Как бы ни был хорошо изготовлен дизель, срок его безотказной работы с запланированными удельными износами во многом зависит от марки применяемого топлива и хорошего сочетания с ним цилиндрового масла.
В то время, когда дизели работали исключительно на топливе марки «Дизельное Л», величины износов цилиндровых втулок и поршневых колец обычно не ставили в зависимость от качества топлива, если оно соответствовало ГОСТу. Также не связывали между собой физико-технические свойства топлива и цилиндровых масел. К маслам предъявляли минимальные требования: нормальные температура вспышки, вязкость, кислотность, зольность, содержание воды и механических примесей. Этими вопросами занимались только НИИ.
Исследования НИИ, в частности ЦНИИМФа, позволили применять в судовых дизелях топлива более тяжелого класса — моторные марок ДТ-1, ДТ-2 и ДТ-3. Начало применения этих топлив совпало с широким внедрением в судовых дизелях наддува, увеличившего тепловую напряженность деталей ЦПГ и вызвавшего необходимость тщательного изучения свойств применяемых цилиндровых масел, а также подбора новых марок с особыми специфическими свойствами.
Особую заботу вызывало все увеличивающееся количество серы в применяемых топливах. В топливе марки «Дизельное Л» содержание серы обычно не превышает 0,2%, что позволяло применять вместе с ним обычные цилиндровые масла марок АК-15 и МС-20, не обладающие специфическими свойствами. С применением моторного топлива ДТ-1, содержание серы в котором вначале не превышало 0,5% и постепенно увеличивалось до 1% и более, обычные цилиндровые масла оказались непригодными.
Попытки эксплуатации дизелей на топливе с повышенным содержанием серы при использовании обычных цилиндровых масел за короткий срок показали, что износ деталей ЦПГ возрастает прямо пропорционально содержанию серы в топливе. Уже при содержании в топливе серы более 0,5%, продукты ее сгорания вызывают коррозию деталей ЦПГ, что увеличивает износ и приводит к повышенному нагарообразованию в цилиндре. Кроме того, твердость нагара с увеличением содержания серы в топливе повышается, и это еще более усугубляет процесс износа. Поэтому возникла необходимость соответствия физико-химйческих характеристик применяемых топлива и масла. Под соответствием масла сорту топлива, на котором работает дизель, подразумевается наличие в масле такого запаса щелочности, который обеспечивал бы максимальную нейтрализацию продуктов сгорания серы, находящейся в топливе. При этом отработанное масло должно обладать еще некоторым запасом щелочности. Но этим не ограничились требования к цилиндровому маслу, работающему вместе с сернистым топливом.
В настоящее время смазочные масла для дизелей должны обеспечивать:
минимальные коэффициенты трения при работе дизеля, от чего зависят его механический к. п. д., эффективная мощность и удельный расход топлива;
постоянный теплоотвод через поршень и втулку от камеры сгорания и от подшипников путем передачи тепла охлаждающей воде;
очистку поверхностей деталей ЦПГ от продуктов нагара и износа;
защиту поверхностей деталей от коррозии, вызываемой продуктами окисления топлива и самого масла;
защиту поверхностей цилиндровых втулок от задиров в случае временного нарушения масляной пленки.
Этот комплекс может быть обеспечен введением в масло специальных химических соединений — присадок.
Здесь не приводятся наименования и составы присадок, так как это является предметом специальной литературы. По тем же причинам не приводятся марки цилиндровых и циркуляционных масел, применяемых для дизелей в настоящее время. Дело в том, что судовой механик не волен в произвольном применении различных марок топлива и масел для дизелей, которые он обслуживает.
Таким образом, помимо обеспечения минимального износа трущихся поверхностей, присадки должны придавать маслу антикоррозионные, противокислотные, моющие и противозадирные свойства.
Противозадирную присадку стали применять только в конце 60-х годов, ее появлению предшествовали длительные исследования. Присадка называется дисульфидом молибдена, обозначается MoS2, а в судовой практике называется «молекот».-Ее применяют как в виде суспензии, добавляемой в цилиндровое и циркуляционное масла, так и в виде пасты, наносимой на трущиеся поверхности перед сборкой. «Молекот» образует на поверхности тонкую пленку толщиной 2—5 мкм. Пленка настолько прочна, что не позволяет металлам деталей вступить в непосредственный контакт и способствует протеканию пластических деформаций микровыступов без прихватывания их между собой.
Наиболее всесторонние опыты по применению MoS2 были проведены в ФРГ, основным поставщиком этой присадки с начала 70-х годов стала фирма «Liqui-Moly».
Испытания присадки MoS2 с цилиндровым маслом показали, что износ рабочих поверхностей поршневых колец уменьшается приблизительно на 40% по сравнению с износом на обычном цилиндровом масле, причем свойства M0S2 не зависят от качества и сорта применяемого масла. В процессе приработки дизеля уменьшение износа колец достигает 50%.
Присадку вводят в масло в виде суспензии с размерами твердых частиц не более 1 мкм. О количестве вводимой суспензии точных сведений в литературе не имеется (0,2—4% объема). В достаточной степени проверено действие M0S2 вместе с цилиндровыми маслами, но ожидается, что применение этой присадки к циркуляционным маслам также даст благоприятные результаты.
В настоящее время наша промышленность освоила выпуск нескольких марок цилиндровых и циркуляционных масел с многофункциональными присадками: М16Д, М16Е, М12В, ДП-11. Для дизелей, работающих на моторном и более тяжелых топливах, применяют только эти масла.
Обычно для каждой марки дизелей установлен род применяемого топлива и марки цилиндрового и циркуляционного масел. ССХ меняют их очень редко, только при появлении новых марок топлива или масла. Как сказано выше, старший механик не может заменять их по собственному усмотрению, а в случае получения масла или топлива зарубежных марок должен руководствоваться фирменными инструкциями. Встретившись с новой маркой масла, судовой механик обязан ознакомиться по специальной литературе со свойствами его присадки и особенностями ухода за ним.
Какими бы высокими качествами не обладало то или иное масло, если за ним, так же как и за дизелями в целом, не будет надлежащего ухода, длительная работа дизеля с нормальным запланированным износом трущихся деталей невозможна. На длительную нормальную работу дизеля и его смазочной системы оказывают влияние следующие факторы: состояние устройств масляной системы (фильтров, трубопроводов, лубрикаторов, маслоохладителей, масляных танков, насосов); качество смазочного масла; периодичность сепарации масла и лабораторйых анализов; правильная дозировка масла; состояние поршневых колец;- температура выпускных газов; состояние поршневых колец; температура выпускных газов; состояние циркуляционного масла и температура деталей; сорт и качество топлива.
Остановимся на некоторых особенностях этих факторов.
Состояние устройств масляной системы. В каком состоянии должны быть устройства масляной системы, достаточно ясно сказано в Правилах и было бы излишне повторять их предписания. Необходимо только напомнить некоторые особенности ухода за этими устройствами.
Не следует планировать очистку масляных фильтров по предельно допустимой разности давлений до и после фильтра. Целесообразнее руководствоваться временем работы каждого фильтра: чем оно меньше, тем лучше. Если после промывки разность давлений до фильтра и за ним долгое время не возрастает, можно полагать, что фильтрующий материал порван и фильтр не работает.
При очистке фильтра следует тщательно исследовать его содержимое при помощи лупы. В отфильтрованной грязи могут оказаться частицы металла, указывающие на то, что в каком-то из узлов возник усиленный износ. При первой возможности необходимо отыскать этот узел.
Толщина отложений в тонких трубках может быть относительно их диаметра значительной и, кроме того, в них могут образовываться густые тромбы, беспрепятственно прошедшие по трубопроводу большого диаметра. Такие трубки нужно периодически снимать, промывать топливом и горячей водой или паром и продувать воздухом. Особенно это касается трубок, подающих масло к ползунам и параллелям, шестерням и другим узлам внутри картера.
Несмотря на многочисленные рекомендации, ни в коем случае нельзя судить о количестве подаваемого лубрикаторами масла по количеству капель, выходящих из трубки. Количество масла зависит от состояния насоса: чем более он изношен, тем большее количество капель будет выходить из контрольной трубки. Капли показывают только то, что насос работает.
Проконтролировать величину подачи каждого насоса можно следующим образом. После промывки корпуса масленки, всех элементов насосов и трубок собрать масленку полностью, залить ее маслом, установить на токарный станок, соединить приводной валик со шпинделем станка и подобрать частоту вращения шпинделя, соответствующую частоте вращения дизеля на полном ходу. После пуска станка в ход проследить за полным удалением воздуха из насосов и замерить производительность каждого насоса в отдельности. Для этого на отливной ниппель насоса ставят временную трубку, под нее подставляют мензурку и пускают станок в ход на определенное время, отмечаемое по секундомеру.
Таким способом можно точно измерить, какое количество масла насос подает в цилиндр, и отрегулировать его подачу согласно инструкции завод а-строителя. При регулировании следует останавливаться на несколько большей величине, так как во время испытания насос работает в свободное пространство, а при эксплуатации — на противодавление, при котором неизбежны пропуски масла плунжерной парой.
Хотя масляные штуцеры, установленные на цилиндрах, являются относительно несложными элементами, о них не следует забывать совсем. Обычно проверяют их действие при вскрытом цилиндре, проворачивая валик лубрикатора вручную, чтобы убедиться в том, что штуцер подает масло. Такой проверки недостаточно. В штуцерах возможны пропуски шарикового клапана, поломки пружины, чрезмерный нагар, поэтому их нужно перебирать по крайней мере через каждые 1000 ч работы.
Маслоохладители обычно прокачиваются забортной водой, поэтому наблюдение за ними должно быть особо тщательным. Давление масла, создаваемое масляным насосом, на 1,5—2 кгс/см2 больше, чем давление циркуляционного насоса забортной воды, и в случае пропусков соединений трубок масло будет уходить в забортную воду, а не вода проникать в масляное пространство
Когда с приходом в порт масляный насос будет остановлен, масло стечет в танк и давление в масляном пространстве станет равным нулю. Но со стороны водяного пространства останется давление столба воды от уровня отливной трубы до места пропуска в охладителе, и забортная вода начнет поступать в масляное пространство и в конце концов попадет в масляный танк.
Если брать из двух зол меньшее, пусть уж масло уходит за борт, и, если пропуск невелик и нет возможности вскрыть маслоохладитель для его устранения, лучше не останавливать масляный насос на стоянке.
Качество смазочного масла. В процессе работы качество циркуляционного масла изменяется. При выпадении моющей присадки из масла начинают выпадать углеродистые частицы и количество механических примесей растет. Поэтому количество присадки в масле необходимо периодически дополнять.
Механические примеси, состоящие из углеродистых частиц, золы, асфальтосмолистых веществ, металлических частиц и т. д., удаляются при сепарировании масла, а также частично задерживаются в фильтре. При сепарации удаляется также вода, попадающая в масло из системы охлаждения. У масел, не имеющих присадок, можно уменьшить и кислотность путем промывания его водой при сепарации. Но для масел, имеющих присадки, этого делать не рекомендуется во избежание разрушения некоторых из них. И никакими судовыми мерами нельзя воздействовать на изменение вязкости и температуры вспышки масла.
Существуют предельно допустимые характеристики качества циркуляционных масел, по достижении любой из которых масло считается непригодным к работе.
Периодичность сепарации масла. О количестве отбираемого для сепарации масла единого мнения пока не установилось. Фирмы, изготовляющие сепараторы, дают совершенно различные цифры. Так, фирма «Лаваль» считает, что сепаратор при непрерывной работе должен обеспечить в течение суток 1,5—2,5-кратную очистку всего находящегося в системе масла; фирма «Титан-» полагает достаточным непрерывно отбирать на очистку 2% циркулирующего масла и т. п. Поэтому при установлении режима сепарации 'Па каждом судне необходимо считаться с рекомендациями фирмы, изготовившей данный сепаратор.
Следует иметь в виду, что поскольку масло поступает к узлам дизеля не непосредственно из сепаратора, а из масляного танка, откуда оно отбирается для сепарации и куда возвращается после сепарации, то основное значение имеют не те качества, которые оно~ имеет сразу за сепаратором, а общее содержание вредных примесей в масляной системе. Соотношение этих качеств зависит от производительности сепаратора, на которую он отрегулирован.
Рис. 41 Содержание механических примесей в масляной системе в зависимости от производительности сепаратора
На рис. 41 показано, что если сепаратор работает с большой производительностью Q2, то качество очистки снижается, и несмотря на то, что в единицу времени он успевает обработать большое количество масла, общее количество вредных примесей а2 в масле, находящемся в танке, остается высоким. Не принесет должного результата и малая производительность. Если сепаратор отрегулировать на производительность Qu то, несмотря на высокое качество отсепарированного масла, общее содержание загрязнений ai масла в танке будет оставаться высоким.
Как показал опыт, наилучшие результаты очистки дает производительность сепаратора, близкая к Уз его паспортной производительности.
Периодичность лабораторных анализов масла. Не реже чем один раз в три месяца судовые механики обязаны сдавать на анализ пробы масел из циркуляционных систем главного и вспомогательного дизелей, сопровождая пробы, налитые в чистые стеклянные бутылки, соответствующими этикетками. Лаборатория не только укажет состав и количество вредных примесей в масле, но и даст рекомендации по их устранению. Если качество масла при помощи судовых средств улучшить нельзя, лаборатория напишет в заключении, что масло к дальнейшей работе непригодно. Такое заключение является основанием для замены масла в системе. Но большинство крупных судов нерегулярно заходят в порты, где есть лаборатории, и подолгу находятся вдали от советских портов, поэтому на судах лальнего плавания уже давно созданы специальные судо вые лаборатории, пользование которыми не требует специальных знаний. Однако судовые анализы не исключают необходимости сдачи масла в береговые лаборатории.
При помощи судовой лаборатории анализ масла можно сделать в любое время. Устанавливать периодичность анализов не совсем верно. Например, без всякой периодичности следует делать анализ после пополнения рабочего танка маслом из запаса, после длительного перехода между портами, когда на всем переходе производилась сепарация масла, в случае каких-либо сомнений в качестве сепарации и т. д., но интервал между анализами не должен превышать 10 дней.
Правильная дозировка масла. Несмотря на-все увеличивающуюся \тенлонапряженность вновь создаваемых дизелей с высокой степенью наддува, а следовательно, и на ухудшение условии смазки втулок и поршневых колец, системы смазки цилиндров конструктивно не претерпели каких-либо существенных изменений за все время внедрения наддува. В основном усовершенствование смазки цилиндров происходит путем создания новых присадок к существующим маркам цилиндровых масел, способных противостоять тяжелым условиям, в которых они работают. На основе высокоэффективных присадок и комбинаций их составов разрабатывают новые марки масел.
Такое одностороннее усовершенствование ставит жесткие условия для дозировки подаваемого в цилиндры масла. Каждая из ведущих дизелестроительных фирм выработала свою дозировку и интервалы между подачами порций масла. Например, у дизеля Зульцер RD коленчатый вал успевает сделать за цикл подачи 11 оборотов, а у дизелей Бурмейстер и Вайн VTBF — только два.
Но у дизелей RD наблюдается значительная неравномерность подачи масла за каждый оборот вала. Так, за первый оборот вала с начала подачи масла подается в 1,4 раза больше, чем за второй. Поступление масла в цилиндр происходит в то время, когда давление газов на клапан штуцера падает ниже давления масла в трубопроводе. Это происходит дважды за один оборот вала.
У дизелей 550VTBF110 обнаружено, что на поверхность втулки, лежащую выше штуцеров, поршневыми кольцами наносится масляный слой в 6 раз меньший, чем на поверхность, лежащую ниже штуцеров, и в 26 раз меньший, чем в дизелях 6 RD 76, т. е. распределение масла, обратное тому, которое желательно.
Таким образом, количество подаваемого лубрикатором масла еще не определяет правильности его дозировки и распределения по стенкам втулки. Под правильной дозировкой цилиндрового масла следует понимать такую минимальную дозировку, которая при известных сернистости топлива и щелочности масла обеспечивает минимальный износ втулки и поршневых колец. Известно, что в одних дизелях выходные отверстия масляньж штуцеров заканчиваются в масляных канавках различной формы, нанесенных на рабочей поверхности втулки, а в других — такие канавки отсутствуют.
Очень трудно раздельно учесть факторы, влияющие на износ в зависимости от дозировки масла: состояние поршневых колец и величины зазоров в их стыках; степень охлаждения маслом рабочей поверхности втулки; изменение коэффициента трения; скорость замены на поверхности втулки отработавшего масла свежим. е
В распоряжении механика имеется только возможность изменения дозировки масла и чисто внешнее определение результатов этих изменений. То, что износ втулки цилиндра находится в прямой зависимости от подачи масла в цилиндр, подтверждено/большим количеством экспериментов, проводимых заводами-ртроите-лями. /
Судовой механик не меняет дозировку масла в опасных пределах, когда она начинает отражаться на удельном износе втулок, да в этом и нет необходимости. От него требуется только поддержание дозировки в пределах, указанных инструкциями завода-строителя или ССХ. Однако при тщательном наблюдении за состоянием рабочих полостей цилиндров при профилактических вскрытиях можно решить, насколько принятая дозировка масла близка к оптимальной.
При осмотре поверхностей поршня, крышки, продувочных и выпускных окон, поршневых колец и втулки следует прежде всего обращать внимание на количество и состояние нагара на этих поверхностях. При чрезмерной подаче масла на стенках окон, особенно продувочных, нагара отлагается настолько много, что он полностью забивает сечение окна.
Рис. 42. Расположение нагара в продувочных окнах дизеля Зульцер 9SD72
На рис. 42 показаны все продувочные окна втулки дизеля Зульцер 9SD72 и характер отложений в них. Как видно из рисунка, одни из окон оказались почти чистыми, а другие забиты нагаром полностью (заштрихованы).
После предыдущей переборки втулки № 7 и 8 отработали всего по 4872 ч. В данном случае нагар был сухим и настолько твердым, что его пришлось вырубать зубилом.
При еще большем избытке масла нагар был бы мягким и вязким, со следами несгоревшего масла. Такой же нагар образуется в перемычках между кольцами, а иногда и на донышке поршня. При обнаружении такого явления к уменьшению подачи масла следует подходить очень осторожно, тщательно контролировать расход масла как общий, так и по отдельным лубрикаторам. Лучше затратить на регулирование лишнее время, чем ошибиться в расходе в меньшую сторону.
Систематическое наблюдение за результатами постепенного уменьшения подачи масла покажет, как уменьшаются отложения в окнах и в перемычках между кольцами. Когда в продувочных и выпускных окнах будет отлагаться слой сухой сажи толщиной 2—3 мм, в перемычках между кольцами — слой загустевшего масла толщиной до 1 мм, а на донышке поршня и крышки — только сухая сажа, можно полагать, что дозировка масла в данный цилиндр подобрана правильно. При этом удельный расход масла не должен выходить за пределы, рекомендованные фирмой.
Правильная дозировка масла говорит только о количестве масла, подаваемого за один цикл, но не о том, как оно распределяется по рабочим поверхностям втулки и поршневых колец. Равномерность же распределения масла по смазываемым поверхностям зависит от многих факторов, и прежде всего от состояния поршневых колец.
Состояние поршневых колец. Под состоянием поршневых колец подразумеваются характер прилегания их рабочих поверхностей к поверхности втулки, величина давления их на втулку и зазор в замках колец.
Исследования фирмы «Зульцер» показали, что только при зазоре между втулкой и кольцом менее 0,01 мм прорывы газов между ними почти исчезают, при зазоре же в 0,02 мм они неизбежны. Однако практически без всяких приборов небольшое количество прорывающихся газов обнаружить не удается, так как они не уничтожают масляную пленку полностью, а только ухудшают условия смазки.
Для дизелей с цилиндрами большого диаметра достичь такой точности прилегания рабочих поверхностей втулки и колец никакими современными методами механической обработки невозможно. Точность прилегания обеспечивается только в процессе приработки деталей друг к другу, производящейся по хорошо разработанной программе. Исследования показывают, насколько это имеет большое значение.
Поршневые кольца в зависимости от их расположения изнашиваются неодинаково. Износ зависит от давления в заколечном и подколечном пространствах и от сил упругости самого кольца. Эти давления имеют максимальные значения для первого кольца и постепенно убывают к последнему кольцу.
Если в начале процесса приработки износ не превышает предполагаемых величин, то верхние кольца изнашиваются быстрее нижних. В том случае, если износ значительно превысил эти величины, то быстрее изнашиваются нижние кольца. Такое явление объясняют плохими уплотняющими свойствами колец в начале работы.
Известно, что чугун очень плохо прирабатывается к сопряженной детали по сравнению с другими антифрикционными сплавами. Поэтому в начале приработки кольда прилегают к поверхности втулки отдельными участками, в результате чего на поверхностях возникают большие, трудно учитываемые давления. В этом случае решающее значение имеют качество обработки поверхностей колец и втулки и хорошая их смазка.
При существующей оптимальной чистоте обработки /грубая обработка обеспечивает более быструю приработку деталей при меньшем первоначальном износе, чем обработка более точная или оптимальная. Объяснения этому явлению приведены выше.
В процессе приработки обнаруживается еще одно обстоятельство. Кромки поршневых колец срабатываются больше, чем середина, и рабочая поверхность становится выпуклой.
Рис 43 Форма профиля поршневого кольца после приработки
На рис. 43 показаны положения поршневого кольца при ходе поршня вверх и вниз. Изменения формы кольца и канавки показаны в преувеличенных размерах (исследования этих изменений, проведенные фирмой «Бурмейстер и Вайн», впервые были опубликованы в 1972 г.). На рис.43,с показано положение кольца т ходе сжатия, за 60° после н. м. т. на рис. 43,6 — рабочий ход, оптимальные формы поверхности кольца, рассчитанные для условий положения кольца на 20° дс и после в. м.т.
Приработка поршневых колец к втулке усложняется тем что давление и температура яг отдельных участках окружность кольца не одинаковы.
В 1965 г. в ЛИВТе были проведены исследования температуры поршневых колец на работающем дизеле марки 8DV136r В результате исследований были сделаны следующие выводы:
разность максимальной и минимальной температур этих участков достигает 100°С;
температура в районе замка различных по высоте колец падает медленнее, чем изменяется температура массы кольца по окружности.
Как видно из приведенных данных, средние величины температур отдельных зон кольца различаются на весьма значительные-величины. К этому еще можно добавить, что для каждой зоны они не постоянны, а изменяются в определенных диапазонах, следуя за температурными изменениями цикла.
Дизели 8DV136 относятся к среднеоборотным, и можно полагать, что для малооборотных дизелей колебания температур по окружности кольца выражены не так резко. Однако общая тенденция такого распределения температур характерна для всех видов дизелей. Объясняется это, во-первых, тем, что через зазор в замке дросселируются рабочие газы с высокой температурой, которые нагревают концы колец, и, во-вторых, тем, что давление кольца на стенку втулки в районе замка также имеет наивысшую величину по сравнению с давлением на остальную окружность.
Большой давление способствует повышенному выделению тепла, а следовательно, и увеличению температуры этих зон кольца.
Величину давления и изменение его по окружности кольца определить судовыми средствами невозможно, да и абсолютное его значение ни о чем еще не говорит. Например, отдельным фирмам, изготовляющим среднеоборотные дизели, при помощи различных технологических новшеств удалось в последнее время довести давление поршневых колец на стенку втулки до 35кгс/см2.
Но во время работы дизеля кольца прижимаются к стенкам втулки не за счет собственной упругости, а в основном за счет давления в заколечном пространстве. Можно полагать, что давление в заколечном пространстве распределяется также неравномерно и вблизи от замка оно больше, чем с противоположной стороны. Вследствие того что давление сил упругости кольца и температура в районе замка также выше, чем на более отдаленных от замка участках, износ кольца в районе замка протекает в_4~-6"раз быстрее, чем на остальной рабочей поверхности кольца.
Рис 44. Кривые изменения температуры втулки со стороны выпуска в момент прохождения замком поршневого кольца места установки термопары
При нормальном зазоре в канавках поршневое кольцо не остается неподвижным, а медленно вращается вокруг своей оси. В. А. Владимиров и А. Е. Гриншпун оценивают скорость этого вращения в 0,1—1 мм/с. При этом в месте прохождения замка температура стенки поднимается на 20—30°С выше, чем на других участках втулки.
Такое явление было исследовано И.В. Возницким и Б. И. Олейниковым при испытании дизеля Зульцер 8TD48 1 (N=2400 э.л. с. при /г—225 об/мин). В результате исследования построены кривые изменения температур в стенке втулки (рис. 44) в момент прохождения замком поршневого кольца места, где установлена термопара (точка А—-замок подошел к термопаре; Б — прошел ее; 1 — термопара на глубине 5 мм от ( поверхности втулки; 2— то же, 12 мм).
В ходе испытаний было установлено, что температура рабочей поверхности втулки, измеряемая в точках на уровне первого поршневого кольца, колеблется в пределах до 75°С. Период этих колебаний авторы оценивают в 15—20 мин. Как видно из рисунка, частота вращения кольца неравномерна и длительность воздействия горячих газов на отдельные участки поверхности втулки достигает 7—8 мин. Поэтому температура стенки втулки повышалась до 228°С при среднем уровне температуры в этой зоне 150°С. Учитывая, что надежная смазка рабочей поверхности втулки может быть обеспечена при температуре не выше 200°С, можно представить, насколько опасна остановка кольца.
В довершение сложной картины условий, в которых работает поршневое кольцо, следует отметить, что сила трения между кольцом и втулкой в зависимости от положения кольца во втулке также неравномерна. Исследованиями ЦНИДИ установлено, что наибольшего значения сила трения поршневого кольца достигает в районе в. м. т., в тактах сжатия и расширения
Область граничного трения в районах мертвых точек увеличивается с уменьшением класса чистоты обработки трущихся поверхностей поршневого кольца и втулки цилиндра.
Рис 45 Эпюра давления поршневого кольца на втулку
Подводя итоги вышеизложенному, следует отметить, что условия работы поршневых колец очень сложны и при оценке их состояния необходимо учитывать следующие обстоятельства.
1. Добиться идеального прилегания рабочих поверхностей кольца ко втулке и к нижней поверхности канавки в поршне практически не удается, и прорывы газов или сжатого воздуха из рабочей полости цилиндра неизбежны.
2. Упругие силы металла кольца относительно невелики и по окружности распределены неравномерно (в районе замка они выше). На рис. 45 показана эпюра распределения давлений (относительно среднего давления ро) по окружности поршневого кольца, полученная экспериментальным путем. Пояснений эпюра не требует, следует только учитывать, что она построена для дизеля конкретной марки и для других дизелей соотношения величин давлений могут оказаться несколько иными.
3. Кольца, особенно верхние, прижимаются к стенкам втулки в основном силами давления газов и воздуха со стороны канавки. Для первого кольца давление со стороны канавки достигает 0,8рг и быстро убывает на следующих кольцах (у второго кольца оно уже в 4 раза меньше). Это является одной из причин повышенного износа первого кольца.
4. Давления газов и воздуха со стороны канавки распределяются по окружности кольца неравномерно. Они имеют наибольшие величины в зонах, ближайших к замку, постепенно убывая к точке, противолежащей замку.
5. Температуры нагрева кольца по окружности распределяются также неравномерно. Наибольших величин они достигают в районе замка и постепенно убывают к середине кольца, причем, разница между наивысшей и наинизшей температурами в отдельных случаях достигает 100°С.
6. Поскольку в районе замка давление в заколечном пространстве, сила упругости металла кольца и температура нагрева выше, чем на остальных частях кольца, оконечности кольца изнашиваются быстрее всего.
7. Образующая рабочей поверхности кольца не является прямой линией в строгом смысле, а имеет выпуклость, высота которой хотя и исчисляется только микронами, однако способствует образованию масляного клина между рабочими поверхностями втулки и кольца.
8. Сила трения между кольцом и втулкой, в зависимости от их взанмоположения, неравномерна; наибольших величин она достигает в районе в. м. т., в тактах сжатия и расширения.
9. Во время работы дизеля поршневое кольцо не остается неподвижным в своей канавке, а медленно вращается вокруг своей оси. Так как частота вращения невелика, температура стенки втулки в месте прохода замка кольца на это время повышается. Периоды колебаний температуры стенки втулки длятся 15— 20 мин и достигают 75°С по сравнению со средней температурой стенки.
Обратимся теперь к практической стороне вопроса — сроку службы поршневых колец и признакам, определяющим необходимость их замены Назначать заранее какие-то сроки службы колец бессмысленно, так как эти сроки зависят от условий работы, качества чугуна и многих других факторов.
Обычно кольца осматривают, обмеряют и при необходимости заменяют во время очередных вскрытий цилиндров. Чаще всего на этом и заканчивается срок службы первого компрессионного кольца. Оно оказывается или чрезмерно изношенным, или поломанным.
При вскрытии цилиндра, до того как вынут поршень, нужно внимательно осмотреть рабочую поверхность втулки, особенно верхней ее части. Если на поверхности имеются сухие темные участки, то независимо от результатов обмера верхнего кольца его нужно менять. Только в том случае, если основные размеры кольца не выходят за допускаемые пределы, это кольцо можно поставить вниз.
По внешнему виду поршня,поршневых колец, окон можно судить о достаточности, недостатке или избытке смазки^ Совершенно сухие перемычки между кольцами и очень тонкий сухой нагар в выпускных окнах свидетельствуют о недостаточной смазке.
В этих случаях может наблюдаться также очень чиста^ почти полированная, рабочая поверхность втулки с трудно различимым направлением штрихов. Нередко обмеры втулки и колец в таких случаях показывают очень небольшой износ (для втулки 0,02—0,04 мм на 1000 ч).
Однако это кажущееся благополучие не должно успокаивать механиков. Слишком чистая поверхность—втулки более уязвима ТЩя^неизбежно попадающих в смазку твердых частиц нагара, \ чем поверхность с некоторой шероховатостью Особенно вероятно 1 повреждение полированной поверхности при неустановившемся режиме трения, т. е при пуске дизеля.
В практике неоднократны случаи, когда механики при следующем вскрытии цилиндра обнаруживали поверхность втулки, покрытую грубыми продольными рисками, иногда со следами начинавшегося задира и со значительно большим износом, чем в предыдущем вскрытии. Во избежание такого явления необходимо увеличить количество масла, подаваемого в цилиндр, и тщательно проконтролировать его расход с тем, чтобы довести его до нормы.
С другой стороны, излишняя смазка не только загрязняет цилиндр, кольца и поршень, но может вызвать и другие более опасные явления. Если зазор между плоскостями кольца и канавки приблизится к предельно допустимому, нагар начнет образовываться на вертикальных поверхностях канавки и кольца, и толщина его может достигнуть такой величины, что он начнет выжимать кольцо из канавки. В дальнейшем кольцо, потеряв упругость, начнет изменять свою форму. В одних местах прилегания его к втулке возрастут давления, в других — появятся прорывы газов, кольцо перестанет передвигаться в канавке и полностью закоксуется. В таких случаях задиры более чем вероятны.
Обычно кольца снимают с головки поршня при помощи различных приспособлений. Несмотря на то, что деформация кольца при этом минимальна, оно теряет свою форму по сравнению с той, которую имело, находясь на месте. После установки кольца на поршень и поршня в цилиндр кольцо не сразу примет перво-и начальную форму, а может и не принять ее вовсе, и характер из-\ носа кольца и втулки изменится в неблагоприятную сторону, j Кроме того, принудительная деформация кольца при его снятии + и установке на поршень уменьшит упругие силы кольца, что так-I же изменит характер его дальнейшего износа.
Практически упругость поршневого кольца проверяют следующим образом. Замеряют зазор в замке кольца, находящегося в свободном состоянии, и после замера сводят концы кольца до соприкосновения. Если в свободном состоянии зазор в замке останется после этого без изменений, упругость кольца считается достаточной.
Рис. 46 Приспособление для проверки упругости поршневого кольца
На заводах при проверке новых колец применяют различные приспособления, одно из которых показано на рис 46. Зазоры при этом измеряют точнее. Для оценки состояний поршневых колец остается еще упомянуть о фасках на их кромка^, При значительном износе фаски не должны быть больше, чем это рекомендует инструкция завода-изготовителя. Очень большие фаски уменьшают площадь рабочей поверхности поршневого кольца и увеличивают давление кольца на втулку.
Если даже кольцо и установлено на старое место — это фактически не то кольцо. Форма его изменилась, поэтому при выходе судна в рейс дизелю нужен хотя бы десятичасовой срок приработки, за который кольца установятся в наиболее благоприятные для работы положения.
Температура выпускных газов. Механикам хорошо известно, как много накапливается цилиндрового масла в выпускных коллекторах или в корпусах турбин ГТН при длительной работе дизеля на среднем и малом ходах.
Бесспорно, что при высокой температуре выпускных газов и низкой температуре охлаждающей воды износ цилиндровых втулок увеличивается.
Фирма «Шелл» проводила эксперименты, связывая изменение температуры охлаждающей воды и дозировки цилиндрового масла ( с износом втулок. Были получены следующие результаты.,.Снижение температуры охлаждающей воды с 68 до 46°С повышает износ примерно на 15 процентов. Повышение температуры воды от 46 до 68С снижает износ на 7—8%.
При уменьшении подачи масла в цилиндры с 0,6 до 0,4 г/л с - ч ц износ втулок повышается примерно на 30%. Если же при этом еще снизить и температуру охлаждающей воды с 68 до 46°С, то М износ увеличивается уже более чем на 80%.
В периодической литературе имеются данные и с другими результатами подобных исследований, но общая тенденция этих данных очевидна.
Состояние циркуляционного масла и температура деталей.
В зависимости от конструкций дизеля, циркуляционные масляные системы различны. Особенности системы определяют срок службы масла и его физико-техническое состояние, которое, в свою очередь, оказывает влияние на износ подшипников.
Если, согласно анализу береговой лаборатории, понизились вязкость и температура вспышки масла, увеличилось содержание механических примесей и процентное содержание минеральной части этих примесей, в масле появились водорастворимые примеси и любой из этих параметров превысшьдопускаемую величину, то масло подлежит замене. В обычной практике только эти показатели и служат основанием для замены масла. Если небольшие вспомогательные дизели не включены в систему сепарации масла и если нет возможности своевременно провести анализ, масло следует заменять в срок, установленный инструкцией завода-строителя.
В БМП давно эксплуатируется большая группа дизелей Зульцер 9SD72 и 5SAD72, но для замены масла у этих дизелей сроков вообще не установлено ни в инструкции завода-строителя, ни в предписаниях ССХ. Циркуляционное масло, которого у дизеля 9SD72 в рабочем танке содержится 12—17 м3, периодически сепарируют, а состояние его контролируют в лаборатории пароходства.
На многих теплоходах масло отработало уже более 30 ООО ч, но нигде характеристики масла не достигли величин, при которых его нужно заменить.
Необходимость замены масла в малооборотных дизелях может возникнуть только в случае грубейшего нарушения правил обслуживания масляной системы, поэтому устанавливать для них срок службы масла, хотя бы и длительный (16 000—20 000 ч), не имеет смысла.
Следует отметить, что и заводы-строители этих дизелей таких сроков вообще не устанавливают, а приводят только браковочные характеристики по вязкости, температуре вспышки и кислотности. Но и эти характеристики не едины даже для однотипных дизелей, эксплуатирующихся в разных пароходствах, и не совпадают с предписаниями Правил.
Безусловно, что чем чище масло, тем меньше скорость износа деталей. Но это, в свою очередь, зависит и от качества сборки трущихся пар.
Температура масла, выходящего из двигателя, является средней величиной и не характеризует температуры ни отдельных деталей, ни отдельных потоков масла, выходящих из подшипников. Не исключено, что из какого-либо подшипника, находящегося внутри картера, масло выходит с температурой значительно более высокой, чем средняя на выходе из картера. Исследованиями установлено, что при температуре на выходе из подшипника, не превышающей 66°С, циркуляционное масло может служить неограниченно долго. Если эта температура на 10—11° превышает установленную, срок службы масла уменьшается в два раза. При температуре, превышающей 93°С, срок его службы уменьшается логарифмически.
Таким образом, физико-технические свойства циркуляционного масла, связанные с повышением температуры, изменяются не по всему количеству масла одновременно, а в отдельных узлах, работающих при повышенной температуре. Воздействовать на этот процесс судовые механики могут только путем тщательных профилактических осмотров, во время которых проверяют все зазоры и оценивают характер работы трущихся пар. Также необходим систематический контроль за состоянием масла. В настоящее время все крупные морские суда имеют экспресс-лаборатории, при помощи которых можно определять вязкость и температуру
вспышки масла, наличие водорастворимых кислот, содержание механических примесей и воды.
Сорт и качество топлива. И сорт, и качество упомянуты вместе не случайно. Топливо может принадлежать к лучшим сортам, содержать в своем составе минимальное количество вредных примесей, но быть низким по качеству, будучи загрязненным веществами, химически не связанными с компонентами топлива. Такие вещества удаляют путем отстоя, фильтрации и сепарирования топлива, и улучшение качества топлива в этом смысле целиком зависит от механиков.
Но никакими механическими средствами нельзя изменить состав топлива. Поэтому будем полагать, что в судовой обстановке топливо любого сорта или марки приготовлено к сжиганию с использованием всех возможностей судового оборудования и в этом отношении все топлива равны. Но в действительности чем больше природная вязкость топлива, тем больше в нем содержится механических примесей и воды, и тем труднее освободиться от них судовыми средствами.
В общем случае нормальная работа форсунки нарушается в случае:
увеличения зазора между иглой и направляющей, что вызывает утечку топлива;
деформации и разрушения притертых поясков иглы и распылителя в результате чего ухудшается качество распыливаний топлива;
увеличения диаметра сопловых отверстий, что также приводит к ухудшению качества распыливания топлива и, кроме того, нарушает распределение его капель по объему камеры сгорания.
Увеличение зазора между иглой и направляющей возникает вследствие коррозионного воздействия топлива на их рабочие поверхности. Коррозионный процесс начинается с потемнения поверхности иглы, где в дальнейшем возникает тончайшая [лаковая пленка, способствующая развитию точечной коррозии и усиленному износу.
Рис. 47. Износ форсуночных игл и продолжительность работы форсунок до притирки игл дизеля 9RD90
На рис. 47, а показан износ игл форсунок дизеля Зульцер 9RD90 при работе его на разных видах топлива, в том числе на опытных. Износ выражен в потере иглой массы в граммах на
1000 ч работы .
Максимальный износ (2) игл наблюдается при работе на опытном топливе, несколько меньший (3) — на экспортном мазуте (—5°С). Минимальный износ (1) зафиксирован при работе на топливе ДТ-1.
Несмотря на то, что качество экспортного мазута (10 С) наиболее низко по сравнению с другими топливами, износ форсуночных игл при работе на нем немногим выше (4), чем при работе на хорошо зарекомендовавшем себя топливе ДТ-1.
Еще более интересный результат показан на рис. 47, б продолжительность работы форсунок до притирки игл. Больше всего игла работает без притирки (4) на экспортном мазуте (10° С) и
скорее всего изнашивается (3) при работе на экспортном мазуте (—5°С), хотя он и выше по качеству, чем первый мазут (/ — работа на топливе ДТ-1; 2—на опытном топливе). На рис. 48, а показан износ игл форсунок дизеля 6RD76 при работе на топливах ДТ-1 (1) и опытном (2). При взвешивании оказалось, что износ во втором случае в 2,5 раза больше, чем в первом. Авторы работы объясняют такое увеличение износа только более высоким содержанием серы в опытном топливе, так как содержание механических примесей и зольность этого топлива такие же, как и топлива ДТ-1.
Рис 48 Износ форсуночных игл дизелей 6RD76 и 550VTBF110
Рис 49 Износ форсуночных игл дизеля 550VTBF110
На рис. 48,6 сравниваются износы форсуночных игл дизеля 550VTBF110 после работы на опытном топливе (3) и экспортном мазуте (—5°С). И здесь износ игл после работы на опытном топливе значительно превышает износ после работы на экспортном мазуте (4), несмотря на то, что содержание механических примесей и зольность мазута (—5°С) значительно выше, чем опытного топлива.
Эти выводы подтверждаются еще одним исследованием того же направления. В данном случае опыты проводились на одном дизеле Бурмейстер и Вайн 550VTBF110, установленном на танкере «Елгава»; испытуемых сортов топлива было пять (рис. 49).
Наибольший износ игл зафиксирован после работы дизеля на опытном топливе (2) и экспортном «минусовом» мазуте (5). Только эти топлива содержат меркаптановые сернистые соединения, хотя и в небольших количествах, и только с наличием такого сернистого соединения можно связать повышенный износ игл при работе на этих топливах. Действительно, мазут 40, в котором содержится 2,7% серы (против 0,5—1,08 и 2,1%—в топливах ДТ-1 и опытном) и количество механических примесей в котором в 3— 5 раз превышает таковое в указанных топливах, показал степень износа (5) форсуночных игл немногим более высокую, чем топливо ДТ-1 ()t). Цифра 4 показывает износ игл при работе дизеля на экспортном мазуте (10°С).
Таким образом, получается, что количество механических примесей в топливе и качество его очистки оказывают на износ игл форсунок меньшее влияние, чем количество серы.
Если бы механики имели возможность при помощи судовой лаборатории определять хотя бы наличие серы в топливе, особенно меркаптановой, тогда описанные исследования имели бы для механиков большое практическое значение. Но поскольку даже лаборатории пароходств дают в анализах только общее содержание серы в топливе, приведенные данные только наглядно показывают механикам, что различные сорта топлив по-разному действуют на скорость износа. При сравнении износов цилиндровых втулок и поршневых колец заметна явная зависимость скорости износа от количества серы в топливе: чем больше в топливе серы, тем больше скорость износа деталей.
Специальные противозадирные масла образуют прочный слой, который остается стабильным при той температуре поверхности трения, при которой сгорают обычные углеводородные масляные пленки. Характерной особенностью такого масла является постоянная способность сохранять пленку на поверхности металла и одновременно нейтрализовать действие образующихся продуктов окисления.
Если борьба с вредным влиянием сернистых соединений внутри цилиндра вполне успешна, то нейтрализовать меркаптановую серу, содержащуюся в таком виде до сгорания топлива, пока не удается, присутствие ее в топливе пагубно отражается на состоянии топливной аппаратуры, и прежде всего форсунок.
Рис. 52. Цикловые колебания температуры в стенке камеры сжатия малооборотного дизеля на режиме перегрузки
