Оценка эффективности гидроаккумулятора для смазки турбокомпрессора Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.113.004.67

А.С. Денисов, А. А. Коркин, А. А. Г афиятуллин, А.Р. Асоян

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОАККУМУЛЯТОРА ДЛЯ СМАЗКИ ТУРБОКОМПРЕССОРА

Проведено аналитическое исследование экспериментальных данных, полученных при испытаниях гидроаккумулятора масла в условиях лаборатории испытания двигателей ОАО «КАМАЗ-ДИЗЕЛЬ».

Осуществлена оценка влияния параметров работы гидроаккумулятора на температурный режим турбокомпрессора.

Турбокомпрессор, гидроаккумулятор, подшипниковый узел, дизель.

A.S. Denisov, A.A. Korkin, A.A. Gafiyatullin, A.R. Asoyan

HYDROACCUMULATOR EFFICIENCY ESTIMATION FOR GREASING TURBO-COMPRESSOR

Analytical research of the experimental data received at tests of the hydro-accumulator of oil in the conditions of laboratory of test of engines of JSC «KAMAZ-DIESEL ENGINE» is carried out. The estimation of influence of parameters of work of the hydro-accumulator on a temperature mode turbocompressor is carried out.

Turbo compressor, hydro-accumulator, bearing block, diesel.

Как показал анализ надёжности двигателей КамАЗ-ЕВРО [1], на долю турбокомпрессоров приходится 7% отказов, а средняя наработка их на отказ составляет 42 тыс. км. Поэтому за ресурс двигателя до капитального ремонта приходится менять 3...4 комплекта турбокомпрессоров. Одним из определяющих ресурс турбокомпрессора факторов является температура подшипникового узла. Температура масла на выходе из турбокомпрессора достигает 148...150°С [2] на номинальном режиме работы дизеля. После остановки дизеля подача масла к подшипникам прекращается, а вал ротора турбокомпрессора продолжает вращаться ещё 25.30 с. Этот процесс называют выбегом. В процессе выбега температура подшипникового узла значительно повышается, что вызывает закоксовывание узла и заклинивание вала.

Для снижения таких отказов инструкцией по эксплуатации дизеля [3] предусмотрено перед остановкой использовать режим холостого хода при частоте вращения коленчатого вала 600 мин-1 в течение 1-3 минут. Однако водители не всегда выполняют это предписание. Одним из вариантов снижения температуры подшипникового узла турбокомпрессора при остановке дизеля является использование гидроаккумулятора. На кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета был разработан, изготовлен и запатентован гидроаккумулятор [4, 5].

Испытания гидроаккумулятора проводили в лаборатории испытания двигателей ОАО «КАМАЗ-ДИЗЕЛЬ». Гидроаккумулятор установили на двигатель КамАЗ 740.62-280, заводской № А2552529, установленный на стенде AVL, заводской № Б133, инвентарный

№ 399623. Во время испытаний двигатель работал на масле ЛУКОЙЛ Супер 15 W 40, плотностью р = 887 кг/м . Температуру подшипникового узла, а также динамику изменения её по времени измеряли цифровым мультиметром модели БТ 9208А с термоэлектрическим датчиком. Порядок проведения испытаний следующий:

1. После пуска двигатель прогревали до рабочей температуры на следующем режиме: частота вращения коленчатого вала двигателя п = 1900 мин-1, нагрузка Р = 1000 Н, развиваемая мощность при этом составляет N = 190 л. с.

2. Прогрев производили до следующих начальных параметров: температура выхлопных газов 1выхл = 420°С, температура масла ¿м=98°С.

3. После прогрева до заданных параметров производили снижение частоты вращения коленчатого вала до п = 600 мин1, что соответствует частоте холостого хода, а затем останавливали двигатель с фиксацией параметров. Время истечения масла из гидроаккумулятора составляло тИ1 = 20 с и тИ2 = 40 с.

Снятые во время испытаний параметры заносили в таблицы протокола, по которым в дальнейшем получали зависимости (рис. 1). Время выбега ротора с гидроаккумулятором тВ2 = 21 с и тВ3 = 30 с, без гидроаккумулятора тВ1 = 15 с.

Рис. 1. Изменение температуры подшипникового узла ТКР после остановки дизеля при 600 мин 1:

1 - без гидроаккумулятора; 2 - с гидроаккумулятором (ти1 = 20 с); 3 - с гидроаккумулятором (ти2 =

40 с)

Следующее испытание проводили при остановке с п = 900 мин-1, при тех же начальных параметрах, результаты измерений приведены на рис. 2, при этом тИ = 40 с. Время выбега ротора с гидроаккумулятором тВ2 = 29 с, без гидроаккумулятора тВ1 = 24 с.

Затем испытание проводили после предварительной выдержки двигателя на режиме холостого хода в течение т = 60 с при тех же начальных параметрах, результаты измерений приведены на рис. 3, при этом включение гидроаккумулятора не производилось. Время выбега ротора тВ = 20 с.

Рис. 2. Изменение температуры подшипникового узла ТКР после остановки дизеля при 900 мин 1:

1 - без гидроаккумулятора; 2 - с гидроаккумулятором (ти1 = 40 с)

Для оценки влияния времени включения гидроаккумулятора на величину снижения температуры производилось испытание с задержкой включения гидроаккумулятора на 20 с после остановки двигателя, начальные параметры соответствуют исходным. Результаты приведены на рис. 3. Время выбега ротора тВ = 26 с.

Рис. 3. Изменение температуры подшипникового узла ТКР после остановки дизеля при 600 мин-1 и выдержке 60 с: 1 - без гидроаккумулятора; 2 - с гидроаккумулятором (т^ = 40 с и время задержки включения гидроаккумулятора 20 с)

Изменение температуры подшипникового узла по времени после остановки двигателя аппроксимировали полиномом второй степени, параметры которого приведены в табл. 1. Здесь также приведены значения времени достижения максимальной температуры и её значения.

Таблица 1

Параметры зависимости температуры подшипникового узла от времени

Условия испытаний а Ь с ттах ^тах

После 600 мин-1, без г/а 120 0,605 -0,0014 214 211

После 600 мин-1, с г/а (20 с) 113 0,563 -0,0012 233 179

После 600 мин-1, с г/а (40 с) 112 0,504 -0,0010 250 174

После 900 мин-1, без г/а 106 0,759 -0,0019 200 182

После 900 мин-1, с г/а (40 с) 105 0,648 -0,0014 232 180

После 600 мин 1, без г/а (тв =60 с) 107 0,854 -0,0025 170 180

После 600 мин-1, с г/а (т3 =20 с) 109 0,865 -0,0022 160 178

Здесь: а, Ь, с — параметры полинома (у = а+Ь-т—ет2); ттах - время достижения

максимальной температуры; ¿тах — максимальная температура; г/а — гидроаккумулятор; т„ — время выдержки на холостом ходу; тз — время задержки открытия гидроаккумулятора.

Из приведенных данных следует, что: применение гидроаккумулятора в системе смазки турбокомпрессора позволяет снизить температуру в районе подшипникового узла до 15 градусов в зависимости от режима, на котором работал двигатель перед остановкой.

170

/ле Г

150 130

110

90

Ш 4.50 500 550 600, 650 700

Г дых л., °С

Рис. 4. Зависимость температуры масла на входе в ТКР - 1; на выходе из ТКР - 2 и подшипникового узла - 3 от температуры выхлопных газов

Режим работы дизеля при испытаниях отличается от реальных эксплуатационных режимов работы [6], что сказывается и на температуре выхлопных газов и подшипникового узла. Проведённые ранее исследования теплового состояния турбокомпрессоров [7] показали, что температура выхлопных газов достигает 680...700°С. Соответственно повышается и температура деталей турбокомпрессора (табл. 2).

С учётом этих данных и результатов моторных испытаний были получены зависимости температуры масла и подшипникового узла от температуры выхлопных газов (рис. 4) и температуры масла от температуры подшипникового узла (рис. 5). Приведённые данные показывают, что максимальная температура подшипникового узла без использования гидроаккумулятора достигнет не 211°С (табл. 1), а 240...245°С, что значительно усилит коксование масла и повысит вероятность заклинивания вала ротора и уплотнений ТКР.

Из табл. 1 видно, что наибольшее снижение максимальной температуры

подшипникового узла составляет 33°С при использовании гидроаккумулятора на холостом ходу с задержкой включения 20 с после останова дизеля. При реальных эксплуатационных режимах работы дизеля температура деталей ТКР более высокая (табл. 2), поэтому эффективность гидроаккумулятора повышается и снижение им максимальной температуры подшипникового узла достигает 58.60°С.

Таблица 2

Результаты термометрирования характерных точек серийного турбокомпрессора ТКР7Н-1

Тт1, °С ti ti tz ti ts te ti ts ts tío tii tí 2 tí3

0120 090 070 0 32 на бобышке 0 32 на крышке 0120 низ tмасла на входе tмасла на выходе

600 294 262 228 251 240 233 145 148 181 190 301 112 144

650 308 274 237 260 247 243 148 150 186 196 311 111 147

680 321 285 245 270 255 251 151 153 189 199 323 113 149

Здесь: ТТ1 — температура воздуха со стороны турбины; ¿1 и ¿11 - температуры на фланце корпуса подшипников на 0120 мм, °С; ¿2 - температура на фланце корпуса подшипников на 090 мм, °С; ¿3, ¿4, ¿5, — температуры на фланце корпуса подшипников на 070 мм, °С; ¿7, ¿8 —

температуры на бобышке (держателе) подшипника корпуса подшипников на 032 мм, °С; ¿9, ¿10 — температуры на крышке 7403.1118026 корпуса подшипников на 032 мм, °С; ¿12 - температура смазочного масла на входе в подшипниковый узел турбокомпрессора, °С; ¿13 - температура смазочного масла на выходе из корпуса подшипников, °С.

150 ¡М, X

130

110

90

120 125 130 135 ПО %5 150 ± 155 160

І подш., °С

Рис. 5. Зависимость температуры масла на входе в ТКР - 1, на выходе из ТКР - 2 от температуры подшипникового узла

Кроме того, значительный резерв по снижению температуры деталей ТКР содержится в возможности увеличения емкости гидроаккумулятора до 2 литров, что лимитируется требованиями исключить внесение конструктивных изменений в систему смазки двигателя. Ёмкость же масла в гидроаккумуляторе при испытаниях составляла 800 мл.

Введение гидроаккумулятора в смазочную систему ТКР никак не снижает её эффективность, а при его неисправности он отключается от системы или краном, или автоматически. Заполнение гидроаккумулятора происходит по достижении давления в системе смазки tM = 0,2 МПа, благодаря наличию клапана на входе масла, что позволяет производить заполнение гидроаккумулятора маслом только на режимах работы, близких к номинальным, и избежать масляного голодания подшипников ТКР на напряженных пусковых режимах. Время заполнения составляет 25-40 с в зависимости от давления масла в системе смазки.

Таким образом, использование гидроаккумулятора в смазочной системе ТКР позволяет существенно снизить температуру деталей ТКР (30...60°С), что снижает интенсивность коксования масла и вероятность заклинивания вала ротора. Это способствует повышению ресурса ТКР в 2...3 раза, а также повышает эффективность системы газотурбинного наддува.

ЛИТЕРАТУРА

1. Анализ надёжности силовых агрегатов КамАЗ-ЕВРО / А.С. Денисов,

В.Н. Басков, А.А. Коркин и др. // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2008. С. 4-8.

2. Денисов А. С. Обеспечение надёжности автотракторных двигателей / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков. Саратов: СГТУ, 2007. 422 с.

3. Кузнецов А.С. Автомобили КамАЗ с колесной формулой 6x4 и 6x6. Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту / А.С. Кузнецов. М.: Издат. дом «Третий Рим», 2009. 268 с.

4. Денисов А.С. Целесообразность использования гидроаккумулятора для смазки турбокомпрессоров / А.С. Денисов, А.А. Коркин // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2007.

С. 7-10.

5. Патент РФ на полезную модель № 69159. Система смазки турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания / А. С. Денисов, А. А. Коркин. Зарегистрирован в госреестре 10.12.2007.

6. Басков В.Н. Эксплуатационные факторы и надежность автомобиля / В.Н. Басков, А.С. Денисов. Саратов: СГТУ, 2003. 269 с.

7. Денисов А.С. Анализ напряжённо-деформированного состояния корпуса

подшипника турбокомпрессора ТНК7Н-1 / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков,

А.Ф. Малаховецкий // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: сб.

науч. тр. Саратов: СГТУ,2005. С. 4-12.

Денисов Александр Сергеевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета

Коркин Алексей Александрович -

аспирант кафедры

«Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета

Г афиятуллин Асхат Асадулович -

кандидат технических наук, начальник отдела надежности ОАО «КамАЗ-ДИЗЕЛЬ»

Асоян Артур Рафикович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета

Denisov Aleksandr Sergeyevich -

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of «Automobiles and Automobile Economy» of Saratov State Technical University

Korkin Aleksey Aleksandrovich -

Post-graduate student of the Department of «Automobiles and Automobile Economy» of Saratov State Technical University

Gafiyatulin Askhat Asadulovich -

Candidate of Technical Sciences,

Reliability Department Manager of JSC «Kamaz-Diezel-Engine»

Asoyan Artur Rafikovich -

Candidate of Technical Sciences,

Assistant Professor of the Department of «Automobiles and Automobile Economy» of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 10.02.10, принята к опубликованию 08.04.10