Підвищення ефективності масляної системи тепловозу встановленням пристрою для обробки моторних олив електростатичним полем

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Функціональні порушення в роботі тепловозів, обумовлені зносом найбільш навантажених елементів, насамперед їх дизелів, які викликають тривалі простої тепловозів в ремонті, ускладнюють експлуатацію і технічне обслуговування тепловозів.

Деталі тепловозних дизелів внутрішнього згоряння працюють в жорстких умовах навантажень, які циклічно повторюються, у наслідок періодичних дій сил газів і сил інерції мас. Ці навантаження, в першу чергу, негативно впливають на знос деталей кривошипно-шатунного механізму, до яких відносяться поршень, поршневі кільця, пальці, шийки і вкладиші колінчастого вала.

Основною системою тепловозу, яка головним чином призначена для забезпечення зменшення зносу вузлів тертя тепловозних дизелів та підвищення їх ресурсу, є масляна система. Тому підвищення її ефективності є актуальним завданням.

Відомо багато робіт, присвячених підвищенню ефективності масляної системи тепловоза. Найбільш перспективним способом є поліпшення експлуатаційних характеристик змащувальних олив, які використовуються в масляній системі тепловоза. Одним з таких методів є встановлення в масляну систему пристрою для обробки моторних олив електростатичним полем.

Під впливом електростатичного поля на моторну оливу відбуваються такі явища:

- змінюється надмолекулярна структура молекул присадок, яка сприяє ефективному формуванню змащувальної плівки на поверхнях тертя;

- як наслідок, збільшується товщина та несуча здатність змащувальної плівки;

- на продуктах зносу інтенсифікується процес адсорбції молекул присадок і останні покривають їх оболонкою;

- продукти зносу, покриті оболонкою молекул присадок, заповнюють мікронерівності поверхонь тертя і, як наслідок, питомі навантаження зменшуються і тому підвищується ресурс кривошипно-шатунного механізму тепловозних дизелів.

Таке вирішення задачі не призводить до значних економічних витрат на експлуатацію тепловозів, а ефективність їх, згідно з відомостями, які наведені в літературі, не менше, а в деяких випадках більше вже існуючих методів і способів поліпшення експлуатаційних властивостей моторних олив, які використовуються в масляних системах тепловозів.

Мета і завдання досліджень

Метою даної роботи є вирішення науково-практичної задачі підвищення ефективності масляної системи тепловозу встановленням пристрою для обробки моторних олив електростатичним полем.

Для досягнення вказаної мети необхідно вирішити такі завдання:

- Виконати аналіз роботи масляної системи і вузлів, які залежать від її роботи, в експлуатації та розробити спосіб підвищення ефективності її функціонування.

- Провести аналіз науково-дослідних робіт в області дії силових полів на експлуатаційні властивості моторних олив, при встановленні в масляну систему тепловозу пристрою для їх обробки електростатичним полем, та встановити головні параметри цих властивостей, що визначають ресурс тепловозних дизелів.

- Визначити залежність між інтенсивністю зношування поверхонь тертя кривошипно-шатунного механізму тепловозних дизелів та товщиною змащувального шару моторної оливи, обробленої та не обробленої електростатичним полем.

- Розробити модель, яка дозволяє встановити енергетичну оцінку взаємодії молекул присадок в моторних оливах в умовах дії на них силового поля поверхні тертя.

- Встановити закономірності зношування основних пар тертя тепловозних дизелів в умовах використання в масляній системі тепловозу пристрою для обробки моторних олив електростатичним полем.

- Визначити технічні параметри пристрою для обробки моторних олив тепловозних дизелів електростатичним полем, при яких спостерігається найбільша ефективність масляної системи, та розробити конструктивні рекомендації щодо зміни масляної системи тепловозу 2ТЕ116.

- Виконати прогноз ресурсу тепловозних дизелів при удосконаленні масляної системи тепловозу.

- Оцінити економічну ефективність встановлення пристрою для обробки моторних олив тепловозних дизелів електростатичним полем в масляній системі тепловозу 2ТЕ116.

1. Огляд та аналіз науково - дослідних робіт, які пов'язані з підвищенням ефективності масляних систем тепловозів, поліпшенням характеристик змащувальних олив з метою підвищення ресурсу дизелів

Масляна система тепловозу призначена для створення необхідного тиску і підведення оливи до пар тертя дизелів, відведення тепла, а також частинок забруднень та частинок нагару з поверхонь тертя. При цьому основною функцією масляної системи тепловозу є забезпечення зменшення зносу вузлів тертя тепловозних дизелів та забезпечення їх ресурсу. Для того щоб задовольнити ці умови та забезпечити ефективність функціонування масляної системи тепловозу, вона повинна включати в себе як масляні насоси й фільтри, так і охолоджувальні пристрої для забезпечення надійності роботи дизеля та його ресурсу. Насамперед ефективність функціонування масляної системи залежить від експлуатаційних характеристик моторних олив.

Існують різні альтернативні засоби і методи підвищення ефективності масляної системи за рахунок покращення експлуатаційних характеристик моторних олив, зокрема, гідродинамічне диспергування моторних олив та використання пристроїв для дозованого введення в них протизношувальних присадок, але всі ці методи не набули широкого застосування в масляних системах тепловозів.

Одним з перспективних способів поліпшення характеристик олив є використання силових полів, у тому числі електростатичних. Згідно з аналізом науково - дослідних робіт в цій галузі, шляхом дії електростатичного поля на рідкі змащувальні середовища в них відбуваються структурні перетворення, які сприяють ефективному формуванню моно- і полімолекулярної змащувальної плівки, що дозволяє знизити інтенсивність зношування поверхонь тертя. На основі аналізу існуючих методів покращення експлуатаційних властивостей моторних олив було сформульовано мету і завдання досліджень.

2. Теоретичне дослідження доцільності використання пристрою для обробки моторних олив електростатичним полем в масляній системі тепловозу, що дозволяє підвищити ресурс тепловозних дизелів

У роботі висунута гіпотеза, суть якої полягає в тому, що шляхом дії електростатичного поля змінюється структура моторної оливи в масляній системі, що дозволяє поліпшити її експлуатаційні характеристики, а отже, підвищити ресурс вузлів тертя кривошипно-шатунного механізму тепловозних дизелів.

Згідно з цією гіпотезою, на першому етапі визначено величину контактних навантажень, які виникають при роботі двигуна в парах тертя кривошипно-шатунного механізму.

Найбільше значення контактний тиск в парах тертя «кільце - гільза» і «колінчастий вал-вкладиш» в залежності від кута повороту колінчастого вала відповідно має МПа, МПа.

Ресурс кривошипно-шатунного механізму визначається інтенсивністю зношування його деталей. Тому, згідно з науково-дослідними роботами в галузі тертя та зношування (Крагельського, Флайшера, Федорова, Ахматова), отримана аналітична залежність інтенсивності зношування деталей кривошипно-шатунного механізму.

Товщина змащувальної плівки залежить від силового поля поверхонь тертя деталей кривошипно-шатунного механізму тепловозних дизелів та від експлуатаційних властивостей моторних олив. Визначення товщини змащувальної плівки теоретично є складною задачею, тому її доцільно визначити експериментальним шляхом.

Таким чином, співвідношення дозволяє встановити інтенсивність зношування деталей кривошипно-шатунного механізму тепловозних дизелів, а в подальшому прогнозувати їх ресурс.

Несуча здатність змащувальної плівки на поверхнях тертя деталей кривошипно-шатунного механізму залежить не тільки від силового поля поверхонь тертя, а також від механізму взаємодії молекул присадок між собою, тобто енергії їх взаємодії.

Розкриття такої математичної моделі дозволяє зрозуміти фізичні явища, які визначають ресурс пар тертя деталей кривошипно-шатунного механізму. Товщина змащувальної плівки не зв'язана з її несучою здатністю і не розкриває механізм її формування та фізичні явища, пов'язані з контактним тиском, обумовленим режимами навантажень тепловозних дизелів.

Оскільки молекули присадки багатьма дослідженнями в галузі молекулярної фізики розглядаються, як диполі, то схему розташування їх можна подати у векторній формі.

Згідно з теоретичними дослідженнями максимального значення енергія взаємодії досягає при куті 900, тобто коли молекули розташовані під впливом зовнішнього навантаження паралельно.

Таке теоретичне обґрунтування на базі взаємодії молекул присадок дозволяє глибше розкрити природу несучої здатності змащувальної плівки в умовах обробки моторних олив електростатичним полем. Для цього була розроблена фізична модель взаємодії молекул присадок при їх адсорбції на поверхнях тертя кривошипно-шатунного механізму тепловозних дизелів.

Останнім етапом теоретичних досліджень було визначення мінімальної несучої здатності змащувальної плівки. При цьому під мінімальною несучою здатністю адсорбованого граничного шару молекул присадки матимемо на увазі величину зовнішнього навантаження, під впливом якого товщина шару стає критичною (залишається мономолекулярний шар), при якій матиме місце його механічне або теплове руйнування, що призводить до різкого підвищення інтенсивності зношування робочих поверхонь тертя тепловозних дизелів.

3. Експериментальне дослідження впливу обробки моторних олив масляної системи тепловозу на інтенсивність зношування пар тертя кривошипно-шатунного механізму їх дизелів

Перший етап був присвячений визначенню товщини змащувальної плівки на поверхнях тертя, як без обробки моторної оливи електростатичним полем, так і з її обробкою. З цією метою був закладений класичний принцип вимірювання товщини змащувального шару, розроблений О.С. Ахматовим, але в модернізованому варіанті, де пластини були замінені на шари. Окрім цього, була розроблена гідравлічна станція для обробки моторної оливи електростатичним полем.

При цьому кулі змащувалися моторною оливою М-14-В2, яка широко використовується в масляних системах тепловозів.

Програма проведення експериментальних досліджень передбачала проведення двочинникового експерименту з обробкою моторної оливи електростатичним полем і без неї відповідно до теорії планування експериментальних досліджень.

Основними параметрами, які визначають процес режиму обробки, є напруга, що подається на електроди, і зазор між електродами.

При дослідженні діапазону напруг на електродах і зазорів встановлено, що ефект зміни товщини складає для необробленої моторної оливи 0,8 мкм, а для обробленої 1,17 мкм. Це підтверджує основні теоретичні положення щодо інтенсивності зношування, оскільки її величина обернено пропорційна квадрату товщини змащувальної плівки, що сприяє підвищенню ресурсу.

Обробка результатів досліджень дозволила отримати емпіричні залежності зміни товщини змащувальної плівки моторної оливи від напруги, яка подавалася на електроди пристрою для обробки моторної оливи електростатичним полем (табл. 1) при різному значенні зазора між електродами.

Таблиця 1. Емпіричні залежності зміни товщини змащувальної плівки моторної оливи

Однак ці дослідження не є підтвердженням інтенсивності зношування, оскільки відсутнє навантаження.

Другий етап експериментальних досліджень був присвячений визначенню швидкості зношування пар тертя «колінчастий вал-вкладиш», а також «кільце-гільза», тому що швидкість зношування в першу чергу залежить від несучої здатності змащувальної плівки.

Головними параметрами, які визначають швидкість зношування були прийняті: контактний тиск, міжелектродний зазор, напруга на електродах, частота обертів вала.

Експериментальні дослідження швидкості зношування пари тертя «колінчастий вал-вкладиш» проводилися за допомогою спеціального лабораторного стенда на машині тертя СМЦ-2 за схемою «колодка-ролик».

Матеріали зразків колодки і ролика вибиралися такими ж, як і матеріали, що використовуються для виготовлення пари тертя «колінчастий вал - вкладиш» дизелів тепловозів 10Д100 і 5Д49.

Згідно з експериментальними даними швидкість зношування змінюється в широких діапазонах залежно від головних параметрів. При цьому максимальне значення зниження швидкості зношування спостерігається при напрузі на електродах 1000 В і міжелектродному зазорі 2 мм і таке зниження складає до 6 разів.

Після обробки експериментальних даних були отримані емпіричні залежності зміни швидкості зношування від напруги, що подається на пристрій, і контактних навантажень (табл. 2).

Таблиця 2. Емпіричні залежності зміни швидкості зношування

Кривошипно-шатунний механізм включає не тільки пару тертя «колінчастий вал-вкладиш», а також «кільце-гільза». Для перевірки основної гіпотези впливу електростатичного поля на швидкість зношування були проведені експериментальні дослідження на машині тертя МТЗПР (машина тертя зворотно-поступального руху). При зміни структури моторної оливи обробкою її електростатичним полем швидкість зношування зменшується до 1,5 разу.

Таким чином, проведені експериментальні дослідження підтверджують, що ефект використання обробки електростатичним полем моторної оливи дозволяє зменшити швидкість зношування пар тертя кривошипно-шатунного механізму до 6 разів. Ці дані були закладені в основу прогнозування ресурсу дизелів тепловозів. Проведемо порівняння експериментальних досліджень з теоретичними положеннями впливу обробки моторних олив електростатичним полем на інтенсивність зношування И пар тертя кривошипно-шатунного механізму тепловозних дизелів. Похибка результатів експериментальних та теоретичних досліджень складає близько 10-15%. Це обумовлено тим, що в процесі експлуатації тепловозних дизелів не враховуються експлуатаційні властивості моторних олив у повному обсязі при їх обробці електростатичним полем.

4. Удосконалення масляної системи тепловозу 2ТЕ116 встановленням пристрою для обробки моторних олив електростатичним полем

Для забезпечення максимальної ефективності обробки моторних олив електростатичним полем була розроблена методика вибору параметрів, до яких відносяться: кількість електродів, які забезпечують раціональний режим обробки моторних олив електростатичним полем, а також потужність пристрою.

Згідно з раніше проведеними дослідженнями, обробку моторних олив електростатичним полем необхідно здійснювати в повнопотоковому варіанті, тому пристрій доцільно, згідно з конструкцією масляної системи тепловоза, встановити після насоса.

Технічна характеристика пристрою для обробки моторних олив масляної системи тепловозу електростатичним полем наведена в таблиці 3.

Таблиця 3. Технічна характеристика пристрою для обробки моторних олив масляної системи тепловозу електростатичним полем

У роботі наведена схема цього пристрою, а також його конструкція.

5. Модель прогнозування ресурсу тепловозних дизелів при встановленні пристрою для обробки моторних олив електростатичним полем в масляну систему тепловозу

Якщо вважати, що знос деталей кривошипно-шатунного механізму змінюється за класичним законом Лоренца, тоді знос на прогнозований момент часу можна подати у вигляді трьох складових: початковий знос, знос при сталому режимі, період катастрофічного зношування.

Визначення кривої зносу - надзвичайно важка задача і на сьогоднішній день в галузі тертя і зношування не вирішена в чистому вигляді, тому використовують експериментальні дослідження. Тоді з урахуванням раніше проведених експериментальних досліджень і зроблених допущень про прямолінійність зносу в сталому режимі стосовно тепловозного дизеля був проведений розрахунок його ресурсу кривошипно-шатунного механізму залежно від пробігу з урахуванням зниження швидкості зношування за рахунок обробки моторної оливи електростатичним полем.

При використанні електрообробки моторної оливи ресурс пар тертя тепловозних дизелів відповідно підвищується:

- «колінчастий вал-вкладиш» - до 3 разів;

- «кільце - гільза» - до 1,5 разу.

Ці дані підтверджують метод інтенсифікації адсорбційного процесу молекул присадок на поверхнях тертя.

Економічний ефект від вдосконалення масляної системи тепловозу встановленням пристрою для обробки моторних олив електростатичним полем, за рахунок зменшення витрат на ремонт деталей кривошипно-шатунного механізму дизелів, складає 41201 грн. на один локомотив.

Висновки

масляний тепловоз кривошипний електростатитичний

На основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень можна зробити наступні загальні висновки.

1. Згідно з аналізом роботи масляної системи та вузлів, які залежать від її роботи, встановлено, що її ефективність в значній мірі залежить від експлуатаційних властивостей моторних олив, які головним чином забезпечують ефект зменшення зношування вузлів тертя тепловозних дизелів, що забезпечує їх ресурс.

2. На основі аналізу науково-дослідних робіт найбільш перспективним способом збільшення ресурсу тепловозних дизелів є підвищення ефективності їх змащувальних систем встановленням пристрою для обробки моторних олив електростатичним полем. Під впливом електростатичного поля на структуру моторних олив у них відбуваються структурні перетворення, які сприяють ефективному формуванню граничної змащувальної плівки на поверхнях тертя тепловозних дизелів.

3. Ресурс кривошипно-шатунного механізму тепловозних дизелів визначається інтенсивністю зношування його поверхонь тертя. На основі основоположних робіт в галузі тертя встановлена аналітична залежність між товщиною адсорбованої плівки молекул присадок і інтенсивністю зношування елементів кривошипно-шатунного механізму при граничному режимі тертя. При цьому інтенсивність зношування прямо пропорційна питомій силі тертя і обернено пропорційна енергетичній щільності тертя та квадрату товщини змащувальної плівки.

4. Набула подальшого розвитку фізична модель, що дозволяє визначити енергію взаємодії молекул присадки для випадку відсутності деформації молекул. Енергія взаємодії в залежності від кута їх розташування має знакозмінний характер і змінюється в широкому діапазоні. В граничних адсорбованих шарах, найбільш наближених до поверхонь тертя, максимальне значення енергії тяжіння Wij між молекулами присадки складає 0,2·10-20Дж при величинах кутів 43,560 і 136,440. Відповідно, в шарах, віддалених від поверхонь, Wij =1·10-20Дж при величині кута 900.

5. Згідно з експериментальними дослідженнями, за рахунок запропонованого способу обробки моторних олив електростатичним полем можна збільшити товщину захисної змащувальної плівки до 1,5 разу. Ці дані підтверджують основну гіпотезу щодо зниженню інтенсивності зношування і такий спосіб дозволяє поліпшити експлуатаційні властивості моторних олив, які використовуються в масляних системах тепловозів.

6. Експериментальні дослідження протизношувальних властивостей моторних олив при обробці їх електростатичним полем і без такої за критерієм швидкості зношування підтверджують основні теоретичні положення. Згідно з цим дослідженням, швидкість зношування при обробці моторної оливи зовнішнім електростатичним полем в режимі граничного змащування знижується в порівнянні з не обробленою моторною оливою (для пари тертя «колодка - ролик» відповідно до 6 разів і до 1,3 разу, а для пари тертя «кільце гільза» до 1,6 разу).

7. Згідно з експериментальними даними, визначені раціональні режими обробки моторних олив електростатичним полем, при яких спостерігається максимальний ефект швидкості зношування. Такі параметри мають наступні значення: напруга, що подається на пристрій і яка складає 1000 В; величина струму не більше 200 мкА; зазор між електродами 2 мм. Крім того розроблена конструкція пристрою, а також місце його встановлення в масляну систему тепловозу 2ТЕ116.

8. Згідно з теоретичними та експериментальними дослідженням впливу обробки моторних олив електростатичним полем, прогнозований ресурс пар тертя кривошипно-шатунного механізму підвищується: «колінчастий вал-вкладиш» до 3 разів, «кільце - гільза» до 1,5 разу.

9. Впровадження запропонованого способу підвищення ефективності масляної системи тепловозу 2ТЕ116 встановленням пристрою для обробки моторних олив електростатичним полем дозволяє отримати економічний ефект, який складає 41201 грн. на один локомотив.

Література

1. Афанасов Г.М. Взаємодія молекул ПАР моторних олив в адсорбційному шарі на поверхнях тертя двигунів внутрішнього згоряння/ Лисіков Є.М., Воронін С.В., Афанасов Г.М. // Тематичний випуск "Автомобіле - і тракторобудування": Зб. наук. праць / Вісник НТУ "ХПІ".- Харків: НТУ "ХПІ". - 2005. - Вип.13. - С.75-79.

2. Афанасов Г.М. Протизношувальні випробування моторної оливи для тепловозних дизелів при обробці електромагнітним полем / Є.М. Лисіков, С.В. Воронін, Г.М. Афанасов, С.В. Гусак// Підвищення ефективності перевантажувальних, будівельних і колійних робіт на транспорті: Зб.наук. праць. - Х.: УкрДАЗТ. - 2006. - Вип. 73. - С. 60-65.

3. Афанасов Г.М. Вплив обробки моторних олив електростатичним полем на знос пар тертя тепловозних дизелів / Є.М. Лисіков, Г.М. Афанасов // Удосконалення будівельних, колійних та перевантажувальних машин. - Харків: УкрДАЗТ. - 2008. - № 88. - С. 249-254.

4. Афанасов Г.М. Визначення мінімальної несучої здатності граничної змащувальної плівки, сформованої поверхнево-активними речовинами на поверхнях тертя тепловозних дизелів/ В. Шраменко, Г. Афанасов // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ. - 2008. - Вип.99. - С.91-96.

Размещено на Allbest.ru