Режимы обкатки судовых ДВС

Длительная и надежная эксплуатация двигателя в значительной степени определяется качеством приработки его деталей в период обкатки на начальном этапе работы, а также после замены трущихся деталей (втулок цилиндров, поршней и поршневых колец, подшипников) в процессе эксплуатации. При обкатке двигателя происходит вначале макро, а затем микроириработка. В процессе макроприработки происходит взаимное изменение геометрии трущихся деталей.

Так, новое поршневое кольцо при установке во втулку цилиндра прилегает к ней лишь в некоторых местах, поскольку по наружной поверхности кольцо имеет форму геометрически неправильного круга. Макрогеометрия деталей изменяется после любой переборки узлов и даже после изменения режима работы, особенно у двигателей с контурными системами газообмена. Макроприработка судового дизеля происходит впервые 10-12 часов его работы. Последующая микроприработка требует гораздо больше времени — до нескольких сот и даже тысяч часов работы.

В начальный момент работы трущихся полированных деталей площадь их непосредственного контакта составляет 1 / 10000 от общей площади поверхности. После приработки на глубину около 0,4 микрон площадь контакта увеличивается примерно в 50 раз; соответственно в 50 раз уменьшается давление в местах контакта. В процессе микроприработки поверхности трения приобретают структуру, обладающую высокой износостойкостью, хорошей способностью адсорбировать смазку, хорошими изолирующими свойствами, препятствующими контакту чистых металлов и обладающую свойствами восстанавливаться при трении.

Полученные после приработки свойства поверхности называются оптимальными или эксплуатационными. Толщина слоя приработки — 20-25 микрон. Микротвердость поверхностного слоя выше твердости основного металла в 1,5-2 раза. Образование первого слоя приработки весьма важно для качественной приработки, предупреждения задиров поверхностей и подготовки поверхностей к работе на эксплуатационных нагрузках полной мощности.

При нормальной приработке взаимодействие трущихся поверхностей имеет механический характер. Механическое взаимодействие включает в себя сминание, выламывание микронеровностей, соударение, взаимное внедрение частиц материала во впадины поверхностей трения. Выломанные частицы затем работают как абразив; они постепенно выносятся смазочным маслом за пределы поверхностей трения. При сминании микровыступов могут возникнуть упругие и пластические деформации; упругие деформации могут приводить к микротрещинам, пластические — к наклепу поверхностного слоя. При этом в зависимости от условия подвода — отвода тепла может происходить либо закалка, либо отпуск наклепанных участков и соответствующее изменение микроструктуры.

В период приработки возможен и другой характер взаимодействия поверхностей трения — молекулярный, приводящий к аварийным износам, задирам, выплавлению подшипников. Молекулярное взаимодействие — это схватывание (микросварка) трущихся поверхностей в месте контакта, сопровождающееся деформациями сдвига, глубоким вырывом частиц из одной поверхности и налипаниями частиц на другую поверхность. Такой характер взаимодействия поверхностей трения более часто встречается в цилиндрах форсированных малооборотных дизелей с контурной системой газообмена, что приводит к задирам цилиндров, большим материальным затратам и простоям судов.

Рассмотрим последовательность изменения внешнего вида поверхностей цилиндра при молекулярном взаимодействии. На пути к предзадирному состоянию и к задирам ЦПГ можно выделить 5 этапов:

  1. Появление на зеркале цилиндра засвеченных участков контакта — натиров — с рисками, невидимыми невооруженным глазом;
  2. Появление видимых рисок вдоль хода поршня;
    в направлении скольжения поршня появляется широкий, но неглубокий задир с несливающимися между собой бороздками;
  3. Задир прогрессирует, борозды сливаются в единое целое, появляются вырывы и перенос частиц металла;
  4. Повышается температура, приводящая к оплавлению металла, втулка прихватывает поршень; приработка цилиндра невозможна.

Характер взаимодействия поверхностей трения зависит от исходных свойств поверхностей, условий смазки, температурного режима и режима работы двигателя.

Свойства исходных поверхностей трения характеризуется макро и микрогеометрией, структурой, упрочнением и напряженностью. Эти свойства зависят от свойств основного металла, вида и режима обработки при изготовлении детали. В результате приработки поверхности трения приобретают определенную шероховатость независимо от исходной шероховатости (грубо обработанные поверхности становятся чище, чрезмерно гладкие — грубее). Поэтому исходные свойства поверхностей должны быть близкими к оптимальным; любое отклонение приводит к увеличению срока обкатки, повышению износов. Слишком гладкие поверхности могут привести к молекулярному взаимодействию. Для цилиндровых втулок и поршневых колец оптимальным классом исходной чистоты поверхностей считается 8-й, цапф крейцкопфа — 11 ÷ 12, рамовых и мотылевых шеек — 8 ÷ 9, подшипников — 6-й.

Свойства поверхностей трения зависят и от направления исходной шероховатости. Если механическая обработка детали велась в направлении, перпендикулярном направлению движения, то условия смазки на начальном этапе приработки будут лучше — смазка задерживается во впадинах шероховатостей, износы уменьшаются. Фирма Зульцер использует этот фактор, изменяя поверхность цилиндровых втулок и юбок поршней в малооборотных дизелях нанесением “зебры” — волнистой винтовой нарезки глубиной 0,03 ÷ 0,05 мм с шагом -15мм. Такая волнистая поверхность удерживает смазку при нарушении макрогеометрии — перекосе втулки при неравномерном ее прогреве. Срабатывание “зебры” — за 10 ÷ 20 тысяч часов работы двигателя, до образования оптимальной поверхности.

Хорошие условия смазки — важный фактор качественной приработки деталей. Смазка предотвращает непосредственный контакт металла, охлаждает трущиеся детали, уносит из зоны трения продукты износа. В период обкатки дозировка цилиндровой смазки должна быть увеличена. Нормальный расход цилиндрового масла устанавливается у двигателей с контурным газообменом через 4500-5000 часов, у двигателей с прямоточной продувкой цилиндра — через 2500 — 3000 часов. Применение маловязкого цилиндрового масла уменьшает время приработки, однако увеличивает износ и не гарантирует надежной приработки. Высоковязкие масла снижают начальный износ, но увеличивают продолжительность обкатки.

Для цилиндровой смазки сорт масла тесно связан с содержанием серы в топливе. Применение тяжелого высокосернистого топлива с высокощелочным цилиндровым маслом увеличивает износ в период обкатки. Однако присутствие серы играет и положительную роль противозадирной присадки. Образующиеся на поверхности трения сульфиды FeS, FcS2 обладают большой пластичностью, облегчают деформацию металла, не допускают молекулярного взаимодействия.

В последние годы в период обкатки применяют в качестве противозадирной присадки дисульфид молибдена; иногда используют специальные приработочные масла с приработочными присадками. Дисульфид молибдена способствует протеканию пластических деформаций без “схватывания”, уменьшает время приработки и начальный износ. Тот же эффект может быть получен при добавлении в масло поверхностно-активированных присадок (органических соединений серы, хлора, фосфора).

Режим охлаждения в период обкатки оказывает влияние главным образом на режим смазки (вязкость масла) и через него — на приработку деталей.

Режим работы двигателя в период обкатки (частота вращения и нагрузка) совместно с режимом смазки в основном и определяют качество приработки. Быстрое увеличение нагрузки и частоты вращения способствует скорейшей приработке, но в определенных пределах, за которыми следует аварийный износ и задир, от которого не спасает последующее снижение нагрузки. Такой режим обкатки показан на рис.№2 кривой 1 — износ достаточно быстро достигает предельных значений. В случаях 2 и 3 двигатель нагружается постепенно, износы стабилизируется на нормальном эксплуатационном уровне за какой-то период приработки, чем медленнее нагружается двигатель, тем больше время приработки. Однако при этом возрастает время эксплуатации двигателя до достижения предельного износа: τ 3 > τ2.

Во избежание повышенного износа при обкатке следует применять ступенчатый режим нагружения, увеличивая нагрузку постепенно. Для каждого режима после стабилизации износа (рис. №3) устанавливается своя приработка; поверхность трения формируется постепенно. Слишком быстрое нагружение приводит к росту износов. Не менее опасно и слишком медленное нагружение — поверхности оказываются настолько гладкими, что при переходе на следующий режим нагружения взаимодействие поверхностей приобретает молекулярный характер со всеми вытекающими последствиями. В этом случае приходится прибегать к повторению предыдущего режима или даже к возобновлению обкатки. На каждом промежуточном режиме чистота поверхности трения должна оставаться ниже оптимальной. Окончательная приработка достигается лишь на основном режиме эксплуатации.

Рис. 1 Изменение износов при обкатке: 1- быстрое, 2- среднее, 3- медленное
Рис. 2 Характер изменения износов при ступенчатом нагружении дизеля нагружение дизеля

На начальном этапе обкатки судовых дизелей износы цилиндровой втулки могут достигать 0,3 мм на 1000 часов работы; после обкатки износы, как правило, не превышает 0,1 мм на 1000 часов работы. На протяжении всей обкатки необходимо после остановок двигателя контролировать состояние поверхностей, износы поршневых колец, втулок (путем непосредственных замеров, методами “лунок”, “железа в масле”, но блесткам металла, цвету смазочного масла или на ощупь — по остроте кромок поршневых колец).

Конец обкатки двигателя характеризуется стабилизацией скорости износа и температуры поверхностей трения, минимальным коэффициентом трения. Поверхности трения приобретают ровный блеск на всей своей рабочей части при отсутствии рисок в направлении движения и следов механической обработки детали. Двигатель может работать на максимальной мощности при минимальных расходах смазки.

В условиях эксплуатации транспортного судна при разработке графика обкатки приходится учитывать необходимость выполнения заданной скорости судна. Для этого, как правило, приходится сокращать количество остановок для контроля хода обкатки и даже вообще отказываться от остановок. На рис. №3 в качестве примера приведен график обкатки цилиндров 3 и 5 главного дизеля т/х SCF Vladimir в 1995 году. В цилиндре 3 произведена моточистка с заменой 5 поршневых колец, в цилиндре 5 — замена цилиндровой втулки и поршневых колец. Снижение цикловых подач топлива в этих цилиндрах не предусматривалось. Для всего двигателя запланировано 8 ступеней нагружения с 3-мя остановками для контроля.

Рис. 3 График обкатки цилиндров 3, 5 главного дизеля т/х SCF Vladimir

Объем ревизии цилиндров учитывался дозировкой цилиндровой смазки: обкатка цилиндров начиналась при максимальной дозировке (лубрикаторы — на 5-й точке); затем постепенно дозировка снижалась до 3-ей точки лубрикатора (цилиндр 3 — через 140 часов, цилиндр 4 — через 240 часов работы). Нормальная дозировка смазки (лубрикаторы — на 2-й точке) была установлена значительно позднее по итогам осмотра цилиндров.

Рекомендуем к прочтению:

Расчет коленчатого вала

Поршневые кольца

Ноябрь, 09, 2016 910 0
Читайте также