ISSN 0209-2069
ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
EXPLO-SHIP 2004 Zbigniew Korczewski, Leszek Wontka
Stanowisko do badań diagnostycznych układu łożyskowania
tłokowego silnika spalinowego
Słowa kluczowe: tłokowy silnik spalinowy, łożyskowanie silnika, diagnostyka, moc strat mechanicznych
Przedstawiono możliwości wykorzystania stanowiska laboratoryjnego silnika S312C do badań diagnostycznych układu łożyskowania. Wnioskowanie o stanie tech-nicznym jest oparte na pomiarach ciśnień wewnątrzcylindrowych w zakresie biegu jało-wego silnika. Daje to w rezultacie możliwość wyznaczenia mocy strat mechanicznych jako parametru charakteryzującego dysypację energii wnoszonej z powietrza i paliwa zasilającego.
A Test Stand for Diagnostic Examination
of a Diesel Engine Bearing System
Key words: diesel engine, bearing system, diesel engine diagnosis, power of mechanical losses
A laboratory test stand of S312C diesel engine can be used for diagnosing the engine bearing system. Conclusions on the technical state are drawn from indicated pressure measurements at the engine running idle. They are subsequently converted into the power of mechanical losses as a parameter characterising dissipation of energy carried into the engine from feeding air and fuel.
Wprowadzenie
Przeznaczenie okrętów wojennych wymusza szczególne warunki użytko-wania ich silników napędowych, które cechuje:
− długotrwała praca silnika na małych i częściowych obciążeniach (często nawet poniżej 25% mocy znamionowej), powodująca odkładanie się na-garu i laków na ściankach przestrzeni roboczych cylindrach oraz wzrost zawilgocenia oleju;
− częste zmiany obciążenia;
− krótkie czasy przejścia z pracy na małej mocy do pracy na pełnej mocy wiążące się z częstym przekraczaniem dopuszczalnych obciążeń ciepl-nych i mechaniczciepl-nych poszczególciepl-nych elementów silnika;
− praca kadłuba okrętu na fali, powodująca powstawanie dodatkowych naprężeń w elementach silnika.
W takich warunkach łożyska układu korbowego, tj. łożyska główne i kor-bowe, a także łożyska sworznia tłokowego (w artykule również nazywane krót-ko: łożyskowaniem silnika), poddawane cyklicznym obciążeniom są szczególnie narażone na intensywne zużycie trybologiczne i erozyjne [6, 8].
Wszystko to ma negatywny wpływ na prawidłowy przebieg procesu sma-rowania, co jest związane z niekorzystnymi zmianami rozkładu ciśnienia hydro-dynamicznego i kształtu klina smarnego w łożyskach. Ma to swoje odzwiercie-dlenie w zwiększeniu momentu tarcia w łożyskach, a to z kolei prowadzi do zwiększenia strat mechanicznych całego silnika. Ze zjawiskiem zawyżonych strat mechanicznych silników wielokrotnie spotykano się podczas badań diagno-stycznych silników eksploatowanych w Marynarce Wojennej RP [15].
Istnieje zatem uzasadniona potrzeba doświadczalnego ustalenia, w jakim stopniu zmieniający się stan techniczny łożyskowania silnika wpływa na wzrost strat mechanicznych silnika.
1. Bilans strat mechanicznych tłokowego silnika spalinowego
Miarą strat mechanicznych silnika jest sprawność mechaniczna m,
zdefi-niowana następującą formułą:
i e i e i e m p p P P L L (1) gdzie: Li – praca indykowana,
Le – praca użyteczna,
Pi – moc indykowana,
Pe – moc użyteczna,
pi – średnie ciśnienie indykowane,
pe – średnie ciśnienie użyteczne.
Wartość sprawności mechanicznej waha się od 0,75–0,90 dla silnika pracu-jącego w warunkach obciążenia nominalnego [2, 12] do zera dla silnika pracują-cego na biegu jałowym. W praktyce diagnostycznej znacznie wygodniejsze jest używanie pojęcia mocy strat mechanicznych Pm, jako mocy traconej na
pokona-nie oporów tarcia w ruchomych elementach silnika, pokonapokona-nie oporów wentyla-cyjnych oraz na napęd pomocniczych mechanizmów zasprzęglonych z wałem korbowym silnika [14]:
Pm = Pi – Pe = PTPC + PŁ + PW + PZ (2)
gdzie:
PTPC – moc tracona na pokonanie oporów tarcia w układzie tłok –
pier-ścienie tłokowe – tuleja cylindrowa (TPC),
PŁ – moc tracona na pokonanie oporów tarcia w układzie łożyskowania
silnika,
PW – moc tracona na pokonanie oporów wentylacyjnych,
PZ – moc tracona na pokonanie oporów tarcia mechanizmów
pomocni-czych zasprzęglonych z wałem korbowym silnika oraz rozrządu sil-nika.
Wygodnie jest również operować wartością średniego ciśnienia tarcia pm,
które odpowiada stratom mechanicznym silnika, odniesionym do powierzchni denka tłoka :
pm = pi – pe (3)
Moc strat mechanicznych silnika jest funkcją wielu zmiennych:
Pm = f(n, T, to, tw, k) (4)
gdzie:
n – prędkość obrotowa silnika, T – moment obrotowy silnika,
– właściwości fizykochemiczne olejów smarowych,
to – temperatura oleju smarowego,
tw – temperatura wody chłodzącej,
k – parametry struktury konstrukcyjnej układu TPC, łożyskowania oraz
Poszczególne wartości składowych mocy strat mechanicznych Pm rosną
znacznie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, a dodatkowo wartości mocy traconej na pokonanie oporów tarcia w układzie TPC PTPC oraz mocy traconej
na pokonanie oporów tarcia w łożyskowaniu silnika PŁ, rosną również wraz ze
wzrostem obciążenia, lecz w znacznie mniejszym stopniu [12]. Procentowy rozkład mocy strat mechanicznych poszczególnych podzespołów silnika zależy przede wszystkim od konstrukcji silnika. Ich przybliżone wartości obrazuje ry-sunek 1 [12].
2. Metodyka wyznaczania mocy strat mechanicznych oraz średniego
ciśnienia strat tarcia
Od 1992 roku w Instytucie Technicznej Eksploatacji Okrętów (obecnie Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Okrętów) Akademii Marynarki Wojennej przeprowadza się cykliczne badania diagnostyczne tłokowych silników spalino-wych, eksploatowanych na okrętach Marynarki Wojennej RP. Polegają one m.in. na analizie przebiegów ciśnień wewnątrzcylindrowych poszczególnych cylindrów silnika, w tym na wyznaczaniu na ich podstawie średniego ciśnienia indykowanego. Do pomiarów ciśnień wewnątrzcylindrowych wykorzystuje się analizator pracy silnika firmy EAD [1]. Od 2003 roku coraz częściej w użyciu jest znacznie mniejszy i wszechstronniejszy w zastosowaniu rejestrator osiągów i sprawności zespołów napędowych okrętów (rys. 2), zaprojektowany i skon-struowany w Instytucie Konstrukcji i Eksploatacji Okrętów [11]. Rejestrator współpracuje z piezoelektrycznym czujnikiem ciśnienia, firmy Kistler, montowanym na zaworze indykatorowym. W mniejszych silnikach, jeżeli istnie-je możliwość montażu czujnika bezpośrednio w głowicy cylindra, wykorzystuistnie-je
PTPC (50 – 65%)
PŁ (20 – 25%)
PW + PZ (10 – 15%)
Rys. 1. Procentowy rozkład mocy strat mechanicznych w okrętowym tłokowym silniku spalinowym: PTPC – moc tracona na pokonanie oporów tarcia w układzie tłok – pierścienie tłokowe – tuleja cylindrowa (TPC), PŁ – moc tracona na pokonanie oporów tarcia łożyskowania
silnika, PW – moc tracona na pokonanie oporów wentylacyjnych, PZ – moc tracona na pokonanie oporów tarcia mechanizmów podwieszonych oraz rozrządu silnika
się światłowodowy czujnik ciśnienia firmy Optrand, który cechuje się mniej-szymi wymiarami. Od 1997 roku oprócz rutynowego indykowania silników na obciążeniu nominalnym, w celu określenia strat mechanicznych silników indy-kuje się silniki również na biegu jałowym (oczywiście tam, gdzie jest możliwe rozsprzęglenie silnika). Pomimo, że wartości mocy strat mechanicznych Pm
rosną wraz z obciążeniem, to proponowana metoda jej wyznaczenia z pomiarów średniego ciśnienia tarcia na biegu jałowym, minimalizuje błędy wyznaczania
Pm, przez zastosowanie tylko jednej metody pomiaru. Ponieważ na biegu
jało-wym Pe oraz pe przyjmują wartość zero, wówczas równania (2) i (3) przyjmą
odpowiednio postać:
Pm = Pi = PTPC + PŁ + PW + PZ (5)
pm = pi (6)
Analizę błędów wyznaczania średniego ciśnienia indykowanego szczegó-łowo przedstawiono m.in. w pracach [5, 9].
Rys. 2. Rejestrator osiągów i sprawności zespołów napędowych okrętów wraz z dwoma światłowodowymi czujnikami ciśnienia firmy Optrand
Fig. 2. Logger of performance and efficiency of ship power units with two light pipe pressure gauge Optrand
3. Adaptacja stanowiska laboratoryjnego silnika S312C do badań
diagnostycznych układu łożyskowania
Do badań układu łożyskowania tłokowego silnika spalinowego postano-wiono wykorzystać istniejące od lat w Laboratorium Eksploatacji Siłowni Okrętowych Instytutu Konstrukcji i Eksploatacji Okrętów, stanowisko silnika obciążanego hamulcem wodnym typu H3Bis (rys. 3).
Silnik S312C jest silnikiem czterosuwowym, rzędowym, dwucylindrowym o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. W tabeli 1 przed-stawiono dane techniczne silnika.
Rys. 3. Stanowisko laboratoryjne silnika S312C wraz z hamulcem wodnym H3bis w Laboratorium Eksploatacji Siłowni Okrętowych
Fig. 3. Test stand of S312C diesel engine with H3bis water brake in the Marine Power Plant Operation Laboratory
Tabela 1 Dane techniczne silnika S312C
Technical data of S312C diesel engine
Liczba cylindrów 2
Minimalna prędkość obrotowa silnika 500 min–1 Średnica tłoka 102 mm
Skok tłoka 120 mm Maksymalna prędkość obrotowa
silnika na biegu jałowym 2450 min–1 Stopień sprężania 17
Moc użyteczna 22,4 kW Jednostkowe zużycie paliwa 265 g/kWh Maksymalny moment
obrotowy 100 Nm Kąt wyprzedzenia wtrysku paliwa
30°OWK przed GMP
O wyborze tego silnika do badań zadecydowała przede wszystkim mała liczba cylindrów, a co się z tym wiąże, mała liczba łożysk głównych (trzy, w tym jednooporowe) i korbowych (dwa). Poza tym wymiana panwi łożysko-wych jest stosunkowo łatwa, chociaż czasochłonna. Ponieważ wał korbowy „wisi” na dolnych pokrywach łożysk głównych, wymiana panewek może odby-wać się tylko pojedynczo. Półpanew dolną łożyska głównego oporowego wraz
z dolną pokrywą przedstawia rysunek 4. Niebagatelne znaczenie ma również skład chemiczny stopu łożyskowego, z którego zostały wykonane wszystkie półpanwie. Jest nim stop miedzi (70%) i ołowiu (30%). Jest to o tyle istotne, że oba wymienione pierwiastki są doskonale wykrywalne w oleju smarowym me-todą analizy spektralnej, która może służyć jako weryfikacja wyników badań diagnostycznych układu łożyskowania silnika.
Rys. 4. Półpanew dolna wraz z dolną pokrywą łożyska oporowego silnika S312C
Fig. 4. Down half–sleeve of a main thrust bearing with a cap bearing of S312C diesel engine
Rys. 5. Czujnik ciśnienia światłowodowy typu C31294–Q firmy Optrand wkręcony w głowicę silnika
Silnik nie jest wyposażony w zawory indykatorowe, jednak do rejestracji przebiegów ciśnień wewnątrzcylindrowych zostały wywiercone otwory w gło-wicy, w które bezpośrednio są wkręcone czujniki ciśnienia (rys. 5).
4. Badania wstępne wpływu stanu technicznego łożyskowania silnika
na jego straty mechaniczne
W końcu 2003 roku wykonano na stanowisku silnika S312C badania wstępne, mające na celu ustalenie, czy wpływ zmian stanu technicznego układu łożyskowania silnika na jego straty mechaniczne jest na tyle duży, że wpłynie to istotnie na wielkość wyznaczonego średniego ciśnienia strat tarcia i mocy strat mechanicznych silnika. W tym celu wykonano dwie serie badań. Pierwszą serię badań przeprowadzono dla silnika z panwiami łożysk głównych i korbowych zamontowanymi do tej pory na silniku. Silnik z tymi łożyskami przepracował wcześniej jedynie kilkadziesiąt godzin. Stan ten przyjęto jako stan pełnej zdat-ności (sZ). Przed przeprowadzeniem drugiej serii badań wymieniono wszystkie
panwie łożysk głównych i korbowych na pozyskane w tym celu panwie z innego silnika tego samego typu, jednakże po przepracowaniu około 4 000 godzin. Ponieważ po wymianie luz w większości łożysk przekroczył wartość dopusz-czalną w eksploatacji, oraz na warstwie ślizgowej panwi były widoczne grube wyżłobienia i rysy będące objawem zużycia ściernego (rys. 6), stan ten uznano jako stan całkowitej niezdatności (sN). W każdej z serii indykowano silnik
pra-cujący na biegu jałowym podczas podgrzewania i rejestrowano temperaturę oleju smarowego w silniku. W tym celu posłużono się uniwersalną sondą tempe-raturową typu K, zanurzoną w oleju smarowym w misie olejowej silnika. Nale-ży dodać, że bieg jałowy jest tu rozumiany szeroko jako praca silnika bez wy-twarzania pracy użytecznej, lecz przy różnych prędkościach obrotowych. Serie pomiarowe powtarzano dla reprezentatywnych prędkości obrotowych wału kor-bowego silnika, praktycznie w całym jego zakresie: 500 obr/min, 1000 obr/min, 1500 obr/min i 2000 obr/min. Wyniki pomiarów przedstawiono na rysunku 7.
Wstępne wyniki pomiarów dają podstawę, żeby stwierdzić, że stan tech-niczny łożyskowania silnika wpływa na straty mechaniczne silnika. Jest to szczególnie widoczne przy dużych prędkościach obrotowych i wysokiej tempe-raturze oleju smarowego. Ponieważ temperatura oleju mierzona w misie olejo-wej nie jest wystarczającym odzwierciedleniem stanu cieplnego silnika tłowego, w celu jego jednoznacznego określenia postanowiono zdemontować ko-lejno wszystkie łożyska główne silnika i wywiercić dodatkowe otwory, przez które wprowadzono czujniki temperatury panwi łożysk głównych tak, aby po zmontowaniu łożyska dotykała dolnej półpanwi łożyska (rys. 8, strzałką zazna-czono końcówkę sondy). Dodatkowo postanowiono wyposażyć silnik w sondy
temperaturowe typu K, mierzące temperaturę wody chłodzącej w pobliżu każdej cylindrowej. 0 2 4 6 8 10 12 14 500 1000 1500 2000 n [min-1 ] sN 298 K sZ sN 318 K sZ sN 358 K sZ Pm [kW]
Rys. 7. Zależność mocy strat mechanicznych silnika S312C w funkcji prędkości obrotowej silnika dla dwóch różnych stanów technicznych łożysk głównych i korbowych (sZ – stan pełnej zdatności,
sN – stan całkowitej niezdatności) i różnych temperatur oleju smarowego Fig. 7. Power of mechanical losses of S312C diesel engine vs. diesel engine speed for two different technical states of the bearing system (sZ – total capability state, sN – total incapability
state) and various lubricating oil temperatures a)
b)
Rys. 6. Dolna półpanew trzeciego łożyska głównego: a) po kilkudziesięciu godzinach pracy silnika – stan pełnej zdatności, b) po
4 000 godzin pracy – stan całkowitej niezdatności
Fig. 6. Down half–sleeve of the third main thrust bearing: a) after approx 60 working
Zbigniew Korczewski, Leszek Wontka
Rys. 8. Dolna pokrywa łożyska głównego silnika S312C z wprowadzoną przez nawiercony otwór sondą temperaturową typu K
Fig. 8. A bearing cap of a S312C diesel engine with K thermoelement
Aktualnie jest przygotowywany eksperyment czynny na tym stanowisku, mający na celu określenie wpływu stanu technicznego układu łożyskowania silnika i pozostałych obserwowanych parametrów na wielkość strat mechanicz-nych silnika, po zastosowaniu półpanwi o różnym (jakościowo i ilościowo) stanie degradacji.
Wnioski
1. Wybór stanowiska silnika S312C do badań diagnostycznych układu ło-żyskowania dobrze prognozuje jego dalsze wykorzystanie, o czym świadczą wyniki badań wstępnych. Wymaga ono jednak drobnej modernizacji, polegają-cej na wyposażeniu silnika we wspomniane sondy temperaturowe, jak również na dodaniu układu ich ciągłej rejestracji.
2. Z badań wstępnych wynika, że intensywność procesu degradacji układu łożyskowania silnika można ocenić, przeprowadzając indykowanie cylindrów, tylko przy ściśle określonych warunkach pracy silnika – przy pracy silnika na „zimnym oleju” praktycznie nie obserwuje się zmian mocy strat mechanicznych silnika.
3. Stanowisko badawcze silnika S312C może w przyszłości posłużyć do badań diagnostycznych nie tylko układu łożyskowania, ale również wpływu
stanu technicznego pozostałych układów funkcjonalnych na straty mechaniczne silnika.
Literatura
1. Bruski S., Polanowski S., Łutowicz M., Żuralski C., Analizatory ciśnień
i obwiedni drgań do diagnozowania silników okrętowych i lokomotywo-wych. Eksploatacja silników spalinowych o zapłonie samoczynnym cz. 1 A,
AMW, Gdynia 1992.
2. Heywood J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw–Hill Book Company. Series in Mecanical Engineering, 1988.
3. Łutowicz M., Polanowski S., Wontka L., Diagnozowanie strat ciśnienia
w cylindrach silników tłokowych, Sympozjum Krajowe nt.: Silniki
spalino-we w zastosowaniach wojskowych, Jurata 1999.
4. Łutowicz M., Polanowski S., Wontka L., Pozyskiwanie informacji
diagno-stycznej z przebiegu sprężania w tłokowych silnikach okrętowych, Materiały
XXVII Ogólnopolskiego Sympozjum Diagnozowania Maszyn, Węgierska Górka 2000.
5. Łutowicz M., Badanie błędu pomiaru średniego ciśnienia indykowanego
silnika okrętowego, Zeszyty Naukowe AMW 2/2002.
6. Kozłowiecki H., Łożyska tłokowych silników spalinowych, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1982.
7. Łuczak A., Mazur T., Fizyczne starzenie elementów maszyn, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1981.
8. Piaseczny L., Technologia naprawy okrętowych silników spalinowych, Wy-dawnictwo Morskie, Gdańsk 1992.
9. Polanowski S., Błędy pomiaru średniego ciśnienia indykowanego metodami
cyfrowymi silników okrętowych w warunkach eksploatacji, Konferencja
Na-ukowo-Techniczna „Explo-Diesel ’98”, Szczecin 1998.
10. Polanowski S., Wontka L., Niektóre możliwości oceny obciążenia tłokowych
silników okrętowych i strat w układzie napędowym drogą pomiaru mocy in-dykowanej, Materiały XXI Sympozjum Siłowni Okrętowej SymSO’2000.
11. Sprawozdanie z pracy naukowo-badawczej pt.: Badania wpływu czynników
eksploatacyjnych na osiągi i sprawności zespołów napędowych okrętów w Polskiej Marynarce Wojennej, Akademia Marynarki Wojennej, Gdynia
2003.
12. Wajand J. A., Silniki o zapłonie samoczynnym, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1988.
13. Włodarski J. K., Eksploatacja maszyn okrętowych. Tarcie i zużycie, Wyd. Wyższa Szkoła Morska, Gdynia 1998.
14. Włodarski J. K., Okrętowe silniki spalinowe, podstawy teoretyczne, Wyd. Wyższa Szkoła Morska, Gdynia 1996.
15. Wontka L., Możliwości wykorzystania ciśnień wewnątrzcylindrowych do
oceny stanu technicznego łożyskowania okrętowego tłokowego silnika spa-linowego w eksploatacji, Zeszyty Naukowe AMW 2/2003.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2004 r.
Recenzenci
dr hab. inż. Piotr Bielawski, prof. AM prof. dr hab. inż. Stefan Żmudzki Adresy Autorów
dr hab. inż., kmdr Zbigniew Korczewski, prof. AMW Leszek Wontka
Akademia Marynarki Wojennej
Instytut Technicznej Eksploatacji Okrętów ul. Śmidowicza 69, 81-103 Gdynia
