Досжанов М.Ж.,КутуходжаеваА.С.,Тасбергенова Г.Ж., Култасов Б.Ш.

(Казахстан, Кызылординский государственный университет

им.Коркыт Ата)

Некоторые особенности работ узла подшипников при пуске

и остановке турбокомпрессорного двигателя.

Новый подход решения проблем, состоящий из анализа существующих исследований, теоретических предпосылок процессов, анализ работоспособности турбокомпрессоров и технологий их ремонта.

Ключевые слова: Турбокомпрессор, двигатель, смазочный материал, подшипник, вал ротора.

A new approach to solving problems, which consists of an analysis of existing research, theoretical assumptions of processes, analysis of efficiency turbocharging and repair technologies.

Keywords: Тurbocharging , engine, lubricant, bearing, rotor shaft.

В последние годы все большее распространение на транспорте получают дизельные двигатели. Дизели, работающие с повышенной степенью сжатия и коэффициентом избытка воздуха, в большей степени, чем другие двигатели, отвечают современным тенденциям развития транспортного моторостроения - улучшению экономических и экологических показателей дизельных установок.

Накопленный опыт эксплуатации машин, постоянное совершенствование их конструкции позволяет сделать достаточно объективные выводы о высокой надежности автомобилей с дизельными двигателями.

В процессе эксплуатации автомобилей в результате работы механизмов и агрегатов происходит изменение размеров, формы деталей и снижение усталостной прочности их материалов. Нарушение целостности деталей (появление трещин и деформаций), ухудшение физико-механических свойств, отклонение размеров от требований технических условий приводит к дефектам деталей [2]. В результате изнашивания деталей и изменения физико-механических свойств их материалов ухудшаются рабочие характеристики сопряжений и агрегатов.

Двигатель, оснащенный турбокомпрессором, обладает техническими и экономическими преимуществами по сравнению с атмосферным (безнаддувным) двигателем и обеспечивает более полное сгорание топлива.

Для определения и анализа факторов, влияющих на работоспособность турбокомпрессора, следует рассмотреть условия работы агрегата. Одним из ключевых считается узел подшипников, как система, призванная обеспечивать высокую скорость вращения вала ротора при минимальных потерях на трение; а также наиболее интенсивно изнашиваемую, что в большинстве случаев служит причиной потери работоспособности турбокомпрессора.Условия работы узла подшипников турбокомпрессора обусловлены широким диапазоном режимов работы автомобильных двигателей.

Турбокомпрессор является, как правило, наиболее удаленной точкой от насоса смазочной системы. В этой связи одним из наиболее неблагоприятных эксплуатационных режимов работы автомобильного дизеля, влияющих на надежность узла подшипников турбокомпрессора, является режим пуска, особенно при отрицательных температурах.

В этих условиях значительно задерживается поступление смазочного материала к подшипникам, что обусловлено гидравлическим сопротивлением как на линии всасывания насоса, так и элементов смазочной системы на линии нагнетания по ним смазочного материала повышенной вязкости. Недостаточное количество масла, вызванное задержкой его поступления, приводит к изменению гидродинамических условий работы подшипников турбокомпрессора, и при нарушении режима прогрева дизеля после пуска возможен отказ в работе турбокомпрессора или создание предпосылок для этого [1-4].

В современном дизелестроении нашли распространение две основные схемы подачи смазочного материала к узлу подшипников турбокомпрессора:

· первая - в подводящем трубопроводе устанавливается дополнительный фильтр;

· во второй - снабжение узла подшипников турбокомпрессора осуществляется из главной смазочной системы дизеля, оборудованной полнопоточным фильтром очистки.

Первая схема используется в дизелях ЯМЗ-238НД, ЯМЗ-238Н, Скания DS-14 и др.

Вторая схема применяется на дизелях ЯМЗ-240Н, СМД-60 и большинстве дизелей иностранного изготовления.

Обе схемы выполняются с предварительной прокачкой системы смазочным материалом перед пуском дизеля или без нее.

Наименьшее время затрачивается на подачу смазочного материала к подшипникам турбокомпрессора при схеме с полнопоточным фильтром центробежной очистки. В этом случае стабильное давление смазочного материала более 0,15 МПа обеспечивается уже через 30 с после пуска двигателя. Однако из-за его высокой вязкости в начальный период работы двигателя снижается степень очистки центробежного фильтра.

Предварительная прокачка системы смазки позволяет сократить время начала поступления смазочного материала практически до нуля. Однако при достижении частоты вращения ротора турбокомпрессора частоте вращения коленчатого вала двигателя происходит продолжительное снижение давления смазочного материала в узле подшипников. Это объясняется тем, что с началом вращения ротора происходит прогрев смазочного материала в подшипниках, который вызывает уменьшение его вязкости и повышение пропускной способности указанного узла. При этом расход смазочного материала через фильтр не соответствует его расходу через турбокомпрессор. При предпусковой прокачке в систему смазки подается неочищенный смазочный материал, который в значительной степени снижает долговечность пар трения.

После остановки турбокомпрессора различных конструкций во внутренних полостях корпуса подшипников сохраняется некоторое количество смазочного материала, которое создает условия для обеспечения работоспособности узла подшипников в течение времени, достаточного для его прогрева до рабочей температуры, если окружная скорость вала турбокомпрессора не превышает 13 м/с. Это было установлено опытами на безмоторном стенде, а также на двигателе ЯМЗ-238НД. Так, работа турбокомпрессора без подачи масла на режимах холостого хода двигателя до частоты вращения коленчатого вала, равной 1500 мин, не влияет на работоспособность узла подшипников и не приводит к износам деталей. При этом частота вращения ротора турбокомпрессора на пусковых режимах превышает частоту вращения коленчатого вала дизеля в 10...12 раз.

Недостаточная подача смазочного материала при высокой частоте вращения ротора приводит к потере его устойчивости. Это усугубляется почти полным отсутствием демпфирования в подшипниках, в результате чего отмечается мгновенное возрастание амплитуды прецессионного движения конца вала ротора и уменьшение частоты его вращения. В этот момент на подшипники турбокомпрессора передаются обусловленные значительным уменьшением вязкости смазочного материала из-за возрастания температуры дополнительные нагрузки вследствие большой амплитуды прецессирования ротора. Эти нагрузки приводят к контактированию поверхностей трения. При длительном контактировании поверхностей появляются натиры, а в случае наличия в смазочном материале абразивных частиц - риски. Последовательное накопление натиров и рисок приводит к качественным изменениям в работе сопряженных поверхностей узла подшипников и, в конечном счете, к возникновению задиров и последующему отказу подшипников турбокомпрессора.

Наиболее благоприятной с этой точки зрения является схема подачи, в которой отбор смазочного материала к турбокомпрессору осуществляется от смазочной системы двигателя, снабженной полнопоточным бумажным фильтром его очистки.

Тепловые условия работы узла подшипников определяются в основном частотой вращения ротора, подачей и температурой смазочного материала, и зависят от температуры газов перед турбиной. В результате имеются два интенсивных потока тепла в узле подшипников. Один из них распространяется по корпусным деталям, а другой - через колесо турбины по валу ротора. Таким образом, подача смазочного материала к подшипникам должна обеспечивать помимо своего основного назначения - создание гидродинамического слоя также отвод тепла, поступающего с указанными тепловыми потоками.

Изменение частоты вращения ротора турбокомпрессора от 30 000 до 60 000 мин при постоянной температуре газов на входе в турбину, равной 973⁰К, существенно сказывается на изменении температуры корпуса подшипников в области расположения опор ротора. Изменение температуры газов от 573⁰до 973⁰К при постоянной частоте вращения ротора, равной 60 000 мин, в основном влияет на температуру корпусных деталей турбинной ступени и повышает температуру в области уплотнительных колец на 50⁰К. Это приводит к повышению температуры смазочного материала на сливе из узла подшипников на 20⁰К, причем наибольшее значение температуры доходит до 393⁰К.

Существенное влияние на работоспособность узла подшипников также оказывают резкие остановки двигателя. Через 3-4 мин после остановки двигателя с режима полной подачи топлива (1300 мин^-1) температура вала и корпуса подшипников со стороны турбины достигает 623⁰..635⁰К, а над уплотнительными кольцами 673⁰К. У подшипника со стороны компрессора температура повышается в меньшей степени и через 10 мин достигает 473⁰К. Снижение температур после достижения максимума происходит со скоростью, примерно одинаковой для всех точек и равной 3...4⁰К в минуту. При таком температурном состоянии узла подшипников происходят закоксовка уплотнительных колец, потеря подвижности и, как следствие, течь смазочного материала через турбину.

Проанализировав условия работы турбокомпрессора на современных автомобилях, сделаем выводы об основных отрицательных факторах, влияющих на работоспособность агрегата, а также связанные с этим возникающие дефекты. В большей степени на работоспособность турбокомпрессора негативно влияет:

недостаток масла;

- попадание посторонних предметов;

- загрязненное масло.

Подробнее рассмотрим влияние каждого из них.

Недостаток масла.

Недостаток масла непосредственно оказывает влияние на условия работы подшипникового узла, определяя его работоспособность. После выхода из строя одного или нескольких подшипников могут последовать другие повреждения, такие как трение роторов турбины и компрессора, износ уплотнительных колец.

В случае биения оси возникают значительные повреждения на внешних частях впускного канала, а уплотнительные кольца утрачивают свои свойства. Из-за поломки подшипников лопатки ротора компрессора ударяются о внутреннюю его часть и повреждаются. При высокой температуре, возникающей вследствие трения при биении оси, алюминиевые подшипники плавятся. Бронзовые подшипники в случае перегрева теряют оловянный слой и изменяют цвет.

Попадание посторонних предметов.

Попадающие из двигателя обломки деталей, например, части клапанов или поршневых колец, вызывают серьезные повреждения ротора турбины.

Повреждения ротора компрессора могут быть вызваны множеством причин. Например, если во впускной канал компрессора попадает твердый предмет, края лопаток ротора компрессора сбиваются, а если мягкий (кусок ткани или резины) – гнутся.

Абразивные материалы, быстро истирают лопатки ротора компрессора. Следствием этого явления будет также разбалансировка оси и роторов турбины и компрессора. После этого дальнейшие повреждения неизбежны.

Загрязненное масло.

Турбокомпрессор смазывается фильтруемым маслом. При загрязнении масла происходят повреждения деталей. Кроме того, при этом быстро изнашивается рабочая поверхность подшипника.

Густое масло задерживается на внутренних перегородках корпуса оси и снижается герметичность, вызывая большие утечки масла. Густое масло может также закоксовываться под воздействием тепла и затем стать причиной последующих повреждений подшипников и уплотнений.

Загрязнения могут даже глубоко процарапать внешнюю поверхность подшипника.

Что касается алюминиевых вкладышей, загрязнения могут задерживаться на их поверхности и вследствие этого вызывать значительные отложения на оси подшипника и в его корпусе.

Отложение закоксованного масла на роторе турбины может быть вызвано дефектом системы герметичности турбокомпрессора, загрязненным маслом в корпусе оси или оттоком масла в систему выпуска из-за сильного износа самого двигателя. Это может быть также вызвано повышенным давлением в масляном картере двигателя, засорением сливного маслопровода турбокомпрессора или загрязнением воздушного фильтра.

Таким образом, схема подачи смазочного материала существенно влияет на условия работы узла подшипников турбокомпрессора при пуске и тем самым на его надежность и на надежность двигателя с турбонаддувом в целом.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.Барун В.Н., Азаматов Р.А. др. Автомобили КамАЗ: Техническое обслуживание и ремонт.- 2-е изд., перераб. И доп.-М.: Транспорт, 1987-352с.

2. Троценко Е.Л. Автомеханик.-Астана: Фолиант, 2008.-176с.

3.Антропов Б.С. и др. Обнаружение неисправностей дизелей ЯМЗ.-М. Агропромиздат, 1989-128с.

4.Автомобильные двигатели. Под ред. М.С.Ховаха. М.: Машиностроение, 1977.-591с.

5. Стуканов В.А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля.-М.: ФОРУМ-М, 2004.-368с