Технические науки/4. Транспорт
Д.т.н. Леонтьев Л.Б., д.т.н. Надежкин А. В., Токликишвили А.Г.
Дальневосточный
федеральный университет, Россия
Особенности функционирования подшипников
коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей
Надежность современных дизельных
двигателей по мере их форсирования, снижения удельной массы и роста
экономичности во все большей степени ограничивается надежностью подшипников
скольжения коленчатых валов. Использование тяжелых сортов топлива вызывает
увеличение скорости изнашивания поверхностей трения подшипников коленчатого
вала и повышение вероятности их отказов.
Основными
причинами отказов коленчатых валов являются износ и задир шеек. Задиры и
повышенной износ шеек наблюдается на всех типах дизелей независимо от твердости
шеек. Задир шеек и расплавление антифрикционного слоя
вкладышей, как правило, приводят к деформации коленчатых валов, реже — к
поломке вала. Установлено, что 67,6 % коленчатых валов
среднеоборотных дизелей (СОД), поступающих на восстановление, имеют величины
износов и отклонений формы шеек значительно
меньше допускаемых. Однако риски и круговые царапины на шейках имеют 100%
коленчатых валов. Задиры шеек имеют до 33 %
валов (от одной до 8 шеек, в среднем 2–3 шейки), расплавление вкладышей и наволакивание
металла на шейки — менее 5% валов, пятна коррозии на шейках — до 10% валов,
имеют деформацию — до 24% валов.
При работе дизеля в стационарном режиме между шейкой
вала и вкладышем подшипника образуется динамически несущий слой масла, который
предотвращает контактирование микронеровностей вала и вкладыша. Однако при
пусках и остановках дизеля, резком увеличении нагрузки (например, при буксировочных
операциях, траловом промысле, движении на малом ходу, швартовке или изменении
направления движения судна) удельное давление в подшипнике существенно
возрастает, что приводит к увеличению нагруженности подшипника, снижению
толщины масляного слоя и изменению режима смазки с жидкостного на
полужидкостное или граничное и, соответственно, к увеличению скорости изнашивания
как вкладыша, так и шейки вала.
Интенсивность изнашивания поверхностей трения зависит
от ряда факторов, определяемых особенностями конструкции двигателя, условиями
его эксплуатации, техническим состоянием двигателя, качеством применяемого топлива
и масла и т. п. На скорость изнашивания трибосопряжения «шейка коленчатого вала
– вкладыш подшипника» большое влияние оказывают триботехнические свойства
моторного масла: вязкость, концентрация механических примесей, их дисперсный
состав, попадание топлива в смазку, угар масла и т. д.
Для определения влияния эксплуатационных свойств масел
и типа топлива (тяжелое или дистиллятное) были проанализированы результаты
исследования свыше 100 проб циркуляционного масла различных типов СОД, эксплуатирующихся
на тяжелых сортах топлива (главные двигатели) и дистиллятных (вспомогательные
двигатели) и имеющих различный срок работы масла.
Подконтрольная группа главных двигателей
эксплуатировалась на маслах марок: М-14-Д2(цл 30), Лукойл Навиго
20/30, Aurelia XL 40/30,
ВДГ — CAT DEO 15W-40, Shell
Gadinia Oil 40.
Вязкость работающего масла изменяется в широких
пределах, особенно у дизелей, эксплуатирующихся на тяжелых сортах топлива ±
23%, для дизелей, работающих на дистиллятных топливах изменения вязкости
меняется в меньших пределах, ± 15% (табл. 1).
Общепризнанным является
утверждение, что 85–95 % загрязнений в моторном масле судовых дизелей имеют
органическое происхождение [1]. При этом органические продукты в основном
представляют собой частицы нагара, образующиеся в цилиндрах двигателя при
сгорании топлива, а также при термическом разложении попадающего в камеру сгорания
масла. Твердость частиц нагара может достигать 800 НВ [1], поэтому они способны
вызвать существенный абразивный износ деталей дизелей, имеющих твердость
металла в интервале 190–250 НВ.
Таблица 1
Величины значений характеристик работающего масла
судовых СОД и
содержание в нем продуктов износа и сгорания
|
Название параметра |
Тяжелые топлива |
Дистиллятные топлива |
||
|
типичное значение |
предельный уровень* |
типичное значение |
предельный уровень* |
|
|
Вязкость
при 100 ºС, cCт |
11,7–19,1 16,1 |
+30–(-20)%** |
11,8–15,9 13,7 |
+30–(-20)% |
|
Щелочное
число, мг КОН / г |
4,7–28,5 20,3 |
10 |
3,1–14,4 8,0 |
2,5 |
|
Механические
примеси, % |
0,1–8,9 1,4 |
2,5 |
0,1–1,3 0,3 |
3,0 |
|
Химический элемент, мг / кг: |
|
|
|
> 25 |
|
Железо (Fe) |
0,2–35,0 8,2 |
> 50 |
0,0–72,8 15,4 |
|
|
Алюминий (Al) |
0,3–24,2 6,9 |
> 20 |
0,0–20,4 5,2 |
> 10 |
|
Хром (Cr) |
0,3–11,8 2,5 |
> 5 |
0,2–14,4 3,7 |
> 5 |
|
Кремний (Si) |
0,2–19,2 6,3 |
> 50 |
0,0–12,6 3,7 |
> 20 |
|
Свинец (Pb) |
0,1–34,3 4,5 |
> 5 |
0,0–18,5 6,8 |
> 5 |
|
Олово (Sn) |
0,4–55,1 13,1 |
> 5 |
0,0–25,2 4,8 |
> 5 |
|
Медь (Cu) |
<1,0–23,3 4,3 |
> 10 |
0,7–72,7 19,7 |
> 5 |
Примечания. 1. В
числителе приведен интервал величины, в знаменателе – среднее значение. 2. * – величины предельного уровня
химических элементов взяты из рекомендаций фирмы Wartsila NSD. 3. ** – отклонение величины вязкости от
первоначальной.
Абразивный
износ деталей ДВС происходит вследствие попадания твердых частиц загрязнений в
слой жидкой смазки, разделяющей поверхности трения. С увеличением концентрации
и размеров частиц в моторном масле растет износ деталей двигателя.
Такие элементы как алюминий, железо,
олово, свинец, медь и кремний, которые являются диагностическими параметрами,
отражают состояние структурных параметров дизеля, а также изменение величин
зазоров в трибосопряжениях [1]. Пути поступления металлов в циркуляционное
масло следующие:
– Cu, Pb, Sn, Al – это
продукты износа рамовых, мотылевых и головных подшипников скольжения, Al также поступает в результате износа поршней из
алюминиевых сплавов;
– Al и Si – попадают в масло с продуктами неполного сгорания
топлива.
Установлено (табл. 1), что количество
механических примесей и продуктов износа в работающем масле СОД существенно
зависит от вида топлива, на котором работает дизель — тяжелое или дистиллятное.
При работе дизелей на тяжелых сортах топлива в моторном масле значительно
больше механических примесей (примерно в 4,7 раза), а также алюминия (в 1,3
раза), кремния (в 1,7 раза) и
олова (в 2,7 раза) по сравнению с моторным маслом двигателей, работающих на
дистиллятном топливе. Более высокое содержание алюминия и кремния объясняется
поступлением их в моторное масло в результате сгорания топлива. При работе
дизелей на дистиллятных сортах топлива в моторном масле значительно больше
железа (примерно в 1,9 раза), а также свинца (в 1,5 раза) и меди (в 4,6
раза). Более высокое содержание меди и свинца связано с тем, что в СОД,
эксплуатирующихся на дистиллятных сортах топлива, установлены преимущественно
трехслойные стале-бронзово-гальванические вкладыши, имеющие толщину
антифрикционного слоя всего 0,02–0,04 мм. Для среднего слоя применяются
следующие бронзы: Z30 (БрС30) и CuPb22Sn, а гальванический
слой это сплав на основе свинца – PbSn18Cu2. Гальванический слой в условиях трения при граничной
или полужидкостной смазках быстро изнашивается, поэтому часто подшипник
работает в паре трения «сталь–бронза», которая характеризуется резким возрастанием
как коэффициента трения, так и скорости изнашивания шейки коленчатого вала.
Поэтому при повышенном содержании меди и свинца в смазочном масле (продукт
износа бронзы) всегда наблюдается повышенное содержание железа.
Анализ распределения количества
механических примесей в работающем масле СОД, работающих на тяжелых сортах
топлива позволил установить, что у 40,4% двигателей количество механических
примесей приходится на интервал 0,51–1,0 мг/кг, высоким оно остается до величин
3,0–3,5 мг/кг, поэтому средняя величина довольно высока и составляет 1,4
мг/кг.
Количество
механических примесей в работающем масле СОД, работающих на дистиллятных сортах
топлива существенно меньше, причем у
60% двигателей содержание механических примесей приходится на интервал значений
0,10–0,25 мг/кг, а содержание механических примесей величиной более 0,51 мг/кг
незначительно и составляет всего 2,2% во всех последующих диапазонах.
Анализ распределения количества продуктов
изнашивания в работающем масле СОД позволил установить, что вне зависимости от
вида используемого топлива их содержание у большинства дизелей находится в интервале
значений 0,1–5,0 мг/кг, то есть в пределах нормы.
Установлено, что у 40% дизелей, работающих
на тяжелых сортах топлива, количество олова приходится на диапазон 5–10 мг/кг,
что говорит о высоких скоростях изнашивания антифрикционного покрытия вкладышей.
Следовательно, можно сделать вывод, что применение гальванических подшипников
не целесообразно в двигателях, работающих на тяжелых сортах топлива, из-за их
низкой износостойкости.
Следует отметить, что
у 24% дизелей, работающих на дистиллятных сортах топлива, наблюдается
повышенное содержание алюминия – диапазон содержания 30–35 мг/кг. Алюминий в
работающем масле находится в виде окислов, обладающих высокой твердостью,
которые приводят к интенсивному
абразивному изнашиванию поверхностей трибосопряжения «шейка вала – вкладыш подшипника»
в условиях трения при граничной или полужидкостной смазках, когда размер
абразивных частиц превышает масляный зазор в подшипнике. Установлено, что между
суммарным количеством металлов, входящих в состав антифрикционных материалов
подшипников скольжения, и находящихся в работающем масле, и алюминием
существует зависимость (рис. 1), которая описывается выражением (R2 = 0,815)
где 
– суммарная масса
металлов, входящих в состав антифрикционных материалов подшипников скольжения,
а именно: олова, свинца и меди, мг/кг; 
– масса алюминия в
работающем масле, мг/кг.
Увеличение массы
алюминия в работающем масле приводит к интенсификации изнашивания вкладышей
подшипников и шеек коленчатого вала, что в свою очередь ведет к увеличению
параметров шероховатости шеек, схватыванию и задирам, поэтому для повышения
долговечности деталей трибоузла содержание алюминия должно быть ограничено 5 мг/кг
в работающем масле. Однако в настоящее время величины предельных уровней
алюминия для СОД необоснованно значительно завышены (табл. 1), что приводит к
снижению долговечности дизелей.
Рис. 1. Зависимость суммарного
содержания металлов, входящих в состав
антифрикционных материалов подшипников скольжения, от содержания
алюминия в работающем масле
Элементы хрома и кремния на процесс изнашивания
поверхностей трибосопряжения «шейка вала – вкладыш подшипника» не оказывают
существенного влияния вследствие того, что в результате их химической реакции
со щелочью, находящейся в масле, образуются соли этих элементов.
Для повышения
надежности и уменьшения вероятности аварий судовых СОД также рационально
проводить модифицирование шеек вала природными или искусственными силикатами
для получения металлокерамического износостойкого покрытия, позволяющего
избежать схватывание и задир, снизить
энергетический уровень контактного взаимодействия трущихся поверхностей и
величину износа трибосопряжения «шейка вала – вкладыш».
Таким образом, на основании проведенных
исследований установлено, что значительный резерв в минимизации процесса
изнашивания заключен в оптимизации срока использования моторного масла.
Необоснованное завышение срока службы масла может привести к негативным
последствиям: повышенному износу и
нагаро- и лакообразованию деталей дизеля. Кроме того, комплекс браковочных
показателей необходимо дополнить ограничением по содержанию алюминия, которое
не должно превышать 5 мг/кг.
Другим путем обеспечения ресурсосберегающей
эксплуатации судовых дизелей является повышение качества и эффективности
очистки моторного масла за счет разграничения
функций агрегатов очистки. Необходимо
использовать такие сочетания средств очистки, чтобы наиболее полно реализовывались
преимущества полнопоточного фильтрования для защиты пар трения двигателя от
крупных абразивных частиц и центрифугирования для глубокой очистки масла от
тонкодиспергированных, нерастворимых примесей, в том числе продуктов износа.
Литература
1. Кича, Г.П.
Ресурсосберегающее маслоиспользование в судовых дизелях / Г.П. Кича,
Б.Н. Перминов, А.В. Надежкин. – Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2011. –
372 с.