф., Матвеев Ю.И., Клюшина Е.А. Исследование кавитационной и коррозионной стойкости плазменных покрытий для цилиндровых втулок судовых дизелей // Тр. ГИИВТ. -1988.-Вып. 233.-С. 3-13.

[25] Фофанов Г.А. Влияние износа деталей цилиндро-поршневой группы на показатели работы дизеля 2Д100 // Вестник ВНИИЖТа. - 1966. - № 4. - С. 32.

[26] Шпеньков Г.П. Физико-химия трения (применительно к избирательному переносу и водородному износу). - Минск: Изд-во БГУ им. В.И. Ленина, 1978. - 214 с.

[27] Энглиш К. Поршневые кольца. - Т. 2. - М.: Машгиз, 1963. - 365 с.

[28] Broeze J.J. and Wilson A. Sulphur in Disel Fuels. Autom. Engr. 39 (149). S., 118/23.

[29] Muller P. Taupunkt temperatur in Zylider Von Diesel maschinen bei schwefelhaltigen Kraftoffen, VDI-Forschungsheft, 486, 1961.

[30] Simonetti G. Usura per covrosione delle camice cilindro dei motori. Diesel di medio e grande diámetro che brucia no hafte do caldaie mezzi per eliminarld “La Termotechnica”

[31] Sulzer Technical Review, 1986, 63, N 3, 24-28, 1988, 70, N 2, 6.

THE REASONS OF THE INCREASED WEAR OUT OF DETAILS OF CYLINDER-PISTON GROUP OF SHIP MEDIUM-SPEED DIESEL ENGINES AT WORK ON HEAVY FUELS

Y. I. Matveev

The results of the researches of wear process of cylinder cartridges and piston rings of ship diesel engines at work on heavy fuels ate given in the work. Practicals for reduction in intensity of wear process of the given details determining serviceability and reliability of the operation of diesel engines are shown.