Реология моторных масел при режимах пуска и реверса судовых малооборотных дизелей

В последние годы развитие судовых дизелей, как основного типа тепловых двигателей, применяемых в судовых энергетических установках, происходит не только по направлению увеличения их цилиндровой мощности, но и по направлению расширения их модельного ряда. Наряду с дизелями повышенной мощности (например, RT-flex96, K98), устанавливаемыми на крупнотоннажных судах, проектируются и развиваются малоразмерные модели дизелей, также работающих по двухтактному циклу – L35, S30, S26 (фирмы MAN-B&W), UEC33, UEC37 (фирмы Mitsubishi), X35 (фирмы Wartsila). Эти дизели обладают частотой вращения коленчатого вала 195…250 об/мин и классифицируются как малооборотные. Одной из особенностей эксплуатации дизелей подобного класса является минимизация зазоров в паре трения вал – вкладыш подшипника. Это связано с необходимостью обеспечить минимальные колебания и стабилизацию коленчатого вала в условиях повышенной по сравнению с другими дизелями этого типа частотой вращения. Такие дизели используются в качестве главных двигателей на судах малого и среднего водоизмещения, специфика работы которых предусматривает большее количество нестационарных (маневровых и пусковых) режимов работы. К одной из задач обеспечения надежности работы судовых дизелей при пуске или реверсировании относится поддержание режимов смазывания в условиях интенсивно нарастающих или меняющихся по направлению нагрузок.

Традиционно считается, что основным видом смазывания контактируемых деталей судовых дизелей является гидродинамическое, когда поверхности разделены между собой масляным слоем, выполняющим несущие функции. Однако, гидродинамическое смазывание обеспечивается лишь при длительных установившихся режимах работы. Для режимов пуска и реверса любого механизма непременным спутником являются процессы полужидкостного или граничного трения в его контактируемых элементах. Для судовых дизелей наиболее ответственными из таких узлов являются сопряжения втулка – поршневое кольцо и вал – вкладыш подшипника [3, c. 11]. Если в первом случае на зеркале цилиндровой втулки остается остаточный слой смазочной пленки (который способен обеспечить требуемый режим смазывания), то во втором, после вывода дизеля из эксплуатации поступление масла в сопряжение вал – вкладыш прекращается и под воздействием сил тяжести происходит проседание вала на постель подшипника. Это приводит к вытеснению смазочного материала из сопряжения и непосредственному контакту поверхностей вала и вкладыша подшипника. Таким образом, пуск судового дизеля изначально происходит в режиме полужидкостного или граничного трения в данном трибосопряжении, а поверхности разделены между собой тонким слоем смазочного материала, либо находятся в непосредственном контакте (рис. 1, а). Аналогичный режим смазывания наблюдается при реверсе дизеля, когда вследствие его остановки минимизируется зазор в сопряжении вал-вкладыш.

Рисунок 1. Состояние трибосопряжения вал – вкладыш подшипника во время пуска судового дизеля:
а) смазочный материал со стандартной структурой смазочного слоя;
б) смазочный материал с ориентированной структурой молекул в граничном смазочном слое

Практические во всей технической литературе традиционно поведение смазочного материала, находящегося в зоне трения, рассматривается с позиции гидродинамической теории смазки, учитывающей только объемную вязкость смазочного материала. При этом предполагается, что природа поверхностей трения и их молекулярное взаимодействие с жидкостью, служащей смазкой, не изменяют свойств жидкости.

Однако, даже при большой толщине смазочного слоя и отсутствии скорости, смазочное действие зависит не только от объемных механических свойств смазки, но и от ее молекулярного взаимодействия с поверхностями трения [2, с. 31]. Это способствует образованию структурной ориентации молекул в граничном смазочном слое (рис. 1, б) и связанному с этим понижению пусковых моментов.

Наибольшая эффективность действия поверхностных сил наблюдается в непосредственной близости к поверхности твердой фазы. По мере удаления от границы твердой подложки действие этих сил убывает, но, в определенных условиях (специальный материал твердой подложи, химический состав используемой жидкости и специальных добавок к ней) возможно увеличение их радиуса действия. Из этого вытекает утверждение, то толщина смазочной прослойки, соответствующей граничному трению, зависит от глубины, на которую распространяется в жидкости молекулярное действие твердой поверхности.

Образование ориентированной структуры молекул препятствует контакту поверхностей А и В (рис. 1, б), повышая тем самым надежность работы трибологической системы вал – смазочный слой – вкладыш. Кроме того, в данном случае уменьшается относительное смещение осей вала и подшипника, по сравнению со случаем, когда их поверхности разделены смазочным материалом со стандартной структурой смазочного слоя, т.е. D₂<D₁ – рис. 1.

Неоднократно отмечалось, что характеристики тонких смазочных слоев, образующихся в условиях граничного трения, зависят не только от структурного состояния масла, но и от действия твердой подложки, вблизи которой они находятся. Образование вблизи твердой поверхности (особенно металлической) структурированных жидкокристаллических слоев с анизометричной формой молекул приводит к заметному отличию физических свойств тонких прослоек жидкости от их свойств в «объемной» фазе. Заметная структурная неоднородность граничных смазочных слоев, определяя неньютоновский характер вязкого течения, значительным образом влияет на диссипативные свойства смазочного материала, особенно в трибоузлах, работающих в режиме граничного и смешанного трения. Одним из параметров, величина которого имеет различное значение для случаев объемной жидкости и граничного слоя, является вязкость [4, с. 202].

С целью подтверждения этого высказывания выполнялось моделирование процессов трения, происходящих при смазывании подшипников коленчатого вала судового дизеля 8S30МЕ-В9 фирмы MAN-B&W. Основные характеристики дизеля:

тип дизеля – двухтактный, крейцкопфный;

номинальная мощность – N_ном=4240 кВт;

номинальная частота вращения – n_ном=172 об^–1;

количество цилиндров – 8;

диаметр цилиндра – D=0,3 м;

ход поршня – S=1,328 м.

Задачей исследования было определение стратификации вязкости масла, возникающей в граничном смазочном слое, разделяющем поверхности пары трения вал – вкладыш.

Определение вязкости масла в граничном смазочном слое при различных скоростях сдвига выполнялось с помощью ротационного вискозиметра, разработанного Б. А. Алтоизом и С. В. Кирияном [1, с. 314].

Работа вискозиметра (рис. 2) основана на определении момента сил вязкого трения, который возникает в прослойке жидкости между коаксиальными цилиндрами 6, 7 при вращении внешнего цилиндра в стакане 5. Привод осуществляется от электродвигателя 10 через ременную передачу 2 системы шкивов 1. Измерителем крутящего момента сил вязкого трения служит система противовесов 3. Возможность варьирования массой этих противовесов обеспечивает значительный диапазон измерений величины вязкости исследуемых масел (10…200 сСт) и скоростей их сдвиговых деформаций (до 1000 с^–1).

Рисунок 2. Схема ротационного вискозиметра:
1 – шкивы; 2 – ремень; 3 – грузы (противовесы); 4 – лимб; 5 – стакан (место посадки внешнего цилиндра); 6 – внешний цилиндр ротационной пары; 7 – внутренний цилиндр ротационной пары; 8 – зеркало; 9 – лазер; 10 – электродвигатель; 11 – электрический термометр сопротивления

По углу отклонения j луча, определяемого по лимбу 4, отраженного от зеркала 8 при его освещении лазером 9, рассчитывался возвращающий момент, компенсирующий момент сил вязкого трения. Ширина зазора между цилиндрами 6 и 7 (толщина прослойки жидкости) задается варьированием диаметров набора внутренних сменных цилиндров. Температурный режим в зоне контакта возможно изменять и контролировать с помощью электрического термометра сопротивления 11.

При этом для различной скорости сдвига возможно было определить вязкость смазочного материала в граничном смазочном слое n_гр. Ее величина определялись при толщине смазочного слоя 35 мкм, величина которого соответствовала эксплуатационному зазору в паре трения коленчатый вал – вкладыш подшипника. Значение объемной вязкости n_об определялось с помощью капиллярного вискозиметра фирмы Unitor. Эксперименты, как по определению объемной вязкости n_об, так и вязкость в граничном смазочном слое n_гр, проводились при температуре смазочного материала 40°С.

Исследования проводились для моторных масел MLC30 и HLX40 фирмы Castrol. Результаты измерений объемной вязкости, а также вязкости граничного смазочного слоя при различной скорости сдвига приведены в табл. 1 и проиллюстрированы на рис. 3.

Таблица 1.

Результаты реологических испытаний судовых масел

Рисунок 3. Зависимость вязкости моторного масла от скорости сдвига при толщине масляного слоя 20 мкм: а) масло MLC30 фирмы Castrol; б) масло HLX40 фирмы Castrol

Приведенная на рис. 3 зависимость n=f(g^/) свидетельствует о «неньютоновском» характере течения смазочного материала в узком зазоре пары трения вал – вкладыш подшипника и подтверждает утверждение, о том, что прилегающие к металлической поверхности триады трения граничные масляные слои более вязкие и обладают ориентационной упорядоченностью молекул.

В результате экспериментальных исследований установлено, что моторное масло, находящеесяя в узком зазоре трибологической системы коленчатый вал – вкладыш подшипника судовых малооборотных дизелей представляет собой радиально-анизотропную жидкость, которая характеризуется различными значениями вязкости по ширине масляного слоя.

Механические нагрузки, воздействующие на упорядоченные молекулярные слои граничного смазочного слоя, приводят к их деструкции, что вызывает снижение его вязкости и уменьшение демпфирующих свойств масла.

При увеличении частоты вращения вала дизеля в граничном масляном слое возникают сдвиговые усилия, способствующие уменьшению его вязкости. Этот факт необходимо учитывать при выборе сорта масла для смазывания подшипниковых узлов трения судовых дизелей, а также при определении браковочных показателей масла. Как в первом, так и во втором случае учитывается значение вязкости для большого объема жидкости, а эксплуатация трибосопряжения коленчатый вал – вкладыш подшипника происходит при значениях вязкости, характерных для граничного слоя.

Следует отметить, что при отсутствии сдвиговых нагрузок, а также при начальном движении контактируемых поверхностей, вязкость граничного смазочного слоя на 10…12% превышает объемную вязкость масла. Использование этого эффекта актуально для режимов пуска и реверса судовых дизелей, когда наблюдается минимальный зазор и минимальное количество смазочного материала в паре трения вал – вкладыш и не обеспечивается требуемая толщина и несущая способность масляного слоя.