Модель эрозионно-коррозионных разрушений в системах ййййжидкостного охлаждения дизелей

2.4. Модель эрозионно-коррозионных разрушений в системах ййййжидкостного охлаждения дизелей

Процессы эрозионно-коррозионных разрушений в зарубашечном пространстве дизелей зависят от свойств и параметров как деталей остова (амплитуды и частоты колебаний, эрозионной и коррозионной стойкости материалов, напряжённо-деформированного и теплового состояния), охлаждающей жидкости (плотности, скорости звука, вязкости, поверхностного натяжения, состава и количества растворённых примесей и ингибиторов, температуры и давления), так и свойств границ раздела поверхностей и жидкости (шероховатости и смачиваемости).

Вибрации втулок и блоков цилиндров определяются несколькими факторами разной природы и интенсивности. Они содержат широкий спектр колебаний – от низкочастотных, кратных частоте вращения коленчатого вала (вынужденные колебания, обусловленные перекладкой поршня), до высокочастотных собственных колебаний втулки.

Кавитационные разрушения есть результат воздействия на охлаждающую жидкость двух колебательных процессов – собственных высокочастотных колебаний втулок цилиндров модулированных вынужденными вибрациями, порождаемыми ударами при перекладках поршней.

Вибрации поверхностей зарубашечного пространства – важнейший, но не единственный фактор, обуславливающий образование парогазовых пузырьков. Вторым фактором является поверхностное кипение недогретой охлаждающей жидкости, так как на значительной части наружной стороны втулок температура превышает 100С при статическом давлении, близком к атмосферному.

Таким образом, интенсивность образования разрывов сплошности определяет сочетание звукового давления, порождаемого вибрирующими поверхностями (динамический фактор), статического давления охлаждающей жидкости (статический фактор) и давления насыщения (тепловой фактор).

Статическое давление в жидкости препятствует образованию и росту пузырьков (разрывов сплошности), способствует их захлопыванию, тем самым минимизирует интенсивность тепловых потерь и, при определённом сочетании других параметров, кавитационных разрушений.

Динамический фактор в первый полупериод разряжения способствует образованию зародышей кавитации, росту парогазовых пузырьков, а во второй – их захлопыванию. На поверхности втулки тепловой фактор способствует росту пузырьков и препятствует их захлопыванию.

Паровые пузырьки, образующиеся на поверхности втулок, обладают наибольшей разрушающей силой, так как находятся под воздействием звукового поля максимальной интенсивности.

При определённых условиях может преобладать тот или иной фактор, что и определяет локализацию, интенсивность фазовых переходов и эрозионных разрушений.

Кинетику роста и захлопывания пузырьков в этих условиях можно представить следующим образом.

Возникающие под воздействием теплового потока и динамических импульсов, вызванных колебаниями втулок, паровые пузырьки быстро растут, их объём увеличивается в тысячи раз в течение сотых долей секунды. Достигнув некоторого размера определяемого интенсивностью теплового потока, свойствами и параметрами охлаждающей жидкости, пузырьки или отрываются от поверхности и, попадая в недогретое ядро потока, полностью или частично конденсируются, или в результате повышения звукового давления захлопываются, вызывая эрозионные разрушения.

При этом пузырьки, находящиеся как на стенках втулок, так и на стенках блоков, испытывают воздействие звукового излучения широкого спектра частот, порождаемых вибрациями как поверхностей втулок, так и блока цилиндров, что сказывается на динамике их роста и захлопывания и интенсивности воздействия на стенку.

Одновременно происходит интенсивный молярный отток теплоты от нагретой поверхности и приток к ней относительно холодной воды, содержащей в большом количестве растворённые примеси, прежде всего, агрессивные газы, анионы и катионы, усиливающие коррозию металла и накипеобразование.

Если на поверхности втулки, например из-за случайно возникшего технологического дефекта образовалась язвина, имеющая глубину больше средней, то, чем глубже язвина, тем выше температура в её вершине, тем с большей интенсивностью идёт процесс образования пузырьков, интенсивно захлопывающихся в глубине эрозионного кратера.

Однако процесс идёт до тех пор, пока динамический фактор преобладает над тепловым. Такие процессы характерны для высокооборотных, а, следовательно, виброактивных дизелей.

В результате кавитации и поверхностного кипения во внутреннем контуре системы охлаждения циркулирует двухфазный (жидкость-пар) поток, в котором объёмная доля парогазовых включений изменяется от минимального значения на входе в блок цилиндров до максимума на его выходе.

Увеличение концентрации парогазовых пузырьков в зарубашечном пространстве за пределами пограничного слоя резко уменьшает скорость звука в воде, а, следовательно, интенсивность воздействия звуковых волн, генерируемых втулкой цилиндра на пузырьки, находящиеся на внутренней поверхности блока, и наоборот.

Поэтому переход к охлаждению остова двухфазным пароводяным потоком, например при высокотемпературном охлаждении, может уменьшить интенсивность эрозионных разрушений.

На интенсивность кипения в пристенной области оказывает влияние шероховатость поверхности. В начальный период разрушения новых втулок центрами образования дискретной фазы служат микровпадины, которые на наружной поверхности чугунных втулок после изготовления имеют величину, достигающую 40 мкм.

В дальнейшем шероховатость поверхности будет зависеть от интенсивности эрозионно-коррозионных разрушений и накипеобразования, причём последний процесс изменяет не только шероховатость поверхности, но и теплопроводность втулки.

В зависимости от физико-химических свойств воды в системе охлаждения могут образовываться гипсовые, карбонатные, силикатные, железистые, органические и смешанные отложения. Из-за низкой теплопроводности они существенно ухудшают теплоотдачу и тем самым уменьшают эффективность функционирования дизелей.

Известно, что толщина накипи в 1 мм способна увеличить температуру зеркала втулки на 50С и более, что негативно сказывается на обеспечении гидродинамического режима смазки и увеличивает изнашивание в сопряжении втулка – поршневая группа.

Третьим фактором, определяющим интенсивность изнашивания, является напряжённое состояние вибрирующих деталей.

Детали остова, прежде всего втулки цилиндров, подверженные эрозионно-коррозионному изнашиванию, в процессе изготовления, сборки и работы двигателя испытывают монтажные, механические, тепловые и вибрационные напряжения, неравномерно распределённые по окружности втулок.

Кроме постоянно действующих или медленно меняющихся напряжений, важное значение играют локальные и импульсные напряжения, возникающие в результате действия нормальной составляющей силы и ударов о втулку поршня при перекладках.

В наибольшей степени неравномерность напряжённого и теплового состояния проявляется на поверхностях втулок в плоскости качания шатуна, причём влияние контактных напряжений в расчётных моделях эрозионно-коррозионных разрушений не учитывается.

Таким образом, детали, образующие зарубашечное пространство, находятся в сложном напряжённом состоянии, причём поверхности, подверженные разрушению, испытывают действие растягивающих напряжений.

Четвёртым фактором в процессе разрушения является коррозия.

В отличие от кавитационной эрозии, которая возникает только в работающем двигателе, коррозионные разрушения разной интенсивности протекают всё время от момента завершения его изготовления до списания, в том числе во время транспортировки и хранения двигателей, межнавигационного отстоя и ремонта судов (атмосферная коррозия), в периоды простоев, при ожидании погрузки или разгрузки, шлюзования и т. п.

По современным представлениям, водная среда является основным фактором в установлении скачка потенциала на границе раздела жидкой и твёрдой фаз, а, следовательно, и электрохимической коррозии.

При контакте металла с водой вся его поверхность самопроизвольно разбивается на большое количество микро- и макрогальванических элементов. Образовавшиеся коррозионные элементы состоят из растворимых электродов (анодов) и нерастворимых электродов (катодов).

Существенную роль в формировании двойного электрического слоя, возникающего в месте контакта металла с жидкостью, играют диэлектрическая постоянная, активность и гидратация ионов и ряд других показателей, сильно зависящих от температуры воды.

Для втулок и блоков цилиндров особенно опасной является язвенная (питтинговая) коррозия, так как этой коррозии особенно подвержены легкопассивирующиеся металлы – железо и алюминий, а также сплавы на их основе.

Язвенная коррозия возникает, как правило, в растворах, в которых содержится окислитель – кислород, и одновременно присутствуют активирующие анионы , .

Важную роль в протекании процесса коррозии играет тепловое и напряжённое состояние деталей остова. По данным ряда исследователей между поверхностями с различными температурами и тепловыми напряжениями может возникать электрический ток такого направления, при котором места с максимальными тепловыми напряжениями будут выполнять функцию анода.

Применительно к конструкции судового дизеля таким участком на поверхности втулки является плоскость качания шатуна, где возникают наибольшие напряжения и температуры, обусловленные максимальным порывом газов и контактными теплообменом и напряжениями, возникающими под воздействием нормальной составляющей силы.

В этой связи одним из косвенных факторов, влияющих на интенсивность эрозионно-коррозионных разрушений, являются утечки рабочего тела из надпоршневого пространства.

Растягивающие средние напряжения цикла в условиях коррозии весьма резко снижают сопротивление усталости, вследствие чего предел выносливости при отнулевом цикле растяжения в 10 раз ниже аналогичного предела при сжатии. При этом в поверхностных слоях металла возникают трещины коррозионной усталости, в основном, внутрикристаллитные. Около небольших местных коррозионных повреждений поверхности создается концентрация напряжений, причем на дне коррозионной полости они достигают максимума. Это приводит к более интенсивному развитию коррозии и к постепенному углублению трещины.

Дополнительным фактором, способствующим образованию макрогальванических пар и усиливающим коррозионные разрушения, является трибоэлектричество, возникающее при трении поршня и втулки и имеющее максимальную величину в тех зонах, где выполняющий функции изолятора слой масла имеет минимальную толщину, т. е. также в полости качания шатуна.

Наряду с макрогальваническими парами, которые образованы зонами, охватывающими участки втулки с различными уровнями напряжений и температур, возникают микрогальванические пары, в которых анодными участками являются микрозоны, испытавшие воздействие кавитационных струй и ударных волн, и окружающие их катодные участки.

Другим фактором, обуславливающим появление микрогальванических пар и усиливающее величину анодного тока, являются различия в тепловом состоянии вершины (дна) и стенок питтингов.

В зазорах посадочных поясов между отрицательно заряженным блоком и положительно заряженными втулками цилиндров протекает коррозионный ток. Наибольшим разрушениям подвержен материал блока, который является анодом.

Эрозия и коррозия взаимно усиливают интенсивность разрушения втулок: коррозия ослабляет механическую прочность слоя, который затем более легко удаляется под воздействием захлопывающихся кавитационных пузырьков. В свою очередь, металл, незащищённый окислами, в большей степени подвержен коррозии.

Кроме того, кавитация вызывает усиление химической активности растворов за счёт образования окислителей (, , и др.), что усиливает процесс коррозии.

В последние годы появились работы, в которых показано возникновение звукохимических реакций и физико-химических эффектов при низких звуковых (15–100 Гц) частотах, т. е. в диапазоне, совпадающем с частотой вынужденных колебаний втулок и блоков цилиндров.

Сочетание высокочастотных и низкочастотных колебаний усиливает интенсивность звукохимических реакций.

Очевидно, что эти процессы протекают с наибольшей интенсивностью в двигателях, имеющих максимальную виброактивность.

Интенсивность разрушения поверхностей зарубашечного пространства определяется количеством действующих неблагоприятных факторов, а их локализация – факторами детерминированной и статической природы, причём первые определяют положения зон разрушения, а вторые – положение питтингов в этих зонах.

Зоны разрушения определяются локализацией ударных нагрузок, повышенными тепловым, механо- и теплонапряжённым состоянием деталей и т. д.

Положение эрозионно-коррозионных питтингов в этих зонах связано со случайным характером распределения микронеровностей, структурной неоднородностью материала, заключающейся в вариациях размеров и очертаний отдельных кристаллов (зерён) металла, направлений их кристаллографических плоскостей, в наличии различных фаз, включений, дефектов и т. д.

Шестым фактором, влияющим на эрозионно-коррозионные разрушения, является изменение состояния дизеля в процессе эксплуатации.

Необходимо отметить, что по мере износа деталей цилиндро-поршневой группы уменьшается не только механический и индикаторный КПД двигателя, но и увеличивается скорость эрозионно-коррозионного разрушения зарубашечного пространства.

Определяющим в этом процессе является изнашивание зеркала цилиндра и тронка поршня, способствующее увеличению радиального зазора и вибраций, потери герметичности камеры сгорания и увеличению температуры стенок при прорыве газов.

К числу других эксплуатационных факторов, влияющих на скорость разрушения, относится увеличение гидравлического сопротивления контуров системы охлаждения, сопровождающееся снижением статического давления охлаждающей жидкости, ухудшением регулирования температуры охлаждающей жидкости и теплового состояния остова дизелей.

Вариации скорости эрозионно-коррозионных разрушений у различных экземпляров двигателей одного типа объясняются случайным характером технологических отклонений, прежде всего размеров деталей цилиндро-поршневой группы, качеством сборки, условий и режимов эксплуатации.

Степень интенсивности этих разрушений у двигателей различных типов также неодинакова: в одних случаях они являются причиной преждевременного выхода из строя деталей, в других, создавая концентраторы напряжений, оказывают косвенное влияние на ресурс остова или элементов системы охлаждения, но, в любом случае, увеличивают затраты, связанные с непроизводительными простоями судов и ремонтом двигателей.

С Масляный

холодильник

Охладитель

наддувочного

воздуха

Водо-водяной

холодильник

Р

Т

Р

Т

забортная вода

Похожие работы

Проект модернизации одноковшового экскаватора с целью повышения производительности и экономической эффективности

Скачать

48464

8

20

... массы ковша. Грейфер применяют обычно для разработки грунтов малой плотности (I и II группы) и находящихся под водой. Более плотные грунты предварительно необходимо рыхлить. Производительность одноковшового экскаватора снижается по мере увеличения плотности грунта. Кроме того, она зависит от способа разработки грунта (при работе "на вымет" производительность повышается, при погрузке на ...

Совершенствование роторной дробилки с целью повышения производительности

Скачать

84340

12

9

... Мощность электродвигателя , кВт, привода дробилки рассчитывается по формуле , (11) где  - удельный энергетический показатель дробилки, при дробимом материале известняке  [1];  - производительность дробилки, м3/ч;  - степень дробления, для роторной дробилки типоразмера 1250´1000 мм  [1];  - средневзвешенный диаметр исходного продукта, м; ...

Проект модернизации электропривода скребкового конвейера ОАО «Нойзидлер Сыктывкар»

Скачать

60273

9

51

... с короткозамкнутым ротором (КЗР) с характеристиками, не уступающим характеристикам двигателей постоянного тока (ДПТ). 3. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.   3.1 Требования к электроприводу скребкового конвейера применительно к условиям данного цеха. При проектирование электрооборудования и устройств автоматики следует учесть что, цех РОЦ ...

Модернизация патронного полуавтомата 1П756

Скачать

99551

15

15

... : ºС 3.Организационно-экономическая часть 3.1 Сравнительный технико-экономический анализ проектируемого и базового варианта В дипломном проекте решается задача решается задача необходимости модернизации патронного полуавтомата 1П756. Эта необходимость вызвана тем, что базовый вариант станка не соответствует современным требованиям, в частности, по надежности. Модернизация ...