CC BY
70
УДК 629.113.004.67
Мифтахов Т.М., Мифтахов М.Н.
Набережночелнинский институт Казанский (Приволжский) федеральный университет E-mail: [email protected]
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА МАСЛА К ТУРБОКОМПРЕССОРУ ТКР 7Н-1 НА ЕГО ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Приведены данные по изучению потока масла в турбокомпрессоре ТКР 7Н-1 и выявлены основные факторы, влияющие на эффективность и надежность работы данного типа турбокомпрессора. Ключевые слова: турбокомпрессор ТКР 7Н-1, подшипниковый узел, поток масла.
Отказы турбокомпрессора (ТКР) занимают около 7% от общего числа отказов дизельного автомобильного двигателя, а затраты на устранение отказов составляют 12% [1]. Турбокомпрессор является высокотехнологичным и точным узлом, его ремонт в условиях автотранспортных предприятий или станций технического обслуживания затруднителен. В связи с этим представляет особый интерес поиск эффективных способов повышения надежности работы турбокомпрессора ТКР 7Н-1, который в настоящее время установлен на подавляющем большинстве автомобилей КАМАЗ.
При работе дизельного двигателя автомобиля КАМАЗ на режимах максимального крутящего момента наблюдается неустойчивая работа и часто происходит отказ ТКР из-за перегрева и деформации корпуса подшипника.
Известны способы повышения надежности ТКР дизельных автомобильных двигателей, включающие:
- организацию независимой системы смазки турбокомпрессора, оснащенной автономным масляным насосом;
- установку устройства, позволяющего автоматически останавливать двигатель («турбо-таймера»);
- организацию жидкостного охлаждения корпуса подшипников;
- дополнение системы смазки гидроаккумулятором, способным запасти необходимое количество масла и подать его в нужное время независимо от масляного насоса двигателя.
Все вышеперечисленные способы сопряжены с ощутимыми финансовыми затратами, связанными с приобретением и установкой на двигатель дополнительны устройств.
В работах [2]-[4] показано, что причиной является недостаточное количество прокачиваемого через ТКР масла. Авторами в работах [5], [6] предложен более эффективный метод повышения надежности турбокомпрессора ТКР 7Н-1 путем модернизации его подшипникового узла.
В качестве объекта исследований использовался турбокомпрессор ТКР 7Н-1 с серийным подшипниковым узлом.
В конструкции серийного ТКР при непосредственной подаче масла в пустотелую полость подшипника, происходит гидродинамическое трение с выделением большого количества тепла. Дополнительная полость в подшипнике длиной 22 мм является гидродинамическим тормозом для ротора серийного турбокомпрессора. При этом значительная часть энергии вращения ротора затрачивается на преодоление сил внутреннего трения масла, которая превращается в тепло, в результате чего снижается КПД турбокомпрессора. Методы определения механических потерь и КПД турбокомпрессоров описаны авторами работы [7], в которой приводятся данные о величине потерь до 2 кВт. Наиболее доступным является калориметрический метод, основанный на измерении перепада температур масла до и после узла подшипников.
В работе [8] показано, что вследствие ос-цилляций давления масла в смазочной системе (рисунок 1) режим течения масла в полости втулки подшипника ТКР является турбулентным, сопровождающимся гидравлическими ударами и кавитацией.
Подтверждением высокой турбулентности и несплошности масляного потока внутри полости является наличие кавитационных разрушений на валу в полости втулки подшипника (рисунок 2), причем в зоне работы самих
Технические науки
Транспорт
цапф аналогичных следов кавитации не обнаруживается.
С целью изучение природы указанных процессов была проведены экспериментальные исследования. Решалась задача исследований параметров ТКР и двигателя с изменением давления подвода масла к подшипниковому узлу при использовании установки автономной подачи масла к ТКР. Назначением автономной системы подачи масла к ТКР является создание различного давления масла на входе в ТКР.
Изучение характера течения масла в смазочных слоях маслораспределительной камеры моновтулки подшипникового узла турбокомпрессора ТКР 7Н-1 в зависимости от скорости вращения, температуры и вязкости, давления подачи масла турбокомпрессор [9], [10] проводилось устройством измерения гидродинамического давления, схема которого показана на рисунке 3. Использовалась гипотеза образования пузыря возле поверхности вала, где давление и торможение вала меняется из-за отрыва масла от вала.
В ходе испытаний двигателя с автономной системой подачи масла к турбокомпрессорам ставилась задача обнаружения режимов, при которых это происходит, а также исследование влияния отрыва на параметры ТКР. Для измерения давления масла в ТКР и изучения характера течения масла в смазочных слоях масло-
распределительной камеры моновтулки под-р,
шипникового узла турбокомпрессора ТКР 7Н-1 применено устройство измерения давления масла во внутренней полости подшипника, показанное на рисунке 4.
Испытания проводились в два этапа: в непосредственной близости зондирующей трубки к поверхности вала и на удалении от вала на 8=1,5 мм. Расстояние 8 от поверхности вала ротора до наконечника трубки устанавливается регулировочными шайбами, приближая или отдаляя от поверхности вала торец наконечника.
Эксперименты проводились на режиме внешней скоростной характеристики двигателя: при номинальной частоте (п=2600 мин-1), на промежуточных режимах (п=2190 мин-1, п=1805-1810 мин-1), на режиме максимального крутящего момента (п=1430-1500 мин-1) и минимально возможных под нагрузкой (п=1180—1230 мин-1). На каждом режиме последовательно изменялось давление подачи масла к ТКР при помощи автономной системы подачи масла от 0,7 до 0,2 МПа.
Параметры двигателя и турбокомпрессора, измеренные при разных режимах работы двигателя, приведены в таблице 1.
В начале на прогретом и остановленном двигателе при работающей автономной системе подвода масла к ТКР при температуре масла на выходе из ТКР равной 92 °С оценили величину гидравлических потерь давления в подводящих
10П аш &0 400 500 №0 700 {00 900 < >г
Рисунок 1. Давление масла в ДВС на входе в подшипник турбокомпрессора (режим внешней скоростной характеристики при п = 2200 мин-1)
Мифтахов Т.М., Мифтахов М.Н.
Влияние параметров потока масла к турбокомпрессору...
трубопроводах: при давлении на выходе из автономной системы 1,0 МПа внутри полости подшипника фиксировалось давление 0,9 МПа, то есть потери давления составляют порядка 10%.
Это свидетельствует о том, что снижение давления внутри полости подшипника (таблица 1) имеет другую природу. Из представленных данных видна постоянная большая разница давлений масла подводимого и внутри полости, а также отсутствие давления внутри полости при определенных давлениях и режимах
Таблица 1. Параметры двигателя и ТКР с автономной системой подачи масла (при минимальном зазоре Б)
№ опыта п, мин"1 Тем-ра масла в ДВС, °С Давление масла в ДВС, кгс/см2 Давление масла в автономной системе, МПа Давление масла в подшипнике ТКР, МПа Наддув, кгс/см 2 Тем-ра масла на выходе из ТКР, °С
1 2600 90 5,0 0,7 0,3 0,82 105,8
2 2600 93 5,0 0,6 0,2 0,85 112,1
3 2600 96 5,0 0,5 0,15 0,84 114,7
4 2600 98 4,9 0 4** 0 0,83 115,1
5 2600 99 4,9 0,3** 0 0,85 129,3
6 2600 100 4,9 0,2** 0 0,83 129,1
7 2190 90 4,9 0,7 0,3 0,67 125,2
8 2190 91 4,9 0,6 0,25 0,67 126,9
9 2190 92 4,8 0,5 0,2 0,66 129,1
10 2190 93 4,8 0,4 0,15 0,68 132,3
11 2180 94 4,8 0,3 0 0,67 135,3
12 2180 95 4,8 0,2 0 0,66 139,1
13 1805 94 4,6 0,6 0,25 0,5 129,1
14 1810 94 4,6 0,5 0,2 0,5 131,3
15 1805 93 4,6 0,4 0,15 0,51 134,7
16 1805 93 4,6 0,3 0 0,51 136,6
17 1805 93 4,6 0,2 0 0,51 139,5
18 1430 95 4,3 0,7 0,4 0,25 111,8
19 1475 93 4,3 0,6 0,3 0,28 113,1
20 1480 90 4,4 0,5 0,22 0,28 115
21* 1500 89 4,4 0,4 0,1 0,3 116,8
22 1500 88 4,4 0,3 0 0,3 119,2
23 1500 87 4,5 0,2 0 0,3 123,8
24 1230 84 4,2 0,7 0.47 0,14 109,4
25 1250 84 4,3 0,6 0,35 0,15 110,4
26 1180 80 4,3 0,5 0,25 0,11 108,2
27 1180 78 4,3 0,4 0,2 0,11 108,5
28 1180 76 4,3 0,3 0,1 0,12 108,3
29 1190 75 4,4 0,2 0 0,12 108,2
ч ^Г"^ I _
Рисунок 2. Кавитационные разрушения на валу в зоне полости втулки подшипника
Технические наУки
Транспорт
ДВС. Уменьшение давления масла в полости подшипника до нуля подтверждает гипотезу отрыва масла с поверхности вала ТКР. Отсутствие отрыва при увеличенных давлениях объясняется задавливанием пустот. Отрыв на более низких уровнях подводимого давления при малых оборотах двигателя объясняется снижением частоты вращения вала ротора и величины центробежных сил, действующих на масло.
При снятии параметра по наддуву за ТКР визуально фиксировались колебания величины избыточного давления в диапазоне 0,82-0,85 кгс/см2 на режимах, отмеченных (**) при п=2600 мин-1, что косвенно подтверждает неравномерность частоты вращения ротора (раскрутка и замедление) вследствие охвата или отрыва масла с поверхности вала ротора.
При п=1430-1500 мин-1 на режимах максимального крутящего момента, отмеченных (*), на сливе масла из ТКР отмечались пульсации в виде нарастающего и уменьшающегося потока, что также косвенно подтверждает неравномерность частоты вращения ротора (раскрутка и замедление).
Из анализа полученных данных, приведенных в таблицах 1, следует, что на всех режимах работы двигателя при понижении давления масла в автономной системе происходит снижение дав-
ления масла в подшипнике ТКР вплоть до нуля. Кроме того, понижение давления масла на выходе из установки автономной подачи масла приводило к повышению температуры в подшипнике ТКР, что связано с меньшим количеством проходящего масла через подшипник.
Образование воздушно-паровой области (без масла) непосредственно вблизи поверхности вала ротора подшипникового узла при достаточно высоких угловых скоростях (ю= 9420 с-1 и более), и постоянные отрывы и схлопывания являются причиной гидроударов и кавитации на поверхности вала, что ранее и было предположено в работе [8]. Это явление и обуславливает большие потери энергии вала ротора, отличается от гидродинамического трения и требует дальнейшего исследования.
Второй этап экспериментов проводился при увеличенном зазоре 8 (рисунок 5) до
Рисунок 3. Схема замера гидродинамического давления в моновтулке подшипника
Таблица 2. Параметры потока масла к ТКР при зазоре 8=1,5 мм
№ опыта п, мин-1 Тем-ра масла в ДВС, °С Давление масла в ДВС, кгс/см2 Давление масла в автономной системе, МПа Давление масла в подшипнике ТКР, МПа Наддув, кгс/см2 Тем-ра масла на выходе из ТКР, °С
1 2600 94 5,0 0,6 0.35 0,86 137,4
2 2600 97 5,0 0,5 0,3 0,87 139,8
3 2600 97 4,9 0,4 0,2 0,86 143,1
4 2600 100 4,9 0,3 0,15 0,85 146,1
5 2600 101 4,9 0,12 0 0,86 150,6
6 1420 94 4,3 0,6 0,54 0,25 126,4
7 1400 90 4,4 0,5 0,47 0,25 126,1
8 1430 89 4,4 0,4 0,4 0,26 126,6
9 1420 88 4,4 0,3 0,3 0,26 128,0
10 1440 87 4,4 0,2 0,2 0,27 130,4
11 1430 86 4,4 0,1 0,1 0,28 135,2
Мифтахов Т.М., Мифтахов М.Н.
Влияние параметров потока масла к турбокомпрессору..
Выход к манометру
1 - корпус подшипников; 2 - моновтулка подшипника; 3 - фиксатор моновтулки; 4 - вал ротора; 5 - штуцер; 6 - трубка дистанционная манометра; 7 - прокладка; 8 - регулировочные шайбы
Рисунок 4. Устройство для замера гидродинамического давления в полости моновтулки подшипника
1,5 мм. Полученные данные представлены в таблице 2.
Из сравнения величин давления масла в полости подшипника ТКР по таблицам 1 и 2 видно, что во втором эксперименте нулевое давление достигнуто лишь при очень высоких температурах масла и очень низком давлении подводимого масла, т. е. на расстоянии 1,5 мм от вала пустоты не наблюдалось.
Таким образом, подтверждается необходимость и целесообразность обеспечения повышенного давления на входе в ТКР по сравнению с давлением в системе смазки ДВС. Тем более это необходимо, учитывая снижение давления в системе смазки ДВС в эксплуатации вследствие износов.
12.08.2014
Список литературы:
1. Коркин, А.А. Повышение долговечности турбокомпрессоров автотракторных двигателей путем использования гидроаккумулятора в системе смазки: автореф. дис... канд. техн. наук: 05.22.10 / А.А. Коркин. - Саратов, 2010. - 22 с.
2. Альмеев, Р.И. Анализ устройств для предпусковой смазки деталей ДВС / Р.И. Альмеев // Проблемы транспорта и транспортного строительства: сб. науч. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т.- Саратов, 2008. - С. 125-132.
3. Кулаков, А.Т. Эксплуатационная надежность КамАЗов / А.Т. Кулаков, И.А. Якубович // Автотранспортное предприятие, 2013. - №3. - С.45-48.
4. Кулаков, А.Т. Влияние автономной подачи смазки в узлы подшипников ТКР 7Н-1 двигателя КАМАЗ 7403 / А.Т. Кулаков [и др.] // Проблемы технической эксплуатации и автосервиса подвижного состава автомобильного транспорта: сб. науч. тр. / Моск. гос. автом.-дор. ун-т. - М.: 2014. - С. 133-141.
5. Гаффаров, А.Г. Совершенствование подшипникового узла турбокомпрессора автотракторного ДВС / А.Т. Кулаков, А.А. Макушин, А.Г. Гаффаров // Тракторы и сельхозмашины, 2010. - №2. - С. 39-42.
6. Гаффаров, А.Г. Повышение надежности и эффективности турбокомпрессора путем усовершенствования подшипника / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, А.А. Макушин, А.Г. Гаффаров // «Прогрессивные технологии в транспортных системах». Сб. науч. тр.: Оренбург, ОГУ. 2011. - С. 50-54.
7. Савельев, Г.М. Опыт доводки и производства турбокомпрессоров автомобильных дизелей / Г.М. Савельев, Б.Ф. Лямцев, А.В. Аболтин. - М: 198. - 94 с.
8. Кулаков, А.Т. Ремонт и восстановление турбокомпрессора ТКР 7Н-1 дизелей КАМАЗ / А.Т. Кулаков, И.А. Якубович, А.Г. Финоченко. - Магадан: СВГУ, 2013. - 94 с.
Сведения об авторах:
Мифтахов Тимур Мунирович, аспирант Набережночелнинского института Казанского (Приволжского) федерального университета
Мифтахов Мунир Нафисович, доцент кафедры химии и экологии Набережночелнинского института Казанского (Приволжского) федерального университета
423826, г. Набережные челны, 68 мкрн, ул. Ягодная, 18, е-mail: [email protected]
