CC BY
64
3. Klingel H. Uber die Lauf der Eisenbahnuragen auf Bahn. Orgain fur die Fortschritte des Eisenbahnwesens in techischer Beziehung, Neue Folge. XX Band, Braunschweig, 1883, no. 4, pp. 113 - 123.
4. Petrov N. P. Davlenie koles na rel'sy zheleznykh dorog, prochnost' rel'sov i ustoichivost'puti (Pressure of wheels on rails of railroad communications, strength of rails and stability of a way). Petrograd, 1915, 263 p.
5. Zhukovskij N. E. Kinematika, statika, dinamika tochki (Kinematics, statics, dynamics of a point). Moscow: OBORONGIZ, 1939, 403 p.
6. Kartashev N. I. Tiagovye raschety pri ekspluatatsii zheleznykh dorog (Thrust calculations at railway operation). Tomsk, 1928, 148 p.
7. Gukovsky M. A. Mekhanika Leonardo da Vinchi (Mechanics Leonardo da Vinci). Moscow: AN USSR, 1947, 824 p.
8. Berman G. N. Tsikloida (Cycloid). Moscow: GITTL, 1954, 116 p.
9. Prohorova A. M. Fizicheskii entsiklopedicheskii slovar'(The physical encyclopaedic dictionary). Moscow: The Soviet encyclopaedia, 1984, 944 p.
10. Novachuk J. A., Grigorenko V. G., Nikitin D. N. The innovative theory of interaction of wheels and rails [Innovatsionnaia teoriia vzaimodeistviia koles i rel'sov]. Put' iputevoe hozjajstvo -Way and travelling facilities, 2009, no. 2, pp. 22-26.
УДК 629.424:621.001.5
С. М. Овчаренко, В. А. Минаков
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАКОПЛЕНИЯ ПРОДУКТОВ ИЗНОСА В МОТОРНОМ МАСЛЕ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ Д49
Процесс эксплуатации тепловозного дизеля связан с постепенным износом деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма. Периодическая безразборная оценка степени изношенности деталей этих групп возможна при применении метода, основанного на анализе контроля текущих значений концентрации продуктов износа. Одной из основных задач при реализации этого метода является задача оценки количества металла, изношенного с контролируемых деталей, по результатам анализа текущих значений концентрации продуктов износа. В статье приведены методика расчета и результаты моделирования работы системы очистки моторного масла дизеля типа Д49.
Задача повышения надежности работы тепловозов в процессе эксплуатации является одной из наиболее актуальных на современном этапе. Дизель является одним из наименее надежных узлов тепловоза. На его долю приходится более 40 % отказов и неплановых ремонтов. Применение эффективных методов диагностирования в процессе эксплуатации позволяет значительно повысить надежность работы дизеля и, соответственно, снизить эксплуатационные расходы.
Лимитирующими деталями при назначении межремонтных сроков являются детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Организация периодического безразборного контроля степени износа деталей этих групп создает условия перехода на организацию ремонта по техническому состоянию.
Одним из наиболее эффективных методов безразборной оценки технического состояния дизеля в процессе эксплуатации является метод, основанный на использовании результатов спектрального анализа моторного масла. При работе дизеля в результате механического изнашивания частички металла попадают в моторное масло, которое подводится ко всем трущимся деталям дизеля. Постепенно в смазочном материале повышается концентрация продуктов износа, значение которой характеризует степень изношенности деталей. При оценке технического состояния деталей по текущим значениям концентрации продуктов износа необходимо решить ряд задач, определяемых спецификой работы тепловозного дизеля. Во-первых, в процессе эксплуатации дизеля происходит перераспределение попавших в мотор-
ное масло частичек металла, в результате чего только часть изношенного металла формирует текущее значение замеренной концентрации продуктов износа. Во-вторых, в процессе эксплуатации дизеля первоначальный объем моторного масла подвержен влиянию таких факторов, как угар, утечка по неплотностям, полная замена масла по физико-химическим параметрам. В-третьих, материалы различных групп деталей в большинстве случаев содержат одинаковые химические элементы. Например, железо поступает в моторное масло при износе цилиндровых втулок, компрессионных колец, поршневых пальцев, шеек коленчатого вала (таблица 1). Таким образом, при разработке диагностической модели необходимо провести теоретические исследования и разработать модель процесса формирования значения концентрации продуктов износа в моторном масле тепловозного дизеля.
В результате анализа химического состава материала деталей (см. таблицу 1) установлен перечень контролируемых элементов, необходимый для реализации алгоритма разделения продуктов износа по группам контролируемых деталей. Так, для дизеля типа Д49 необходим контроль концентрации следующих девяти элементов: железо (Fe), медь (Cu), олово (8п), свинец (РЬ), кремний (81), магний (Mg), никель (№), молибден (Mo), хром (Сг) [1,2].
Таблица 1 - Поступление элементов в моторное масло с деталей Ц1II и КШМ дизеля Д49
Наименование детали Химический элемент
Бе 8 Р Мп 81 С 8п РЬ № Мм А1 Сг N1 Си Мо
Шейки коленчатого вала + + + + + + Попадает в моторное масло из охлаждающей воды + + +
Заливка вкладышей + + + +
Гильза цилиндра + + + + + + + + +
Поршневой палец + + + + + +
Поршень + +
Бронзовые втулки + + + +
Компрессионные кольца + + + + + + +
На рисунке 1 представлена схема массообмена в картере дизеля, анализ параметров которой позволяет максимально учесть все возможные варианты развития процесса накопления продуктов износа в моторном масле дизеля.
Рисунок 1 - Схема массообмена в картере дизеля: g - интенсивность поступления продуктов износа в моторное масло; gy - нтенсивность удаления продуктов износа с угаром или утечкой масла; gсм - интенсивность потерь со сменой масла; gф - интенсивность осаждения в системе очистки; gос - интенсивность осаждения металла на стенки картера и трубопровода; дсм - поступление примесей в масло при смене смазочного материала; дд - поступление примесей при доливе масла; дт - поступление топлива в картер при неисправной системе топливной аппаратуры
Определение значения концентрации продуктов износа в моторном масле дизеля осуществляется с помощью спектрометров. В лабораториях спектрального анализа компании ОАО «РЖД» наиболее распространены спектрометры типа МФС-7, МФС-11, ДФС-71 с функциями определения различных химических элементов. Проведение самого анализа занимает порядка пяти минут с возможностью определения концентрации до 24 химических элементов одновременно.
В соответствии со схемой массообмена (см. рисунок 1) частички металла, отрывающиеся от поверхности детали, попадают в моторное масло и начинают циркулировать в нем. Чем больше частичек металла оторвалось от деталей, тем больше износ деталей и соответственно должна увеличиться концентрация металла в моторном масле. Таким образом, следовало бы предположить, что, периодически фиксируя возрастающее значение концентрации продуктов износа, можно оценить текущую степень износа деталей. Однако в процессе эксплуатации тепловозного дизеля наиболее вероятна, как пример, динамика концентрации продуктов износа, представленная на рисунке 2 [2, 3].
I I • ■
К2-■
к\-
/I *| Ул----Т^П К7
К4 . р ■■
* / ' /
№
л р \ ''Л \ //
' 1 X ! V ! /
' Л' 1 1/ V Л-' К
■ /у 1 /
У1 / /
у £--1-1-1-1-1-1-4- / ' ■ -1-1
К
и
¿0 II Ы 13 ¿4 ¿5 ¿6 17 ¿8 и) тыс. км В 1
I -*-
Рисунок 2 - Пример динамики замеренных и промежуточных значений концентрации продуктов износа в моторном масле:- - замеренные;------ промежуточные.
Значения К4, К7, К9, К11 получены по результатам спектрального анализа проб моторного масла. Промежуточные значения концентрации продуктов износа, показанные на рисунке 2 пунктирной линией, формируются в процессе эксплуатации с учетом долива и смены моторного масла. Таким образом, замеренное значение концентрации продуктов износа может с течением времени увеличиваться, оставаться неизменным или уменьшаться. Задача моделирования процесса накопления продуктов износа в моторном масле заключается в расчете промежуточных значений концентрации по известным (замеренным) значениям и в определении количества металла, изношенного с деталей.
Общее количество металла за интервал от начала эксплуатации до момента контроля рассчитывается по формуле, г:
О = Ок + Оуг + Осм + Оф + Оос ,
где Gк - количество металла, находящегося в масле на момент контроля, г; Gyг - количество металла, потерянного на угар и унос масла, г; Gсм - количество металла, потерянного со сменой масла, г; Gф - количество металла, задержанного фильтрами, г; Gос - количество металла, осевшего на стенках картера и трубопровода, г. Количество металла, находящегося в масле на момент контроля, г,
Ож = км(О, -gy(LN -Ьм-)) ,
где К^ - концентрация металла в масле на момент контроля, г/т;
gy - интенсивность удаления продуктов износа с потерями масла, т/км;
(1)
N - номер последнего контроля концентрации продуктов износа; Q0 - начальный объем масла в системе дизеля, т; ^ - наработка дизеля на момент контроля, км;
К^- наработка дизеля на момент предыдущего контроля (объем масла восстанавливается до Qo), км.
Расчет количества потерянного металла с маслом на угар и потери через неплотности по интервалам доливов [2]:
Суг=к +1 + к (о0 -1) / 2 • одол а - ' 1 ))+
°0 1 1 LZj -1
-1
(3)
+ 2 (к + кы-1)/2• о™' ),
к -1-1 '1 -1
где ] - порядковый номер долива или смены масла;
2] - номер технического обслуживания, соответствующийу'-му номеру долива; К2 - концентрация продуктов износа на 2-м техническом осмотре, г/т;
0дол) - количество долива или смены масла на 2-м техническом осмотре, т;
- наработка дизеля на момент 2у-го технического обслуживания, км. Количество металла, потерянного при смене масла, г,
^ =2 к, (оо-0уг), (4)
1=1
где К2 - концентрация продуктов износа на моменту'-й смены моторного масла;
0 - количество моторного масла, потерянного на угар за период от предшествующего долива.
Количество металла, задержанного фильтрами, г [2],
N
Сф =2 X ВД + к,-1 (0о - ОТ) / 00 ] / 2, (5)
7=1
где г - порядковый номер контроля концентрации;
Х1 - коэффициент, характеризующий зависимость количества отфильтрованного металла от среднего значения концентрации изношенного металла за период между проверками (контролем) концентрации;
Х2 - коэффициент, учитывающий влияние плотности металла на коэффициент отсева. Коэффициент Х1 определяется по формуле:
=
С
, (6)
N
■(') ср
7=1
2 к с
где С. - количество металла, задержанного фильтрами за период между проверками, г;
К'"1 - средние значения концентрации за периоды между контрольными точками, г/т.
ср
Значение коэффициента Х1 устанавливается в опытном порядке и в дальнейшем используется в модели.
Для определения количества металла, задержанного фильтрами за период между проверками (контролем) рассмотрим расчетную схему фильтрации моторного масла для дизеля типа Д49 (рисунок 3).
Ф4 -0.4
Ф2.Й
/ь
ф1,01
ФГОМ
В дизель
ФТОМ
ф, 0
ФТОМ
В картер
ЦФ
Рисунок 3 - Расчетная схема фильтрации моторного масла дизеля Д49 Значение С. за расчетный период определяется по формуле, г:
сф=Ф • 0 • Кр,
(7)
ф ТЕ ^Е
где ф - суммарный коэффициент отсева.
0 - количество масла, проходящего через систему отсева.
В соответствии со схемой фильтрации значение суммарного коэффициента отсева рас считывается по формуле [2]:
Ф2 = 1-(1-Ф2 02 )(1-Ф 0- )(1-Ф4 ^ + Ф3
(8)
В таблице 2 приведены параметры фильтрующих элементов, применяемых в конструкции фильтров дизеля Д49.
Таблица 2 - Параметры фильтров очистки масла дизеля типа Д49
О
Параметр Значение показателя
Фильтр тонкой очистки:
тип фильтрующего материала Синтетический
фильтрующий материал «Нарва-6»
расход масла через фильтр м3/ч 110,0
среднефракционный коэффициент отсева ф1 0,145
Фильтр грубой очистки:
тип фильтра Сетчатый дисковый
расход масла через фильтр 02, м3/ч 105
среднефракционный коэффициент отсева ф2 0,05
Центробежный фильтр:
тип привода Механический
расход масла через фильтр 03, м3/ч 5
среднефракционный коэффициент отсева ф3 0,4
Объем масла в системе V, м3 1,453
Средняя скорость угара масла 0у, м3/ч 0,006
Детали тепловозного дизеля изготовлены из различных материалов, имеющих различия в плотности, твердости, структуре и т. д. Поэтому процесс изнашивания таких деталей сопровождается некоторыми закономерностями, оказывающими влияние на отсев частичек на фильтрующих элементах. В разработанной модели в качестве основной характеристики материала принята его плотность. При проведении экспериментов [2] получено уравнение регрессии, характеризующее зависимость коэффициента Х2 от плотности материала:
Х2 = -3,377р+0,661, (9)
где р - плотность материала, г/мм3.
Количество металла, осевшего на стенках картера и трубопроводов (Goc), установить сложно, поэтому в модели накопления на основании исследований [4] оно принимается равным 5 % от общего объема металла, изношенного с деталей.
Таким образом, предложенная модель расчета количества металла, изношенного с деталей дизеля, позволяет по промежуточным значениям концентрации оценить степень износа деталей в процессе эксплуатации безразборным методом.
Список литературы
1. ГОСТ 20759-90. Техническое диагностирование и прогнозирование остаточного ресурса методом спектрального анализа масла [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1991. - 24 с.
2. Овчаренко, С. М. Моделирование работы и оценка эффективности систем очистки моторного масла различных серий тепловозов [Текст] / С. М. Овчаренко // Вестник РГУПСа / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. - Ростов-на-Дону. - 2008. - № 1. - С. 21 - 27.
3. Чанкин, В. В. Динамика изменения концентрации примесей в дизельных маслах [Текст] / В. В. Чанкин, Э. А. Пахомов // Вестник ВНИИЖТа / Научно-исследовательский ин-т ж.-д. трансп. - М., 1964. - № 6. - С. 31 - 34.
4. Григорьев, И. Б. Износ и долговечность автомобильных двигателей [Текст] / И. Б. Григорьев, Н. И. Пономарев. М.: Машиностроение, 1976. - 248 с.
References
1. Tekhnicheskoe diagnostirovanie i prognozirovanie ostatochnogo resursa metodom spech-tralnogo analiza masla, GOST 20759-90 (Technical diagnostics and prediction of the residual life of the method of spectral analysis of oil, State Standart). Moscow, Standarty, 1991, 24 p.
2. Ovcharenko S. M. Modeling and evaluating the effectiveness of cleaning the engine oil of various series of locomotives [Modelirovanie raboti i ocenka effectivnosti system ochistki motor-nogo masla razlichnikh seriy teplovozov]. Vestnik RGUPS - HeraldRSTU, 2008, no. 1, pp. 21 - 27.
3. Chankin V. V., Pakhomov E. A., Dynamics of changes in the concentration of impurities in diesel oils [Dinamika izmeneniya koncentracii primesey v dizelnikh maslakh]. Vestnik VNIIZhT -Herald VNIIZhT,, 1964, no. 6, pp. 31 - 34.
4. Grigorev I. B., Ponomarev N. I. Iznos i dolgovechnost avtomobilnikh dvigateley (Wear and durability of automobile engines). Moscow, 1976, 248 p.
УДК 629.424.001.57
, А. C. Анисимов, Ю. Б. Гришина
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ СМЕСЕВЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА В ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЯХ
Основным направлением снижения эксплуатационных расходов на тягу поездов является уменьшение затрат на топливно-энергетические ресурсы, снижение ремонтных расходов за счет повышения показателей эксплуатационной надежности энергетических установок дизельного подвижного состава. Очевидно, что решение этих проблем в настоящее время, когда эксплуатационная экономичность дизелей и их надежность находятся на пределе для сложившихся условий эксплуатации и производства дизельных локомотивов, возможно за счет применения альтернативных видов топлива, использование которых позволит повысить как надежность дизельного подвижного состава, так и его экономичность в условиях эксплуатации. Одним из таких альтернативных видов топлива может бвть либо природный газ, либо бытовой нефтяной газ, т. е. смесь бутана и пропана в различных соотношениях. В настоящей статье на базе математических моделей показана возможная экологическая и экономическая эффективность использования смесевых видов топлива на примере тепловозного дизеля 2А-5Д49.
Проблема экономии жидкого нефтяного топлива остается одной из самых актуальных в обеспечении народного хозяйства России топливно-энергетическими ресурсами. Увеличение
Е. И. Сковородников
