ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Работа специальных автомобилей, осуществляющих обслуживание нефтегазодобывающих предприятий, является неделимой частью процесса добычи нефти и газа. Значительную долю в себестоимости работы транспортных и технологических машин составляют затраты на техническое обслуживание и ремонт, среди которых до 40 % приходится на двигатель.
Одно из важнейших условий снижения этих затрат - управление ресурсом двигателей, которое невозможно без наличия объективных нормативов. Действующая система нормирования ресурсов двигателей специальных автомобилей не в полной мере отвечает данным требованиям.
На ресурс двигателей специальных автомобилей влияет ряд факторов. К числу наиболее значимых относится режим эксплуатации или характер нагрузки на двигатель (работа силового агрегата базового шасси на транспортный процесс или работа двигателя на привод навесного оборудования). При выполнении различных видов работ нагрузки на двигатель специальных автомобилей изменяются в широких пределах, что сказывается на интенсивности изнашивания и, в конечном, итоге, на величине ресурса агрегатов в конкретных условиях эксплуатации. Существующие методы корректирования нормативов ресурса двигателя базового шасси не учитывают специфики работы специальных автомобилей.
Вследствие отсутствия корректирования ресурса двигателей специальных автомобилей в зависимости от режима эксплуатации наблюдается как недоиспользование ресурса, так и повышенный выход в ремонт по аварийным причинам из-за достижения предельного технического состояния сопряжений. Эти явления приводят к росту удельных затрат на поддержание работоспособности двигателей.
На основе изложенного необходимо отметить актуальность исследований, направленных на установление закономерностей влияния режима эксплуатации на формирование ресурса двигателей специальных автомобилей.
Целью данной работы является установление закономерностей влияния режимов эксплуатации специальных автомобилей на формирование ресурса двигателей и разработка на этой основе методик корректирования нормативов.
Объект исследований — процесс формирования ресурса двигателей специальных автомобилей с учетом режимов эксплуатации.
Предмет исследований - процесс формирования ресурса двигателей ЯМЗ-238 основных видов специальных автомобилей, осуществляющих обслуживание нефтегазодобывающих предприятий, с учетом режимов эксплуатации.
Научная новизна:
• установлена закономерность формирования ресурса двигателей специальных автомобилей с учетом режимов эксплуатации;
• разработана имитационная модель формирования ресурса двигателей специальных автомобилей;
• установлен вид математической модели влияния режимов эксплуатации на содержание продуктов износа в масле двигателей специальных автомобилей;
• экспериментально определены численные значения параметров математической модели для двигателей ЯМЗ-238 основных видов специальных автомобилей, осуществляющей обслуживание нефтегазодобывающих предприятий.
Практическая ценность заключается в разработке методики корректирования нормативов ресурса двигателей специальных автомобилей с учетом режимов эксплуатации, использование которой позволяет более
точно определять нормы, создает предпосылки для эффективного управления ресурсом двигателей. В результате повышается долговечность двигателей специальных автомобилей и снижаются затраты на ремонт. На защиту выносится:
• закономерность формирования ресурса двигателей специальных автомобилей с учетом режимов эксплуатации;
• имитационная модель формирования ресурса двигателей специальных автомобилей;
• математическая модель влияния режимов эксплуатации на содержание продуктов износа в масле двигателей ЯМЗ-238 специальных автомобилей;
• численные значения параметров математической модели для двигателей специальных автомобилей;
• методика корректирования нормативов ресурса двигателей специальных автомобилей с учетом режимов эксплуатации.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на научно-практическом семинаре международной выставки-ярмарки «Транспортный комплекс — 2002» (Тюмень: 2002) и региональной научно-практической конференции «Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта» (Тюмень: 2004).
Реализация результатов работы. Разработанная методика внедрена в Управлении технологического транспорта и специальной техники № 2 ОАО «Сургутнефтегаз». Экономический эффект составляет 140...220 руб на автомобиль в год. Кроме того, результаты исследований используются в учебном процессе ТюмГНГУ при подготовке инженеров по эксплуатации и обслуживанию транспортно-технологических машин и оборудования в нефтегазодобыче.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в шести статьях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (128 наименований). Объем диссертации составляет 134 страницы (в том числе 5 таблиц и 57 иллюстраций).
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
1.1. Основные факторы, определяющие долговечность автомобильных двигателей
При эксплуатации специальных автомобилей износ деталей двигателя характеризуется одновременным действием различных видов изнашивания, соотношения которых зависят от конструкции двигателя, технологии изготовления деталей, качества применяемых топлив и масел, условий эксплуатации. Первые три фактора определяют номинал качества (потенциальное качество) специальных автомобилей Если техническое обслуживание двигателей удовлетворительное, то влияние этих факторов на износ деталей всех двигателей одной модели одинаково, и поэтому интенсивность изнашивания деталей будет зависеть в основном от условий эксплуатации, которые изменяют номинал качества в процессе эксплуатации, то есть определяют реализуемое качество специальных автомобилей.
Условия эксплуатации — совокупность факторов, воздействующих на изделие при его эксплуатации [94]. Под фактором понимается объективная особенность условий эксплуатации. Таким образом, условия эксплуатации X представляют совокупность факторов xi, х2, ..., называемую факторным пространством. Для количественной характеристики каждый фактор имеет показатели, которые могут принимать различные численные значения.
Анализ нормативно-технических, а также научной и учебной литературы позволил сделать следующие выводы.
1. Классификация условий эксплуатации — необходимый этап системного подхода к исследованию закономерностей их влияния на показатели качества специальных автомобилей.
2. Разработанные ранее классификации существенно отличаются. В разных источниках одни и те же факторы часто имеют различные названия.
8
Так, например, для обозначения климатических условий используются термины «метеорологические», «климатические», «температурные», «природно-климатические», «атмосферные», «условия окружающей среды». В классификациях, выполненных разными авторами, одни и те же факторы отнесены к разным группам. В частности, в одних случаях интенсивность движения относят к дорожных условиям, в других - к режиму работы, в третьих — к транспортным условиям.
3. Для дальнейшего анализа факторы необходимо классифицировать.
Наиболее известна классификация, приведенная в «Положении ...» [100]. В соответствии с ней условия эксплуатации складываются из категории условий эксплуатации (определяется сочетанием типа дорожного покрытия, рельефа местности и условий движения), организации работы подвижного состава, природно-климатических условий, количества автомобилей, обслуживаемых и ремонтируемых в АТП, количества технологически совместимых групп автомобилей. Необходимо отметить, что эта классификация носит укрупненный характер, что связано с компромиссом между точностью и простотой практического использования.
Предложенная ниже классификация факторов не претендует на абсолютную полноту, а служит только для обеспечения удобства анализа. Перечень основных факторов, влияющих на реализуемое качество специальной автотракторной техники, сформирован на основе анализа указанных выше литературных источников.
Дорожные условия: тип и состояние дорожного покрытия; продольный профиль дороги; поперечный профиль дороги; план дороги; условия движения (интенсивность движения).
Климатические условия: температура окружающего воздуха; наличие снега, влаги, льда на дороге; скорость и направление ветра; запыленность воздуха; солнечная радиация; атмосферное давление; агрессивность среды.
Режим работы: нагрузка, скорость относительного перемещения и температура поверхности трения сопряжений..
Качество вождения и проведения технологических операций: характер вождения; классность водителя и исполнителя работ; стаж работы.
Организационно-технологические факторы: размер УТТ; разнома-рочность подвижного состава; квалификация ремонтных рабочих; обеспеченность производственными площадями; обеспеченность технологическим оборудованием; способ межсменного хранения подвижного состава; учет работы специальных автомобилей.
Прочие факторы.
Необходимо отметить, что некоторые факторы, относящиеся к разным группам, тесно связаны. Например, дорожные условия существенно зависят от температуры воздуха и осадков.
1.2. Факторы, характеризующие режим эксплуатации двигателей
специальных автомобилей
1.2.1. Нагрузочный режим
Нагрузочный режим работы двигателя характеризуется величиной крутящего момента, средним эффективным давлением и степенью использования мощности [77]. С увеличением этих показателей растет и нагрузка на детали двигателя.
Вследствие увеличения нагрузки происходит сближение рабочих поверхностей трущихся деталей, что повышает вероятность зацепления микровыступов трущихся поверхностей и их разрушения. Фактором, интенсифицирующим процесс износа, могут явиться продукты износа и другие механические примеси, играющие роль абразивов, находящиеся в слое смазки между поверхностями деталей [42]. При повышения нагрузки (при п =
10
const) интенсивность изнашивания деталей двигателя увеличивается. С повышением эффективного давления двигателя (среднее давление газов в цилиндре, которое действует на поршень в течение одного рабочего хода и совершает работу, равную эффективной работе на коленчатом валу двигателя) возрастает давление поршневых колец на стенки гильзы, повышается температура поверхностей трения, ухудшаются условия смазки и повышается интенсивность изнашивания [115] (рис. 1.1).
а,
ш'мИН Ч
320
tc,°c 130 - з
У о
110 с -------2
^^
90
о 1
70 ^*
240
160
80
>
-—Г"
^.— —о— _-—— ___1
20 40 60 80 N.%
20 40 60 80 N,%
Рис. 1.1. Зависимость температуры tc стенок и интенсивности изнашивания а
гильз цилиндров от нагрузки N на двигатель Ч10, 5/13
(1 - температура воды на выходе - 25°С; 2 - 65°С; 3 - 100°С;
4-с дизельным топливом ДТ-1, S-2,7 %; 5 -с дизельным топливом Л, S — 0,8 %) [115]
Исследования по влиянию нагрузочного режима на износ цилиндров проводил Б. Б. Генбом [43] на двигателе ГАЗ-51 при температуре охлаждающей воды 30°С; 60°С и 90° С при
_2, _ 1
е л ном г е л ном •
3 3
N=N,
пом >
Как видно из рис. 1.2, при снижении нагрузки максимальный износ цилиндра уменьшается как в плоскости оси вала, так и в перпендикулярной к ней плоскости.
11
а
S,mkm
40
30
20
10
0—¦— з c
-o—-"
О---------
S,mkm 20 15 10
з^°
.----------'
40 60 80 Ne,%
40
60
80 Ne,%
Рис. 1.2. Зависимость диаметрального износа S цилиндров от нагрузки Ne
при различных значениях температуры te охлаждающей жидкости:
а — плоскость, параллельная оси вала; б ~ перпендикулярно оси вала;
1 - te =30°С; 2 - 60°С; 3 - 90°С [43]
Исследование влияния нагрузки на температуру вкладышей; проведенное в НАМИ [74], доказало (рис. 1.3), что температура вкладышей растет с увеличением степени использования мощности двигателя, причем зависимость носит прямолинейный характер.
При исследовании теплового состояния коренных подшипников коленчатого вала двигателя ЗИЛ-130 А. Ф. Синельниковым [112] было установлено, что с нагружением двигателя при постоянном скоростном режиме (п = 2000 мин Л) температура верхнего вкладыша практически постоянна, температура нижнего вкладыша резко возрастает (рис, 1.4).
12
t °
l
BK
1 ^
.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------¦ .---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ___ 2 __ —--------— __________ __________ I______________¦ ¦--------------з"~"
130
110
90
10 20 30 40 Ne,jLC.
Рис. 1.3. Изменение температуры teK вкладышей в зависимости
от нагрузки Ne на двигатель: 1 — вкладыш шатунного подшипника;
2 — наиболее нагруженная зона нижнего вкладыша коренного подшипника;
3 — по окружности вкладыша коренного подшипника [74]
О 25 50 75 М1ф,%
Рис. 1.4. Изменение средней температуры teK вкладышей четвертой коренной опоры
в зависимости от нагрузки Мкрна двигатель ЗИЛ-130:1 — верхний вкладыш;
2 — нижний; 3 — средняя температура [112]
13
Зависимости между износами (И, мкм) некоторых деталей двигателей и нагрузками представлены на рис. 1.5 [58].
И,
/
***2
——¦—— ——^—— ___ 3 — 4
Pwc. 7.5. Влияние среднего эффективного давления
на интенсивность изнашивания деталей ГАЗ, ЗМЗ:
1 - цилиндры; 2 — поршневые кольца; 3 — шейки коленчатого вала;
4 — стержни клапанов и направляющие втулки.
Зависимость интенсивности изнашивания двигателя Up от изменения среднего эффективного давления Ре при постоянной частоте вращения п коленчатого вала описывается уравнением [12]:
Up=a0+a,-Pe,
где ао,аь - коэффициенты, зависящие от конструктивно-технологических особенностей двигателя.
Таким образом, из анализа приведенных литературных данных видно, что с ростом нагрузки на двигатель возрастает температура и интенсивность изнашивания деталей цилиндропоршневой группы и подшипников, коленчатого вала, что ведет, к снижению ресурса двигателя.
14
1.2.2. Скоростной режим
Скоростной режим работы двигателя характеризуется постоянством нагрузки (Ре, кПа) и изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя («, мин'1). С увеличением частоты вращения коленчатого вала повышаются износы поверхностей трущихся деталей двигателей. Это связано с возрастанием инерционных сил, механических нагрузок на детали кри-вошипно-шатунного механизма и цилиндропоршневой группы и температур поверхностей трения. При этом зависимости между износами деталей и п имеют степенной характер. Так, например, при повышении частоты вращения коленчатого вала на 10% нагрузки в подшипниках скольжения коленчатого вала повышаются на 20%.
Зависимость интенсивности изнашивания Un от изменения частоты вращения коленчатого вала п при постоянном среднем эффективном давлении аппроксимируется уравнением квадратичного трехчлена [12]:
Un=b0+b,-n + b2-n2,
где bo, bi, hi - коэффициенты, зависящие от конструктивно-технологических особенностей двигателя.
Зависимости между износом (И, мкм) некоторых деталей двигателей и частотой вращения коленчатого вала (п, мин'1) представлены на рис. 1.6 [58].
Из рис. 1.6 очевидно, что чем выше п, тем больше износы деталей, причем в зоне больших оборотов малое увеличение (An) вызывает весьма существенное увеличение йзносов (АИ) большинства деталей двигателей. Так что большие обороты двигателя с точки зрения изнашивания его деталей крайне нежелательны.
Некоторое увеличение йзносов деталей при малых п связано со снижением давления в системе смазки двигателей, а значит с ухудшением гидродинамического режима работы деталей. Это в большей степени проявля-
15
ется на двигателях, имеющих большую наработку, т.е. режим малых оборотов на таких двигателях нежелателен.
И.
мкм
t J
Ш • у \/
SA у
А 2
,—+* ^----- *** 3
An
YI, мин'1
Рис. 1.6. Влияние частоты вращения коленчатого вала
на интенсивность изнашивания деталей ГАЗ, ЗМЗ:
1 - цилиндры; 2 - поршневые кольца; 3 - шейки коленчатого вала;
4 - стержни клапанов и направляющие втулки [58]
1.2.3. Нестационарность режимов
При движении специального автомобиля по различным дорогам и при выполнении различного вида работ скорость вращения коленчатого вала, как и степень использования мощности и крутящего момента двигателя, изменяется в широких пределах. Работа автомобильного двигателя при таких условиях сопровождается более сложными процессами, проис-
16
ходящими во всех системах, механизмах и трущихся парах по сравнению с процессами, происходящими при установившихся режимах работы.
В НАМИ было проведено исследование зависимости изнашивания двигателя ЗМЗ-21 при одновременном и непрерывном изменении скоростных и нагрузочных режимов в широком интервале, практически покрывающем диапазон возможных изменений, которые встречаются в эксплуатации. [52]. Интенсивность изнашивания деталей двигателя оценивали с помощью спектрального анализа проб картерного масла. В качестве индикаторов были приняты элементы: железо гильз и свинец вкладышей подшипников. По результатам исследований (рис. 1.7) с возрастанием угловых ускорений коленчатого вала двигателя ЗМЗ-21 интенсивность изнашивания цилиндров увеличивается по степенной зависимости.
Изменение нагрузочного режима приводит к увеличению растягивающих деформаций гильзы цилиндра. Ускорения, возникающие при вращении коленчатого вала, вызывают увеличение сил инерции в кривошипно-шатунном механизме двигателя. Установлено [78], что для двигателя ЯМЗ-238 изменение режима от 1600 до 2100 об/мин увеличивает инерционную составляющую среднего удельного давления на шатунную шейку коленчатого вала в 1,4 раза.
Работа двигателя с постоянно изменяющейся внешней нагрузкой сопровождается колебаниями температур деталей, совпадающими определенным образом с колебаниями, связанными с пульсирующей подачей топлива. В итоге возникает периодическое изменение температурного поля. Закон изменения последнего при установившемся режиме работы не зависит от начального состояния системы, а определяется некоторой периодической функцией времени, частота которой будет соответствовать частоте внешнего возмущения, а сама функция с помощью гармонического анализа может рассматриваться в виде суммы различных косинусоид и является величиной квазистационарной.
17 |
