ДИАГНОСТИКА ОСНОВНЫХ ПРИЧИН НЕИСПРАВНОСТЕЙ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ
В процессе эксплуатации происходит постоянная замена дефектных деталей дизелей новыми или восстановленными из-за увеличенного сверх допуска износа, наличия трещин, раковин, рыхлот металла. Разрушение металла объяснялось ранее главным образом коррозией. И только в последнее десятилетие проведены исследования в области кавитации. Под кавитацией понимают явление, при котором в жидкости, имеющей давление р0 выше давления парообразования р', в процессе движения появляется местное или временное понижение давления до значения р, меньшего, чем давление парообразования р'. При этом происходит бурное парообразование. Когда поток жидкости достигает области более высокого давления (>р'), пузырьки пара за короткое время снова конденсируются.
Различают жидкостную кавитацию и кавитацию материала. В то время, как жидкостная кавитация представляет собой обратимый процесс, под кавитацией материала понимают устойчивое повреждение поверхности материала в виде раковин, рыхловатостей или свищей. Частицы воды, получаемые в результате разрушения пузырьков пара, сталкиваются между собой с различными скоростями, создавая при этом очень сильный местный гидравлический удар. В процессе кавитации поверхность материала становится рыхлой, затем образуются глубокие раковины или свищи и материал полностью разрушается.
Что же вызывает кавитацию в дизеле? Как выяснилось, причиной кавитационной эрозии втулок цилиндров является вибрация их стенок, в результате которой происходит местный отрыв от них слоя жидкости. Возникает она вследствие периодических ударов поршня о стенки втулки. Удары поршня о стенку втулки происходят каждый раз, когда боковая сила, действующая на него, меняет свое направление. В четырехтактных дизелях также изменения происходят до восьми раз за цикл. При этом поршень, поворачиваясь вокруг пальца, ударяется о втулку и верхней, и нижней кромкой. Очевидно, что чем больше зазор между поршнем и втулкой, тем больше и сила удара. Кроме того, поршень, как известно, оказывает давление на стенку втулки. Как показывает осциллограмма (рис. 37), каждое изменение силы бокового давления влечет за собой резкое возрастание амплитуды вибрации стенки втулки. Наибольшей величины (до 0,015 мм) амплитуда достигает, когда поршень находится вблизи в. м. т. Частота колебаний в этот момент составляет 800—3000 Гц. Установлено, что величина частоты не зависит от нагрузки дизеля и частоты вращения коленчатого вала, однако эти факторы влияют на амплитуду колебаний.
Максимальная амплитуда резонансных колебаний приходится на среднюю часть стенок втулки цилиндра.
Рис. 37. Сравнение бокового давления и вибрации втулок: а — теоретическая диаграмма сил бокового давления на стенку втулки цилиндра; б — осциллограмма вибрации втулки: 1 — кривая изменения давления в цилиндре; 2 — кривая вибрации втулки; 3 — отметки положения поршня в в. м. т.
Под действием вибраций непрерывно происходит растяжение и сжатие слоя воды, циркулирующей в рубашке охлаждения цилиндров. Следствием этого является интенсивное образование и захлопывание кавитационных пузырьков, разрушающих внешнюю поверхность втулок. В зависимости от конструктивных особенностей двигателя расположение эрозийных раковин может быть различным, но в любом случае наиболее интенсивно разрушается металл в плоскости качания шатуна. Колебания стенок образуют несколько пучностей в поперечном сечении втулки. Именно в этих местах и происходит кавитационная эрозия.
Разрушению подвергаются также уплотнительные и опорные пояса втулок цилиндров и блоков из-за кавитации, возникающей при сужении потока воды.
Эмульсоидная присадка ВНИИНП-17, добавляемая в воду в количестве 0,4—1%, снижает кавитационные разрушения в среднем на 53—67%. Необходимо заметить, что эмульсоиды не предохраняют металл от обычной коррозии. И, наоборот, присадка типа антинакипин, смесь хромпика с нитритом натрия, хорошо защищающие металл от коррозии, не предохраняют его от кавитационной эрозии [22]. Применение чистой воды, содержащей минимальное количество щелочей, кислот и газов, не только уменьшает отложения накипи, но и снижает возможность возникновения в воде кавитации. Частая смена воды в системе охлаждения, наоборот, увеличивает возможность появления кавитации.
Колебания стенок цилиндровых втулок дизеля вызывают не только кавитацию жидкости, но также и напряжения в металле. Напряжения значительно ускоряют разрушение острых частей, краев и поверхностей металла, имеющих какое-либо нарушение наружного слоя. Графитные пластинки выбиваются, высвобождая новые кристаллы железа.
Так как кавитация представляет собой физический процесс, предотвращать ее необходимо главным образом за счет конструктивных решений. Жесткая установка цилиндровых втулок уменьшает амплитуду колебаний их стенок, что препятствует возникновению кавитаций. Возникновение кавитации и коррозии в дизелях снижается также за счет уменьшения зазоров между поршнем и цилиндровой втулкой. В качестве основных, заслуживающих внимания мероприятий, следует также считать достаточный объем и удачную конфигурацию полостей системы охлаждения. Увеличение расстояния между корпусом блока и втулками цилиндров способствует затуханию волн давления. Для дизелей следует применять материалы, стойкие к кавитации и коррозии, т. е. по возможности высокопрочные и химически устойчивые, с мелкозернистой структурой, лишенные пористостей и раковин.
Проведенные ХИИТом исследования в эксплуатации показали, что нередки случаи повторного отказа одной и той же детали дизеля после замены [23]. Прежде всего это следует отнести к цилиндровым втулкам, вкладышам коренных и шатунных подшипников коленчатого вала и поршням, что свидетельствует о необходимости совершенствования методов определения причин отказов отдельных деталей с применением средств технической диагностики. Для определения состояния цилиндровых втулок и их деформаций наиболее перспективен в эксплуатации метод оценки вибрации. В частности, в ХИИТе проведено исследование вибраций дизелей типов Д50 и Д100, импульсов вибрации втулки цилиндра и соответственно угла поворота коленчатого вала дизеля.
Рис. 38. Функциональная схема для записи вибраций втулки цилиндра:
1 — датчик вибраций; 2 — коммутатор; 3 — блок управления; 4 — усилитель измерений; 5 — магнитофон; 6 — датчик в. м. т.; 7, 9 — усилители; 8 — двухлучевой осциллограф; 10 — согласующий усилитель; 11 — шлейфовый осциллограф
Этот угол регистрировался индуктивным датчиком, подобным применяемому для отметки в. м. т. в индикаторах МАИ-2. Уровень вибрации измеряли виброаппаратурой типа ВА-2 с вибродатчиком Д11 (Д10). Вибродатчик устанавливали на первой цилиндровой втулке в технологическом отверстии блока, где он генерировал электрические сигналы пропорционально ускорению вибрации [26].
Функциональная схема для записи вибрации втулки цилиндров приведена на рис. 38. Сигнал от датчика 1 поступает на входные гнезда коммутатора 2, связанного с блоком управления 3. Предварительное усиление сигнала от датчика осуществляется предусилителем, встроенным в коммутатор. Дальнейшее усиление сигнала, его преобразование и измерение происходят в измерительном усилителе 4. Этот усилитель имеет двойную интегрирующую цепь, которая позволяет определить, кроме ускорения, скорость вибрации втулки и ее перемещение. Вибрации в ходе проведения эксперимента вначале записывались на одну дорожку ленты магнитофона 5, а затем передавались через согласующий усилитель 10 на шлейфовый осциллограф 11. Сигнал, фиксирующий в. м. т., поступал к осциллографу 11 от датчика 6 через усилитель 7, вторую дорожку ленты магнитофона 5 и усилитель 9. Оба сигнала наблюдались визуально на двухлучевом осциллографе 8.
Расположение импульсов вибраций на осциллограммах (рис. 39) показывает, что большее значение уровня вибрации проявляется при перекладке поршня в нижней мертвой точке.
Такой характер изменения вибрации вызван тем, что в двигателе крепление цилиндровой втулки в блоке осуществляется в верхней части.
Рис. 39. Осциллограммы вибрации втулки (по максимальной скорости) на режиме nд=740 об/мин:
а — при цилиндровой мощности Neц=66 л. с.; б — при выключенной подаче топлива
В ХИИТе были исследованы сопряжения поршень — втулка дизеля 10Д100 тепловоза 2ТЭ10Л. Конструкция дизелей типа Д100 обеспечивает доступ к втулкам цилиндров и дает возможность замерять вибрации непосредственно на цилиндре, что резко увеличивает отношение полезного сигнала к помехам и упрощает обработку информации.
Б качестве приемника вибрации были использованы пьезоэлектрические датчики ускорений, преобразующие механические колебания в электрический сигнал, воспринимаемый виброизмерительной аппаратурой. Устройство усиливает сигналы и путем интегрирования позволяет получить на выходе не только ускорения, но и скорость вибрации и вибросмещение втулки [27].
Анализ снятых в депо Основа осциллограмм показывает, что ускорение, скорость и вибросмещение втулки имеют различное информационное содержание. Кривая ускорения вибрации содержит практически только реакцию втулки на удары поршня, вибрацию колец при проходе их через зону выпускных и продувочных окон, посадку иглы форсунки и т. д. Более четкое разделение ударных импульсов достигается дополнительной фильтрацией сигнала ускорения. Основной причиной вибросмещения является медленно изменяющаяся нормальная сила, вызывающая поперечные перемещения поршня во втулке.
При этом выяснилось, что перекладка в верхней мертвой точке не вызывает заметных колебаний водяной рубашки втулки, на которой был установлен датчик. Это объясняется тем, что в этот момент верхний поршень находится очень близко от места жесткой заделки втулки на фланце, а нижний поршень отделен от средней части втулки (места установки датчика) поясом выпускных окон, обладающих малой жесткостью. Кроме того, перекладка поршня в верхней мертвой точке неинтенсивна, так как скорость изменения нормальной силы в этом случае минимальна.
Поскольку интенсивность перекладки пропорциональна зазору поршень — втулка, а кинематика движения поршня при перекладке связана с величиной трения в цилиндро-поршневой группе, то, измерив параметры импульсов вибрации втулки, можно быстро установить состояние цилиндро-поршневой группы каждого цилиндра дизеля. Белее точные результаты получаются, если кривую скорости обработать по специальному алгоритму восстановления силы взаимодействия поршня и втулки, а затем определить техническое состояние цилиндропоршневой группы по изменению восстановленной силы.
Аналогичная методика может применяться и для диагностики других узлов дизеля и тепловоза, например топливной аппаратуры, турбокомпрессора, осевого редуктора и др.
Исследования показывают, что виброакустическая диагностика тепловозных дизелей типа Д100 может быть в перспективе реализована. Наличие и хорошее разделение ударных импульсов на режимах холостою хода указывают на возможность проведения диагностических замеров без реостатных испытаний тепловоза.
Значительный объем исследовательских работ по диагностике цилиндро-поршневой группы дизелей Д100 проводится в РИИЖТе и ОМИИТе, в том числе и по обработке вибрационных измерений.
Исследованиями, выполненными в ЦНИИ МПС и ТашИИТе, установлено, что в результате нарушения рабочего процесса в цилиндре повышается температура втулки в районе выпускных окон и величина деформации с образованием корсетности втулки под нижним посадочным поясом водяной рубашки и бочкообразности по перемычкам окон. Степень искажения геометрии зеркала цилиндра зависит также от усилия натяга, с которым посажена рубашка, и свойств металла втулки. Изменение геометрии поверхностей сопряженных деталей цилиндро-поршневой группы ужесточает процесс трения, приводит к повышению удельных нагрузок на отдельных участках поверхностей и вызывает очень быстрый износ полуды на образующей третьей перемычке канавок уплотнительных колец поршня. Затем изнашивается слой олова в верхней части тронка и второй перемычки. Следует заметить, что при возникновении аварийных режимов трения полуда не способна защищать длительное время поверхность трения от повреждений. Одновременно с этим появляются натиры на втулках выше выпускных окон. В дальнейшем происходит интенсивное развитие процесса заедания поверхностей, если несущая способность металла втулки поршня, а также разделяющего слоя смазки ниже, чем те нагрузки, которые возникают в зоне трения [28].
Наиболее опасен переход монотонного процесса микроконтактного схватывания к интенсивному, что приводит к образованию задиров и в дальнейшем к заклиниванию поршня.
Исследования ХИИТа и депо Основа показали необходимость периодического проведения металлографического анализа деталей цилиндро-поршневой группы. Так, изучение структуры участков поршней и втулок, имевших задиры, выявило наличие фазовых превращений металла и в отдельных случаях — деформации поверхностного слоя. В частности, исследование группы поршней и цилиндровых втулок, проработавших 8700 ч, показало наличие на части длительно проработавших деталей мартенситной структуры, свидетельствующей о разогреве трущихся частей до температур порядка 850°С. Важное значение имеет проведение металлографического анализа поршневых колец, особенно при наличии массовой сменяемости.
Особую значимость имеет исследование состояния подшипников коленчатого вала. Анализ состояния подшипников включает в себя тщательный осмотр, сравнительную оценку пластичности баббита, определение химического состава баббитового слоя, определение качества обработки бронзовой основы вкладыша под заливку баббитом. Оценка состояния вкладышей показывает, что основной причиной повышенного износа заливки, особенно появление выкрашивания баббита, является наличие воды в картере [4]. Поэтому одна из задач диагностики — своевременное обнаружение попадания охлаждающей воды в картер и предупреждение разрушения подшипников, которое в отдельных случаях вызывает аварии дизелей.
Попадание охлаждающей воды в картерное масло дизеля крайне отрицательно отражается на его работе. Экспериментами, проведенными на Среднеазиатской дороге, установлено, что если в масло дизеля 2Д100 ввести 3% воды из охлаждающей системы, то за 12 ч работы под полной нагрузкой на реостате износ подшипников коленчатого вала бывает такой же, как при пробеге тепловоза ТЭЗ в эксплуатации 70—100 тыс. км. При этом введенная в масло вода за 8—14 ч (в зависимости от температурного режима работы) полностью испаряется [8].
Поскольку вода, попадающая в дизельное масло из системы охлаждения, содержит в качестве присадки нитрит натрия, который после испарения воды остается, то количество воды можно определить по содержанию в масле натрия. На Среднеазиатской дороге это определение производится методом эмиссионного спектрального анализа проб масла.
Все локомотивные депо Одесско-Кишиневской дороги начали применять термохимический количественный экспрессный метод определения воды в нефтепродуктах. Способ основан на взаимодействии гидрида кальция (СаН2) с водой, содержащейся в нефтепродуктах, и определении количества тепла, которое при этом выделяется. Гидрид кальция — белое кристаллическое вещество, бурно реагирующее с водой с выделением водорода. Методика испытания несложная. Отобранный нефтепродукт выдерживают в помещении и тщательно перемешивают. Затем стеклянную тарированную пробирку наполняют до метки 10 мл и устанавливают в футляр из пенополиуретана. Термометром измеряют начальную температуру пробы в пробирке.
После этого вскрывают ампулу с гидридом кальция и навеску 0,7 г аккуратно всыпают в пробирку с пробой нефтепродукта. Содержание пробирки тщательно перемешивают термометром. Одновременно наблюдают за повышением температуры до максимального показания. Затем подсчитывают разницу температур (между конечным и начальным значением) и по номограмме определяют процентное содержание воды в масле. Повышение температуры до 0,5°С и отсутствие выделения пузырьков газа свидетельствуют об отсутствии воды в пробе. Продолжительность испытания — не более 10 — 15 мин [29].
В ряде депо нашли применение устройства для контроля и сигнализации наличия воды в картерном масле. В частности, на Московской дороге применяют прибор звуковой сигнализации для определения отстоя воды в нефтепродуктах. Принципиально прибор (рис. 40) представляет собой симметричный мультивибратор, собранный на транзисторах Т1 и Т2 и усилитель переменного тока с транзистором Т3. При отсутствии воды в картерном масле (или в других нефтепродуктах) контакты К1 и К2 разомкнуты и колебания мультивибратора отсутствуют. При появлении даже следов воды сопротивление между контактами резко уменьшается и мультивибратор посылает сигналы звуковой частоты, которые усиливаются транзистором Т3 и воспроизводятся громкоговорителем, включенным в качестве нагрузки в коллектор транзистора Т3.
В приведенной схеме использованы транзисторы П-15, громкоговоритель ТК-47, резисторы R1=R4=6,2 кОм и R2=R3=36 кОм, конденсаторы С1=С2=С3=0,01 мкФ.
Рис. 40. Принципиальная схема прибора для звуковой сигнализации наличия воды в нефтепродуктах
Более эффективно применение прибора встроенного контроля, позволяющего при наличии воды в картерном масле обеспечивать защиту дизеля от возможности запуска. Такое устройство используется в опытном порядке на ряде дорог.
Особую значимость приобретают методы диагностики подшипников коленчатых валов дизелей без разборки, в частности шатунных вкладышей, так как зазор в шатунном подшипнике без разборки можно замерить только по косвенным сигналам. При увеличении зазора увеличивается импульс соударения подшипника о шейку вала, в результате чего энергия колебаний вала увеличивается, причем эти колебания происходят на собственных частотах соударяющихся деталей. Как показали исследования, оптимальная зона, в которой отношение полезного сигнала, несущего информацию о зазоре шатунного подшипника, к помехе лучше всего проявляется при работе двигателя на холостом ходу при отключенных смежных цилиндрах, так как в отключенных цилиндрах (отключена подача топлива) отсутствуют ударные нагрузки от процесса сгорания. Разрабатывается несколько приборов, состоящих из вибродатчика ускорений, усилителя с полосовым фильтром и измерителя мощности сигнала, шкала которых будет проградуирована в численных значениях величин зазора в подшипнике. Кроме того, создаются устройства для безразборного определения зазоров в шатунных подшипниках при неработающем двигателе. Эти устройства состоят из компрессорно-вакуумной установки и электронного измерительного прибора. Компрессорно-вакуумная установка служит для попеременного создания в камере сгорания или в надпоршневом пространстве разрежения и сжатия, вызывающих перемещение поршней и шатунов на величину зазора S0=S1+S2 в деталях: поршня — поршневого пальца, поршневого пальца — втулки шатуна и зазора S3 (шейка коленчатого вала — шатунный подшипник). Зазор S1 между бобышками поршня и поршневым пальцем незначителен по сравнению с зазором S2 между поршневым пальцем и втулкой верхней головки шатуна. Поэтому под зазором S0 можно понимать просто зазор в верхней головке шатуна. Измерительным прибором фиксируют время между началом сдвига поршней в цилиндре и моментами соударения деталей в верхней и нижней головках шатуна. Кроме измерительного прибора, необходимо иметь блок питания, датчики и автомат времени. При этом основной блок прибора служит для обработки сигналов, регистрируемых датчиками, и измерения промежутков времени между началом сдвига поршня и ударами в верхней и нижней головках шатуна, а также для измерения давления в камере сгорания или в надпоршневом пространстве [10].
На появление неисправностей подшипников коленчатых валов показывает влияние и ряд косвенных факторов. Например, в последнее время в эксплуатации имел место значительный выход из строя коренных подшипников дизелей 10Д100 из-за электроэрозии. Как установлено Межведомственной комиссией, электроэрозия вызвана подшипниковыми токами генератора ГП-311Б. Увеличение подшипниковых токов имело место на партии генераторов, якоря которых изготовлены с нарушением требований технической документации по шихтовке. Предупреждение преждевременного выхода из строя подшипников коленчатого вала в данном случае требует проведения ряда проверок работоспособности тяговых генераторов. Важное значение для обеспечения надежной работы ответственных деталей двигателей имеет систематическая проверка устройств защиты дизеля от понижения давления масла в системе, от перегрева охлаждающей воды, от работы вразнос и давления газов в картере. Необходимо также обеспечить контроль работы электрических аппаратов и машин схемы возбуждения тягового генератора, реле времени и др. Своевременное определение причин повреждений деталей двигателя зачастую связано с организацией осмотра и прослушивания двигателей как в эксплуатации, так и при техническом обслуживании. Обнаружение незначительных отклонений параметров, появление стуков и посторонних шумов — первый симптом появления отказа. Заслуживает положительной оценки в этой связи применение на некоторых дорогах электронных приборов для прослушивания шумов двигателя, которое позволяет квалифицированному ремонтнику проводить общую предварительную диагностику. В частности, на Московской дороге применяют приспособление для прослушивания шумов дизеля и вспомогательного оборудования.
Рис. 41. Принципиальная схема прибора для прослушивания дизеля и вспомогательного оборудования
Схема этого приспособления (рис. 41) представляет собой двухкаскадный усилитель на двух транзисторах Т1 и Т2. Для согласования малого внутреннего сопротивления микрофона с входным сопротивлением усилителя сигнал с микрофона подан не в цепь базы, а в эмиттер транзистора Т1.
Нагрузкой транзистора Т2 могут служить головные телефоны. В качестве транзисторов в приспособлении применены МП-39, питание от аккумуляторной батареи напряжением 4,5 В.
Необходимо отметить комплекс работ завода транспортного машиностроения им. Малышева по определению работоспособности деталей двигателей типа Д100 на основании оценки качества дизельного масла. Эти работы предполагают определить влияние износа компрессионных колец и втулок цилиндров на интенсивность старения масла по величинам загрязненности, щелочности, кислотности и диспергирующей способности. С этой целью выполняются также исследования влияния износа колец и втулок на количество прорывающихся газов в картер и их составляющих. При этом проводится хроматографический анализ картерных газов различных двигателей: отсека, развернутого двигателя, двигателей с различной степенью износа и залегания колец. Кроме того, предусматривается исследование влияния прорывающихся газов на специальной компрессорной установке, позволяющей имитировать прорыв газов через кольца и воздействие их на масло непосредственно в картере, а также определять влияние воздуха на старение масла. По состоянию картерного масла делаются попытки оценивать качество настройки тепловозной характеристики и тепловую напряженность поршней, качество конструкции поршней и форсунок.