CC BY
10УПРАВЛЕНИЕ СМАЗКОЙ ЦИЛИНДРОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ДИАГНОСТИКИ ПОРШНЕВОГО КОЛЬЦА ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ПРОДУВОЧНЫХ ОКОН ВТУЛОК
Слободянюк И.М.
Кандидат технических наук, доцент, доцент Национальный университет «Одесская морская академия»
Слободянюк Д.И.
Кандидат технических наук, старший преподаватель Национальный университет «Одесская морская академия»
MARINE DIESEL ENGINE СYLINDER LUBRIСATION WITH PISTON RING TEST DURING SCAVENGING PORT PASSAGE
Slobodianiuk I.M.
Ph.D in Enginering Science, Associate Professor National University "Odessa Maritime Academy"
Slobodianiuk D.I.
Ph.D in Enginering Science, Senior Lecturer National University "Odessa Maritime Academy"
АННОТАЦИЯ
Представлено новое решение проблемы повышения надежности судового дизеля путем предупреждения поломки поршневых колец за счет регулирования смазки цилиндров, в зависимости от данных диагностики их работоспособного состояния при движении кольца вдоль окон втулки. Идентификация проводилась методом ранжирования по уровням надежности, в зависимости от частоты акустического сигнала. Способ основан на исследованиях анизотропных свойств тонких пленок цилиндровой смазки.
ABSTRACT
A new solution to improve the reliability of marine diesel by preventing damage to the piston rings by controlling cylinders lubrication, depending on the diagnostic of operation while condition the ring along the cylinder sleeve is presented. Identification was carried out by ranking according to the reliability levels, depending on the frequency of the acoustic signal. The method is based on studies of the anisotropic properties of thin films cylinder lubrication.
Ключевые слова: дизель, поршневое кольцо, диагностика, смазка, тонкие пленки, анизотропные свойства.
Keywords: diesel, piston ring, diagnostics, grease, thin films, anisotropic properties.
Организация эксплуатации современных судовых малооборотных двигателей (МОД) требует совершенствования управления процессами смазки цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и защиты от аварийных ситуаций [1-3]. Поломка компрессионных колец двигателей форсированного ряда, является наиболее частой причиной их функционального отказа, однако, причины этого явления до настоящего времени недостаточно изучены [1,4].
Новым направлением повышения надежности и экономической эффективности судовых двигателей внутреннего сгорания транспортных судов является создание и организация эксплуатации систем смазывания, построенных на использовании жидкокристаллического состояния смазочных материалов в тонких пленках. В работе [5] теоретически обоснована и экспериментально подтверждена перспективность этого направления исследований. Однако использование этого явления для повышения надежности двигателей и предупреждения аварийных ситуаций от поломки поршневых колец, ранее не исследовалось из-за отсутствия данных об
анизотропных свойствах тонких пленок смазки, возникающих при ухудшении условий смазывания.
Литературный анализ[3-6] показал, что на современных судах проводится мониторинг состояния и выполнения функций отдельными ответственными деталями ЦПГ. Специальный быстродействующий датчик, установленный выше продувочных окон на цилиндровой втулке двигателя, измеряет частоту и амплитуду акустических колебаний, возникающих при прохождении кольца мимо датчика по сплошной поверхности втулки и гидродинамических условия смазки. По этим данным устанавливается работоспособное состояние сопряжения «кольцо-втулка».
Однако, при малых скоростях движения поршня, в момент прохождения продувочных окон втулок, условия смазки ухудшаются из-за продувки и, режим смазки уже не является гидродинамическим. Толщина пленки уменьшается, в тонком смазочном слое возникают анизотропные свойства, изменяющие природу взаимодействия «кольцо-
втулка» за счет расклинивающего давления, препятствующего возникновению адгезионного контакта [5,7].
Впервые экспериментальные данные по свойствам этих пленок получены в работах авторов [710]. Установление зависимости расклинивающего давления в пленках цилиндрового масла от их толщины на металлических поверхностях, используемых в дизелестроении, позволило разработать метод и способ идентификации работоспособного состояния поршневого кольца при малых скоростях [7,11]. Это дает возможность корректировать смазку цилиндров, по данным идентификации, с целью повышения надежности узла ЦПГ и предупреждения аварийной ситуации. Такая задача ранее не исследовалась и ставится впервые, поэтому является актуальной.
Цель работы - разработка схемы управления смазкой цилиндров МОД с учетом идентификации технического состояния поршневых колец при их движении вдоль продувочных окон втулки цилиндра.
В работах [6-9] впервые экспериментально установлено, что расклинивающее давление в пленках цилиндрового масла на стальных и чугунных поверхностях соответствуют области Р(Ь) > 0, т.е. в тонком слое смазки с анизотропными свойствами возникает сила, направленная в противоположную сторону давления кольца на перемычку.
На рис. 1 приведена, полученная авторами зависимость расклинивающего давления от толщины масляной пленки на поверхности чугунного поршневого кольца [10].
(D
ч «
od Ч <а
<D
3
о od Рч
od
С
3 25 20 15 10 5
150
155
160
h*10-9 М
Рис. 4.13. Изменение расклинивающего давления в тонкой пленке смазки ENERGOL СLO 50Ы на чугуном поршневом кольце в зависимости от толщины пленки.
В этих работах установлено:
• изменение расклинивающего давления Р(К) цилиндрового масла на сталях и чугунах носят экспоненциальный характер;
• максимальное расклинивающее давление, возникающее в тонкой пленке цилиндровой смазки:
- для чугунного кольца равняется П8=140 кПа;
- на стали 45 П8=40 кПа;
- на стали 35ХМА П8=2,49 кПа;
• минимальная толщина пленок, при которой расклинивающее давление достигает максимума для всех исследованных материалов лежит в интервале 140-160 нм;
• работоспособное состояние поршневого кольца сохраняется в процессе саморегулирования расклинивающего давления в тонкой пленке, изменяющегося по экспоненциальному закону в зависимости от ее толщины и исключающему контакт между сопряженными поверхностями при ее значении более 140 нм.
Идентификации сигнала от вибрационного датчика, установленного на цилиндровой втулке при прохождении кольцом продувочных окон цилиндра МОД, при малых скоростях движения поршня, исследована в работе [11]. Разработан ме-
тод идентификации и способ диагностики технического состояния поршневых колец малооборотного дизеля по частоте акустического сигнала при движении колец вдоль продувочных окон втулки.
Установлено, что техническое состояние поршневых колец определяется методом ранжирования по уровням надежности, которые диагностируются по частоте акустического сигнала от поршневого кольца при его движении вдоль окон втулки, в следующей последовательности:
• надежный уровень (исправное техническое состояние колец) - интервал акустических частот 2-200 Гц;
• частично надежный уровень (отсутствие пленки на отдельных перемычках окон втулок) -интервал акустических частот 200-300Гц;
• предаварийный уровень (режим граничного трения с частичным адгезионным схватыванием поршневых колец и перемычек втулки цилиндра) - интервал акустических частот 300-500Гц;
• аварийный уровень (состояние сухого трения поршневых колец, приводящее к их поломке) -акустическая частота более 500Гц.
Впервые установлено, что:
- надежный уровень технического состояния поршневого кольца сохраняется в процессе саморегулирования расклинивающего давления в тонкой
пленке, изменяющегося по экспоненциальному закону в зависимости от ее толщины и исключающему контакт между сопряженными поверхностями при ее значении более 140 нм;
- частично надежный уровень технического состояния поршневого кольца характеризуется процессом саморегулирования расклинивающего давления, при наличии в сопряжении участков, на которых смазка отсутствует, в результате чего поверхности сближаются на величину менее 140 нм;
- предаварийный уровень технического состояния поршневого кольца соответствует режиму смазки, при котором увеличивается площадь сопряжения, на которой отсутствует смазка, что вызывает режим граничного трения с частичным адгезионным схватыванием поршневых колец и перемычек втулки цилиндра, сближению поверхностей на величину менее 140нм и дальнейшему увеличению частоты акустического сигнала;
- аварийный уровень технического состояния поршневого кольца происходит при отсутствии смазки на большой площади сопряжения, сближению поверхностей до h = 0 нм, реализуется режим сухого трения, приводящий к поломке поршневых колец;
г
Рис. 2. Диагностическая модель технического состояния поршневых колец МОД.
Предельный и предупредительный уровни определялись на основании экспериментальных испытаний на моделях трения регулированием смазочного материала [12]. Схема установки для виброакустической диагностики технического состояния поршневого кольца путем измерения частоты акустических колебаний непосредственно на судне, приведена в работе [11].
Таким образом, интервал частот акустического сигнала 200^500 Гц соответствует предупредительному уровню, соответствующему тяжелому режиму граничного трения с адгезионным схватыванием колец и перемычек втулки цилиндра. При поступлении такого сигнала требуется дополнительное увеличение подачи масла, или снижение нагрузки.
Частота более 500 Гц соответствует предельному уровню. При этом происходит необратимая деструкция поршневого кольца. Вырабатывается сигнал на аварийную остановку двигателя.
На основании этих данных построена диагностическая модель технического состояния поршневых колец при реализации квазикристаллических свойств смазочных материалов представленная на рис. 2 [10].
Рдс - предупредительный уровень, Рдб - предельный уровень.
Таким образом, система обеспечивает мониторинг технического состояния поршневых колец в моменты прохождения продувочных окон, при ухудшении условий смазывания.
Полученные экспериментальные результаты мониторинга сопряженных поверхностей ЦПГ при малых скоростях позволили решить задачу управления процессом смазки цилиндров. Схема управ-
ления смазкой цилиндров, с учетом данных о техническом состоянии поршневых колец при прохождении продувочных окон втулок цилиндров, пред-ставленна на рис.3.
Таким образом, увеличение смазки при предупредительном или аварийном состоянии сопряжения «кольцо-втулка» при движении вдоль продувочных окон позволяет предупредить аварийную ситуацию.
I
Рис.3. Схема управления смазкой цилиндров МОД с учетом диагностики технического состояния поршневых колец при их движении вдоль продувочных окон втулки цилиндра.
ВЫВОДЫ.
В работе представлено новое решение проблемы повышения надежности судового дизеля путем предупреждения поломки поршневых колец за счет регулирования смазки цилиндров в зависимости от данных диагностики их технического состояния при прохождении продувочных окон.
Научный результат работы заключается в том, что техническое состояние поршневых колец идентифицируется методом ранжирования по уровням надежности, которые диагностируются по частоте акустического сигнала от поршневого кольца при его движении вдоль окон втулки, в следующей последовательности:
• надежный уровень (исправное техническое состояние колец) - интервал акустических частот 2-200 Гц;
• частично надежный уровень (отсутствие пленки на отдельных перемычках окон втулок) -интервал акустических частот 200-300Гц;
• предаварийный уровень (режим граничного трения с частичным адгезионным схватыванием поршневых колец и перемычек втулки цилиндра) - интервал акустических частот 300-500Гц;
• аварийный уровень (состояние сухого трения поршневых колец, приводящее к их поломке) -акустическая частота более 500Гц.
Приведенные результаты имеют существенную практическую значимость, так как позволяют повысить работоспособность уплотнительных
поршневых колец цилиндропоршневои группы судового дизеля и, следовательно, повысить надежность двигателя.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке схемы управления смазкои цилиндров других модификации двигателей, с учетом данных о техническом состоянии поршневых колец, использованы в таких отраслях науки и техники, как тепловые двигатели, технологии судостроения и судоремонта и др.
Литература
1. Возницкий И.В. Практические рекомендации по смазке судовых дизелей. -Санкт-Петербург, 2005. -135с.
2. Сторожев В.П. Причины и закономерности постепенных отказов основных триботехнических объектов энергетической системы судна и повышения их ресурса. - Одесса, 2001. - 341 с.
3. Hellingman, G.J. and Barrow, S.: "Shipboard investigations with Selected Fuels of Tomorrow", CIMAC 1981, Helsinki
4. Neate R.J. and Barrow S.: "SIPWA-A Shipowner's Point of View", New Sulzer Diesel Ltd, December 1990.
5. Ханмамедов С.А.Совершенствование функциональных свойств систем смазывания судовых энергетических установок. Дисс. докт. техн. наук,-Николаев; 1990 -с.672.
6. Новиков А.С. Контроль и диагностика технического состояния газотурбинных двигателей. /
А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, Н.Н. Сиротин -М.: Наука, 2007. - 469с.
7. Ханмамедов С.А., Слободянюк Д. И. Совершенствование методов идентификации технического состояния поршневых колец судовых МОД. // Судовые энергетические установки: сб. науч. тр. -2011. - № 27. - Одесса: ОНМА. - С. 112-122.
8. Слободянюк Д. И., Ханмамедов С. А. Экспериментальные изотермы расклинивающего давления в пленках цилиндрового масла и их применение для повышения надежности судового дизеля. //На-уково-виробничий журнал Проблеми техшки №2.2011.-С. 136-148.
9. Ханмамедов С.А., Слободянюк Д.И., Го-рюк А.А., Шакун К.С. Изотермы расклинивающего давления в структурированной пленке цилиндрового масла судового дизеля. //Науково-виробничий
журнал Проблеми техшки -№1.-Одеса: 2011. -С: 90-102
10. Slobodianiuk D.I. Experimental study of the disjoining pressure in the cylinder oil films on marine diesel engine piston rings. / Slobodianiuk D.I., Slobodianiuk I.M., Kolegaev M.A. // Journal of Polish CIMAC, Gdansk. 2013. Vol.8, No.1. St. 81-89.
11. Слободянюк Д. И. Совершенствование методики идентификации состояния поршневых колец МОД на основе экспериментального исследования частоты акустического сигнала / Д. И. Слободянюк // Проблеми техшки. - 2012. - № 3. - С. 68-75.
12. Слободянюк Д. И. Диагностическая модель работоспособности поршневого кольца судового двигателя при реализации анизотропных свойств смазывающих материалов / Д. И. Слободянюк // Судовые энергетические установки: науч. -техн. сб. / ОНМА. - Одесса, 2013. - № 31. - С. 67-75.
ВИБРООБРАБОТКА ДЕТАЛИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. СНЯТИЕ ОСТАТОЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Утябаев Д.М.
аспирант
Башкирский государственный университет г. Уфа, Республика Башкортостан, Россия
THE VIBRATING PROCESSING OF DETAILS OF INDUCTION MOTORS. REMOVAL OF RESIDUAL STRESS
Utyabaev D.M.
graduate student Bashkir state University Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia
АННОТАЦИЯ
В данной статье описаны основные способы низкочастотной виброобработки деталей асинхронных двигателях, которые позволяют значительно снизить уровень остаточных напряжений, а также в некоторых случаях позволяют и вовсе отказаться от классической термической обработки. В статье также приведены результаты проведенного исследования, которое доказывает эффективность метода за счет изучения распределения полей остаточных напряжений в различных деталях как до применения виброобработки, так и после ее применения.
ABSTRACT
This article describes the basic methods of low-frequency vibrating processing of details of induction motors, which can significantly reduce the level of residual stresses, and in some cases allow to completely abandon the classical heat treatment. The article also shows the results of the study, which proves the effectiveness of the method by examining the distribution of residual stresses in various details as to the application of the vibrating processing, and after its application.
Ключевые слова: двигатель, виброобработка, остаточное напряжение, технология обработки
Keywords: engine, vibrating processing, residual stress, machining technology
Не секрет, что большинство деталей и механических узлов эксплуатируются в довольно сложных условиях, так называемого, напряженно-деформированного состояния, а также находятся под постоянным воздействием различных природных и технологических факторов, вызывающих необратимые физико-химические изменения в самом материале металлического изделия, что конечно
значительно снижает эксплуатационную надежность детали.
Данное обстоятельство особенно актуально для традиционного применяемого асинхронного электродвигателя кранового электропривода. Стоит отметить, что такие электродвигатели существенно отличаются от двигателей общепромышленного исполнения, как по геометрии магнитопро-
