ВЛИЯНИЕ ПЫЛИ НА РАБОТУ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В КАРЬЕРНЫХ САМОСВАЛАХ БЕЛАЗ

АННОТАЦИЯ

Эксплуатация карьерных самосвалов БелАЗ в условиях интенсивной запылённости воздушной среды оказывает критическое влияние на техническое состояние и долговечность двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В представленной работе выполнен всесторонний анализ механизмов взаимодействия минеральной пыли с элементами цилиндро-поршневой группы, системами впуска, смазки и охлаждения. На основе экспериментальных наблюдений и эксплуатационных данных показано, что присутствие в воздухе твёрдых частиц, особенно мелкодисперсных фракций (менее 10 мкм), существенно ускоряет процессы абразивного, адгезионного и коррозионно-механического износа.

Целью исследования является комплексная оценка влияния пылевых факторов на надёжность и рабочие характеристики ДВС карьерных самосвалов БелАЗ, с использованием методов численного моделирования для прогнозирования деградации параметров двигателя при различных уровнях запылённости. Проведён анализ морфологии и состава пылевых частиц, количественная оценка их абразивного воздействия, а также разработаны рекомендации по оптимизации систем воздушной фильтрации, направленные на повышение ресурса ДВС в условиях тяжёлой эксплуатации.

ABSTRACT

The operation of BelAZ mining dump trucks under conditions of intense airborne dust pollution has a critical impact on the technical condition and service life of internal combustion engines (ICE). This study presents a comprehensive analysis of the mechanisms by which mineral dust interacts with components of the cylinder-piston group, as well as the intake, lubrication, and cooling systems. Based on experimental observations and operational data, it has been shown that the presence of solid particles in the air-particularly fine fractions smaller than 10 microns-significantly accelerates the processes of abrasive, adhesive, and corrosive-mechanical wear.

The aim of the study is to provide an integrated assessment of the impact of dust factors on the reliability and performance characteristics of ICEs in BelAZ dump trucks, using numerical modeling to predict the degradation of engine parameters under varying dust concentration levels. The research includes an analysis of the morphology and composition of dust particles, a quantitative assessment of their abrasive effects, and the development of recommendations for optimizing air filtration systems to extend engine service life under severe operating conditions.

Ключевые слова: карьерный самосвал, БелАЗ, двигатель внутреннего сгорания, пыль, абразивный износ, мелкодисперсные частицы, воздушная фильтрация, запылённость, надёжность, численное моделирование.

Keywords: mining dump truck, BelAZ, internal combustion engine, dust, abrasive wear, fine particles, air filtration, dust pollution, reliability, numerical modeling.

Введение

Карьерные самосвалы БелАЗ являются неотъемлемой частью горнодобывающей промышленности, обеспечивая транспортировку больших объемов горной массы в условиях повышенной эксплуатационной нагрузки и агрессивной окружающей среды. Одним из наиболее значимых факторов, влияющих на ресурс и эффективность работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) этих машин, является наличие пыли в воздухе, поступающем в систему впуска.

Карьерные самосвалы БелАЗ эксплуатируются в условиях, где концентрация пыли в воздухе может в десятки раз превышать допустимые нормы. Основной источник пыли — движение по грунтовым дорогам, работа экскаваторов и буровых установок. Пыль, присутствующая в атмосфере карьера, состоит из мелкодисперсных минеральных частиц, способных проникать в элементы воздушного фильтра и далее – в цилиндро-поршневую группу двигателя. Это приводит к ускоренному износу трущихся поверхностей, ухудшению смазки, снижению компрессии и, как следствие, к росту расхода топлива, увеличению выбросов и сокращению межремонтных интервалов.

Несмотря на очевидную важность проблемы, в условиях практической эксплуатации часто недооценивается влияние аэрозольного загрязнения на долговечность и надежность ДВС. На сегодняшний день существует необходимость в комплексном научном анализе процессов, возникающих при взаимодействии пыли с механизмами двигателя, с последующей разработкой рекомендаций по снижению негативных последствий.       

Материалы и методы исследования

Нашими исследованиями было установлено, что простои автосамосвалов БелАЗ, связанные с неисправностями двигателя, составляют 29 % в общем балансе простоев, агрегатов трансмиссии – 17 %, гидравлических систем – 8 %, проведением ТО – 6 %.

Рисунок 1. Анализ эксплуатационных отказов автосамосвалов по данным моточасов

Большое количество простоев связано с ремонтом и заменой шин – 14 %, а 24 % составляют долю простоев остальных неисправностей (тормозной системы, ходовой части, электрооборудования, рамы, оперения, кабины и грузовой платформы). Также установлено, что 27 % простоев связано с устранением постепенных (износовых) отказов. Основными причинами постепенных отказов агрегатов, являются абразивные и коррозионно-механические изнашивания, которые характерны для агрегатов, оборудованных замкнутыми системами смазки [1; 2]: двигатели внутреннего сгорания (ДВС), гидромеханические передачи (ГМП), коробки переключения передач (КПП), редукторы ведущих мостов (РВМ), редукторы мотор- колес (РМК), гидравлические системы (ГС).

Анализ, выполненный на базе данных, собранных в условиях эксплуатации автосамосвалов на карьере Мурунтау, дал возможность классифицировать основные причины отказов и определить их долю в общем количестве неисправностей (см. рис. 1 и таб. 1).

Таблица 1.

Причинные факторы и их удельный вес в структуре отказов автосамосвалов, выявленные по результатам исследований на карьере Мурунтау

Горизонтальная гистограмма на изображении отражает количество моточасов, затраченных на устранение отказов различных узлов автосамосвалов. Анализ данных позволяет выделить несколько ключевых факторов, оказывающих наибольшее влияние на надёжность техники.

Основные выводы:

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) Является наиболее уязвимым узлом, на него приходится более 18 000 моточасов, что составляет 26,05% всех отказов. Это может быть связано с высокой нагрузкой, воздействием пыли и перегревами.

Шиномонтажные работы Второй по значимости фактор — 15 798 моточасов (22,51%). Частые замены и ремонты шин говорят о сложных дорожных условиях и высоком уровне износа резины.

Редуктор Мотор-Колеса (РМК) Занимают третью позицию — 10 032,4 моточаса (14,29%). Это отражает общий объём регламентных и внеплановых ремонтов механизмов.

Электропривод и прочие трансмиссии Сравнимо влияют на общую структуру отказов — по около 11% каждый. Электроприводы подвержены влиянию вибраций и пыли, а трансмиссии — износу при высоких нагрузках.

Наибольшую долю в структуре отказов занимают ДВС и шиномонтажные работы, что свидетельствует о необходимости усиленного контроля за техническим состоянием двигателя и своевременной заменой шин. Указанные данные могут служить основой для оптимизации регламентов технического обслуживания и повышения эксплуатационной надежности автосамосвалов на карьере Мурунтау.

Минеральная пыль, формирующаяся при буровзрывных, экскавационных и транспортных работах, характеризуется высокой абразивной способностью. Размеры частиц пыли варьируются от 1 до 100 мкм. Особенно опасны мелкодисперсные фракции размером менее 10 мкм, способные проникать через фильтрующие элементы воздушных систем и оказывать разрушительное воздействие на цилиндро-поршневую группу.

Пыль может попасть в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) несколькими основными путями: через воздушный фильтр, неплотности в системе воздухозабора, а также с топливом и через негерметичные соединения в самом двигателе

1. Через воздушный фильтр: Даже при исправном воздушном фильтре небольшое количество пыли может проникать в двигатель, особенно если фильтр не меняется вовремя или имеет низкое качество.

2. Неплотности и трещины в воздухозаборной системе: Через любые трещины, неплотности или повреждения в воздуховодах, корпусе воздушного фильтра и других компонентах воздухозаборной системы, пыль может попадать в двигатель.

3. С топливом: Частицы пыли и песка, содержащиеся в топливе, могут оседать на дне топливного бака и затем попадать в топливопровод и камеру сгорания.

4. Через негерметичные соединения: В процессе эксплуатации, из-за износа уплотнительных элементов, высоких температур и вибраций, в двигателе могут образовываться небольшие зазоры и щели, через которые пыль может проникать внутрь.

5. При попадании грязи и песка в моторный отсек: Вращающиеся колеса, особенно при движении по неровным дорогам, могут разбрызгивать грязь, песок и пыль, которые затем попадают в подкапотное пространство и, в конечном итоге, в двигатель.

Рисунок 2. Основные направления воздействия пылевой среды на элементы двигателя внутреннего сгорания карьерной техники

Двигатели автомобилей являются наиболее изученными силовыми энергетическими агрегатами [3; 4]. Совершенствование технологий изготовления ДВС, использование износостойких материалов, применение новых видов обработки, улучшение свойств смазочных масел и их очистки влекут за собой снижение износа деталей. Такая тенденция развития характерна для двигателестроителей и производителей смазочных материалов. Тем не менее, эти мероприятия не могут всецело избавить ДВС от внешних и внутренних эксплуатационных факторов.

В работах [3; 7] отмечается, что основными деталями, подвергающимися износу, являются детали цилиндропоршневой группы.

Работа двигателя внутреннего сгорания в условиях высокопылевой среды сопровождается множеством деструктивных процессов, которые затрагивают как воздухозаборную систему, так и элементы цилиндро-поршневого узла, турбонаддув, систему смазки и даже систему охлаждения. Пылевые частицы, проникающие через фильтрационные барьеры, оказывают прямое физико-химическое и механическое воздействие на поверхности деталей, находящихся в постоянном движении и под высоким давлением и температурой.

Результаты и обсуждения

На представленном графике отображена закономерность изменения интенсивности износа цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала при различных уровнях эксплуатационной нагрузки в условиях загрязнения воздушно-топливной смеси пылевыми частицами с концентрацией до 80 %.

Рисунок 3. Зависимость скорости износа цилиндро-поршневой группы двигателя от частоты вращения коленчатого вала при различных уровнях нагрузки в условиях повышенной запылённости воздушной среды (концентрация пыли до 80%)

По графику видно что при низких оборотах (1000–2000 об/мин): Износ высокий, особенно при полной нагрузке. Причина: недостаточная скорость воздуха – пыль хуже фильтруется – абразивное воздействие усиливается.

При средних оборотах (2000–3500 об/мин) износ хоть и снижается, но всё же сохраняется, особенно при длительной работе в запылённой среде. Даже при кажущейся оптимальности этого режима, постоянное присутствие мелкодисперсной пыли способствует постепенному абразивному разрушению рабочих поверхностей, что в перспективе снижает ресурс двигателя и требует более частого технического обслуживания.

При высоких оборотах (4000–5500 об/мин): Износ снова увеличивается, особенно при высокой нагрузке. Причина: высокие температуры и давления усиливают трение, а пыль дополнительно ускоряет износ.

Рисунке 4 на графике показана средняя скорость износа первых поршневых колец двигателя (ось Y, в мг/моточас) в зависимости от частоты вращения коленчатого вала (ось X, в об/мин) при разной степени нагрузки и наличии пыли 10% в рабочей среде двигателя.

Рисунок 4. Влияние частоты вращения коленчатого вала на скорость износа цилиндро-поршневой группы при различных нагрузках в условиях слабозапылённой воздушной среды (концентрация пыли до 10%)

На основе графика X (горизонтальная линия) — Частота вращения коленчатого вала, об/мин (от 0 до 5500). Y (вертикальная линия) — Скорость износа, мг/моточас (от 0 до 0,09). Чёрная линия с квадратами — 0.3 нагрузки (частичная нагрузка). Красная линия с кругами — 0.6 нагрузки (средняя нагрузка). Зелёная линия с треугольниками — номинальная нагрузка (максимальная рабочая нагрузка).

По графику видно что на малых оборотах (до ~1500 об/мин): Износ поршневых колец высокий, особенно при максимальной нагрузке (зелёная линия). Это связано с неполным сгоранием топлива, повышенной закоксовкой и недостаточным масляным клином, особенно при наличии пыли.

В диапазоне от ~1800 до 3000 об/мин: Минимальная скорость износа для всех режимов нагрузки. Здесь двигатель работает в оптимальном режиме: хорошее сгорание, стабильная масляная плёнка, меньше попадание пыли на горячие поверхности.

На высоких оборотах (>4000 об/мин): Износ снова резко возрастает, особенно при номинальной нагрузке. Причина: высокая температура, увеличенная скорость движения поршней, усиленное трение, активное попадание и "врезание" частиц пыли в поверхность колец.

Заключение

Проведённый анализ графических зависимостей (рисунки 3 и 4) позволяет сформулировать следующие обоснованные выводы. В условиях присутствия пылевых загрязнений существенно возрастает интенсивность абразивного износа цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания, особенно в диапазонах низких (до 2000 об/мин) и высоких (свыше 4000 об/мин) частот вращения коленчатого вала. Минимальные значения износа зафиксированы при сниженной концентрации твёрдых частиц во всасываемом воздухе, что акцентирует исключительную значимость эффективной работы систем фильтрации. Установлено, что при увеличении эксплуатационной нагрузки на фоне высокой запылённости внешней среды темпы абразивного изнашивания цилиндро-поршневой группы возрастают, особенно в условиях экстремальных режимов функционирования двигателя. Таким образом, при эксплуатации тяжёлой карьерной техники, в частности автосамосвалов марки БелАЗ, критически важно обеспечивать предельно допустимый уровень чистоты воздуха на входе в воздухозаборную систему. Комплексное воздействие высокой концентрации пылевых частиц и интенсивных эксплуатационных нагрузок представляет собой наибольшую угрозу моторесурсу двигателя, особенно при длительной работе в предельно загрязнённой воздушной среде.

Список литературы:

1. Аметов В.А. Повышение надежности агрегатов трансмиссии автомобилей в условиях автотранспортных предприятий: дис. ...канд. техн. наук. – Томск, 1987. – 158 с.
2. Тищенко Н.Т. Исследование износа машин и механизмов методом спектрального анализа масла: дис. ...канд. техн. наук. – Томск, 1975.– 180 с.
3. Enhancing the environmental safety of the Yoshlik I quarry through the implementation of an individual dust suppression system on dump trucks // CyberLeninka. – 2025.
4. Каримходжаев Н., Сафаров Ф. Основные причины, вызывающие износ деталей автотранспортных средств, эксплуатирующихся в различных природно‑климатических условиях // CyberLeninka. – 2020.
5. Pardayeva S., Kayumov U., Kaxxarov O. 629.1. 07 analysis of factors influencing the increased consumption of diesel fuel by belaz dump trucks in a quarry //Scientific and Technical Journal of Namangan Institute of Engineering and Technology. – 2025. – Т. 10. – №. 1. – С. 237-243.
6. Dubov G., Rakhmatullin R., Sidorov V. Study of corrosion characteristics of motor oils used in gas-diesel engines of BelAZ mining dump trucks // E3S Web of Conferences. – 2021. – Vol. 244. – Art. 03010
7. Zhang, J., & Li, H. (2024). Assessing the hazard of diesel particulate matter (DPM) in the mining industry: A review of the current state of knowledge. International Journal of Coal Science & Technology.