Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные направления развития двигателей двойного назначения 9
1.1. Основные направления развития двигателей двойного назначения 9
1.2.Научно-технические проблемы создания среднеоборотных высокофорсированных двигателей двойного назначения 29
1.3.Цель работы и задачи настоящего исследования 35
Глава 2. Особенности методологии конструирования среднеоборотных двигателей двойного назначения в современных условиях 37
2.1.Необходимые условия успешного выполнения проекта 37
2.2.Обеспечение систем менеджмента качества проекта 40
2.3.Комплексное использование компьютерных технологий при разработке и постановке двигателей на производстве 41
2.4.Типоразмерные ряды двигателей Коломенского завода, критерии оценки двигателей 44
2.5.Основные этапы создания среднеоборотного двигателя двойного назначения. Порядок шагов при выполнении проекта 52
Глава 3. Особенности моделирования, расчета и конструирования топливных систем 60
3.1.Особенности моделирования и расчета топливных систем 60
3.2.Особенности конструирования топливных систем 87
3.3. Создание топливных систем для альтернативных топлив 103
Глава 4. Анализ систем воздухоснабжения двигателей двойного назначения 127
4.1 Область рабочих режимов среднеоборотного двигателя двойного назначения 127
4.2 Варианты исследованных систем воздухоснабжения. Характеристики двигателя 131
4.3 Разработанный вариант управляемой регистровой системы воздухоснабжения. Результаты исследования 143
4.4 Особенности моделирования и расчета двухступенчатых систем турбонаддува перспективных модулей двигателей Д300 и Д500 155
Глава 5. Особенности моделирования напряженно деформированного состояния деталей и расчетов на прочность 210
5.1 Иерархическая система моделей для оценки прочности деталей двигателя 210
5.2 Оценка прочностной надежности теплонапряженных деталей двигателя по критерию долговечности 221
Глава 6. Особенности проектирования двигателей 249
6.1 Особенности проектирования локомотивных двигателей 249
6.2 Особенности проектирования судовых среднеоборотных двигателей 260
6.3 Особенности конструирования среднеоборотных двигателей специального назначения 267
6.3.1 Особенности надежного запуска двигателя. Основные факторы влияющие на качество пуска 268
6.3.2 Результаты экспериментальных исследований пусковых свойств дизель-генератора 22ДГ специального назначения 280
6.4 Выбор и обоснование браковочных показателей моторного масла 289
Основные выводы и заключение 303
Список литературы 306
Приложение 318
- Основные направления развития двигателей двойного назначения
- Создание топливных систем для альтернативных топлив
- Иерархическая система моделей для оценки прочности деталей двигателя
- Выбор и обоснование браковочных показателей моторного масла
Введение к работе
Актуальность проблемы
Специфика создания двигателей двойного назначения заключается в том, что при проектировании типоразмерного ряда головной образец создается по наиболее жестким требованиям, сформулированным путем прогноза развития силовых установок по уровню форсирования, ресурсных, экологических и ве-согабаритных показателей. Таким образом, при создании агрегатов различного назначения силовая база двигателя остается постоянной, а необходимые характеристики обеспечиваются путем комбинации систем воздухоснабжения, топливной аппаратуры и ряда внешних периферийных узлов, обеспечивая вариативность типоразмерного ряда. Такой подход существенно сокращает сроки создания установок на базе двигателя, позволяет существенно повысить качество проектирования и изготовления. Существенно возросшие требования таких базовых отраслей, как железнодорожный транспорт, военно-морской флот и атомная энергетика к дизельным энергетическим установкам, а также поставленные правительством Российской Федерации задачи в ряде Государственных программ по созданию в кратчайшие сроки дизельных установок нового поколения требуют от конструкторов и производства четких оперативных решений выполненных в возможно короткие сроки и с высоким качеством проектов. В указанных базовых отраслях наиболее востребованы дизельные установки в мощностном диапазоне от 3300 до 7500 кВт. В связи с этим разработка методов и средств совершенствования топливоподачи и воздухоснабжения, позволяющих конструктору относительно быстро и с высоким качеством реализовать требуемые характеристики двигателей с учетом специфических заданных требований, является актуальной задачей.
Цель работы: совершенствование характеристик форсированных двигателей двойного назначения средствами топливоподачи и воздухоснабжения с целью улучшения показателей экономичности, токсичности отработавших газов и повышения уровня форсировки.
Объект исследования: комплекс методов и средств совершенствования систем топливоподачи и воздухоснабжения, обеспечивающих улучшение характеристик и вариативность среднеоборотных двигателей двойного назначения ряда Д49 (ЧН26/26) и головных образцов новых типоразмерных рядов Д300 (ЧН26/28) и Д500 (ЧН26,5/31).
Методы исследований: в работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. В ходе теоретических исследований использованы современные положения теорий рабочих процессов, гидродинамики, газодинамики, прочности и электротехники. Для решения уравнений, описывающих процессы в системах топливопадачи, воздухоснабжения и напряженно-деформированное состояние базовых деталей, использованы современные численные методы. Результаты теоретических исследований сопоставляли с результатами, полученными в ходе безмоторных и моторных испытаний систем и двигателей и опубликованными материалами других авторов.
Научная новизна работы заключается в следующем.
-
Разработана методология создания современного форсированного среднеоборотного двигателя двойного назначения с учетом достигнутого уровня технологий, проектирования и производства сложной наукоемкой продукции энергомашиностроения.
-
Разработаны и реализованы методики выбора основных параметров системы топливоподачи, обеспечивающие получение оптимальных характеристик впрыска, высокие экологические и экономические параметры среднеоборотного форсированного двигателя.
-
Разработаны и экспериментально проверены различные варианты систем турбонаддува, в том числе с реализацией цикла Миллера применительно к высокофорсированным среднеоборотным двигателям двойного назначения.
-
Разработаны и экспериментально проверены способы обеспечения предельно возможных ограничительных характеристик высокофорсированных среднеоборотных двигателей главных силовых установок кораблей нового поколения классов «Корвет» и «Фрегат» проектов 20380 и 22350.
Достоверность и обоснованность научных положений определяются:
использованием современных математических моделей, в основе которых положены фундаментальные законы термодинамики, гидродинамики, газодинамики и прочности;
сопоставлением результатов расчетных и экспериментальных исследований, выполненных в процессе создания опытных двигателей;
использованием разработанных методов и средств при создании двигателей нового поколения12ЛДГ Д300 и 12ЛДГ500, а также новых модификаций двигателей 21-26ДГ-01, 18-9ДГ-01,10Д49 и 16Д49 типоразмерного ряда Д49.
Практическая ценность состоит в том, что:
- разработанные методы и средства конструирования включены в систему
автоматизированного проектирования КБ ОАО «Коломенский завод»;
- использование встроенных в системный ряд методик расчетов и алго
ритмов проектирования позволило повысить качество проектов, сократить сро-
2
ки проектирования и доводки модификаций двигателей в 2–3 раза, что существенно сокращает затраты при их постановке на производство;
- разработанные конструкторско-технологические мероприятия позволили улучшить характеристики ряда двигателей Д49 и головных образцов новых рядов Д300 и Д500 и используются в перспективном проектировании.
Реализация результатов работы. С использованием разработанных методов и средств создан полноразмерный двигатель специального назначения 22ДГМ (8ЧН26/26) с аккумуляторной системой топливоподачи и электронным управлением.
Впервые в мире был создан газодизельный двигатель (16ЧН26/26) для тепловоза 2ТЭ116Г, прошедшего успешные испытания. Тепловоз демонстрирован на международной выставке.
Внедрение разработанной автором системы топливоподачи с трехфазным впрыском для дизеля Д49М (12ЧН26/26) позволило обеспечить лучшие в Европе (по состоянию норм 2001г.) экономические и экологические показатели в классе тепловозных дизелей. В итоге ОАО «Коломенский завод» выиграл тендер на поставку 86 дизель-генераторов для железных дорог Германии. Затем в Польшу и Прибалтику.
По Государственному оборонному заказу создан уникальный дизель – дизельный комплекс общей мощностью 17680 кВт в качестве главной силовой установки нового боевого корабля класса «Корвет» проекта 20380. На дизелях 16Д49 (16ЧН26/26) этой установки впервые в России использована разработанная и представленная в настоящей работе регистровая система турбонаддува с электронным управлением, а также ряд новых технических решений в области топливной аппаратуры. Этот проект удостоен Премии правительства Российской Федерации в области науки и техники.
Впервые в России был поставлен на производство дизель-генератор 21-26ДГ-01 с разработанной автором системой топливоподачи импульсного действия для первого в России тепловоза 2ТЭ25А с передачей переменно– переменного тока. В настоящее время около 150 тепловозов эксплуатируются на Дальнем Востоке и в Сибири.
С использованием разработанных методологий и конструкций впервые в России созданы, построены и испытаны головные образцы двух новых типо-размерных рядов Д300 (ЧН26/28) и Д500 (12ЧН26,5/31) мощностью до 7500 кВт. Работы выполнены в ходе выполнения Государственной программы «Национальная технологическая база».
С использованием системы автоматизированного проектирования в основе которой положена систематизированная иерархия моделей и методов, а также конструкторские решения, предложенные автором, спроектированы и
поставлены на производство дизель-генераторные установки 15-9ДГ для атомных станций «Бушер» и «Белоярская», силовые установки 28ДГ и 2-28ДГ для подводных лодок проектов 667 «Лада» и 955А «Борей», большого десантного корабля «Иван Грен» (проект 11711), кораблей нового поколения класса «Корвет» (проект 20380) и фрегата «Адмирал Кузнецов» (проект 22350), пограничных кораблей проектов 22160 и 22100, дизель-генераторной установки АДГ2000 для военно-космических сил России.
Личный вклад автора. Проведен аналитический обзор основных направлений совершенствования форсированных среднеоборотных двигателей двойного назначения. Сформулировано определение термина двигатель двойного назначения. Выполнен анализ и синтез особенностей методологии конструирования среднеоборотных двигателей двойного назначения в современных условиях. Разработаны инженерные методики расчета и особенности конструирования топливных систем для традиционных и альтернативных топлив. Разработаны исследованы и внедрены конструкторско-технологические мероприятия улучшающие характеристики систем питания и двигателя. Выполнены аналитические исследования возможностей систем воздухоснабжения различных типов и в составе творческой группы проведены их экспериментальные исследования на полноразмерных двигателях 21-26ДГ-01, 19-9ДГ, 26ДГ №7, 10Д49, 16Д49, 28ДГ, 15ДГУ, 2-28ДГ для локомотивов, кораблей и подводных лодок ВМФ, атомных станций и малой энергетики для спецобъектов. Разработана принципиальная схема управляемой регистровой системы воздухоснабже-ния для главных судовых двигателей кораблей нового поколения проектов 20380 (корвет) и 22350 (фрегат). Система испытана и внедрена на двигателях 10Д49 и 16Д49. Разработана принципиальная схема двухступенчатой системы воздухоснабжения с промежуточным охлаждением, состоящей из двух регулируемых турбокомпрессоров первой ступени и одного второй ступени обеспечивающей реализацию рабочего процесса с циклом Миллера с эмиссией вредных веществ в отработавших газах по нормам STAGE 3A ES2003/26EG. Раскрыты особенности конструирования среднеоборотных форсированных двигателей двойного назначения с учетом предложенных по результатам исследований мероприятий совершенствования топливоподачи и воздухоснабжения. На защиту выносится: совокупность разработанных автором методов и средств совершенствования систем топливоподачи и воздухоснабжения, обеспечивающих расширение границ применения двигателей двойного назначения типоразмерного ряда Д49, головных образцов 12ЛДГ300 и 12ЛДГ500 новых типоразмерных рядов, улучшение их экономических и экологически показателей, приемистости и пусковых свойств.
Апробация работы Основные положения работы обсуждены:
на заседании кафедры Поршневые двигатели МГТУ им. Н.Э. Баумана, (Москва, 2017г);
на Всемирном конгрессе CIMAC, (Хельсинки, 2016г);
на Международной научно-технической конференции «Трибология – машиностроению», институт машиноведения им. А.А. Благонравова, (Москва, 2014г);
на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики», (С. Петербург, 2012г);
на международной конференции «Двигатель – 2010, посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э.Баумана, (Москва, 2010г);
на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы поршневых ДВС», посвященной 120-летию В.А. Ваншейдта, (С.Петербург, 2010г);
на Всероссийской научно-технической конференции «Развитие двигате-лестроения России», (С.Петербург, 2009г);
- на Международной научно-технической конференции «Актуальные
проблемы поршневых ДВС», (С.Петербург, 2008г);
на Всероссийской научно-технической конференции «Машиноведение и детали машин», (Москва, 2008г);
на Международной конференции «Железнодорожное машиностроение. Перспективы, технологии, приоритеты», (Москва, 2007г);
- на Международной конференции «Двигатель – 2007», посвященной
100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э.Баумана, (Москва, 2007г);
на Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок Ленинградского кораблестроительного института, (С.Петербург, 2005г);
на Международном VI конгрессе двигателестроителей, (Харьков, 2001г);
на Международной научно-технической конференции «Двигатель – 97», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э.Баумана, (Москва, 1997г);
- на Международной научно конференции «Двигатели внутреннего сго
рания», (Варна, Болгария, 1989) и др.
Публикации. По теме диссертации изданы: Книга и раздел энциклопедии «Машиностроение» том № 14 (в соавторстве), опубликованы 147 научных трудов. В том числе 60 в журналах, включенных в перечень ВАК РФ, 7 работ на правах рукописи, 5 учебно-методических работ. Получено 43 патента на изобретения. Опубликовано 15 материалов научно-технических конференций. Общий объем основных работ - 39,4 п.л., представленных в реферате - 4,44 п.л..
Структура и объем работы.
Основные направления развития двигателей двойного назначения
Основными потребителями среднеоборотных форсированных двигателей (СОД) являются такие отрасли, как железнодорожный транспорт, военно-морской флот (ВМФ) и стационарные, либо модульно-блочные электростанции. Мощность двигателей локомотивов находится в диапазоне от 1000 кВт (маневровые локомотивы) до 4420 кВт (магистральные грузовые локомотивы). ВМФ применяет СОД главным образом на подводных лодках (мощность до 2000 кВт) и кораблях класса «Корвет» и «Фрегат» в составе дизель-дизельных, либо дизель-газотурбинных агрегатов (мощностью при работе на винт до 8000 кВт), либо вспомогательных дизель-генераторных установок мощностью до 1800 кВт. Как показала практика, для электростанций, кроме АЭС, наиболее эффективны дизели мощностью от 1000 до 2000 кВт. Для АЭС мощность дизелей, как правило, должна быть от 6200 до 7200 кВт.
Конкуренция производителей на мировом рынке, постоянно растущие требования потребителей и стандартов вынуждают разработчиков всего мира постоянно совершенствовать свою продукцию, благодаря чему в настоящее время ведущими фирмами достигнуты достаточно высокие показатели рабочего процесса двигателей. Так, в области среднего эффективного давления 16 Рте 27 бар, удельные расходы топлива по ISO 3046-1 составляют 185 Ь 195 г/(кВтч) при удельных средневзвешенных показателях эмиссии 7,2 ешх 12; есо 0,8 и 0,35 еСН 0,8 г/(кВтч); уровень дымности 0,5 г 1,2 ед. Bosch; расходы масла от 0,5 до 0,7 г/(кВтч) час при его сроках службы от 2 до 3,5 тыс. ч.
Оценить ресурсные показатели весьма сложно из-за различных методик их оценки в международной практике и в существенном отличии в условиях эксплуатации и обслуживания. Так по данным MTZ Industrial по состоянию на 2011-2012 годы при средней наработке судовых дизелей в год до 6000 часов наработка на отказ колеблется в пределах от 2000 до 3000 часов. В США принято оценивать ресурсные показатели по количеству выработанной энергии. Так по данным фирмы GE выработка в год 4800 МВт считается тяжелыми условиями эксплуатации, при которых ресурс работы двигателя GEVO (12ЧН25/32) до капитального ремонта ограничен выработкой 33500 МВт часов. В России, кроме ресурса, задают параметр потока отказов, который составляет 2-6 отказов на 4000 часов.
Анализ основных направлений развития среднеоборотных двигателей двойного назначения выполнен, главным образом, по результатам НИР ОАО «Коломенский завод» с учетом сведений материалов конгрессов CIMAC и диссертаций [1-13] выполненных в областях близких к настоящей работе.
Параметры современных среднеоборотных дизелей, выпускаемых крупными партиями, предоставлены в Таблице 1.1.
В связи с ограничением нагрузки на ось и габаритов локомотива, весога-баритные показатели двигателей локомотивов близкой форсировки отличаются незначительно. Улучшение тяговых характеристик достигается, главным образом, за счет форсирования двигателя по рабочему процессу, что в настоящее время требует решения сложного комплекса научно-технических задач, так как форсирование рабочего процесса сопровождается ухудшением экологических показателей (из-за роста максимальной температуры цикла), приемистости (из-за инерционности системы наддува) и параметров рабочего процесса на частичных режимах (из-за узкого диапазона оптимальных зон настройки топливной аппаратуры и агрегатов наддува).
Тенденции развития боевых кораблей и подводных лодок приводят к аналогичному результату из-за возрастающей энерговооруженности, ограничения объема машинных отделений и повышения скорости хода.
Анализ современных направлений развития среднеоборотных локомотивных двигателей позволяет предположить, что в ближайшие годы следует ожидать сни жения расхода топлива по ISO 3046-1 до (180-190) г/(кВтч), масла до 0,4 г/(кВтч), увеличения срока службы до выемки поршней до (20-30) тыс.часов. Уровень эмиссии будет понижен до еNOx 6 г/(кВтч) (при применении внешних систем очистки 6 г/(кВтч)), еСО (0,5-1,5) г/(кВтч), еСН 0,5 г/(кВтч) и выброса твердых частиц 0,02 г/(кВтч).
По данным конгресса CIMAC, комбинированные поршневые двигатели с шатунным механизмом в ближайшие двадцать лет будут еще актуальны. На основании результатов исследований, проведенных на ОАО «Коломенский завод» и анализа зарубежных материалов основные направления совершенствования таких двигателей представляются следующими.
В связи с ростом агрегатных мощностей, при одновременном условии снижения металлоемкости и себестоимости, ужесточения конкуренции на рынке, а также более жесткими требованиями потребителей и международных стандартов, главным направлением следует считать совершенствование рабочего процесса с целью снижения расходов топлива, эмиссии выхлопных газов, улучшения приемистости и, в некоторых случаях, создания возможности использования альтернативных видов топлив. Наиболее сложная задача - одновременное снижение расхода топлива и эмиссии, поскольку факторы, положительно влияющие на оба процесса, часто оказываются взаимоисключающими при их одновременной реализации. Набор факторов, оказывающих эффективное воздействие на рабочий процесс достаточно хорошо известен, поэтому задача оптимизации сводится к выбору их такого сочетания, которое в совокупности обеспечивает решение поставленной задачи.
К мероприятиям по снижению расхода топлива следует отнести оптимизацию использования воздушного заряда в камере сгорания путем его турбули-зации с одновременной корректировкой формы камеры, увеличение максимального давления цикла до (200-220) бар, организацию процесса при Pz=const, оптимизацию процесса смесеобразования путем гибкого управления параметрами топливоподачи и воздухоснабжения. Решение последней задачи возможно только с внедрением электронных систем топливоподачи импульсного действия, либо типа Common Rail, одновременно с использованием прогрессивных схем систем воздухоснабжения (например электрического инверторного привода ротора турбокомпрессора, рекуперативной , регистровой систем, либо систем двухступенчатого наддува с промежуточным охлаждением воздуха).
Эти два направления представляют особый интерес, поскольку при неизбежном росте форсирования двигателя могут обеспечить улучшение характеристик практически во всем спектре работы локомотива. Эффективным мероприятием является также внедрение управляемых фаз газораспределения.
Следует заметить, что повышение давления в цилиндре целесообразно только при умеренных значениях степени повышения давления. Это достигается увеличением степени сжатия, давления наддува и давления впрыска. В противном случае можно получить ухудшение индикаторного КПД.
Весьма эффективными мероприятиями, снижающими расход топлива, являются снижение механических потерь в двигателе за счет оптимизации газовыпускных и впускных трактов (снижение насосных потерь), снижения потерь на трение за счет уменьшения числа поршневых колец, снижения потерь на привод вспомогательных агрегатов, использования специальных жидкокристаллических присадок к маслу, улучшения качества масла и повышения КПД агрегатов турбонаддува до (0,67-0,70) в широкой области рабочих режимов.
В связи с существенным ужесточением норм эмиссии и норм по выбросу твердых частиц, особый интерес представляют специальные мероприятия, такие как прямой впрыск воды, впрыск воды за компрессор, использование водо-топливных эмульсий (ВТЭ), многофазный впрыск топлива, цикл Миллера в сочетании с повышением давления наддува и управляемыми фазами газораспределения (возможно с силовой турбиной), а так же использование альтернативных топлив и, в первую очередь, газов, биотоплив и диметилового эфира. Использование водорода маловероятно из-за больших технических трудностей его хранения, а также опасности насыщения водородом высоконагруженных деталей КС. Эффективным является перепуск газов на всасывание либо организация, так называемой, внутренней рециркуляции за счет специальной настройки фаз газораспределения. Для снижения выбросов углеводородов, дымности и твердых частиц следует максимально ограничить расход картерных газов, использовать масляные ловушки в системах вентиляции картера, либо применять автономные системы вентиляции.
Создание топливных систем для альтернативных топлив
В современных литературных источниках приведены обширные перечни различных потенциальных видов топлив, однако из всего их разнообразия практическое применение для дизельных высокофорсированных двигателей двойного назначения нашли следующие виды:
- тяжелые топлива (сырая нефть, мазуты) и топлива широкого фракционного состава;
- биотоплива на основе растительных масел (диметиловые и метиловые эфиры, кукурузного, рапсового и пальмового масла);
- природные газы с содержанием метана 60 -98%.
Исследованию работы двигателей на указанных топливах посвящено большое количество работ. Подавляющее большинство опубликованных результатов не содержат рекомендаций конструктору по вопросам особенностей конструирования топливных систем для того или иного вида. Исследования работы двигателя 6-9ДГ (16ЧН26/26) на сырой нефти и тяжелых топливах показали, что для исключения процесса крекинга в полостях распылителя температуры в зоне кармана распылителя должны быть не выше 90С, а температура поверхности запирающего конуса не более 180С, что достигается введением интенсивного охлаждения этой зоны. Поэтому в систему питания должен быть включен контур охлаждения распылителя.
При работе на сырой нефти и мазутах очень важно обеспечить минимальную адгезию продуктов разложения нефти. Наилучший результат получен применением покрытия иглы распылителя и плунжера ТНВД TiN толщиной 5 мкм, и материала соплового наконечника ВЗК («стеллит»). Отработана технология получения распыливающих отверстий в сплаве В3К методом электроискровой прошивки медным электродом.
Для обеспечения требуемого ресурса турбокомпрессора необходима система автоматической промывки проточной части турбины непосредственно на работающем двигателе.
Наиболее эффективным найденым решением, обеспечивающим практически безизносную работу вала топливоподкачивающего насоса, является вакуумно- плазменное напыление на его рабочую шейку окиси алюминия с 40% добавкой окиси титана. Исследования показали, что двигатель, рассчитанный на высокие форсировки свыше 1,6 МПа и обеспечивающий ресурсные показатели не хуже 50000 час, может работать на сырой нефти и мазутах практически без изменения конструкции за исключением указанных и при нормальной топливопод-готовке (нагрев, сепарация, фильтрация). Установлено, что в нормальном режиме вязкость топлива на входе в ТНВД должна быть не более 8 сСт, в аварийном не более 16 сСт. Режимы эксплуатации должны исключать холоднокислую и высокотемпературную коррозию, связанные с наличием серы, ванадия и щелочных металлов в топливе.
В настоящее время все шире используют биотоплива. Причин две: восполняемый запас, т.е. экономия нефтепродуктов и экологическая чистота самого топлива. Исследований по применению таких топлив достаточно много. Вместе с тем есть ряд особенностей их применения, поэтому были проведены испытания двигателя 12Д49М (12ЧН26/26) мощностью 2650 кВт на биотопливе RME (рапсовый метиловый эфир) EDIN51606 производства Германии, поскольку двигатели 12Д49М были предназначены для немецких железных дорог.
Проведены последовательно лабораторные и стендовые испытания.
В лабораторных условиях осуществляли ускоренную проверку влияния биотоплива на материалы уплотнений из резин разных марок, на моторное масло (имитация попадания топлива в масло), проверка защитных свойств от коррозии по отношению к конструкционным материалам деталей топливной системы.
В стендовых условиях на дизель-генераторе 1-26ДГ№7 проводены проверки влияния биотоплива на параметры работы дизеля в комплектовке его топливными насосами, обеспечивающими однофазную и двухфазную подачи топлива. При этом производилась оценка изменения мощностных, экономических и экологических параметров.
Базовыми для сравнения приняты результаты аналогичных проверок с применением дизельного топлива.
Проверку стойкости материалов уплотнений (резин) проводили путем оценки изменений показателей массы по ГОСТ 9030-74, твердости по ГОСТ 263-75, предела прочности при разрыве по ГОСТ 270-75 и остаточной деформации по ГОСТ 9.029-74 после выдержки образцов резин в испытуемом топливе в течение 240 часов при температуре 100С. Подобные испытания имеют весьма важное значение, поскольку конструкция должна быть гидроплотной.
Согласно методике образцы резин, предназначенные для испытаний на изменение массы, твердости, прочности при разрыве помещались в контейнер с топливом в свободном состоянии. Образцы, предназначенные для определения относительной остаточной деформации сжимались на 20% струбцинами и так же помещались в контейнер с топливом.
Проверку защитных свойств биотоплива по отношению к конструкционным материалам топливной аппаратуры от коррозии проводили по специальной методике в условиях центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ).
Для этого были отобраны образцы из стали 10, меди МО, алюминия АК-6, проведена их подготовка путем шлифования, обезжиривания и высушивания.
Затем образцы погружались на 1 минуту в топливо при комнатной температуре (20+2)оС с последующим извлечением и выдержкой на воздухе с целью стекания избытка топлива.
Испытаний по оценке защитных свойств топлива проводили согласно ГОСТ 9.054-75 по 1 методу в гидростатирующей камере Г-4 с периодической конденсацией влаги на поверхности образцов повторяющимися циклами. Каждый цикл состоял из 2-х частей.
Первая часть предусматривала воздействие на образцы воздушной среды при температуре (40+2)оС и относительной влажности (95+3)% в течение 7 часов.
Вторая часть - охлаждение образцов вместе с камерой с целью конденсации влаги на поверхности образцов путем отключения нагрева камеры. Продолжительность второй части цикла - 17 часов.
Осмотр образцов проводили 1 раз в сутки. Оценку защитных свойств топлива проводили по обратной десятибальной шкале по ГОСТ 9.041-74.
Для проверки влияния биотоплива на моторное масло готовили два образца смеси масла с топливом:
а) 95% масло М-14Г2ЦС + 5% топливо дизельное Л-0,5-62;
б) 95% масло М-14Г2ЦС + 5% биотопливо RME.
Затем проводили испытания полученных смесей, которые предусматривали:
- проверку ряда исходных физико-химических показателей (вязкости кинематической, щелочного и кислотного числа, водородного показателя, температуры вспышки, плотности);
- высокотемпературное окисление в масляной бане в контакте с воздухом (при температуре 200С в приборе ДК-2 НАМИ) и исследование изменений физико-химических показателей смесей в результате окисления;
- проверку изменения моющих свойств на лабораторной стенде имитаторе малоразмерного двигателя (на установке ПЗВ-Р) в ужесточенном температурном режиме (tо=125С, tц =175С, tголовки цил. =230С). Продолжительность испытаний 6 часов.
Оценочным критерием являются лакообразные отложения на боковой поверхности поршня.
Оценка выражается в баллах по ГОСТ 5726 в зависимости от количества и интенсивности окраски отложений по обратной системе: от «0» баллов – для совершенно чистого поршня, до «6» - для поршня, вся боковая поверхность которого покрыта лаком черного цвета.
Стендовые испытания проводили с предварительной подготовкой, которая заключалась в демонтаже цилиндро-поршневых комплектов, очистке их от отложений нагара, очистке и проверке всех форсунок с последующей их установкой для проведения испытаний.
Режимы работы дизель-генератора при испытаниях приведены в Таблице 3.4.
Иерархическая система моделей для оценки прочности деталей двигателя
Под прочностью (прочностной надежностью) деталей двигателей (ДВС) понимается отсутствие или минимально допустимое количество отказов в них, вызванных разрушением или чрезмерными деформациями.
Количественная оценка прочности осуществляется на основе сопоставления возникающих в конструкции напряжений (усилий) от действующих нагрузок с теми напряжениями (усилиями), которые приводят эту конструкцию в предельное состояние (разрушение, возникновение трещины, формоизменение). Применительно к деталям двигателей можно выделить наиболее характерные предельные состояния [75,76,80]:
- усталостное циклическое разрушение при длительном воздействии переменных напряжений, оцениваемое по пределу выносливости;
- термоусталостное циклическое разрушение с оценкой по долговечности или по пределу термической усталости.
- статическое разрушение в виде отрыва и среза, либо возникновение необратимых пластических деформаций, оцениваемое по пределу прочности, или по пределу текучести;
- длительное статическое разрушение в условиях повышенных температур (ползучесть) с оценкой по пределу длительной прочности;
Для деталей ДВС особую роль играет предельное состояние усталостного разрушения, что связано с цикличностью самого рабочего процесса и механизма преобразования движения. Рабочий диапазон современных двигателей по числу циклов нагружения составляет 107-109 циклов, что на 2 порядка превышает принятую базу оценки предела выносливости. Статистика показывает, что доля усталостных разрушений деталей двигателей составляет более 85% от общего числа наблюдаемых при эксплуатации поломок.
Цикл напряжений характеризуется двумя параметрами: максимальным аmax и минимальным amin напряжениями цикла, все остальные величины, используемые при оценке циклической прочности, являются зависимыми от них.
Для достоверной оценки циклической прочности конструкции (детали) необходимо провести сопоставление параметров цикла напряжений во всех потенциально опасных сечениях с пределом выносливости детали. К потенциально опасным сечениям относятся сечения с максимальным уровнем размаха переменных напряжений, концентраторы напряжений и деформаций (галтели, радиусные переходы, выкружки, места пересечений отверстий и выхода их на поверхность), стыковые сечения (для составных конструкций), а также зоны всех неравномерностей и особенностей очертаний.
Определение параметров цикла для деталей двигателей имеют свои особенности, обусловленные значительным изменением векторов действующих на них нагрузок в период рабочего цикла. В первую очередь это относится к деталям и узлам «движения»: шатун, коленчатый вал, блок цилиндров, маятниковый антивибратор и др. В условиях резкой переменности нагрузочных состояний, априорное определение наиболее опасных из них не представляется возможным. Применение двухпозиционной модели нагружения, при которой рассматриваются всего две нагрузки, соответствующие максимальному давлению в камере сгорания и максимальным инерционным усилиям, как правило, приводит к недостаточно достоверным результатам [75]. В этой связи, рекомендуется использовать многопозиционную модель нагружения через (5-10) град угла поворота коленчатого вала в пределах рабочего цикла двигателя (от 0 до 720 град для четырехтактных двигателей и от 0 до 360 град - для двухтактных).
На Рис.5.1 представлены нагрузки, действующие на кривошипную головку шатуна V-образного двигателя 16ЧН26/26 и огибающие максимальных и минимальных напряжений в сечениях, построенные с применением многопозиционной модели нагружения.
Для получения экстремальных напряжений в сечениях было рассмотрено 72 варианта нагрузочных состояний, соответствующих рабочему циклу двигателя с интервалом в 10 град. Полученные данные позволяют обоснованно выбрать опасные сечения конструкции и определить размахи переменных напряжений в них. Аналогичным образом осуществляется расчет коленчатого вала, блока цилиндров, подшипниковых узлов, где для получения максимальных размахов переменных напряжений в опасных сечениях необходимо рассматривать множество нагрузочных состояний в пределах рабочего цикла двигателя с интервалом (5-10) град по углу поворота коленчатого вала.
Для обеспечения требуемой достоверности запасов циклической прочности необходимо соблюдение следующих требований:
- расчет напряженно-деформированного состояния конструкции должен базироваться на современных, проверенных на практике методиках и программах расчета, в частности, на МКЭ;
- полученные результаты напряженно-деформированного состояния должны подтверждаться экспериментальными данными тензометрирования натурной конструкции на опытном двигателе или при статических испытаниях на специальных стендах;
- запасы прочности должны быть подтверждены натурными испытаниями конструкции на выносливость.
В Таблице 5.1 представлены рекомендуемые минимальные величины циклических запасов прочности основных несущих деталей двигателей [63].
Приведенные запасы перекрывают объективно существующие факторы нестабильности по свойствам сопротивления деталей усталостному разрушению, зависящим от уровня технологии, стабильности качества, полноты контроля дефектности в производстве, а также по уровню нагрузок на конкретные изделия в эксплуатации с учетом статистически возможных приростов рабочих и динамических усилий относительно принятых.
Опыт проектирования транспортных двигателей последнего поколения подтверждает, что указанные запасы прочности обеспечивают высокую надежность деталей, в то же время, они близки к оптимальным значениям в существующих условиях производства и эксплуатации, что позволяет иметь показатели удельной массы на современном уровне.
Полученные величины запасов прочности должны быть подтверждены результатами натурных усталостных испытаний с перегрузкой по отношению к уровню рабочих усилий не менее (1,6…2,0). Общий вид стендов для испытаний блоков цилиндров и коленчетых валов показан на Рис. 5.2. Аналогичные стенды разработаны для натурных усталостных испытаний коленчатых валов на кручение (защищен патентом [125]), поршней, шатунов, втулок цилиндров и других ответственных деталей дизелей.
Испытания выполняют на базе 107 циклов с указанной в Таблице 5.1 перегрузкой по переменным усилиям. При не разрушении конструкции считается, что запасы прочности соответствуют требуемым значениям.
Выбор и обоснование браковочных показателей моторного масла
В связи с тем, что моторное масло оказывает значительное влияние на ресурсные показатели не только базовых узлов двигателя, но и толкателей, плунжерных пар топливных насосов, подшипники турбокомпрессоров и исполнительные элементы систем воздухоснабжения в работе выполнены анализ и обоснование браковочных показателей масла.
Моторные масла, используемые в двигателях внутреннего сгорания, представляют собой сложнейшие коллоидные системы, в состав которых входят высокомолекулярные углеводороды разных классов и композиции присадок различного функционального действия.
В процессе работы двигателей масло подвергается температурным, механическим и физико-химическим воздействиям, которые с течением времени вызывают изменения в его составе и свойствах. Такие изменения принято называть биологическим термином «старение».
Процесс старения масла начинается практически сразу от заправки и тем заметнее, чем больше в него попадает остатков отработавшего масла. Утрата же необходимых эксплуатационных свойств наступает спустя определенное для конкретного сорта масла и двигателя время (за исключением аварийных случаев). В результате наступает момент, когда масло целесообразно заменить с целью обеспечения нормальной работы двигателя.
Для контроля за протеканием процесса старения масла производители техники и эксплуатационники, как в России, так и за рубежом, используют минимально необходимый комплекс физико-химических показателей, доступных для определения и достаточно информативных. Путем экспериментальных исследований устанавливаются допустимые пределы изменения контролируемых показателей, соблюдением которых обеспечивается надежная работа двигателей. Пороговые (предельные) значения выбранных показателей являются браковочными для масла.
Перечень физико-химических показателей, рекомендуемых для контроля крупными дизелестроительными фирмами во многом схож. Он показан Таблице 6.2. Комплексное рассмотрение и оценка изменения этих показателей в процессе работы позволяет определить направление старения масла. А правильная интерпретация результатов систематически выполняемых анализов позволяет диагностировать возникающие неисправности в двигателях. Своевременное принятие мер дает возможность предотвратить повышение эксплуатационных расходов (на масло, топливо, на запасные части и крупные ремонты, что окупает затраты на содержание аналитических лабораторий).
В числе контролируемых показателей на первом месте, как правило, стоит вязкость, как параметр, определяющий смазывающие свойства, текучесть и способность к прокачиванию. Эти свойства часто определяют как наиболее важные.
Вязкость масла, работающего в двигателе, может уменьшаться, оставаться неизменной или возрастать. Это зависит от воздействия совокупности факторов и процессов, вызывающих его старение и изменение состава. К ним относятся окисление, испарение, термическое или термоокислительное разложение углеводородов основы масла, загрязнение разного рода продуктами полного и неполного сгорания топлива и масла, разбавление масла топливом, конденсаты продуктов сгорания и другие.
Так, падение вязкости масла обусловлено, попаданием в него топлива в связи с неисправностью в топливной системе (если исключены доливы маловязкого масла). Это сопровождается и снижением температуры вспышки.
Допустимый предел понижения вязкости для дизелей Коломенского завода определяли экспериментальным путем. Значение вязкости, ниже которого увеличивается интенсивность изнашивания, принято как минимально допустимое. Для дизелей Д49 это значение равно 11,5 мм2/с.
Разжижение масла топливом не всегда можно обнаружить по изменению вязкости, так как масло одновременно может загущаться нерастворимыми загрязнениями и растворимыми продуктами окисления масла и топлива. Поэтому важно контролировать изменение температуры вспышки работающего масла. Экспериментально установлено, что попадание топлива (летнего) в незагрязненное масло в количестве (4-5)% приводит к снижению вязкости масла до предельно допустимого значения. Температура вспышки масла при этом снижается до (175-170) С. Это значение и принимается в качестве минимально допустимого.
Следует отметить, что если разжижение масла топливом компенсируется накоплением в нем продуктов загрязнения и вязкость изменилась в итоге незначительно по сравнению с исходной, считать такое масло работоспособным нельзя. Дело в том, что масло загущенное нерастворимыми загрязнениями обладает свойствами неньютоновской жидкости. Его вязкость зависит от градиента скорости сдвига, измеренная в капиллярном вискозиметре она будет выше, чем, например, в подшипниках коленчатого вала при одинаковой температуре, но высоком градиенте скорости сдвига. В результате она может оказаться недостаточной для обеспечения надежного смазывания.
Этот эффект иллюстрируют данные Рис. 6.24, где показано влияние содержания в масле нерастворимых загрязнений на рост его вязкости при 60 С в случае определения при малом градиенте скорости сдвига и при его значении 9000 с-1.
В реальных условиях эксплуатации с дизелями Д49 явное разжижение масла топливом и, соответственно, снижение вязкости явление довольно редкое. Значительно чаще наблюдается увеличение вязкости.
Часто это связывается с окислением масла, частично с испарением более легких фракций. Однако, многие исследователи считают, что значительно чаще и большее влияние на рост вязкости масла, особенно современного, оказывает накопление в нем нерастворимых продуктов окисления и сажи, что, в основном, и происходит на практике. Допустимым увеличение вязкости работавшего масла производители дизелей принимают равным плюс (20-30)% от исходного значения или среднему значению вязкости масла следующего класса по классификации SAE (Таблица 6.2). Предел, равный 16,5 мм2/с, был установлен в свое время для масел М-14Б, М-14В2 ( +20% от исходного). Это обусловлено тем, что к этому моменту у масел такого класса истощался запас нейтрализующего и антиокислительного потенциала. Вследствие чего с этого момента темп роста вязкости резко возрастал. Такой же предел роста вязкости позже, в 70-е годы прошлого столетия был распространен и на масла группы Г2 (М-14Г2, М-14Г2ЦС).
В связи с тем, что масла группы Д2 обладают заведомо большим нейтрализующим, моюще-диспергирующим и антиокислительным потенциалом, оно способно сохранять работоспособность и при большей степени загрязненности а, соответственно и при большей вязкости. В силу выше изложенного, верхний предел значения вязкости для них в процессе работы целесообразно повысить по меньшей мере до 17,5 мм2/с, что соответствует +25% от исходного значения и не противоречит мировой практике. С другой стороны, это позволит полнее использовать эксплуатационный потенциал масла без ущерба надежности работы двигателей.
Общее щелочное число является одним из основных паспортных пока зателей, характеризующих эксплуатационный потенциал моторного масла. Основное назначение щелочных присадок - нейтрализация кислых продуктов, образующихся в процессе работы двигателя, которые, как правило, являются коррозионно-агрессивными, а так же ускоряют старение масла.