CC BY
65
УДК 629.47:658.2
С. М. Овчаренко, В. А. Минаков
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ДИЗЕЛЯ ТИПА Д49
Приводятся результаты исследования закономерностей изнашивания деталей цилиндро-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма дизеля типа Д49. Полученные результаты необходимы для разработки безразборного способа диагностирования тепловозного дизеля по результатам спектрального анализа моторного масла.
Задача безразборной оценки технического состояния такого узла тепловоза, как дизель, приобрела актуальность с момента начала его эксплуатации. Крупные виды ремонта при реализации планово-предупредительной системы технического обслуживания и ремонта локомотивов в основном ориентированы на восстановление выработанного ресурса деталей ци-линдро-поршневой группы (ЦПГ) и кривошипно-шатунного механизма (КШМ) дизелей. Именно детали этих групп в значительной степени подвержены динамическим и тепловым нагрузкам, что приводит к их интенсивному изнашиванию. Наметившаяся тенденция совершенствования системы технического осмотра и ремонта локомотивов, ориентированная на сокращение издержек финансовых ресурсов, затрачиваемых на поддержание установленного уровня надежности работы локомотивов, предусматривает максимальное использование заложенного ресурса дизеля [1, 2]. Опыт многолетней эксплуатации тепловозов показывает, что с точки зрения надежности работы каждый дизель имеет сои особенности, в конечном итоге проявляющиеся в виде наработки до отказа. Параметры эффективной системы ремонта должны соответствовать текущему уровню надежности работы эксплуатируемых технических объектов, в частности тепловозных дизелей. Предполагается, что индивидуальный подход к определению межремонтных сроков эксплуатации дизелей позволит значительно сократить затраты. Реализация системы ремонта по техническому состоянию предполагает наличие эффективных методов диагностирования. Применительно к тепловозному дизелю речь идет о методе оценки степени износа деталей ЦПГ и КШМ. В настоящее время наиболее перспективным тепловозным дизелем считается дизель типа Д49 (ЧН 26/26). Этот дизель устанавливается на такие серии тепловозов, как ТЭ116, ТЭП70, ТЭП70БС, 2ТЭ70, ТЭМ7, ТГМ6, 2ТЭ25К, и при модернизации - на тепловозы серии ТЭМ2, ЧМЭ3, ТЭ10.
Одним из методов безразборной оценки технического состояния дизеля в процессе эксплуатации (степени износа деталей ЦПГ и КШМ) является метод, основанный на анализе текущих значений концентрации продуктов изнашивания в моторном масле. В настоящее время известны по крайней мере два подхода к оценке технического состояния дизеля с использованием результатов спектрального анализа моторного масла. Первый основан на реализации вероятностного алгоритма, второй - на установлении зависимостей между количеством изношенного металла с деталей и изменением их геометрических размеров. В данной статье приводятся результаты исследования закономерностей износа деталей цилиндро-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма дизельного двигателя типа Д49, позволяющие установить эти соотношения [3].
Цикличность действия сил в деталях дизеля, определяемая законом изменения давления газов в рабочей камере, приводит к формированию устойчивой формы износа деталей. На рисунках 1 - 3 представлены диаграммы сил, действующих на поршневой палец, бронзовую втулку вставки поршня, шатунную и коренную шейки в зависимости от угла поворота коленчатого вала а и угла отклонения шатуна р.
№ 3(15) ЛЛИ О ИЗВЕСТИЯ Транссиба 55
=2013 ■
На основании соответствующих векторных диаграмм получают диаграммы износа, которые позволяют с большой надежностью определять места подвода смазки и устанавливать участки рабочих поверхностей, подвергающихся наибольшему износу. С целью теоретического обоснования характера износа контролируемых деталей был выполнен динамический расчет дизеля, построены векторные диаграммы сил и диаграммы износа контролируемых деталей.
Для подтверждения адекватности полученных моделей проведены исследования формирования геометрических характеристик деталей в процессе эксплуатации.
В качестве исходной информации использованы результаты обмера деталей ЦПГ и КШМ, проводимого при выполнении крупных видов ремонта, связанного с полной разборкой дизеля.
Для подтверждения адекватности полученных моделей проведены исследования формирования геометрических характеристик деталей в процессе эксплуатации. В качестве исходной информации использованы результаты обмеров деталей ЦПГ и КШМ, проводимые при выполнении крупных видов ремонта, связанного с полной разборкой дизеля. Обмеры проводились по схемам, рекомендованным заводами изготовителями дизелей. Например, обмер цилиндровой втулки проводился в трех поясах и двух взаимно-перпендикулярных плоскостях: «по валу»- в плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала, и «по ходу» -в плоскости, проходящей через ось коленчатого вала и оси цилиндровой втулки (рисунок 4).
Для анализа формы и интенсивности износа цилиндровых втулок, поршневых пальцев, коренных и шатунных шеек дизельного двигателя Д49 были взяты под контроль пять дизелей типа Д49 (№1066, 1862, 781, 208, 1685) локомотивов серии 2ТЭ116, которые находились под наблюдением с начала эксплуатации до первого планового ремонта ТР-3.
Рисунок 1 - Векторная диаграмма сил, действующих на поршневой палец
Рисунок 2 - Векторная диаграмма сил, действующих на бронзовую втулку вставки поршня
Рисунок 3 - Векторная диаграмма сил, действующих на шатунную шейку
56 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(15) 2013
- _ = _Ш
В результате обработки исходных данных установлены средние значения износа по местам обмера контролируемых деталей дизеля. По полученным средним значениям износа определены уравнения, описывающие характер и тип износа по длине рассматриваемой детали (таблица 1).
Наличие случайных факторов оказывает влияние на отклонение величины износа относительно ожидаемого значения. Для анализа и оценки геометрических характеристик изнашивания и обеспечения однородности массива данных параметры контролируемых деталей приводились к наработке 105 км. Следует заметить, что значения износа втулок различных дизелей (рисунок 5) в плоскостях «по ходу» и «по валу» имеют разницу, не превышающую 10 мкм.
Анализируя характер износа цилиндровых втулок дизеля Д49 (см. таблицу 1), можно сделать вывод о том, что износ в плоскости «по валу» происходит менее интенсивно, чем в плоскости «по ходу», т. е. в плоскости перекладки поршня, а действие газовых сил формирует максимальный износ в верхней мертвой точке положения поршня (ВМТ).
Таблица 1 - Результаты обмера цилиндровых втулок дизеля (мм-10-2)
Рисунок 4 - Схема обмера и износ цилиндровой втулки
Обмер радиуса
Номер дизеля Плоскость в плоскости Уравнение
обмера I II III
1066 Х 4,46 3,28 2,41 Л(х)= -4Е-9Ь2 - 44^-61+130,044
В 4,43 2,81 1,56 Л(в)= -11Е-9Ь2 - 59,5Е-6Ь+130,044
1862 Х 4,51 3,15 2,06 Л(х)= -2Е-8Ь2 - 5Е-5Ь+130,05
В 4,21 2,68 1,37 Я(в)= -3Е-8Ь2 - 5Е-5Ь+130,044
781 Х 4,53 3,06 1,84 Я(х)= -21Е-9Ь2 - 4,8Е-5Ь+130,047
В 4,25 2,53 1,37 Л(в)= 8Е-9Ь2 - 6,9Е-5Ь+130,045
208 Х 4,51 3,18 2,15 Я(х)= -12Е-9Ь2 - 4,7Е-5Ь+130,045
В 4,15 2,65 1,41 Я(в)= -19Е-9Ь2 - 5,3Е-5Ь+130,041
1685 Х 4,53 3,28 2,31 Л(х)= -10Е-9Ь2 - 4,5Е-5Ь+130,045
В 4,28 2,71 1,53 Л(в)= -9Е-9Ь2 - 5,7Е-5Ь+130,042
Пр_имеч_а_ние. Ь - высота ЦВ, мм.
Поршневой палец является осью качания шатуна в соединении с поршнем. Через поршневой палец передаются все силы, возникающие между поршнем и шатуном. К этим силам относятся сила инерции, возникающая при изменении направления движения поршня, сила давления сжимаемой в цилиндре двигателя воздушнотопливной смеси или воздуха в дизельном двигателе при сжатии и, главное, сила давления расширяющихся газов во время рабочего такта. С целью определения интенсивности и геометрии износа поршневых пальцев произведен обмер по схеме рисунка 6 по пяти дизелям.
№203(;5) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 57
130,048
мм 130,038
Я
* —^ ' и Л \PNtW1 Ч - .
У ^ -Ч ** • ,»
ж .....'
чх. 4 N. ** •
1 53 105 157 209 261 313 365 мм 469
Ь -►
01066(х) □ 1066(в) Д1862(х) X 1862(в) Ж781(х) 0781(в) +208(х) =208(в) =1685(х) 01685(в)
Рисунок 5 - Изменение среднего значения радиуса внутреннего диаметра втулки по ее высоте
Анализ полученных значений изнашивания по местам обмера показал, что отклонение в двух взаимно перпендикулярных плоскостях незначительны и следовательно, можно утверждать, что палец изнашивается равномерно. Данное утверждение следует из конструкторских особенностей поршневого пальца, так как конструкция "плавающего типа" предполагает непрерывный проворот поршневого пальца вокруг своей оси и, как следствие равномерное изнашивание по окружности. Что же касается геометрии изнашивания поршневого пальца по его длине, то в результате исследований установлено существенное различие величины дтаметра в поясах II и III от значений в поясах I и IV.
Рисунок 6 - Схема обмера и износа поршневого пальца
Характер геометрии износа всех рассматриваемых пальцев по длине идентичен и хорошо описывается уравнением второго порядка (таблица 2).
Подобные исследования проведены для всех контролируемых деталей ЦПГ и КШМ тепловозного дизеля типа Д49.
Для расчета объема металла, изношенного с цилиндровых втулок дизеля, и в дальнейшем значения концентрации продуктов износа в моторном масле предложены выражения.
Расчет изношенного объема металла с ЦВ в плоскости «по ходу»:
¡XV [/(1(х)) • £ - (Лп + 1пх)] [/(I(у))£ - (Лп + П)]
=.1о -2--2-^
где XV - длина отрезка износа втулки в плоскости «по валу», мм;
58 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 3(15) 2013
= _
Он - начальный внутренний диаметр втулки, мм;
/нх - начальный износ втулки в плоскости «по ходу», мм;
1пу - начальный износ втулки в плоскости «по валу», мм;
/ (/^ ^) - функция изменения износа по длине втулки в плоскости «по ходу», мм; / (/^ - функция изменения износа по длине втулки в плоскости «по валу», мм. Расчет изношенного объема металла с ЦВ в плоскости «по валу»:
= =
Хх [/(/(х))Ь - (Он + /нх)] [/(/(У))Ь - (Он + /нх)]
ж- ёЬ,
XV
(2)
где Хх - длина отрезка износа втулки в плоскости «по ходу», мм. Суммарное значение изношенного металла с ЦВ:
2
V = V
V -ж-
Он
-Хх.
4
(3)
Таблица 2 - Показатели износа поршневого пальца
Номер дизеля
Сто р°-
нао бме ра
Яг
(м м-1
0-2)
Яп
(мм-10-2)
Яш (мм-10-2)
ЯП
(мм^ 10-2)
Описывающее уравнение
График износа
66
Х
В
1,7 81
3,71 8
3,71 8
1,75 1
Я(х) = 4,92е-6 Ь2 -1226е-6Ь+94,996
1,7 51
3,71 8
3,65 6
1,75 1
Я(в) = 4,92е-6 Ь2 - 122е-7Ь+94,996
1862
Х
В
1,9
37
3,59 3
3,50 5
1,68 7
Я(х) = 4,44е-6 Ь2 - 108е-5Ь+94,989
1,8 75
3,46 8
3,46 8
1,59 3
Я(в) = 4,44е-6 Ь2 -108е-5Ь+94,991
781
Х
В
1,7 81
3,62 5
3,62 5
1,81 2
Я(х) = 4,68е-6 Ь2 -117е-5Ь+94,995
1,7 18
3,65 6
3,65 6
1,73 6
Я(в) = 4,96е-6 Ь2 - 124е-5Ь+94,998
208
Х
В
1,8 12
3,31 2
3,34 3
1,84 3
Я(х) = 3,84е-6 Ь2 - 96е-5Ь+94,989
1,8
43
3,40 6
3,40 6
1,84 3
Я(в) = 4е-6 Ь2 -
101е-
5Ь+94,989
1685
Х
В
1,5
93
3,53 1
3,50 6
1,59 3
Я(х) = 4,92е-6 Ь2 -123е-5Ь+95,001
1,6 56
3,53 1
3,50 6
1,59 3
Я(в) = 4,84е-6 Ь2 -121е-5Ь+94,998
№ 0(15) ЛЛИ О ИЗВЕСТИЯ Транссиба 59
=2013 ■
По предложенным уравнениям был рассчитан объем изношенного метала с цилиндровых втулок дизеля. Как показали результаты расчета, разница расчетного значения объема металла, изношенного с цилиндровых втулок каждого дизеля и приведенного к пробегу 105 км, составляет около 7 % (рисунок 7).
е
з
и
д
р
е м о Н
№ 1685
№ 208
№ 781
№ 1862
№ 1066
Основной Основной Основной Основной Основной Оснмомв3ной Основной
V -►
- объем изношенного металла; ■ - разница изношенного металла
Рисунок 7 - Объем изношенного металла с цилиндровых втулок дизеля
За основу расчета изношенного металла рассмотрим формулу вычисления объема тела вращением:
V = я£/ 2( х)<х,
(4)
где а, Ь - пределы интегрирования;
/ 2(х) - функция, описывающая поверхность тела.
Преобразовав уравнение (4) к расчету объема поршневого пальца, получим:
V () = ж\1о/ 2( Ь) <Ь, (5)
где Ь - длина пальца;
/ 2(Ь) - функция описывающая поверхность пальца после наработки. Как говорилось ранее, поршневые пальцы дизеля Д49 относятся к типу плавающих, и по результатам обмера разница диаметра в двух перпендикулярных плоскостях не превышает сотой доли миллиметра, но для получения максимально точных вычислений этой разницей решено не пренебрегать. Объем металла, изношенного с поршневого пальца, рассчитывается
как по плоскости «хода2» поршня, так и относительно «вала» дизеля поршня по формуле, мм3:
н
^бщ =2 - ^ -Е V(/,),
1=1
(6)
н
где Е V(/) - сумма объемов износа относительно «хода» поршня и «вала» дизеля, откуда
г=1 1
начальный объем пальца до ввода в эксплуатацию
Хнач = Ж- Г2 - Ц (7)
здесь Ь и Я - длина и ражиус пальца.
Преобразовав уравнения (1) - (7), получили обобщенную формулу для расчета изношенного метала с поршневых пальцев дизеля после наработки локомотива:
| (( / 2( Ьх )) +1 ( / 2( Ьв )))<Ь ' 0 -,, (8)
^щ = 520ж- г2 - 2ж-0-
2
60 ИЗВЕСТИЯ Транссиба
№ 0(15) 2013
где / (Ьх) и / (Ьв) - уравнения, характеризующие износ пальца «по ходу поршня» и «по валу».
Расчет объема изношенного металла с пальцев шатунов дизеля отображен на рисунке 8.
Номер дизеля ►
Рисунок 8 - Объем изношенного метала с поршневых пальцев дизеля
Так как все контролируемые детали дизеля имеют форму вала или цилиндра, то полученные выражения применимы для расчета объема металла, изношенного с деталей. Таким образом, в результате исследований установлены закономерности изнашивания контролируемых деталей по поясам и плоскостям обмера и предложены уравнения, позволяющие оценить объем металла, изношенного с деталей в процессе эксплуатации, что позволяет по значению концентрации продуктов износа в моторном масле безразборным способом оценить степень износа деталей.
Список литературы
1. Пушкарев, И. Ф. Контроль и оценка технического состояния тепловозов [Текст] / И. Ф. Пушкарев, Э. А. Пахомов. - М.: Транспорт, 1985. - 160 с.
2. Нестеренко, И. Ф. Исследование и разработка метода оценки технического состояния судового дизеля [Текст]: Автореф дис ... канд. техн. наук / И. Ф. Нестеренко, 1972. - 24 с.
4. Чанкин, В. В. Спектральный анализ масел в транспортных двигателях и методы контроля их состояния без разборки [Текст] / В. В. Чанкин. - М., 1967. - 84 с.
УДК 629.488
Ю. А. Петухов, Е. И. Сковородников, Д. Э. Тиссен
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ РАСХОДА ТОПЛИВА НА МАНЕВРОВЫЕ И ХОЗЯЙСТВЕННЫЕ РАБОТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БОРТОВЫХ СИСТЕМ
В статье предложен метод контроля расхода топлива на маневровые и хозяйственные работы с использованием бортовых систем. Получены первые результаты по оценке эффективности использования данного метода в ходе эксперимента на станции Омск - Пассажирский.
Стратегия ОАО «РЖД» на перспективу до 2030 года направлена на снижение удельных затрат топливно-энергетических ресурсов при обеспечении перевозочного процесса.
В настоящее время норму расхода топлива на маневровую работу устанавливают опыт-
№ 0(15) 2013
ИЗВЕСТИЯ Транссиба 61
