Безразборная диагностика турбокомпрессоров двигателей КамАЗ

На современном этапе развития технического сервиса предусмотрен ряд мероприятий, направленных на поддержание работоспособности агрегатов и автомобиля в целом, но нарушение сроков проведения работ и правил эксплуатации приводит к преждевременному выходу из строя агрегатов, что, в свою очередь, ведет к увеличению затрат на эксплуатацию. Безразборная диагностика агрегатов является перспективным направлением диагностики, особенно это относится к диагностике таких сложных систем, как двигатель. Данный метод диагностики позволяет установить фактическое техническое состояние узлов и агрегатов за счет проведения непрерывного или периодического контроля параметров, определяющих техническое состояние узла или агрегата, с целью поддержания заданного уровня его надежности в эксплуатации на период до следующей проверки или ремонта [1]. На основе данных диагностики – производить замену узлов и агрегатов при достижении ими предотказного состояния. Внедрение методов безразборной диагностики позволит более полно использовать ресурс машин благодаря переходу от технического обслуживания по регламенту к обслуживанию по состоянию. Прогнозирование изменения технического состояния машин, на основании которого оценивается остаточный ресурс, позволит избежать экономических издержек от аварийных остановок.

Объекты и методы

В системах наддува дизельных двигателей КамАЗ-740 в зависимости от марки двигателя применяют одноступенчатые турбокомпрессоры марок ТКР 7С-6, ТКР 7С-9 (рис. 1) или К27-115, а также турбокомпрессоры S2B/7624TAE/0,76 D9 фирмы Schwitzer, работающие парно. Конструктивно турбокомпрессор включает в себя три основных элемента: компрессор, турбину и корпус подшипников, оснащенный ротором.

Основными неисправностями турбокомпрессоров являются: течь масла в корпус компрессора или турбины, износ упорного и опорных подшипников, посадочных мест корпуса подшипников, уплотнительных колец, абразивный износ и механические повреждения лопаток на колесе компрессора и турбины, растрескивание корпуса турбины, самопроизвольное откручивание гайки ротора, коксование деталей продуктами деструкции масла. Преждевременный износ деталей турбокомпрессора может быть вызван различными факторами, такими, как применение некачественного или неподходящего моторного масла, нарушение срока замены масла и фильтров, «масляное голодание» турбины, некачественная очистка поступающего воздуха. Статистические данные говорят о том, что: 40% повреждений турбокомпрессора вызвано попаданием посторонних предметов в области лопаток и турбинного колеса; 40% повреждений турбокомпрессора автомобильного приходятся на неисправности и неполадки в системе смазки; 20% – другие причины. При этом 25% всех отказов двигателя приходится на турбокомпрессоры. Более 80% отказов турбокомпрессоров приходится на подшипниковый узел [2].

Рис. 1. Турбокомпрессор ТКР 7С: 1 – колесо компрессора; 2 – диффузор;

3 – корпус компрессора; 4, 10 – уплотнительные кольца; 5 – крышка; 6 – упорный подшипник;

7 – корпус подшипников; 8 – подшипник; 9 – стопорное кольцо; 11 – корпус турбины;

12 – колесо турбины; 13 – экран турбины; 14, 17 – болты с планками; 15 – вал ротора;

16 – маслосбрасывающий экран; 18 – втулка; 19 – маслоотражатель; 20 – гайка

Дефекты, связанные с износом и механическим повреждением деталей турбокомпрессора, приводят к нарушению динамического баланса ротора компрессора, а то, что частота вращения ротора данных моделей при номинальной мощности двигателя достигает 90000– 95000 мин–1, в определенных ситуациях может привести к полному разрушению ротора.

Практика эксплуатации турбокомпрессоров ТКР 7С в составе автомобильных дизелей КамАЗ-740 показала, что надежность подшипниковых узлов недостаточна. При эксплуатации двигателей наблюдается преждевременный выход турбокомпрессоров из строя. При диагностике подшипниковых узлов турбокомпрессора контролируемым параметром является радиальный и осевой зазор между валом и подшипниками, который выражается в осевом и радиальном перемещении ротора, но при этом необходимо снятие турбокомпрессора с двигателя и его разборка, что увеличивает время простоя и стоимость ремонта.

При безразборной виброакустической диагностике проверяемым параметром являются колебания ротора, что выражается в соударениях между деталями турбокомпрессора и может быть выявлено диагностическими приборами. В виброакустической диагностике используют приборы, улавливающие акустические сигналы, такие как удары и трение деталей друг о друга, газодинамические процессы, неуравновешенность движущихся и вращающихся масс. Все они проявляются при различных режимах работы турбокомпрессора. Алексеев О.А. в своей работе [3] предлагает следующую классификацию источников шума и вибраций в турбокомпрессорах (рис. 2):

Рис. 2. Классификация источников шума и вибраций в турбокомпрессорах

Самый простой сигнал, встречающийся на всех турбокомпрессорах, – это шум работы турбины и компрессора, вызванный тем, что на колесах турбины и компрессора расположены лопатки. Вращаясь, турбина и колесо периодически захватывают порцию отработавших газов или воздуха с частотой, равной:

f =

n • to

, Гц,

где n – количество лопаток турбины или компрессора, шт.; ω – частота вращения турбины, мин^–1.

Результаты исследований

Далее проведем силовой анализ турбокомпрессора, представленный на рис. 3, сделаем допущение, что ротор турбокомпрессора, состоящий из колеса турбины 4 , колеса компрессора 5 , оси ротора 1 , подшипников 2 и 3 вращается равномерно, при этом на ротор действуют следующие силы: mg – вес ротора, приходящийся на подшипники в равномерной мере и проявляющийся в силах F п^// и F п^/ . На турбину 4 действуют сила давления отработавших газов F г . На колесо компрессора 5 действуют сила разряжения воздуха во впускном коллекторе F раз и сила сопротивления воздуха F в . Силы F г . и F в действуют с некоторым смещением от центра вращения ротора и создают крутящий момент, который передается через ось ротора от колеса турбины к колесу компрессора.

Рис. 3. Схема ротора турбокомпрессора с подшипниками: 1 – вал ротора;

2 – подшипник; 3 – упорный подшипник; 4 – колесо турбины;

5 – колесо компрессора; 6 – слой масла в подшипнике

Если провести анализ действия сил, то при нарушении зазора в подшипнике в точке В (рис. 2) и действия силы давления отработавших газов F г на колесо турбины возникнет колебательная система маятникового типа с точкой крепления маятника в точке С . В свою очередь, данные колебания вызовут акустический эффект в виде шума с определенной частотой. И наоборот, при нарушении зазора в подшипнике в точке С возникнет колебательная система, которая также вызовет акустический эффект.

Заключение

При наличии дисбаланса ротора или колес возникнет акустический эффект, который будет выделяться на фоне других шумов и вибраций. После проведения необходимых теоретических и экспериментальных исследований, направленных на поиск акустических характеристик турбокомпрессоров, появится возможность безразборной диагностики турбокомпрессоров с помощью компьютеризированных систем с выдачей диагноза.