Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ БЕЗРАЗБОРНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТРУЩИХСЯ ПАР ДВИГАТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ

Изобретение относится к области восстановления двигателей внутреннего сгорания путем нанесения износостойких металлоплакирующих покрытий на поверхности деталей при техническом обслуживании, ремонте и эксплуатации двигателей и может быть использовано на железнодорожных, автотранспортных и авторемонтных предприятиях для повышения технических и экологических характеристик двигателей.

Общеизвестно, что в главная область применения металлоплакирующих препаратов (МПП) - моторные масла для поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Вместе с тем, опубликованных сведений о механизме действия МПП в ДВС очень мало. Применение высокодисперсных порошков мягких металлов обусловлено стремлением разработчиков таких смазочных композиций обеспечить проявление эффекта избирательного переноса в парах трения сталь-сталь, сталь-чугун и др. [Гаркунов Д.Н. и др. Избирательный перенос в тяжелонагруженных узлах трения. - М.: Машиностроение, 1982. - 207 с.]

Широко известны способы повышения износостойкости различных деталей ДВС, при которых сопрягаемые трущиеся поверхности упрочняются и тем самым улучшают эксплуатационную характеристику (авт.св. №881901, 1981).

Известные способы трудоемки и не решают проблемы комплексного повышения износостойкости сопряжения ДВС, что ограничивает их технологические возможности.

Из уровня техники также известен способ приработки поверхностей трения (SU 128960 Al, В23В 1/00, опубл. 15.01.1987), включающий приработку в технологической среде, содержащей многоатомный спирт и соли металлов, а затем после ее удаления в металлоплакирующей смазочной среде, содержащей соли карбоновых кислот тех же металлов.

Недостатком данного способа является то, что для нанесения технологической среды на поверхность цилиндров двигателя необходимо использовать специальную насадку, для чего требуется произвести разборку двигателя, что увеличивает трудоемкость и стоимость процесса приработки.

Известен также способ обкатки ДВС, при котором на рабочие поверхности наносят износостойкие пленки металла путем введения в двигатель технологической среды, прокручивают двигатель в течение 5-15 мин с частотой вращения коленвала в пределах 500-600 об/мин при температуре 70-80°С [Гаркунов Д.Н. Триботехника (конструирование, изготовление, эксплуатация машин): Учебник.- М.: Изд-во МСХА, 2002. - 632 с. (см. стр. 212-224)].

Известный способ требует использования сложных стационарных установок, что увеличивает трудоемкость восстановления.

Данный способ принят в качестве прототипа.

Задачей изобретения является создание технологичного способа безразборного восстановления изношенных поверхностей агрегатов и узлов тепловозов путем нанесения на поверхности трения высокодисперсного порошка оловянистой бронзы.

Задача решается способом безразборного восстановления поверхностей трущихся пар двигателя внутреннего сгорания тепловоза, включающий использование металлоплакирующей композиции, полученной путем добавления в моторное масло высокодисперсного порошка оловянистой бронзы в таком количестве, чтобы его концентрация составляла 3 мас. % от общего количества моторного масла в картере двигателя, при этом сначала промывают фильтры грубой очистки моторного масла и удаляют фильтрующие элементы фильтра тонкой очистки моторного масла, затем запускают двигатель и прогревают до рабочей температуры, после чего через заливную горловину заливают упомянутою металлоплакирующую композицию в количестве 1,5 мас. % от общего количества моторного масла в картере двигателя с обеспечением его работы на режиме минимальных оборотов коленчатого вала в течение одного часа, после чего, не выключая двигатель, в картер двигателя повторно заливают упомянутою металлоплакирующую композицию в количестве 1,5 мас. % от общего количества моторного масла в картере двигателя и проводится процесс обкатки на режимах оборотов коленчатого вала в соответствии с инструкцией по реостатным испытаниям на соответствующую серию тепловоза.

Способ реализован на двигателе K6S310DR (6ЧН31/36) маневрового тепловоза ЧМЭЗ при его работе на моторном масле М-14 В2 (ГОСТ 12337 - 84) с металлоплакирующей присадкой в условиях станции реостатных испытаний и пункта экологического контроля Оренбургского локомотиворемонтного завода. Металлоплакирующая присадка добавлялась в моторное масло в таком количестве, чтобы ее концентрация составила 3,0 мас. % от количества моторного масла в картере двигателя. Продолжительность испытаний составила 18 часов. В процессе реализации способа температура окружающего воздуха поддерживалась равной 20±1°С. Контроль температуры моторного масла в картере двигателя, выхлопных газов, а также температур различных точек цилиндров производилсяс помощью хромель-копелевых термопар. Температуру стенок цилиндров измеряли в четырех поясах по высоте цилиндра. Для измерения спаи термопар вставлялись в отверстия диаметром 1,2 мм, просверленные на расстоянии 0,5 мм от «зеркала» цилиндра.

По результатам испытаний МПП в двигателе 6ЧН31/36 в таблице 1 представлены следующие параметры: индикаторный КПД 77η_i; механический КПД η_m; эффективный КПД η_е, равный произведению η_iη_m, и удельный эффективный расход топлива b_e.

Эффективный КПД двигателя от применения МПП увеличился почти на 7%. Увеличение эффективного КПД произошло только за счет возрастания индикаторного КПД, которой увеличился почти на 9%. Механический же КПД уменьшился, но его снижение составило лишь 1,5% и не могло «перевесить» положительного эффекта от увеличения индикаторного КПД.

На фиг. 1 представлено распределение температуры по высоте стенки цилиндров двигателя 6ЧН31/36 при работе на 60% мощности (от номинального значения).

Добавка МПП в моторное масло снижает температуру стенок, при этом в районе верхней мертвой точки (ВМТ) снижение составляет, примерно, 7-8°С. Следует отметить также, что средняя по цилиндрам температура выхлопных газов снизилась от применения МПП с 421°С до 409°С. Отмеченное снижение температур обусловлено снижением расхода топлива (см. табл. 1). Снижение расхода топлива произошло в результате образования на рабочей поверхности цилиндров слоя (пленки) веществ - продуктов действия МПП.

Образование такой пленки подтверждается измерениями давления сжатия, периодически проводимыми с момента заливки МПП в моторное масло картера двигателя.

На фиг. 2 представлена зависимость давления в конце сжатия от продолжительности работы двигателя 6ЧН31/36 с момента добавки МПП к моторному маслу.

Измерения проводились с помощью датчиков давления газов в цилиндрах. Работающий двигатель останавливали, перекрывали подачу топлива, включали электродвигатель на проворачивание коленчатого вала двигателя и регистрировали индикаторные диаграммы, по которым определяли давление в конце сжатия р_с. Результаты показывают, что через 18 ч работы после добавки МПП в моторное масло давление р_с повысилось примерно на 7%. Повышение давления в конце сжатия указывает на уменьшение зазоров между цилиндром и поршневыми кольцами: утечка газа из надпоршневого пространства снижается и, как следствие, возрастает индикаторная мощность, характеризующая работу расширения газов в цилиндре, производимая в единицу времени.

В процессе проведения исследований регулятор частоты вращения, поддерживал частоту вращения коленчатого вала постоянной, сдвигая рейку топливного насоса высокого давления в сторону уменьшения подачи топлива: угол опережения воспламенения топлива по абсолютной величине снижается в среднем на 0,5° (см. табл. 2).

На фиг. 3 приведена схема определения угла опережения воспламенения топлива ϕ₂

Визуальный осмотр поверхности цилиндров после работы показал ровный блестящий стальной цвет образованной пленки. Измерения шероховатости поверхности трения цилиндров после работы показали, что R_a=0,05-0,150 мкм.

Далее было принято решение проверить полученные результаты по снижению механического КПД при добавке МПП в моторное масло, проведя эксперимент по оценке механических потерь методом проворачивания коленчатого вала с помощью электродвигателя.

На фиг. 4 представлена зависимость температуры стенки цилиндров от температуры моторного масла в картере двигателя при проворачивании коленчатого вала двигателя 6ЧН31/36 с помощью электродвигателя (без подачи топлива). Зависимость Т_цил(Т_карт) для моторного масла, содержащего МПП, лежит ниже аналогичной зависимости, построенной для моторного масла без МПП. В режиме проворачивания коленчатого вала двигателя от постороннего источника энергии температура стенок цилиндра определяется процессами охлаждения потоком окружающего воздуха и моторным маслом картера двигателя и нагрева от трения поршневых колец о стенки цилиндров. Поэтому при одинаковой температуре окружающего воздуха для сравниваемых случаев относительное положение зависимостей Т_цил(Т_карт) определяется только разницей в трении колец о цилиндры. Тот факт, что при одинаковой температуре моторного масла в картере двигателя температура цилиндра при испытании на моторном масле без МПП выше, чем при испытании с добавкой МПП, указывает на то, что трение при испытании на моторном масле без МПП выше. Зависимости на фиг. 4 построены для температур нехарактерно низких для рабочих режимов двигателя и расположены они под углом друг к другу. Построить их для высоких температур проблематично без использования посторонних источников тепла, так как за короткий отрезок времени от момента прекращения подачи топлива в двигатель до включения электродвигателя на проворачивание температура цилиндров резко падает. Если экстраполировать зависимости на фиг. 4 в область высоких температур, то они пересекутся, т.е. при высоких температурах наблюдается инверсия: трение при использовании моторного масла с МПП становится выше, чем без МПП.

Более наглядно эффективность влияния добавок МПП на трение демонстрируется на фиг. 5.

На фиг. 5 представлена зависимость мощности механических потерь, определенных методом проворачивания коленчатого вала двигателя 6ЧН31/36 с помощью электродвигателя, от температуры стенок цилиндров. Видно, что при температуре цилиндров, превышающей 85°С, механические потери в двигателе, работающем на моторном масле с МПП, начинают превышать механические потери при работе на моторном масле без МПП.

На фиг. 5 зависимости пересекаются даже при более низкой температуре, чем на фиг. 4. Объясняется это тем, что на фиг 5 значение мощности механических потерь N_мex определяется не только трением в ЦПГ, но и в подшипниках коленчатого вала и др. узлах, тогда как фиг. 4 характеризует трение только в ЦПГ.

Таким образом, результаты, полученные методом проворачивания коленчатого вала двигателя от постороннего источника энергии, подтвердили факт снижения механического КПД двигателя от применения МПП (см. табл. 1 и 2). Причину снижения объясняется с помощью схемы на фиг. 6.

На фиг. 6 показана схема влияния частиц металла в МПП на режим смазки.

С повышением температуры вязкость моторного масла падает, а значит и снижается толщина несущего слоя моторного масла на поверхностях трения, работающих в режиме гидродинамической смазки. Как только толщина пленки становится равной среднему размеру частиц металлического порошка, присутствующего в моторном масле, слой жидкости разрывается и режим смазки из гидродинамического переходит в граничный -трение возрастает.

Технический результат в предлагаемом способе безразборного восстановления трущихся пар двигателей тепловозов заключается в повышении технико-экономическаие и экологических характеристик двигателей в режиме штатной эксплуатации тепловозов, не требующей непроизводительных простоев тепловозов и специально оборудованных помещений. Ремонтно-восстановительная технология позволяет увеличить межремонтный ресурс трущихся пар в двигателях не менее чем в 2-5 раз, снизить эксплуатационный расход топлива от 6 до 15%, снизить динамические нагрузки в деталях цилиндропоршневой группы, восстановить геометрические параметры трущихся пар, поддерживать постоянной эксплуатационную мощность двигателя, тем самым заменить крупные плановые виды ремонтов.

Высокая эффективность способа создает основу его широкого использования на железнодорожном транспорте, автопредприятиях и морском флоте. Экономическая эффективность способа обеспечивается за счет повышения моторесурса ДВС при минимальных трудовых и материальных затратах.