Техническое обслуживание судовых дизелей

Способ устранения недопустимой центровки зависит от нескольких факторов (места соединения деталей, характера и причины излома общей оси «движения», конструктивных особенностей двигателя), и в каждом конкретном случае принимается свой, наиболее оптимальный вариант ремонта.

Подавляющее большинство малооборотных крейцкопфных двигателей имеют жесткую конструкцию остова (за исключением двигателей фирмы Б и В постройки 50-70 годов 20 века), что является предпосылкой надежной работы всей цилиндропоршневой группы и «движения».

Если при постройке или ремонте все этапы центровки выполнены качественно, то вероятность появления внезапной расцентровки в эксплуатации очень мала. Она может возникнуть при повреждении головных или шатунного подшипников (подплавление или выплавление соответственно нижнего и верхних вкладышей), при небрежном монтаже штока в крейцкопф (о чем уже упоминалось раньше), при замене поршня в судовых условиях. Опыт показыва-ет, что каждый третий поршень, замененный в судовых условиях, сочленяется со старым штоком несоосно. Несоосность эта, конечно, ухудшает центровку поршня, но обычно зазоры остаются в допустимых пределах.

И в заключение необходимо обратить внимание на сальник поршневого штока. При обнаружении расцентровки, близкой к предельно допустимой величине, следует проверить зазоры между штоком и сальником и принять соответствующие меры, предупреждающие задир штока.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ФОРСУНОК ДИЗЕЛЕЙ В СУДОВЫХ УСЛОВИЯХ

Базовыми элементами современной прецизионной топливной аппаратуры (ТА) дизелей с неразделенными камерами сгорания являются топливный насос высокого давления (ТНВД) и механическая форсунка. Прецизионность ТА определяется высокой точностью изготовления и сопряжения основных деталей базовых элементов, что позволяет создать в системе (ТНВД-трубопровод-форсунка) высокое давление топлива (2,0-120 МПа). А высокое (более 10 МПа) давление - одно из непременных условий механического распыла топлива до необходимых кондиций. Непосредственный распыл топлива осуществляется форсункой.

Периодичность сжигания топлива в цилиндрах вызывается цикличностью работы дизеля и определяет принципиальное конструктивное исполнение форсунки. Она должна быть и фактически является клапаном, который периодически открывается высоким давлением топлива и закрывается под действием пружины. Непосредственную роль клапанного устройства в форсунке закрытого типа выполняет распылитель. Этот клапан, представляющий собой цилиндрическую иглу, совершает периодические подъемы и посадки на гнездо (седло), расположенное в корпусе распылителя. Периодичность подъемов и посадок иглы напрямую связана с периодичностью сгорания топлива, а, следовательно, с частотой вращения двигателя.

Важнейшим условием нормальной работы распылителя является отсутствие подтекания топлива между впрысками. Достигается это за счет плотной посадки иглы на седло. Посадочные поверхности клапана и седла могут иметь различную форму. Общепринятой формой сопряжения деталей распылителя является конус с углами в 60°, 90° и 180°. При прочих равных условиях наилучшее уплотнение сопрягаемых поверхностей обеспечивает конусность в 60°, чем и объясняется ее наибольшее распространение [7,8].

Основной принцип плотной, непроницаемой посадки двух неподвижных деталей при высоких давлениях рабочей среды - наименьшая площадь их соприкосновения в сочетании с высокой чистотой, точностью изготовления и сопряжения. Принцип этот действителен и для периодически контактирующих деталей с учетом одного обстоятельства - с уменьшением посадочной площади возрастает ударная нагрузка, и напряжение в местах контакта достигает больших величин. От ударной нагрузки со временем посадочные поверхности сминаются, деформируются, и площадь соприкосновения увеличивается, что приводит к ухудшению плотности соединения и пропуску рабочей среды.

Для распылителей необходимая плотность посадки достигается за счет разности конусов иглы и гнезда. Большая разность конусов приводит к тому, что посадочная поверхность становится очень малой и фактически превращается в круговую линию, и уменьшает работоспособность уплотнения. Поэтому для распылителя контактная площадь устанавливается путем разумного компромисса между необходимой плотностью и достаточной работоспособностью узла. Чаще всего выбирается конус иглы большим конуса гнезда, что характерно для распылителей форсунок традиционного, классического конструктивного исполнения (см. рис. 5, 6). Реже бывает наоборот [8].

Как работоспособность, так и плотность распылителя зависит от конкретного сочетания таких факторов, как ударная нагрузка, материалы иглы и корпуса, чистота и точность изготовления деталей.

По опытным данным напряжение смятия в контактном поясе распылителя достигает 250 МПа, что требует применения высокопрочных материалов.

В свою очередь ударная нагрузка зависит от массы деталей, участвующих в посадке иглы на гнездо, и от хода иглы (ее подъема до упора). В реальных конструкциях стараются уменьшить как высоту иглы, так и ее диаметр до возможных пределов, а пружину и промежуточный шток опустить как можно ниже. В выполненных двигателях диаметры игл распылителей колеблются от 3 мм (ВОД малой мощности) до 14-16 мм двигателей большой мощности. Ход иглы устанавливается в пределах 0,3-1,2 мм. Материалом иглы чаще всего служит прочная быстрорежущая сталь марки Р18 (с содержанием 18 % вольфрама). В качестве материала корпуса выбирается, в основном, легированная сталь марки ХВГ. Твердости посадочных поверхностей иглы и гнезда составляют 58-63 HRc.

Чистота и точность изготовления иглы и корпуса распылителя зависят от технических возможностей и ответственности заводов-изготовителей. По российским нормам чистота конической поверхности гнезда должна быть не менее 9, а конической поверхности иглы - не менее 10. Фактическая чистота у российских изготовителей почти всегда бывает ниже. А требуемая и фактическая чистота обработки этих же поверхностей у фирмы Бош составляет не менее класса 13б. Точность изготовления прецизионных деталей и прежде всего их конических поверхностей не отечественных заводах (особенно СРЗ) на несколько порядков ниже, чем у иностранных фирм [9].

Опытным путем, исходя из вышеизложенных соображений, была установлена оптимальная величина разности конусов иглы и гнезда. В среднем разность эта составляет 1°. Реже она бывает в 0,5° или 2°. При высокотехнологичном оборудовании (фирмы Бош и Брайс) добиваются разности в 0,5°, а при низкотехнологичном - ограничиваются и 2°. При этом посадочный поясок должен располагаться вблизи основания конусов, а первоначальная ширина его - не превышать величины 0,1-0,2 мм. На новом, не работавшем еще распылителе посадочный поясок не просматривается. Он появляется через несколько часов работы форсунки [9].

Во многих автотракторных и части судовых дизелей посадочный (запирающий) пояс иглы образуется двойной ее конусностью. Запорный узел распылителя (см. рис. 7) состоит из конического гнезда корпуса с углом конуса =60° и иглы с запирающей кромкой, образованной пересечением двух конусов: нижнего с углом и верхнего с углом . Угол = +(1°-4°), угол = (10°-20°). Запорный узел распылителя (см. рис. 8) также состоит из конического седла корпуса с углом =60°, но запорная кромка иглы образуется пересечением верхнего конуса, имеющего угол и поверхностью, перпендикулярной оси распылителя (врезкой). Нижний конус с углом участвуют в работе запорного узла лишь в качестве дроссельного направляющего потока топлива. Угол = (1°-3°), а угол = . Глубина врезки на игле определяет размер зазора А между конусами и соответственно максимальную величину износа запирающих поверхностей.

В таких распылителях первоначальный запорный поясок получается минимально возможной ширины. По утверждению некоторых фирм-изготовителей можно добиться ширины пояса величиной не более 1 мкм, причем без особого ущерба для работоспособности узла. Полагаем, что если этого и можно добиться, то только за счет высочайшей чистоты и точности изготовления и высокостойких к износу и смятию материалов.

Рис. 5. Корпус распылителя Рис. 6. Игла распылителя

традиционной форсунки традиционной форсунки

В закрытой форсунке всегда имеются две раздельные полости - большая над конусом иглы и меньшая под конусом иглы (подъигольная полость).

По расположению внутренних выходных кромок распыливающих (сопловых) отверстий распылители можно условно разделить на два типа. В первом кромки выходят непосредственно на поверхность конусной части гнезда (см. рис. 5), во втором - ниже конуса гнезда на цилиндрическую поверхность подъигольной полости (см. рис. 7,8).

Рис. 7 Распылитель Рис. 8 Распылитель

с иглой двойной конусности с иглой, имеющей врезку

Подъигольная полость в распылителях первого типа выполняется по технологическим соображениям и занимает минимальный объем, а в распылителях второго типа играет роль промежуточной камеры (гораздо большего объема), из которой через сопловые отверстия происходит истечение топлива. Первый тип распылителей чаще встречается в форсунках традиционного исполнения. Второй тип является более современным и имеет большее распространение.

При любом типе распылителя гнездо его обязательно представляет собой усеченный у вершины конус. Обязательность усечения этого конуса вытекает из необходимости иметь подъигольную полость. Длина усечения конуса зависит от типа распылителя. У первого типа распылителей длина усеченной части минимальная (вследствие минимального объема подъигольной полости) и, в подъигольную полость, не соприкасаясь с гнездом, выходит лишь самый кончик иглы. Величина усечения конуса распылителей второго типа гораздо больше и может доходить до 1/3 высоты конуса. Для любого типа распылителя усечение конуса означает, что нижняя (вершинная) часть иглы в соприкосновение с гнездом никогда приходить не будет, а, следовательно, и изнашиваться в работе от ударной нагрузки также не будет. Исходя из этого соображения иногда кончик иглы специально притупляется.

Распылители форсунок относятся к наименее надежным элементам современной топливной аппаратуры. Статистические данные по наработкам на отказ, общему ресурсу, времени работы до технического обслуживания (ТО), трудоемкости работ по ТО распылителей имеют большой разброс показателей, что объясняется различным влиянием на их работоспособность ранее упоминавшихся факторов.

Одна из главных причин выхода из строя распылителей - потеря герметичности запорного конуса, что является следствием износа контактных поверхностей иглы и гнезда. Общая картина износа конусных поверхностей распылителя выглядит следующим образом. В качестве образца берется традиционный распылитель, сопловые отверстия которого выходят на поверхность конуса гнезда. Изготовлен он из доброкачественных материалов по самым современным технологиям с высокой чистотой и точностью. Угол конусности иглы больше угла конусности седла. При такой разности основание конуса иглы всегда будет возвышаться над основанием конуса гнезда, верхняя кромка посадочного пояса будет совпадать с основанием конуса гнезда, а между поверхностями конусов у вершины будет зазор. Установочная разность углов равна =_ик=6059=1°.

Как уже упоминалось, на новом, неработавшем еще распылителе посадочный пояс не просматривается. Его нет просто потому, что поверхности иглы и гнезда еще не подверглись ударной нагрузке. Лишь после нескольких тысяч ударов (а для этого достаточно одного часа работы даже малооборотного двигателя) появится наклеп на поверхностях иглы и седла и обозначится достаточно четкий контур посадочного пояса. Можно считать, что с этого момента кроме ударной нагрузки вступают в действие и другие факторы, способствующие износу иглы и гнезда.

Скорость истечения топлива в кольцевом пространстве при впрыске составляет 200-350 м/c. Такая высокая скорость неизбежно вызывает эрозионное воздействие потока жидкости на омываемые поверхности.

В топливе всегда содержатся механические примеси (иногда в виде абразива) со средним размером частиц в 12-15 мкм. Попадаются частицы и более крупного размера - 30-50 мкм. Не исключено и попадание воды в топливо. Механические частицы (и прежде всего абразивного характера) производят истирание, механический износ поверхностей кольцевого пространства. Вода, особенно морская, вызывает коррозию любых металлических поверхностей с ней соприкасающихся. Температура тяжелого топлива, поступающего в форсунку, колеблется от 70 °С до 150 °С. Температура распылителя даже при работе на легком, не подогреваемом топливе достигает 110-120 °С. Неравномерность распределения высоких температур по объему металла распылителя способствует дополнительной деформации деталей.

Многомиллионная ударная нагрузка постепенно, несмотря на высокие характеристики материалов, приводит к смятию и износу деталей в местах контакта. Сначала образуется четкий посадочный пояс. Потом места контакта сминаются настолько, что почти перестают соприкасаться друг с другом. Вследствие того, что конус иглы больше конуса гнезда, круговой контактный пояс перемещается вниз и, игла слегка проседает в корпусе. Естественно, что проседание иглы будет измеряться очень малыми величинами - несколькими микронами. Образующая поверхность иглы от верхней кромки посадочного пояса до основания конуса изнашиваться не будет, так как не будет происходить контакта этой поверхности со смятой и изношенной уже поверхностью гнезда.

Дополнительные факторы, выше разобранные, с течением времени усиливают свое влияние на износ и деформацию поверхностей. Все больше проявляется неравномерность износа как по окружности, так и по образующей конусов. Первоначальный сплошной контакт всего посадочного пояса постепенно начнет распадаться на отдельные контактные зоны, пятна и точки. Уже смятые, выше расположенные поверхности останутся в соприкосновении друг с другом, хотя и с меньшей плотностью контакта, чем фронтальная, движущаяся вниз часть пояса. Места контакта - это выступающие части обеих поверхностей, между которыми располагаются впадины. По мере продвижения фронтальной части уплотнительного пояса вниз общая площадь контакта поверхностей (несплошного, неравномерного, рваного контакта) увеличивается и тем самым увеличивается общая ширина запирающего пояса. В принципе такая картина износа, смятия, деформации поверхностей будет продолжаться до тех пор, пока не будет охвачена вся поверхность усеченного конуса гнезда. При этом нижний конец иглы останется мало изношенным, так как он не вступал в контакт с поверхностью гнезда, а подвергался только механическому, эрозионному и коррозионному воздействию топлива.

По мере износа поверхностей угол конусности иглы уменьшается, а угол конусности гнезда увеличивается. В момент полного контакта обеих поверхностей углы конусов станут одинаковыми. Это значит, что ширина посадочного пояса становится максимальной тогда, когда разность конусов иглы и гнезда исчезает ( = _ик=0).

Толщина износа конусных поверхностей за период работы распылителя между проверками составляет не более нескольких микронов и настолько же увеличивается и просадка иглы. Увеличение хода иглы за этот же период происходит в основном за счет смятия верхней торцовой площадки иглы и ее упорной плитки.

Можно считать, что допустимой в эксплуатации нормой является такой износ, при котором ширина запорного пояса распространяется почти на всю высоту усеченного конуса гнезда. В этом случае при полной общей площади соприкосновения поверхностей почти половина ее будет приходиться на впадины, по которым начнется протечка топлива. В таком состоянии распылитель для нормальной работы не пригоден и подлежит восстановлению. Из описанной выше общей картины вытекают основные, принципиальные положения износа распылителя. Суть их сводится к следующему:

1. Основным показателем полного износа поверхностей является уменьшение разности углов конусов до нуля;

2. износ происходит только сверху вниз, от оснований конусов к вершинам;

3. основным фактором износа является ударная нагрузка иглы на гнездо;

4. дополнительными факторами износа являются механическое, абразивное, эрозионное и коррозионное воздействие топлива.

Из принципа износа распылителя вытекает и принцип восстановления его нормальной работоспособности. Для этого необходимо восстановить разность углов конусов до первоначальной величины. Восстановление разности конусов можно выполнить путем искусственного износа поверхностей в обратном порядке - снизу вверх. Искусственный износ должен производиться практически теми же способами, что и естественный - ударной нагрузкой и абразивом. Только в этом случае роли способов меняются местами - первое место отводится абразивному износу, а второе - смятию поверхностей путем пристукивания иглы по гнезду.

Восстановление работоспособности распылителя в судовых условиях осуществляется практически всегда вручную, с использованием минимального количества специальных приспособлений (за неимением таковых). Качество выполненных работ в основном зависит от квалификации, опыта и интуиции исполнителей. В качестве исходного образца для восстановления принимается тот же экземпляр распылителя, принципиальная схема износа которого рассмотрена выше.

Восстановление, естественно, начинается с опрессовки форсунки на стенде, очистки ее от нагара, разборки, очистки и промывания распылителя в топливе и просушивания его воздухом. После этого игла вынимается из корпуса и через лупу с 10-тикратным увеличением проверяется ее цилиндрическая часть и конусное поле. Проверить состояние гнезда без специального зонда практически невозможно, особенно распылителей малых размеров. Поэтому во время восстановления судить о состоянии гнезда можно будет только косвенным путем - по состоянию иглы.

При обычном, нормальном износе на конусе будут видны круговые полосы, штрихи и царапины разного направления. Иногда на цилиндрической и конической поверхностях имеются темные сплошные поля или пятна. Границы посадочного пояса располагаются по рваной, изломанной кривой и нечетко просматриваются. Для начала распылитель освежается на масле. Если темные пятна (лакового характера) не исчезают и границы поля не проясняются, освежение производят разведенной на масле зеленой пастой ГОИ, нанесенной мелкими точками равномерно по поверхности конуса. После такой легкой притирки темные пятна обычно исчезают, все полосы, штрихи, царапины и границы поля проявляются достаточно четко, что позволяет начать работу по восстановлению. Кончик иглы по внешнему виду несколько отличается от остальной поверхности конуса, т. к. он в меньшей степени подвергся износу.

Восстановление начинается с притирки иглы на абразивной пасте. Первоначальная зернистость пасты определяется исходя из степени изношенности поверхностей опытным путем. Паста, разведенная на масле, наносится на кончик иглы в таком количестве, чтобы она при контакте иглы с гнездом заполнила всю подъигольную полость и нижнюю часть гнезда. Это необходимо для того, чтобы сравнять по износу кончик иглы с износом остальной поверхности. После нескольких полуоборотов игла вынимается из корпуса и визуально определяется слой пасты на игле. Одинаково однородный цвет слоя пасты указывает на то, что поле притирается равномерно, тогда как более светлая окраска слоя показывает наличие выступов, а более темная - впадин. После этого игла и гнездо тщательно промываются топливом и просушиваются воздухом. Поле нижней части иглы при проверке через 10-тикратную лупу будет иметь размытые очертания. Для того, чтобы очертания стали более четкими, необходимо пристучать иглу по гнезду в сухом состоянии. Для пристукивания верхняя часть хвостовика иглы закрепляется в специальной державке. Продолжительность пристукивания зависит от квалификации, опыта и интуиции исполнителя. После достаточно продолжительного пристукивания начинает вырисовываться контур посадочного пояса в нижней части иглы. На кончик иглы снова носится паста, но уже в гораздо меньшем количестве с таким расчетом, чтобы ее хватало только для истирания выше расположенных поверхностей. После нескольких оборотов иглы на пасте она снова вынимается из гнезда и проверяется распределение пасты по поверхности конуса. Игла и корпус промываются топливом. Подвергшаяся истиранию часть поля иглы будет иметь матовый цвет с размытыми границами. Границы контактного пояса становятся более четкими после последующего продолжительного пристукивания. На каждом этапе притирки большую роль играет количество пасты на притираемых поверхностях. Нужно добиваться того, чтобы паста по мере притирки и измельчения передвигалась от конца притираемой площади в сторону основания конуса и достигала своей верхней границы в самом мелком состоянии. Такое чередование коротких притирок и длительного пристукивания следует продолжать до тех пор, пока посадочный пояс не приблизится к своему первоначальному положению. Возможно, что в процессе работы возникнет необходимость поменять пасту на более мелкую [10].

Притиркой на пасте устраняются грубые (относительно) повреждения поверхностей, а пристукивания сминают выступающие их части, чем и достигается плотный контакт. Работа притирки и пристукивания, ведущаяся снизу вверх, в конечном итоге приводит к тому, что угол конуса иглы увеличивается, а угол конуса гнезда уменьшается почти до первоначальных значений, а, следовательно, восстанавливается и необходимая разность углов конусов. Ширина пояса хорошо притертого распылителя должна составлять не более 0,2-0,3 мм для двигателя малой мощности и 0,4-0,5 мм для двигателя большой мощности. В более сложных случаях износа (при деформациях гнезда, кольцевых его выработках и т. п.) восстановить работоспособность распылителя сможет только специалист, обладающий большим опытом, интуицией, чувствующим металл.

При полном износе поверхности усеченного конуса гнезда распылителя второго типа вершинная часть конуса иглы остается практически неизношенной. Граница между изношенной и неизношенной частями иглы просматривается достаточно четко. Восстановление разности углов необходимо начинать с этой границы. Наносить пасту на кончик иглы в этом случае бесполезно - она все равно не попадет на поверхность гнезда. Притирка и пристукивание ведется в таком же порядке и теми же способами, как описано выше. После первой и каждой последующей притирки уступ между изнашиваемой и неизнашиваемой частями иглы будет увеличиваться. До определенной величины этот уступ не будет оказывать существенного влияния как на износ, так и на восстановление контактирующих поверхностей. При необходимости же уступ этот выровнять заподлицо с остальной поверхностью можно будет шлифованием или проточкой. Выполнить такую работу без станка или специального приспособления невозможно.

У распылителя, угол конусности иглы которого меньше угла конусности гнезда, основание конуса гнезда возвышается над основанием конуса иглы и первоначальная ширина запорного пояса автоматически устанавливается оптимальной величины. И у этого распылителя износ поверхностей иглы и гнезда происходит сверху вниз, от основания конусов к вершинам. Но по мере износа угол конусности гнезда увеличивается, а угол конусности иглы уменьшается, и разность углов возрастает. С увеличением разности конусов ширина посадочного пояса уменьшается, и уплотняющая способность его нисколько не ухудшается. Но одновременно происходит увеличение ударной нагрузки и усиленное смятие поверхностей, что в конечном итоге приводит распылитель к выходу из строя. Восстановлению износ такого распылителя ни в судовых, ни в стационарных условиях не подлежит, т. к. для этого необходимо будет увеличить конус иглы и уменьшить конус гнезда, что объективно не выполнимо. У распылителя, игла которого имеет двойную конусность (см. рис. 7), в результате взаимной приработки запирающих конусов окружность действительного контакта опускается вниз и уменьшает свой диаметр, а разность конусов снижается до нуля, что приводит к уменьшению давления впрыска и ухудшению качества распыла. При износе такой распылитель восстановлению не подлежит по той же причине, что и для выше разобранного случая.

Взаимная приработка запорных конусов (см. рис. 8) не может вызвать опускания места действительного контакта вниз, так как этому препятствует врезка на игле. За счет приработки верхняя граница действительного контакта иглы с гнездом перемещается вверх (по игле), обеспечивая постоянное хорошее уплотнение распылителя в работе. Работоспособность такого распылителя сохраняется гораздо дольше, чем других типов, но до тех пор, пока существует врезка (зазор А). В силу вышеизложенных причин и этот распылитель в принципе восстановлению не подлежит.

Технология восстановления изношенных распылителей в стационарных условиях достаточно подробно описывается в некоторых работах, посвященных технической эксплуатации судовых дизелей. Характерной особенностью такого восстановления является то, что оно ведется только путем притирки абразивом и проточки (шлифования) поверхностей, без применения ударной нагрузки. Качество работы при этом, а соответственно, и работоспособность распылителей получается ниже, чем при ручном восстановлении.

Форсунки современных двигателей модели LMC фирмы MAН-Б и В намного сложнее форсунок традиционной конструкции. Внутри форсунки имеется более 10 прецизионных сопряжений одних деталей с другими. Распылитель состоит из корпуса, иглы, золотника, пружины, упора и соплового наконечника. Первые 4 детали составляют единый узел, разбирать который без особой надобности не рекомендуется. Согласно инструкции по эксплуатации допускается освежать неответственные сопряжения форсунки при помощи прилагаемых оправок с применением мелкозернистого абразива (карборунд №500). Разрешается удалять отложения с поверхностей скольжения корпуса, золотника и иглы «с помощью обычного очень тонкого полировочного полотна сорта 360», смоченного маслом. Абсолютно недопустимо применение грубого полировочного полотна. Конические сопряжения золотника с седлом и иглы со своим седлом подлежат только визуальной проверке. Для устранения износа и любых других неисправностей распылитель должен быть направлен в специализированные мастерские.

В настоящее время на современные суда поставляются целые комплекты приспособлений и оборудования для восстановления топливной аппаратуры. Из таких комплектов наиболее полезными являются миниатюрные токарные станки, зонды для осмотра каналов и конусов гнезд распылителя, специальные хоны для восстановления конусов гнезд, испытательные компьютерные стенды форсунок. Сочетание традиционных методов и современного оборудования дают хорошие результаты восстановления распылителей, ускоряя и облегчая при этом работу.

Примерный срок службы распылителя современного МОД должен составлять не менее 10-12 тысяч часов, а ВОД - не менее 5-6 тысяч часов. В течение этого времени форсунки проверяются несколько раз на распыл и примерно при каждой второй проверке приходится восстанавливать работоспособность распылителя. Нормально за весь срок службы распылители должны подвергаться восстановлению не более 2-3 раз. Более частые притирки - мера вынужденная, после которой работоспособность распылителей резко ухудшается и срок их работы уменьшается.

ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Важнейшими техническими средствами (СТС) дизельной энергетической установки являются главный двигатель (ГД), дизель-генераторы (ДГ). Повреждение любого из них всегда отражается на безопасности всего судна, а устранение их последствий связано с большими материальными затратами.

Для предупреждения повреждения дизелей применяется аварийно-предупредительная сигнализация (АПС) и защита по нескольким наиболее важным параметрам (показателям).

Разнос - самое быстротечное, внезапное и самое разрушительное повреждение дизеля. Не менее опасным является и падение давления ниже допустимого предела в циркуляционной масляной системе двигателя.

Разнос - стремительное самопроизвольное увеличение частоты вращения дизеля, вследствие чего многократно возрастают силы инерции его возвратно- поступательно движущихся деталей. В конечном итоге силы инерции, суммируясь с действующими силами в цилиндрах, приводят в повреждению двигателя вплоть до его полного разрушения.

Разнос вызывается одним из вариантов неуправляемого процесса горения в цилиндрах - увеличением подачи топлива при неизменной или уменьшившейся нагрузке потребителя.

Процессом горения в цилиндрах управляет регулятор частоты вращения, через топливную рейку воздействуя на топливные насосы высокого давления.

В технической литературе и нормативных документах принято считать, что единственной причиной разноса является неожиданный, несанкционированный сброс нагрузки, на который регулятор не успевает отреагировать, вследствие чего происходит резкое увеличение оборотов. Спасти двигатель в такой ситуации можно, лишь остановив его. А остановка осуществляется дополнительным устройством, которое называется предельным выключателем.

По требованию Российского Морского Регистра судоходства [1] на каждый главный двигатель мощностью 220 кВт, который может быть разобщен с валопроводом или работает на винт регулируемого шага (ВРШ), и на каждый приводной двигатель ДГ мощностью более 220 кВт должен устанавливаться независимо от регулятора предельный выключатель. Предельные выключатели должны останавливать ГД при достижении ими частоты вращения 20 % выше расчетной, а дизель-генераторы - при частоте вращения 15 % выше расчетной.

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что фактически существует не одна, а несколько причин, вызывающих разносы двигателей. Предельные выключатели, несомненно, необходимы для защиты двигателей, но спасти их от повреждения они могут не всегда [12].

Безупречная работа подшипников двигателя и, прежде всего подшипников коленчатого вала, обеспечивается замкнутой системой циркуляционной смазки. А проток масла через подшипники возможен только при создании в системе определенного давления. Прекращение подачи масла к подшипникам или падение его давления ниже допустимого значения приводят к выплавлению подшипников и задиру шеек валов, что равносильно аварии двигателя.

Вызывают прекращение подачи масла или уменьшение его давления остановка масляных насосов, разрыв маслопровода, упуск масла из циркуляционной цистерны, уменьшение вязкости масла, увеличение зазоров в подшипниках, закупорка подводящих отверстий и т. п. Многочисленность причин и непредвиденность момента их возникновения заставляют прибегнуть к универсальному средству защиты двигателя - к его остановке (п.2.11.9 [1]), (п.1.4 [13]).

В принципе защитное устройство по любому из параметров любого технического средства одинаково. Оно состоит из трех элементов - датчика, усилителя (усилителя-преобразователя) и исполнительного органа. Схема комплекса защиты показана на см. рис. 9.

Принцип действия и конкретное конструктивное исполнение каждого элемента зависит от той роли, которую он выполняет в защитном комплексе.

Разнообразие конструкций датчиков определяется тем, что они получают импульсы по разным параметрам.

Датчик предельного выключателя представляет собой шток, заподлицо утопленный во вращающееся колесо. При достижении предельно допустимой частоты вращения шток под действием центробежной силы преодолевает усилие удерживающей его пружины, выступая за пределы наружной поверхности колеса, и передает свое воздействие на расположенный рядом боек усилителя.

импульс

Рис. 9. Схема комплекса защиты

В качестве датчиков давления чаще всего применяются реле давления. Чувствительный элемент реле в виде мембраны или сильфона под действием изменяющегося давления рабочей среды замыкает или размыкает контакты электрической цепи. Срабатывание реле давления масла происходит при минимально допустимом его давлении. При этом электрический импульс поступает в усилитель или преобразователь-усилитель.

Усилители увеличивают выходной импульс датчика до величины, необходимой для срабатывания исполнительного органа защитного устройства. В качестве усилителя предельного выключателя чаще всего применяется усилие сжатой пружины. При ударе штока о боек усилителя последний расцепляет удерживающее устройство, и пружина, разжимаясь, через систему рычагов и тяг воздействует на устройство, останавливающее двигатель.

Усилителями в защитном устройстве по давлению масла являются электромагнитные клапана. Для двигателей небольшой мощности сила тока увеличивается до такого значения, при котором электромагнитный клапан может играть роль исполнителя. В мощных двигателях электромагнитные клапаны играют роль усилителей-преобразователей, открывая доступ рабочего тела (воздуха или масла) в исполнительные органы - пневматические или гидравлические сервомоторы.

При максимально допустимой частоте вращения и при минимально допустимом давлении масла исполнительные органы защитных устройств воздействуют на те элементы объекта (двигателя), которые его останавливают. Остановить двигатель в таких ситуациях можно двумя способами - прекращением подачи топлива в цилиндры одновременно всеми ТНВД или перекрытием подвода воздуха в продувочный ресивер. Первый способ достигается установкой топливной рейки в положение нулевой подачи всех ТНВД или подъемом толкателей всех ТНВД в верхнее положение. Поступление воздуха в цилиндры прекращается при закрытии специальной заслонки, установленной на входе в компрессор газотурбонагнетателя или в продувочный ресивер.

От работоспособности рассматриваемых защитных устройств, как уже указывалось, зависит безопасность не только важнейших СТС машинного отделения, но порой и всего судна.

Правилами классификационных обществ и другими нормативными документами к надежности комплексных систем сигнализации (АПС) и защиты предъявляются очень жесткие требования. Они должны надежно работать в следующих условиях: при температуре наружного воздуха до 60 °С и его влажности до 95 %, при наклонах в любую сторону до 45° в течение 5-20 секунд и до 30° - длительно, выдерживать тряску до 120 ударов/мин и вибрацию с максимальным ускорением до 30 м/c², при отклонениях напряжения электропитания от +10 % до - 15 % номинального, быть устойчивы к влиянию внешнего магнитного поля напряженностью 400 А/М.

Средняя наработка на отказ по каждому контролируемому параметру должна быть не менее 100000 часов или циклов срабатывания. Ресурс непрерывной работы каждого защитного устройства должен составлять не менее 5000 часов или 5000 циклов срабатывания. Средний срок до списания комплекта защитного устройства устанавливается в 12 лет [13].

Жесткость указанных требований и необходима и оправдана с точки зрения безопасности СТС и судна в целом. Фактически же защитные устройства не всегда и не везде отвечают предъявляемым к ним требованиям. Опыт эксплуатации судов показывает, что у защитных устройств гораздо чаще случаются несрабатывания, выходы из строя и поломки, чем это регламентировано правилами и стандартами.

Объясняется это еще и тем, что члены машинных команд, полагаясь на провозглашаемую повышенную надежность защитных устройств, уделяют недостаточное внимание их обслуживанию, и в частности, проверкам их работоспособности. Статистика свидетельствует о том, что большая часть повреждений СТС происходит по вине экипажей. Самым грубым нарушением является отключение по халатности, небрежности или забывчивости защитных устройств на функционирующих СТС. Вторая часть нарушений связана с формальной проверкой работоспособности защитных средств из-за отсутствия на судах четкой документации по этому вопросу.

Судовые специалисты привыкли к тому, что все необходимые сведения по эксплуатации можно почерпнуть из инструкций соответствующих СТС. А специальной проверкой более 30 инструкций по эксплуатации разных типов ГД, ДГ установлено, что в абсолютном большинстве из них нет даже упоминания о каких-либо проверках средств автоматизации (хотя средства эти, в том числе и защита, имелись). Не упоминается ничего по проверкам в инструкциях даже таких современных двигателей, как L42MC и L50MC. Общие фразы о проверке средств автоматизации СТС имеются в инструкциях японских двигателей. И лишь в двух инструкциях встретились более-менее четкие указания по способам и срокам проверки защитных устройств. Можно с уверенностью сказать, что в целом по флоту картина с инструкциями примерно такая же.

Проверка знаний механиков в морской квалификационной комиссии (МКК) и в комиссии ОАО ДВМП показывает, что часть механиков, понимая значение защит, все-таки проверяет их работоспособность, но, полагаясь в основном на свою интуицию. Выяснилось, например, что проверки производятся чаще всего путем имитации срабатывания отдельных элементов защитного комплекса (датчиков или исполнительных органов). Так, проверку срабатывания предельного выключателя выполняют на неработающем двигателе, вручную освобождая пружину, которая через кинематическую связь воздействует на топливную рейку. Защиту по минимальному давлению масла ДГ проверяют, отдавая подводящую трубку к реле давления на работающем двигателе (что неудобно и опасно выполнять) или отмечая давление масла при остановке двигателя.

Проверка работоспособности отдельных элементов защитных комплексов, конечно, необходима и в судовых условиях может выполняться только одним способом - путем имитации. Но даже правильная раздельная проверка датчиков, усилителей и исполнительных органов вовсе не гарантирует работоспособности всего комплекса. Связи между нормально функционирующими элементами могут оказаться прерванными (коррозия деталей, залипание контактов, перекосы тяг и т. п.), и в нужный момент защитное устройство как комплекс не сработает. Проверка отдельных элементов защитных устройств, как видим, создает лишь иллюзию благополучия.

Уверенность в действительной работоспособности всего защитного устройства дает только проверка его на работающем СТС при аварийном значении контролируемого параметра.

«Аварийное значение контролируемого параметра - это значение параметра, при котором не допускается дальнейшая работа двигателя (сопровождается появлением аварийного сигнала и осуществлением аварийной защиты двигателя)» [13].

Такая нечетная формулировка аварийного параметра пугает и дезинформирует судовых механиков и не только их. Аварийный параметр согласно формулировке воспринимается как параметр, при котором уже происходит повреждение, авария технического средства, и, следовательно, становится невозможным при таком его значении и проверка всего комплекса защитного устройства.

А в действительности дело обстоит совсем иначе. При разносах двигателей остаточные деформации движущихся деталей (т. е начало их повреждения) наступает при частоте вращения, превышающей ее номинальное значение на 40-50 %. А по правилам классификационных обществ аварийным параметром для данного случая устанавливается частота на 20 % и 15 % выше номинального значения соответственно для ГД и ДГ.

Для большинства двигателей ДГ (с частотой вращения 500-750 об/мин) давление масла в циркуляционных системах составляет 0,2-0,25 МПа. За аварийный параметр принимается давление в 0,15-0,18 МПа, а повреждения подшипников коленвала происходят (по материалам расследования повреждения двигателей в ОАО ДВМП) только при давлениях ниже 0,13 МПа.

Таким образом, срабатывание защитного устройства при аварийном значении параметра означает не аварию СТС, а именно его защиту от аварии. И проверка срабатывания защит должна проводиться только при аварийных значениях параметров. На это четко указывается и в [14]: «Предельные выключатели двигателей… должны быть проверены на срабатывание при предельной частоте вращения».

Для проверки срабатывания предельного выключателя необходимо искусственно довести двигатель (разогнать его) до предельной (аварийной) частоты вращения. Достичь этого можно искусственным увеличением подачи топлива в полностью разгруженный двигатель при помощи регулятора. Согласно требований основных классификационных обществ каждый регулятор должен иметь устройство для местного и дистанционного изменения частоты вращения как в сторону ее уменьшения, так и в сторону увеличения (относительно номинального значения). При ручном увеличении сжатия задающей пружины регулятора грузы сходятся, а выходной его орган передвигает рейку ТНВД на увеличение подачи топлива.

Данная проверка связана с большим риском вызвать искусственное повреждение двигателя и даже его разнос. Объясняется это следующим образом. Для достижения аварийной частоты вращения топливная рейка уводится в положение увеличенной (иногда почти максимальной) подачи топлива всеми ТНВД, вследствие чего привод одной или нескольких плунжерных пар ТНВД может заклиниться [12]. В такой ситуации при несрабатывании предельного выключателя остановить двигатель ни топливно-пусковой рукояткой, ни ослаблением затяга пружины регулятора не удастся. Длительная работа двигателя на аварийной частоте вращения может привести к срыву масляных клиньев и повреждению подшипников коленвала, а при стечении и других неблагоприятных обстоятельств, двигатель может пойти в разнос.

К проверке работоспособности предельного выключателя, учитывая вышеизложенное, необходимо тщательно подготовиться. Прежде всего, необходимо проверить и отрегулировать нулевую подачу каждого ТНВД и всего комплекса управления подачей топлива, после чего убедиться в легкости хода топливной рейки и надежности ее соединения с регулятором и топливно-пусковой рукояткой. Кроме того, надо будет проверить правильность и надежность соединения ТНВД с топливной рейкой, а при необходимости очистить зубчатые рейки от грязи и смолистых отложений. У регулятора ручным способом проверяется легкость хода устройства изменения натяжения задающей пружины (в пределах допускаемого диапазона сжатия-ослабления пружины). Не помешает произвести проверку всей кинематической связи защитного устройства от датчика (подпружинного штока) до исполнительного органа (электромагнитного клапана или сервомотора). На случай экстренной остановки двигателя при проверке защиты необходимо приготовить (или изготовить) специальные накидки на приемные сетки воздуха компрессоров ГТН и вывесить их рядом с ГТН. Все штатные приборы двигателя, в том числе и тахометр, должны быть заранее проверены и должны иметь соответствующие отметки и клейма.

Проверку срабатывания предельных выключателей ДГ и среднеоборотных ГД, работающих на винт через разобщительное устройство, производят два человека - вахтенный механик и вахтенный моторист. Двигатель запускается на холостой ход и прогревается до соответствующих температур масла и охлаждающей воды. При необходимости производится регулировка частоты вращения на номинальное значение.

Вахтенный механик становится у поста управления и берет в руку топливно-пусковую рукоятку (на случай экстренной остановки двигателя) и ведет наблюдение за показаниями тахометра. Моторист, находясь в районе расположения регулятора, вручную маховиком медленно производит сжатие его задающей пружины, вследствие чего обороты двигателя медленно возрастают. При достижении предельной частоты вращения (отмечено красной чертой на тахометре) выключатель должен сработать и, воздействуя на топливную рейку или воздушную заслонку, остановить двигатель. Если этого не произойдет, вахтенный механик обязан немедленно поставить топливно-пусковую рукоятку в положение «стоп», а моторист должен повернуть маховик регулятора на несколько оборотов в обратном направлении для ослабления затяга пружины. Если же двигатель и после этих действий не останавливается, то необходимо на приемную сетку воздуха ГТН быстро наложить специальную накладку. Горение топлива в цилиндрах без воздуха не может продолжаться и, двигатель остановится.

Не следует сразу же предпринимать новой попытки срабатывания предельного выключателя. Прежде надо будет определить причину несрабатывания защиты, устранить неисправность и только после этого предпринять новую проверку с еще большей осторожностью.

Для проверки работоспособности предельного выключателя главного малооборотного двигателя, соединенного с винтом регулируемого шага (ВРШ), необходимо отключить комбинаторную систему, а шаг винта установить в нулевое положение. Дальнейшие действия предпринимать в такой же последовательности, как и для ДГ и среднеоборотных ГД. Проверку можно производить при стоянке судна у причала при условии полной уверенности в том, что нулевое положение лопастей винта на указателе действительно совпадает с фактическим их положением. Но лучше всего эту проверку выполнить при якорной стоянке на рейде или в море после выхода судна из порта.

Давление масла в циркуляционных системах практически всех ДГ создается навешенными шестеренчатыми насосами. Регулирование давления на стороне нагнетания насоса (т. е. в рабочей части системы) осуществляется редукционным клапаном, встроенным в корпус насоса, который перепускает масло из его нагнетательной полости во всасывающую. Изменением зажатия пружины редукционного клапана можно вручную устанавливать в системе требуемое давление. На системах большинства ДГ имеются дополнительные редукционные клапана в местах отвода масла от основной магистрали на смазку регулятора, приводных шестерен и других узлов двигателя. Этими клапанами также можно регулировать давление в основной магистрали.

Смазка на ходу некоторых среднеоборотных ГД осуществляется навешенными насосами, а на маневрах - автономными шестеренчатыми.

Смазка малооборотных ГД и некоторой части среднеоборотных ГД производится автономными винтовыми насосами.

Для контроля за давлением используются штатные проверенные манометры, расположенные у местного поста управления двигателем. На циферблатах манометров должны быть нанесены отметки нормального (рабочего) и минимально допустимого (аварийного) значения и клейма проверяющих организаций. Проверку защиты по минимальному давлению масла ДГ так же, как и при предыдущей проверке, проводят два человека. Один находится у поста управления для наблюдения за давлением масла, второй - у редукционного клапана. После запуска двигателя на холостой ход и прогрева давление масла устанавливается (редукционным клапаном) точно на рабочее значение. Постепенным уменьшением сжатия пружины редукционного клапана давление в системе медленно понижается. При достижении аварийного значения давления защитное устройство должно сработать и остановить двигатель. Если же защита не сработает, то специалист, находящийся у поста управления, должен немедленно установить топливно-пусковую рукоятку в положение «стоп», а второй человек - быстро зажать на несколько оборотов пружину редукционного клапана. Повторную проверку можно будет проводить только после выявления и устранения неисправности защитного устройства.

Проверку защит двигателей с автономными масляными насосами можно проводить путем имитации. Для этого при неработающем двигателе запускается масляный насос, а температура и давление масла доводятся до номинальных значений. Топливно-пусковая рукоятка (а вместе с ней и топливная рейка) устанавливается в положение максимальной подачи топлива. Насос останавливается, давление масла падает, при соответствующем его значении защита срабатывает и уводит топливную рейку в положение нулевой подачи. Момент срабатывания защиты определяется визуально по манометру и движению топливной рейки.

Четких сроков проверки защит дизелей ни Российский Морской Регистр судоходства, ни пролонгированный ГОСТ 11928-83 не устанавливают. Регистр требует лишь минимальное количество проверок - один раз в году при ежегодном освидетельствовании. В ГОСТе записано, что «…периодичность проверок систем сигнализаций и защиты устанавливают в инструкции по эксплуатации двигателей». Но, как было показано выше, в подавляющем большинстве инструкции о сроках речи вообще не ведется. Поэтому, логичным будет считать, чтобы сроки устанавливались техническими службами судоходных компаний, исходя из назначения и конкретных условий эксплуатации дизелей. Сроки проверки защит, предлагаемые в данной работе, могут носить лишь рекомендательный характер.

Для ДГ, у которых чаще, чем у ГД, случаются повреждения, и проверки необходимо проводить чаще. Памятуя о том, что повреждения случаются не на стоянке, а при работе двигателя, проверки необходимо производить ни перед остановкой двигателя, а перед запуском на продолжительную работу. Проверку срабатывания предельных выключателей ДГ желательно проводить не реже одного раза в квартал, а ГД - перед каждым выходом в длительный рейс. Проверки защит ДГ по минимальному давлению масла рекомендуется выполнять перед каждым запуском после продолжительной стоянки (7-10 суток).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ваншейдт, В. А. Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей / В. А. Ваншейдт. - Л: Судостроение, 1969. - 640 с.

2. Шишкин, В. А. Анализ неисправностей и предотвращение повреждений судовых дизелей / В. А. Шишкин. - М: Транспорт, 1986. - 192 с.

3. Дайхес, М. А. Ремонт двигателей внутреннего сгорания / М. А. Дайхес. - Л: Судостроение, 1980. - 248 с.

4. ПТЭ судовых дизелей. - М: Морской транспорт, 1962. - 200 с.

5. Балякин, О. К. Технология и организация судоремонта / О. К. Балякин. - М: Транспорт, 1974. - 352 с.

6. Кончаев, В. Н. Ремонт судовых дизелей / В. И. Кончаев, В. М. Шелученко. - М: Транспорт, 1965. - 390 с.

7. Русинов, Р. В. Топливная аппаратура судовых дизелей / Р. В. Русинов. - Л: Судостроение, 1974. - 223 с.

8. Гальперович, Л. Г. Системы впрыска топлива судовых дизелей / Л. Г. Гальперович. - Л: Судпромгиз, 1961. - 222 с.

9. Фомин, Ю. Я. Топливная аппаратура судовых дизелей / Ю. Я. Фомин. - М: Транспорт, 1975. - 216 с.

10. Маренков, Н. А. Ремонт механизмов без вывода судна из эксплуатации / Н.А. Маренков. - Л: Транспорт, 1965. - 271 с.

11. Российский морской Регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов. Т.2. - СПб.: РМРС, 2005. - 638 с.

12. Подушкин, С. Н. Техническое использование судовых дизелей. Учебное пособие / С. Н. Подушкин. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2005. - 62 с.

13. Дизели и газовые двигатели. Автоматизированные системы аварийно-предупредительной сигнализации и защиты. Общие технические требования. ГОСТ 11928 - 83. - М: Изд-во стандартов, 1984. - 13 с.

14. Российский морской Регистр судоходства. Руководство по техническому надзору за судами в эксплуатации. - СПб.: РМРС, 2000. - 258 с.

15. Крылов, Е. И. Надежность судовых дизелей / Е. И. Крылов. - М: Транспорт, 1978. - 160 с.

16. Марденский, В. П. Топливная аппаратура судовых дизелей / В. П. Марденский. - М: Транспорт, 1973. - 168 с.