Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор работ по применению присадок к моторному маслу на транспорте 14
1.1 Особенности условий эксплуатации и режимов работы тепловозов, выбор лимитирующего узла 14
1.2 Разновидности и принцип действия присадок к моторному маслу
1.3 Классификация и характеристика присадок к моторному маслу 28
1.4 Применение металлоплакирующих присадок к моторному маслу на транспорте 34
1.5 Выводы и задачи исследования 44
2. Расчетно-теоретическии анализ эффективности применения присадок к моторному маслу на тепловозах 46
2.1 Модель расчета интенсивности изнашивания сопряжения гильза - поршневое кольцо с учетом присадок к моторному маслу 47
2.2 Сравнительная оценка эксплуатационных и расчетных данных интенсивности изнашивания сопряжения гильза - поршневое кольцо 50
2.3 Методика расчета экономичности тепловозов при введении присадок к моторному маслу 58
2.4 Сравнительная оценка эксплуатационных и расчетных данных экономичности тепловозов 65
Выводы 69
3. Расчетно-экспериментальные исследования влияния металлоплакирующей присадки на работу тепловоза ЧМЭ 3 70
3.1 Методика проведения экспериментальных исследований 71
3.2 Анализ влияния металлоплакирующей присадки «Ресурс» к моторному маслу на экономичность тепловоза ЧМЭ 3 73
3.3 Анализ влияния металлоплакирующей присадки «Ресурс» к моторному маслу на тепловые параметры тепловоза ЧМЭ 3 77
3.4 Оценка влияния присадки «Ресурс» к моторному маслу на интенсивность изнашивания ЦПГ дизеля тепловоза ЧМЭЗ 84
3.5 Экспериментальный анализ влияния присадки «Ресурс» к моторному маслу на экологичность тепловоза ЧМЭЗ 88
Выводы 93
4. Разработка мероприятий по увеличению срока службы дизелей тепловозов 94
4.1 Разработка устройства для подачи присадки в воздушный ресивер дизеля тепловоза 97
4.2 Разработка устройства для подачи присадки в масляную систему дизеля тепловоза 101
4.3 Разработка программы для расчета интенсивности изнашивания ЦПГ дизелей и экономичности маневровых тепловозов ЧМЭЗ и ТЭМ2 в условиях реальной эксплуатации 106
Выводы 109
5. Экономический эффект от применения металлоплакирующей присадки «ресурс» к моторному маслу тепловоза ЧМЭ 3 110
5.1 Экономический эффект от снижения износа при использовании присадки «Ресурс» к моторному маслу 112
5.2 Экономический эффект от снижения расхода топлива при использовании присадки «Ресурс» к моторному маслу 114
Выводы 117
Основные выводы 118
Список использованных источников 120
Приложения 131
- Разновидности и принцип действия присадок к моторному маслу
- Сравнительная оценка эксплуатационных и расчетных данных интенсивности изнашивания сопряжения гильза - поршневое кольцо
- Анализ влияния металлоплакирующей присадки «Ресурс» к моторному маслу на экономичность тепловоза ЧМЭ 3
- Разработка программы для расчета интенсивности изнашивания ЦПГ дизелей и экономичности маневровых тепловозов ЧМЭЗ и ТЭМ2 в условиях реальной эксплуатации
Введение к работе
В транспортной системе России ведущим и организующим видом является железнодорожный транспорт, выполняющий свыше 81% грузооборота и более 44% пассажирооборота транспорта общего пользования. Железные дороги играют решающую роль в выполнении перевозок важнейших грузов, обеспечивающих бесперебойное функционирование ведущих отраслей промышленности и агропромышленного комплекса страны.
Осуществляя основные для государства объемы перевозок, железнодорожный транспорт России, естественно, является одним из крупных и стабильных транспортных потребителей энергоресурсов, ежегодно расходуя 5-6% вырабатываемой в стране электроэнергии и до 6% дизельного топлива [55,68,109].
Превалирующим энергоносителем для тяги и эксплуатационных нужд в энергобалансе отрасли является электроэнергия (более 50%), дизельное топливо составляет - 18%, уголь и мазут - 20% (соответственно - 14,6 и 5,4%).
Затраты на приобретение топливно-энергетических ресурсов составляют в целом по сети ~ 11,2% от общесетевых эксплуатационных расходов или около 60,0 млрд. руб., из них непосредственно на тягу поездов расходуется - 72,2% и 27,8% на нетяговые нужды.
Проблема энергосбережения приобрела в настоящее время стратегическое значение. Это подтверждается рядом постановлений принятыми в последние годы Правительством РФ, в том числе от 17 ноября 2001г. №796, которым утверждена федеральная программа «Энергоэффективная экономика на 2002-2005годы и на перспективу
5 до 2010года». Цель программы - снижение энергоемкости всех отраслей экономики.
Для железнодорожного транспорта снижение энергоемкости перевозок - один из главных факторов конкуренции на рынке транспортных услуг. С учетом этого, а также в соответствии с «Основными положениями энергетической стратегии России на период до 2020г.» указанием МПС России от 26 ноября 2002г. №187у предусмотрена разработка энергетической стратегии железнодорожного транспорта, ориентированная на всестороннее ресурсосбережение.
В августе 2007г. постановлением № 964 ОАО «РЖД» утвердило программу «Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015г». Одна из подпрограмм этой программы - «Развитие подвижного состава», включающая в себя: повышение коэффициента полезного действия тепловозов, снижение затрат на жизненный цикл, непрерывное улучшение потребительских свойств, повышение безопасности движения с обеспечением требуемых показателей ресурса и риска, повышение надежности и коэффициента готовности, уменьшение воздействия на окружающую среду, снижение уровня отказов технических средств [8].
Анализ технических средств и технологий железнодорожной энергетики, к которым относятся все устройства, потребляющие или генерирующие энергию в технологических процессах работы железнодорожного транспорта, показал, что их исходное состояние в большинстве своем, в настоящее время характеризуется высокой степенью физического и морального износа, высокой энергоемкостью и малой энергоэффективностью. Пассажирские и грузовые локомотивы, эксплуатируемые на сети железных дорог России, построены по техническим требованиям 1960-70-х годов. Значительная часть инвентарного парка локомотивов полностью выработала свой ресурс и требует обновления. Так, в целом по сети на 1 января 2003г. выработали установленный срок службы 37% грузовых тепловозов, 17% пассажирских тепловозов. Применение морально устаревших энергоустановок первого и второго поколения с низким конструктивным и эксплуатационным КПД влечет за собой не только повышение расхода энергии в рабочих режимах, но и дополнительное повышение энергозатрат на эксплуатацию и ремонт технических средств.
Кроме того, в эксплуатации находиться большое количество дизелей устаревших конструкций. Все это многообразие по конструкции и возрасту составляет довольно внушительную цифру. Одних только магистральных тепловозов около 19 тыс. шт. [60].
При эксплуатации дизелей независимо от их назначения определяющим фактором, как правило, является обеспечение надежной и экономичной работы на номинальном режиме- Однако эксплуатация тепловозных дизелей на железнодорожном транспорте имеет свою специфику и значительно отличается от условий работы дизелей в других отраслях народного хозяйства. Значительная по времени работа на холостом ходу и частичных нагрузках, постоянная сменяемость режимов, потребность в остановках и пусках дизеля -этими и другими особенностями в основном определяется относительно низкий коэффициент использования мощности локомотивов, который для маневровых тепловозов не превышает 50% иными словами мощность этих локомотивов используется в среднем наполовину.
7 Функционирование тепловозного дизеля как механической системы определяется параметрами, характеризующими состояние сопряженных трущихся пар цилиндропоршневой группы (ЦПГ), подшипников коленчатого вала, клапанного механизма и т.д. Как показывают исследования, в конечном счете, именно эти элементы и сопряжения определяют срок службы дизеля до соответствующих предельных состояний и вызывают отказы.
Большое количество нарушений и отказов в работе дизелей связано с износом. Результатом этого явилось увеличение продолжительности простоя локомотивов на всех видах текущего ремонта и технического обслуживания. Этот фактор влияет на увеличение затрат по их содержанию. Следует отметить рост повреждаемости базовых узлов дизелей, таких как коленчатый вал и детали цилиндропоршневой группы.
Как следует из результатов анализа данных «Оренбургского локомотиворемонтного завода» одной из основных причин неплановых ремонтов является неисправность ЦПГ дизелей тепловозов, связанная с преждевременным износом и снижением работоспособности [74].
В подавляющем большинстве случаев межремонтные сроки и ресурс дизелей тепловозов определяется интенсивностью изнашивания деталей ЦПГ, находящихся в наиболее тяжелых условиях работы, на долю которых в настоящее время приходится до 75-80% потерь мощности на трение в дизеле. Потери мощности на трение сказываются на быстроходности, мощности и надежности работы дизелей [15,24,25,36]. Опыт эксплуатации тепловозных дизелей показывает, что на детали ЦПГ, которые подвержены наибольшим механическим нагрузкам, приходятся наибольшие
8 трудозатраты при обслуживании [24,28,55]. В результате износа ЦПГ падает мощность дизеля, увеличивается расход горючего и смазочного материала, возрастает в несколько раз загазованность вредными газами окружающей среды. Экологические показатели дизеля на 100% зависят от состояния ЦПГ. В настоящее время предъявляются высокие требования к техническому уровню дизелей, в том числе к их энергосберегающим качествам. Указанная проблема особенно актуальна для железнодорожного транспорта, который характеризуется значительным потреблением горюче-смазочных материалов.
Для обеспечения работоспособности транспортных дизелей отечественной промышленностью вырабатывается более 20 наименований моторных масел различных эксплуатационных групп [60].
Потребность в моторных маслах достаточно велика. Только для железнодорожного транспорта необходимо около 200 тыс. т в год, что составляет 8-10% от объема всех вырабатываемых отечественных моторных масел [60]. Следует отметить, что в настоящее время более востребованы масла низких эксплуатационных групп - Б и В2. Например, в ОАО «Российские железные дороги» используют 81,2% масел М-14В2 и только 16% - М-14Г (цс), несмотря на то, что последние обеспечивают вдвое увеличенный пробег до замены масла и смены фильтров [60,63]. Одна из причин - нахождение в эксплуатации большого количества дизелей устаревших конструкций с более низкими эксплуатационными характеристиками.
К числу основных направлений по повышению технико-экономических параметров тепловозов относятся: повышение агрегатной мощности, ресурса и надежности работы тепловоза, снижение расхода топлива и масла в процессе его эксплуатации, улучшение экологических характеристик и др. [15,101]. Одним из возможных путей решения стоящих в области задач является повышение срока службы сопряжений ЦПГ тепловозных дизелей лимитирующих ресурс после ремонта за счет повышения противоизносных свойств моторного масла.
Несмотря на то, что ОАО «Российские железные дороги» выдвигают требования по увеличению срока смены масел в дизелях до 200-250 тыс. км, анализ результатов многих эксплуатационных испытании, проводимых ОАО «Коломенский завод», показывает, что увеличение срока службы масла более 100-150 тыс. км в настоящее время экономически не оправдано. В этих случаях затраты, связанные с неизбежным подорожанием масла, перекрывают экономию от его расхода на замену, так как величина снижения расхода масла при этом становится менее значимой.
Решить указанную проблему можно путем значительного улучшения качества применяемых моторных масел.
С этой целью было изучено влияние противоизносных присадок к моторному маслу на работу дизелей тепловозов. Правильный качественный подбор присадок в необходимом научно обоснованном количестве позволяет обеспечить высокую износостойкость узлов трения в период эксплуатации. Проведенные научные исследования в области применения присадок к моторному маслу на транспорте позволили повысить их технико-экономические параметры [72,53,56,57,99]. Однако достигнутого уровня недостаточно для достижения высоких показателей по экономичности и экологичности дизелей тепловозов, а также эксплуатационных характеристик. Таким образом, теоретическое обоснование и экспериментальные
10 исследования эффективности различных противоизносных присадок являются весьма актуальной задачей, а применение присадок в сложившихся условиях, является перспективным и наиболее экономичным путем повышения технико-экономических параметров дизелей.
Диссертационная работа подготовлена по результатам научно-исследовательских работ, проведенных на кафедре «Локомотивы» Самарского государственного университета путей сообщения при непосредственном участии автора в период с 2007 по 2010 годы.
Цель и задачи исследований
Целью исследования является оценка влияния присадок к моторному маслу на износ цилиндропоршневои группы дизелей и экономичность тепловозов в эксплуатации.
Для достижения цели были поставлены задачи:
Произвести анализ основных типов противоизносных присадок к моторному маслу, а также их принцип действия и выбрать наиболее оптимальную присадку по затратам и эффективности.
Установить влияние металлоплакирующих присадок к моторному маслу на процесс износа цилиндропоршневои группы дизеля тепловоза. Установить теоретическую зависимость между экономичностью и фрикционными свойствами моторного масла с металлоплакирующими присадками. Разработать методику расчета расхода топлива тепловозов с учетом использования присадки к моторному маслу. Разработать методику расчета интенсивности изнашивания сопряжения гильза - поршневое кольцо дизеля тепловоза в условиях эксплуатации.
Провести расчетно-экспериментальные исследования влияния присадки «Ресурс» к моторному маслу на работу тепловоза ЧМЭЗ.
Разработать устройства для введения присадок к моторному маслу и программу для аналитического определения экономичности тепловозов и интенсивности изнашивания ЦПГ дизелей маневровых тепловозов ЧМЭЗ и ТЭМ2 с учетом присадок к моторному маслу в условиях реальной эксплуатации.
Рассчитать экономический эффект от использования металлоплакирующей присадки «Ресурс» к моторному маслу тепловоза ЧМЭЗ в эксплуатации.
Методы исследований
При выполнении работы применялись экспериментальные методы, методы математического моделирования, методы математической статистики, методы планирования и обработки результатов натурного эксперимента. При построении графических зависимостей в двух и трех координатных осях использовались пакеты программ Microsoft Excel, Statistica, Delpfi 7 и др.
Экспериментальный материал получен по результатам обследования и регистрации теплоэнергетических параметров на маневровых тепловозах ЧМЭЗ при введении присадки «Ресурс» к моторному маслу (Оренбургский локомотиворемонтный завод).
Научная новизна
Разработана методика расчета интенсивности изнашивания сопряжения гильза - поршневое кольцо с учетом присадок к моторному маслу, отличающаяся возможностью оценивать
12 интенсивность изнашивания сопряжения гильза - поршневое кольцо дизелей тепловозов на всем периоде жизненного цикла, на основании которой рассчитана интенсивность изнашивания дизеля тепловоза
ЧМЭЗ.
Разработана методика расчета экономичности тепловозов при введении присадок к моторному маслу, в результате чего установлена теоретическая зависимость между экономичностью и фрикционными свойствами моторного масла с металлоплакирующими присадками, позволяющая в условиях эксплуатации прогнозировать эффективность влияния различных присадок к моторному маслу в зависимости от их фрикционных свойств.
Практическая ценность
Разработано и защищено патентом РФ устройство для подачи приработочной присадки в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Разработано устройство для подачи приработочной присадки в масляную систему двигателя внутреннего сгорания.
Разработана программа для аналитического определения экономичности тепловозов и интенсивности изнашивания ЦПГ дизелей маневровых тепловозов ЧМЭЗ и ТЭМ2 с учетом присадок к моторному маслу в условиях реальной эксплуатации.
Реализация результатов работы
Основные теоретические положения, методы исследований, практические результаты, полученные в диссертационной работе,
13 реализованы в технологии ремонта тепловозных дизелей на
Оренбургском локомотиворемонтном заводе - филиале ОАО «РЖД».
Апробация работы
Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на V Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (г.Самара, 2009г., СамГУПС), на международной научно-практической конференции «Наука и образование транспорту» (г.Самара, 2009г., СамГУПС), на Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области машиностроения» (г.Тольятти 2009г. ТГУ) и др.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе статей - 8, из них 1 в ведущем рецензируемом научном издании, определенном ВАК РФ, патентов на полезную модель - 1.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка и приложений. Материалы диссертации содержат 120 страниц основного текста, 24 рисунка, 9 таблиц и приложения на 14 страницах. Список использованных источников содержит 110 наименований. Общий объем работы 143 страницы.
Автор выражает глубокую благодарность всем сотрудникам кафедры «Локомотивы», отделу аспирантуры и докторантуры и отделу интеллектуальной собственности СамГУПС.
Разновидности и принцип действия присадок к моторному маслу
Техническое состояние дизелей тепловозов определяется параметрами, характеризующими состояние сопряженных трущихся пар цилиндропоршневой группы, кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения. Повышение работоспособности и снижение износа лимитирующих деталей дизелей возможно за счет повышения противоизносных свойств моторного масла. Необходимые эксплуатационные свойства закладываются набором присадок, вводимых в базовую минеральную основу [10,52,64,65]. С этой целью был произведен анализ разновидностей и принципа действия присадок к моторному маслу. Присадки к моторному маслу - это различные вещества, вводимые в масло при эксплуатации, усиливающие положительные природные свойства базовых масел или придающие им необходимые новые свойства, в отличие от присадок, изначально содержащихся в масле и добавляемых при изготовлении. На сегодняшний день существует достаточно широкий выбор разновидности присадок. Однако российский рынок постоянно пополняется все новыми и новыми дополнительными присадками, добавками и смазочными композициями. Причем половина из них импортного производства и вряд ли их производят, только для России [54]. Основными причинами такого положения дел являются желание увеличить ресурс двигателей внутреннего сгорания и низкое качество смазочного масла. Присадки к маслам можно разделить на следующие типы: вязкостные, антифрикционные, противоизносные, противозадирные, депрессорные, приработочные, антиокислительные, антикоррозионные, моющие, дисперсанты, противопенные. Эффективным способом повышения износостойкости и снижения коэффициента трения является применение присадок к моторному маслу снижающих износ трущихся сопряжений, основные типы которых представлены в таблице 1.1. Среди антифрикционных и противоизносных присадок в смазочное масло известны: присадки, формирующие на поверхности трения в процессе работы объекта тонкий слой мягких металлов, разделяющий эти поверхности; присадки, активизирующие силы сцепления смазочного материала с поверхностью трения (поверхностно активные вещества); кондиционеры металла, генерирующие на поверхностях трения ультратонкий слой нового разделительного материала в процессе физико-химических превращений. Мягкие металлы (молибден, олово, медь, серебро и другие) могут вноситься в зону трения либо в молекулярном тонкодиспресном виде, либо на ионном уровне в результате химических реакций компонентов смазочного масла с источником мягкого металла.
Осуществление первого способа связано с двумя проблемами: - создание устойчивой взвеси тонких частиц мягких металлов; - соотношение между допустимой концентрацией таких металлов в циркулирующем масле и концентраций, достаточной для обеспечения эффекта плакирования хотя бы на полный ресурс смазочного масла. Таким образом, даже в случае успешного решения этих проблем, эффективность таких присадок крайне ограничена по времени работы. Кроме того, тонкий разделительный слой мягких металлов не предохраняет поверхность трения от задиров в экстремальных случаях, то есть в случае прекращения циркуляции смазки. Второй способ связан с реализацией избирательного переноса, управление которым носит пока сугубо случайный характер и проявляется крайне редко. Присадки, активизирующие силы сцепления смазочного масла с поверхностью трения, могут быть весьма эффективными по противоизносным и, особенно, противозадирным характеристикам. Но у них есть существенные недостатки: - воздействие таких присадок продолжается до тех пор, пока они присутствуют в смазочном масле в достаточной концентрации; - такие присадки, как правило, не только не являются антифрикционными, но и способны даже увеличивать сопротивление трению; - обычно высокие концентрации таких присадок могут влиять на реологию смазочного масла. Кондиционеры металла позволяют резко улучшить противоизносные, и особенно, противозадирные свойства базового масла, но, в основном, не являются антифрикционными присадками и, в силу сложности процессов физико-химических превращений, не обладают универсальностью по материалам и режимам работы трибоузлов. Плакирующие добавки (ПД) могут содержать частицы дисульфида молибдена, тефлона, диселенида вольфрама, соединений сурьмы, мышьяка и др. элементов. ПД призваны исключить механическое взаимодействие поверхностей трения.
Их «разделяющее» действие в трибосопряжениях может оказаться достаточно эффективным при граничном трении. Однако, вследствие подвижности смазочного слоя ПД при сменах масла удаляются [30 32,74,82,92]. В отличие от ПД реметаллизанты (РД) добавляются в смазочную композицию с целью плакирования поверхностей трения, т.е. для образования на них тонких металлических пленок пластичных металлов при адгезионном, химическом и диффузионном взаимодействии с основным материалом [83,106]. Добавки - модификаторы трения (МД) снижают коэффициент трения fmp и скорость изнашивания vU3H не только за счет механического разделения поверхностей трения, но и за счет химической адсорбции, т.е. за счет механо-химического «выглаживания» поверхностей трения вследствие активного химического взаимодействия МД с выступами шероховатости и последующего полного разделения контактирующих поверхностей третьим телом [15,78,79,81,82]. Деление многочисленных добавок на плакирующие (кондиционеры), восстанавливающие реметаллизанты и модифицирующие является условным и не всегда соответствует их поведению в изменяющихся условиях трения. К тому же в механизмах влияния добавок на смазочную композицию (СК) и на материалы пар трения еще много неясного. Большинство добавок рекомендуется добавлять в СК используемых для смазки подвижных соединений, работающих в условиях граничного трения при сравнительно высоких температурах в зоне контакта и низких коэффициентов трения [80,88].
Сравнительная оценка эксплуатационных и расчетных данных интенсивности изнашивания сопряжения гильза - поршневое кольцо
Проведение испытаний на трение и износ всегда связано с большими затратами средств и времени, поэтому для оценки интенсивности изнашивания сопряжения гильза - поршневое кольцо дизеля K6S310DR тепловоза ЧМЭЗ в эксплуатации было проведено статистическое моделирование. В качестве базы сравнения целесообразно использовать процессы изнашивания сопряженных деталей в условиях обычной эксплуатации дизелей тепловозов.
В расчетах на износ используют понятие интенсивности линейного изнашивания, которое определяется по формуле [3,38,46,100]. .
Обычно в условиях эксплуатации не производятся многократные измерения величины износа (для сопряжения гильза - поршневое кольцо это вообще затруднительно), и процесс изнашивания можно принять стационарным. Дифференциалы в этом случае в уравнении (2.8) можно заменить конечными приращениями и определять интенсивность изнашивания по единичному измерению величины износа и наработке.
В общем случае интенсивность изнашивания гильзы цилиндров дизелей может быть определена по формуле:
Аргументы функции (2.9) (кроме хода поршня) являются случайными величинами, характеризуемые различными законами распределения. Установить закономерность или последовательность воздействия тех или иных факторов, влияющих на износ и срок службы деталей дизелей при эксплуатационных исследованиях, почти невозможно. Исходя из этих соображений, можно считать, что расчет по формуле (2.9) целесообразно проводить одним из наиболее достоверных способов установления величины износа и срока службы дизелей в условиях эксплуатации - методом статистического моделирования [2,29,87,102].
Определение режима работы дизелей в эксплуатационных условиях не входило в задачу исследования. Для статистического анализа были взяты результаты испытаний, проведенные при капитальном ремонте на Оренбургском локомотиворемонтном заводе.
Расчет эффективности изнашивания произведен с использованием этих данных для тепловоза ЧМЭЗ.
В качестве исходных данных при статистическом моделировании принимались такие параметры как: распределение частоты вращения коленчатого вала, наработка дизеля к моменту ремонта, износ рабочей поверхности за наработку.
По результатам расчетов, по программе Statistica 6 построена зависимость интенсивности изнашивания.
Наиболее неблагоприятные условия трения в цилиндре дизеля в зоне минимальных скоростей движения поршня, особенно у камеры сгорания, для которых интенсивность изнашивания составляет 8,28 10"п и 9,94 10"п соответственно. Здесь температура поверхностей трения цилиндра и колец достигает 350 С, максимальное давления составляет ЮМПа, минимальная толщина масляной пленки, которая разжижается рабочей смесью выгорает в период воспламенения. Это приводит практически к уничтожению масляной пленки или потере её смазывающей способности [4,5]. Усугубляющими факторами могут быть деформация поршня, а также искажение формы поршневых колец. Это приводит к значительному увеличению давлений на отдельных участках рабочей поверхности цилиндровой втулки, прорыву горячих газов и существенному возрастанию температуры на зеркале цилиндра по ходу поршня [4,5].
Результаты статистического моделирования интенсивности изнашивания гильзы цилиндра в эксплуатации показаны на рис. 2.1 Распределение интенсивности с высокой вероятностью аппроксимируется распределением Вейбулла [46]:
Результаты в ходе расчетно-статистического анализа хорошо согласуются с данными полученными в работах [5,9,48,91,92,].
Полученная зависимость (рис. 2.1) позволяет наиболее точно прогнозировать величину и интенсивность изнашивания гильзы цилиндра дизеля маневрового тепловоза в течение всего межремонтного периода эксплуатации, что в свою очередь позволит избежать работу дизеля с низкими технико-экономическими характеристиками, большим расходом горючесмазочных материалов.
Интенсивность изнашивания при теоретическом исследовании износа сопряжения гильза - поршневое кольцо определялась по формуле (2.1), в которую входит большое количество аргументов, часть из которых можно принять постоянными (для конкретных условий контакта), а часть являются случайными величинами. Поэтому, как и в случае расчета интенсивности износа в эксплуатационных условиях, расчетную модель целесообразно построить на основе статистического моделирования. Расчет производился с помощью программного продукта Statistica 6 [69]. Исходные данные для моделирования приняты следующие:
Анализ влияния металлоплакирующей присадки «Ресурс» к моторному маслу на экономичность тепловоза ЧМЭ 3
Для оценки влияния присадки «Ресурс» к моторному маслу па экономичность тепловозного дизеля K6S310DR (6ЧН 31/36) были проведены расчеты с помощью предложенной методики расчета удельного расхода топлива в дизеле.
В качестве исходных данных были взяты паспортные данные на тепловозный дизель K6S310DR (6ЧН 31/36) при номинальном режиме работы [66]. Химический состав применяемого моторного масла и его характеристики соответствовали данным ГОСТ на моторные масла [107].
Проведенные расчеты показали, что введение металлоплакирующей присадки «Ресурс» в количестве 3,0 % к моторному маслу М-14Вг приводит к снижению удельного расхода топлива.
На рис. 3.2 представлена зависимость изменения удельного расхода топлива при добавке металлоплакирующей присадки «Ресурс» к моторному маслу. Из данного графика видно, что при добавке металлоплакирующей присадки «Ресурс» к моторному маслу в таком количестве, чтобы концентрация присадки составила 3,0 % по массе от количества моторного масла в дизеле, удельный расход топлива уменьшается.
Определяющим параметром в механизме влияния присадки «Ресурс» является соотношение количества присадки и моторного масла.
Зависимость мощности от выхода реек топливных насосов после 6-ти часов приработки с присадкой «Ресурс» к моторному маслу приведена на рис. 3.1.
Как видно из графика рейки топливных насосов уменьшаются на малых и средних нагрузках на 3-5%, а при мощности больше 500 кВт на 3%, что свидетельствует о том, что максимальное отклонение от среднеарифметического значения расхода топлива в соответствующих испытаниях не превышало ± 2%. Снижение расхода топлива, в нашем случае могло произойти только в результате образования на рабочей поверхности цилиндров слоя (пленки) веществ - продуктов действия металлоплакирующеи присадки.
Таким образом, экспериментально подтверждена возможность снижения расхода топлива тепловозом при использовании металлоплакирующеи присадки «Ресурс» в моторном масле. Величина получаемой при этом экономии топлива зависит от режима работы тепловоза.
По рис. 3.2 можно проследить как изменился удельный эффективный расход топлива be после введения присадки «Ресурс» к моторному маслу.
Из рис. 3.2 видно, что после 6-ти часов приработки в условиях проведенного эксперимента данная присадки проявила себя в полной мере и удельный расход топлива снизился с 226 г/(кВт ч) до 217 г/(кВт ч).
Полученные результаты испытаний показывают, что металоплакирующая присадка «Ресурс» к моторному маслу обладает высокими противоизносными свойствами и способствует уменьшению механических потерь на трение. Это приводит к увеличению эффективной мощности и снижению удельного расхода топлива. Следовательно, применение присадки «Ресурс» в составе моторного масла позволяет повысить КПД дизеля тепловоза.
Предположение об образовании на рабочей поверхности цилиндров слоя веществ — продуктов действия металлоплакирующеи присадки подтверждается измерениями давления сжатия и давления сгорания, периодически проводимыми для каждого цилиндра с момента заливки присадки «Ресурс» в масло картера. Первоначально измерения проводились на моторном масле без присадки «Ресурс» (рис. 3.3). Второй этап заключался в проведении измерений давлений сжатия и давлений сгорания после 6-ти часовой приработки с присадкой «Ресурс» (рис. 3.4) на 4-8 позициях контроллера машиниста.
Как следует из рис. 3.4 после 6-ти часов приработки после введения присадки «Ресурс» в моторное масло давление Pz повысилось примерно на 8-12 %. Повышение давления сжатия указывает на уменьшение зазоров между цилиндром и поршневыми кольцами: утечка газа из надпоршневого пространства снижается и, как следствие, возрастает индикаторная мощность, характеризующая работу расширения газов в цилиндре, производимую в единицу времени. При поддерживаемом постоянным крутящем моменте на валу дизеля это должно привести к увеличению частоты вращения вала, однако регулятор топливного насоса высокого давления, поддерживающий частоту вращения коленчатого вала постоянной, сдвигает рейку насоса в сторону уменьшения подачи топлива.
Разработка программы для расчета интенсивности изнашивания ЦПГ дизелей и экономичности маневровых тепловозов ЧМЭЗ и ТЭМ2 в условиях реальной эксплуатации
Для повышения эффективности контроля расхода топлива и прогнозирования работоспособности ЦПГ дизелей маневровых тепловозов ЧМЭЗ и ТЭМ2 была создана программа для аналитического определения экономичности и интенсивности износа ЦПГ с учетом присадок к моторному маслу в условиях реальной эксплуатации (рис. 4.4, 4.5) Программа реализована в интегрированной среде разработки Delpfi 7. Программа работает по следующему алгоритму. После запуска программы, пользователю предоставляется возможность из компьютерной базы данных выбрать серию тепловоза, наработку дизеля к моменту ремонта, тип моторного масла, а также возможность ввода данных фрикционных параметров присадки, вводимой в моторное масло, причем сервис программного продукта позволяет производить оптимизацию по ряду показателей работы дизеля тепловоза по позициям контроллера машиниста: мощность, удельный расход топлива, частота вращения коленчатого вала. Также в программе предусмотрено введение процентного соотношения моторного масла и присадки для нахождения наиболее оптимальной концентрации. После ввода исходных данных производиться расчет интенсивности изнашивания ЦПГ и расхода топлива в зависимости от изменения коэффициента трения и, соответственно, изменения мощности механических потерь. В качестве исходных значений были взяты паспортные данные на тепловозный дизель K6S310DR (6ЧН 31/36) при номинальном режиме работы [66,84,90]. В программе предусмотрена возможность вычисления прогнозируемой интенсивности изнашивания ЦПГ дизеля тепловоза в зависимости от наработки тепловоза. 1. Разработано устройство для подачи противоизносных присадок в воздушный ресивер дизеля тепловоза, позволяющее подавать порошкообразные присадки непосредственно в зону трения цилиндропоршневой группы. 2.
Разработано устройство для подачи присадок в масляную систему дизеля тепловоза, обеспечивающее дозированное введение жидкой металлоплакирующей присадки и позволяющее производить подачу присадки в моторное масло в автоматическом режиме. 3. Разработана программа для аналитического определения экономичности тепловозов и интенсивности изнашивания ЦПГ дизелей маневровых тепловозов ЧМЭЗ и ТЭМ2 с учетом присадок к моторному маслу в условиях реальной эксплуатации. Сорта применяемых дизельных масел определяют частоту охлаждаемых маслом поверхностей поршня, количество отложений нагаров в ручьях поршневых колец, на выпускных и продувочных окнах втулок цилиндров и общую загрязненность дизеля. Применение масел без присадок оказывает отрицательное влияние на надежность работы, так как увеличивает отрицательное влияние нагаров по сравнению с малосернистым маслом с присадками. Эффективные результаты по надежности получены за счет применения малосернистых масел с присадками на форсированных дизелях 10Д100, 11Д45, 5Д49.
Присадки к маслу придают ему ценные комплексные качества, которые способствуют уменьшению нагароотложений, износов, коррозии, устранению вспенивания масла в картере [18,34,35,59,63]. Надежность работы отечественных тепловозных дизелей непрерывно повышается благодаря совершенствованию конструкции и технологии их изготовления, внедрению современных научных достижений в области эксплуатации и ремонта. В результате этих мероприятий межремонтные пробеги повышаются, что дает большой экономический эффект [18,37]. Применение противоизносных присадок в научно обоснованных концентрациях позволяет увеличить межремонтный пробег тепловозов после проведения капитального ремонта и приблизить его к доремонтному при минимуме затрат. Произведем расчет экономического эффекта от использования присадки «Ресурс» в качестве добавки к моторному маслу по технико-экономическим показателям при эксплуатации тепловоза ЧМЭЗ. На основании предложенных методик по расчету интенсивности изнашивания и удельного расхода топлива, а также экспериментальных были определены технико-экономические и экологические параметры дизеля K6S310DR.
