Исследование и обоснование направлений технологической модернизации производства судовых малоразмерных дизелей

Развитие транспортных систем, в том числе морских и речных коммуникаций, рыбодобычи, малой энергетики в значительной степени определяется техническим уровнем, качеством изготовления и надежностью приводов энергетических установок, которыми в большинстве своем, являются поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Наибольший объем выпуска ДВС (более 80% по количеству и около 60% по мощности) составляют малоразмерные высокооборотные двигатели (по классификации В. А. Ваншейдта [1]). В судостроении пщроко используются СМД типов ч8,5/11 и ч9,5/11 (2-х, 4-х и 6-ти цилиндровые), рядные, нереверсивные, без наддува. СМД применяются в качестве главных двигателей на промысловых и рабочих лодках, катерах, на спасательных шлюпках, а также в качестве вспомогательных, для привода судовых электрогенераторов, насосов, компрессоров и различных комбинированных агрегатов. Широко применяются СМД в качестве двигателей для привода промышленных (стационарных и передвижных) энергетических установок (электрических и сварочных генераторов) [2].

Задачам повышения качества, надежности, технического уровня СМД типов ч8,5/11 и ч9,5/11 были посвящены многие исследования. Этими проблемами много и плодотворно занимались в ЦНИДИ под руководством Н. Н. Иванченко (одного из разработчиков данного типа двигателей), Б. Н. Семенова [3, 4.] и другие исследователи. Так, например, была решена важная научно-техническая проблема по внедрению в конструкцию СМД КС в поршне. Проблемами обеспечения качества и надежности СМД технологическими методами занимались в ЛКИ (СПбГМТУ), под руководством В. П. Булатова [5, 6.], а также в Дагестанском политехническом институте (техническом университете) под руководством В. Н. Бочкарева, А. Ф. Дорохова [ 7, 8, 9 ] и в Институте физики ДНЦ РАН под руководством М. М. Абачараева. Одним из наиболее значительных, в деле усовершенствования дизелей 6 рассматриваемых типов, был конструкторский и технологический вклад инженерно-технических работников ОАО «ДАГДИЗЕЛЬ». В частности представляют значительный технический интерес исследования по проблемам точности изготовления KB СМД [5, 8]. В результате проведенных исследований и выполненных ОКР, технический урЬвень СМД был в значительной степени повышен, что видно из таблицы 1.1. характеризующей динамику изменения эксплуатационных показателей в период с 1966 по 1998 гг. [10,11,12].

Таблица 1.1.

Эксплуатационные показатели судовых дизелей типов ч8,5/11 и ч9,5/11.

Показатели 1966;78гг. 1979;85гг. 1985;98гг.

1 .Литровая мощность, кВт/л 7−9,5 7−9,5 7−12,3.

2.Удельная масса, кг/кВт 12−16 12−16 8,8−9,2.

3.Удельный расход топлива, г/(кВтч)* 278 262 238−262**.

4.Среднее эффективное давление, МПа 0,565−0,63 0,565−0,63 0,565−0,68.

5.Средняя скорость поршня, м/с 5,5−6,6 5,5−7,0 5,5−8,8 б. Частота вращения KB, с" 1 25−30 25−31,75 25,8−40.

7.Удельный расход масла, (1,8% от удельного расхода топлива), г/(кВтч) 3,5 1,3−2,0 0,9−1,0.

8.Минимальная температура запуска, °С 15−20 15−20 (-Ю)-(-5).

9.Назначенный ресурс до капремонта, час 9000 10 000 16 000.

Ю.Назначенный ресурс до первой переборки, час 3000 4500 6000.

11 .Камера сгорания (тип) Вихревая Вихревая Вихревая и КС в поршне.

— при комплектации дизеля по ГОСТ 10 150–88- **-для дизелей с КС в поршне.

Однако, несмотря на достаточно высокие результаты, полученные в ходе работ по усовершенствованию СМД, эти двигатели, по своему техническому уровню, все же отстают от наиболее близких, по размерности и характеру выполняемых задач, зарубежных аналогов. Так, по данным ГУЛ «ГИПРОРЫБФЛОТ» [13, 14] дизели фирм «Янмар» (Япония), «Перкинс» (Великобритания), «Вольво-Пента» (Швеция) имеют более предпочтительные показатели по агрегатной и цилиндровой мощности, удельным расходам энергоносителей, массе (общей и удельной) и др. Следует отметить, что для дизелей одного назначения, мощности и частоты вращения KB, зарубежные 7 аналоги имеют значительно большую стоимость. Так, дизель производства «Вольво-Пента» ТАМ D31M, аналогичный дизелю Д€ 25(4ч8,5/11) имеет стоимость-11.000 $, против 2000 $ стоимости последнего.

В этой связи, прежде чем предлагать какие-либо мероприятия по дальнейшему совершенствованию и повышению технического уровня СМД следует проанализировать условия, в которых эксплуатируются отечественные малоразмерные дизели (на примере машин какого-то конкретного назначения). Так, все типоразмеры СМД, являясь конструкционно одинаковыми и изготавливаемыми по одинаковым технологиям, имеют значительные различия в целевых назначениях и, как следствие этого, существенные различия в условиях функционирования и обслуживания в процессе эксплуатации. Поэтому было бы рационально, с нашей точки зрения, выбрать дизели имеющие наиболее схожие условия функционирования при эксплуатации и приблизительно одинаковый уровень обслуживания, проанализировать качественные характеристики и определить степень их соответствия (по востребованности и затратам на их обеспечение) условиям эксплуатации и обслуживания. Такой анализ, для начала, необходимо выполнить для наиболее ответственных узлов или деталей функциональные, эксплуатационные и технологические параметры которых в наибольшей степени определяют работоспособность и экономическую целесообразность использования дизеля в реальных условиях эксплуатации.

С точки зрения схожести условий эксплуатации и уровня эксплуатационного обслуживания в относительно одинаковых условиях работают следующие модификации дизелей:

— ДС25 (4чСП8,5/11) — судовой дизель с реверсивно редукторной передачей РРП15−2, использующийся как главный двигатель на малых судах (промысловых ботах, лодках и катерах);

— ДП26 (4ч8,5/11) — промышленный дизель, используемый в качестве привода в стационарных и передвижных электроустановках (электрических генераторах переменного тока и электросварочных генераторах). 8.

Данные модификации дизелей имеют принципиально одинаковую конструкцию, за исключением ряда навесных агрегатов, состав и конструкция которых определяется целевым назначением дизелей. Основные узлы, элементы, механизмы и системы изготавливаются из одинаковых материалов по идентичным технологическим процессам (исключением являются зубчатые колеса привода вспомогательных механизмов). Эти двигатели функционируют в приблизительно одинаковых условиях эксплуатации и эксплуатационного обслуживания. Имеется в виду то, что их эксплуатируют и обслуживают не специально подготовленные, квалифицированные специалисты, а профильные работники, обслуживающие функциональные системы — судоводители малых судов, электросварщики и электромеханики, для которых профессия моториста является вспомогательной.

Объектами качественного анализа конструкции и технологии изготовления, применительно к условиям эксплуатации и обслуживания, предполагается принять следующие элементы:

— втулку цилиндра, как один из наиболее ответственных элементов, качество изготовления, которого в значительной степени определяет работоспособность дизеля и его эксплуатационные характеристики;

— коленчатый вал, как один из основных узлов, качество изготовления, которого определяет ресурс до капитального ремонта и безотказность работы дизеля.

Следует отметить, что исследуемые СМД, помимо частных проблем конструкторского и технологического характера, являются еще и морально устаревшими машинами, находящимися в производстве почти 50 лет при одних и тех же размерных соотношениях, ограничивающих возможности их совершенствования. Однако, в существующих финансово-экономических и организационных условиях других отечественных дизелей для замены вышеназванных нет и не предвидится в ближайшей, а возможно и в более дальней перспективе. В этой связи работы, направленные на решение задачи приведения в соответствие качественного и технического уровня 9 существующих машин их стоимости, в зависимости от целевого назначения дизелей, следует считать актуальными и целесообразными при условии их экономической эффективности как для производителей, так и для потребителей.

Целью диссертационной работы является обеспечение эксплуатационного качества при производстве СМД типов ч8,5/11 и ч9,5/11 путём модернизации конструкции и совершенствования технологии изготовления наиболее ответственных и дорогостоящих элементов.

В соответствии с поставленной целью должны быть решены следующие научно-технические задачи:

— анализ конструкции, технологии производства и условий эксплуатации СМД;

— расчетно-аналитическое исследование характеристик качества основных элементов СМД;

— обоснование принципа «эксплуатационного качества» в производстве СМД и их системный анализ;

— технико-экономическое обоснование целесообразности применения конструкторско-технологической модернизации СМД.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения и технологическая кибернетика» Дагестанского Государственного технического университета (ДГТУ). Экспериментальные исследования производились в отраслевой научно-исследовательской и конструкторско-технологической лаборатории (ОНИКТЛ) по судовым дизелям малой мощности при ДГТУ, а также в испытательно-исследовательских лабораториях ОАО «ДАГДИЗЕЛЬ» (г. Каспийск) и на базе ЗАО «СУДОРЕМОНТ» и «ЦДМ-ДИЗЕЛЬ» (г. Махачкала).

Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

1. Уточнен ряд показателей надежности и качества СМД и их основных элементов.

2. Обоснована целесообразность проведения конструкторскотехнологической модернизации ряда типоразмеров СМД (ДС 25, ДП 26);

3. Впервые теоретически обоснована целесообразность применения принципа «эксплуатационного качества» в производстве СМД;

4. Впервые предложена и обоснована системная модель СМД;

5. Впервые представлен критерий оптимальности системы СМД;

6. Решена задача технико-экономического обоснования целесообразности модернизации СМД с применением принципа «эксплуатационного качества».

Практическая значимость работы. Результаты, полученные в диссертационной работе направлены на совершенствование производства СМД типов ч8,5/11 и ч9,5/11, СЭУ на их базе (главных и вспомогательных), а также различных комбинированных агрегатов в существующих условиях низкого уровня производства и новых рыночных отношениях. В частности, результаты работы окажутся полезными при модернизации производства СМД качество и затраты на производство которых были бы адекватны реальным условиям их востребованности в эксплуатации.

Результаты исследований характеристик качества основных элементов СМД могут быть использованы в работах по исследованию и проектированию большинства типов малоразмерных ДВС судового, транспортного и промышленного назначения.

Достоверность результатов работы. Результаты расчетно-аналитических исследований были получены путем применения методов математического анализа и математического моделирования, а также теории прочности конструкций, положений системного анализа и технологии машиностроения.

Полученные результаты сравнивались с результатами исследований других авторов, полученных иными методами, а также с результатами натурных экспериментов и промышленных испытаний, проводимых подразделениями независимых организаций (ОАО «ДАГДИЗЕЛЬ», АО «СУДОРЕМОНТ», АО «ДЦМ-ДИЗЕЛЬ»).

На защиту выносятся следующие положения.

1 .Теоретическое и экспериментальное обоснование необходимости учета конструкторско-технологических факторов и модернизации деталей в обеспечении эксплуатационного качества при производстве СМД.

2.0боснование целесообразности применения высокопрочного чугуна при изготовлении KB судовых дизелей.

3.Обоснование возможности комплектации дизелей ч8,5/11 и ч9,5/11, эксплуатирующихся на малых рыбопромысловых судах и в дизель-генераторах сварочных агрегатов, втулками цилиндров не подвергнутыми специальной термической и химико-термической обработке.

Апробация работы. Основные результаты были представлены: на научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения и пути их решения» (Махачкала, Дагестанский государственный технический университет, 1997) — на ежегодном международном заочном симпозиуме молодых ученных и студентов «Повышение технико-экономического уровня и управление качеством изделий на основе энергоресурсосберегающих технологий при их проектировании и производстве» (Пензенский государственный университет, 1999). Результаты диссертации также докладывались и обсуждались: на ежегодных семинарах кафедры ТМ и ТК ДГТУ 1997;2001 г., на постоянно действующем межведомственном семинаре «Актуальные проблемы судовой энергетики» (Астраханский государственный технический университет, 2000 и 2001 г.г.), 51-ой научно технической конференции АГТУ и на семинарах кафедры технологии металлов Грозненского государственного нефтяного института 2000;20 002 г.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 научных работах.

Диссертация состоит из 6-ти глав (включая введение и заключение), библиографии и приложений. Содержит 131 страницу текста, 16 таблиц и 15 рисунков.

Список использованных источников

имеет 128 наименований.

Выводы.

Выполненный технико-экономический анализ показал, по основным определяющим технико-экономическим показателям модернизированный дизель находится на уровне лучших отечественных и зарубежных аналогов данного класса и лишь на 10.11% уступает идеальному гипотетическому двигателю.

Стоимость анализируемого двигателя примерно на 30% ниже стоимости ближайшего аналога и прототипа — дизеля ДС25М.

Анализ также показал, что для дальнейшего повышения технического уровня оцениваемого дизеля его следует форсировать по скоростной характеристике до частоты вращения п=2000.2300 мин'1, тем более, что это не связанно с дополнительными затратами в производстве.

Заключение

Основные выводы.

На основании выполненных в диссертационной работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Технология производства дизелей базируется на традиционных, для дизелестроения в целом, принципах которые направлены на достижение качества регламентированного требованиями ГОСТ 10 150–88 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Общие технические условия».

2. Практика показывает, что почти 100% всех дизелей, установленных на малых рыбопромысловых судах, выходят из строя после 2000;2500 часов эксплуатации, при назначенном ресурсе в 5000 часов, по причинам не связанным с отказом КШМ и ЦПГ.

3. Приведя в соответствие реально востребованный эксплуатацией срок службы дизелей с их производственным обеспечением, можно снизить себестоимость их изготовления, что в значительной степени увеличит востребованность данных дизелей и комбинированных агрегатов на их базе в сфере малого предпринимательства.

4. Установлено, что дизели ч8,5/11 и ч9,5/11, эксплуатирующиеся на малых рыбопромысловых судах в сварочных агрегатах, дизель электростанциях срок службы которых, в силу специфических условий эксплуатации ограничиваются 2500−3000 часами могут быть укомплектованы втулками цилиндров, не подвергнутыми специальной химико-термической обработке.

5. В условиях предприятий, где существует производство стального литья по выплавляемым моделям, переход на производство отливок из высокопрочного чугуна не вызывает изменения технологии изготовления моделей и керамических оболочек форм.

6. Установлено, что незакаленные ТВЧ шейки коленчатого вала дизеля ДС25М удовлетворяют требованиям обеспечения усталостной прочности и нормальных условий работы подшипников.

7. Установлено, что при отливке заготовок коленчатых валов из высокопрочного можно создать конструкцию с характеристиками прочности практически такими же высокими как у стального кованного вала при одинаковых диаметрах шеек и других основных размерах колена.

8. Выполненный технико-экономический анализ показал, по основным определяющим технико-экономическим показателям модернизированный дизель находится на уровне лучших отечественных и зарубежных аналогов данного класса и лишь на 10. 11% уступает идеальному гипотетическому двигателю. Стоимость модернизированного двигателя примерно на 30% ниже стоимости ближайшего аналога и прототипа — дизеля ДС25М.

9. Эксплуатация опытной партии модернизированных дизелей в Астраханской области подтвердила целесообразность проведения конструкторско — технологической модернизации.