Трение в двигателе: откуда оно берется и как с ним бороться

Трение в двигателе: откуда оно берется и как с ним бороться

Для качественного ремонта двигателя недостаточно знать технологии ремонта, особенности его конструкции и иметь необходимую техдокументацию, инструмент, оборудование и уметь всем этим пользоваться. Работа моториста, особенно при ремонте современных моторов, сродни творчеству, его действия могут расходиться с рекомендациями в руководствах по ремонту. Иногда приходится принимать нестандартные решения и разбираться в разного рода «высоких материях», среди которых процессы трения занимают далеко не последнее место.

Процессы трения происходят во всех без исключения движущихся парах деталей двигателя. Как любой фундаментальный процесс, трение имеет две ипостаси: с одной стороны, без него работу двигателя трудно представить (взять хотя бы резьбовые соединения, которые сразу же ослабнут), а с другой — трение наносит двигателю необратимый вред. Именно оно делает свое «черное» дело, вызывая износ деталей, из-за которого двигатель попадает в ремонт.

Кроме того, трениe оказывается причиной потери мощности двигателя, при этом увеличиваясь с ростом частоты вращения и нагрузки. Совершенно очевидно, что учет факторов трения при проектировании, изготовлении и последующем ремонте двигателя обеспечивает повышение износостойкости деталей — их способности противостоять изменению размеров при работе. А потому вопросы, связанные с трением, не оставят равнодушными ни любителей мощных моторов, ни сторонников экономичной езды.

Трение и мощность

Влияние трения на мощность (и, соответственно, экономичность) двигателя принято оценивать с помощью механического КПД:

где Ni — так называемая индикаторная (теоретическая) мощность, не учитывающая потери, Ne — эффективная (действительная) мощность, определяемая при испытаниях двигателя на стенде.
Мощность Ne меньше Ni на величину механических потерь Nm. Тогда:

Очевидно, в гипотетическом случае, когда потери отсутствуют, Nm=0, hm=1, а мощность двигателя максимальна, т.е. Ne=Ni. В действительности это невозможно — потери в двигателе есть всегда. Причем, помимо потерь на трение сопряженных деталей, выделяют еще целый ряд других потерь:
— потери на трение деталей о воздух, газ или жидкость. Такие потери (их также называют вентиляционными) возникают при движении поршней, шатунов, вращении коленвала;
— потери на привод агрегатов (масляного, водяного, топливного насосов, генератора, распределителя зажигания и др.);
— насосные потери, возникающие при очистке и наполнении цилиндров, когда поршни совершают в цилиндре так называемые насосные ходы на тактах выпуска и впуска.

В сумме все потери составляют весьма значительную величину — на их преодоление затрачивается до 20-25% мощности работающего двигателя. Причем чем больше частота вращения, тем выше абсолютная величина потерь. Со снижением числа оборотов абсолютное значение потерь мощности, естественно, снижается, но возрастает их относительная доля. На холостых оборотах вся эффективная мощность Ne идет на преодоление внутренних потерь и hm двигателя становится равным нулю, т.е. потери составляют 100%.

Разделить суммарные потери на составляющие непросто. Обычно такие данные получают при холодной прокрутке двигателя, последовательно снимая с него те или иные детали и узлы. На рабочих режимах нагрузки на детали КШМ и ЦПГ заметно выше, что вызывает изменение вклада отдельных составляющих, в первую очередь потерь на трение поршневых колец и юбок поршней о цилиндры. Однако в любом случае потери на трение сопряженных деталей в двигателе составляют не менее двух третей, из которых более половины приходится на трение поршней и поршневых колец.

Итак, получается, что двигатель мощностью 100 л.с. вполне мог бы выдать и 120 л.с., если бы не потери на трение. Другими словами, внутри самого двигателя скрыта, как некий резерв, дополнительная мощность. Весь вопрос в том, можно ли этим воспользоваться на практике.

Как снизить трение?

Очевидно, совсем «убрать» трение из двигателя невозможно. Более того, даже значительно снизить его величину оказывается достаточно большой проблемой. Хотя, если не торопиться, кое-что все-таки можно сделать.

А где и когда закладывается тот уровень потерь на трение, который двигатель конкретного автомобиля бесполезно «перегоняет» в тепло и в конечном счете рассеивает в окружающую среду? Не ошибемся, если скажем: еще при разработке двигателя. Действительно, от того, насколько грамотно сконструирован мотор, зависят его параметры, включая уровень потерь.

Начнем с цилиндропоршневой группы, точнее, с усилий, действующих на поршень. Например, в ВМТ, как известно, происходит перекладка поршня — изменение направления действия сил с одной стороны юбки на другую. При этом сгорание топлива приводит к возрастанию силы давления газов Р, передаваемой на соединение пальца с поршнем и шатуном. Это вызывает и рост силы трения Ртр в соединении согласно известной формуле

Ртр=kР, где k — коэффициент трения.

Смотрим дальше — вблизи ВМТ нижняя головка шатуна перемещается на шатунной шейке в направлении, перпендикулярном оси шатуна: фактически шатун быстро поворачивается на поршневом пальце. Но там резко выросла сила трения! Значит, поршень будет стремиться повернуться на пальце вместе с шатуном, со всей силой вдавливаясь юбкой в стенку цилиндра.

Здесь действует закон — чем больше сила давления юбки на стенку, тем выше и сила трения юбки. И теперь надо приложить немало сил, чтобы двигать поршень вниз. Короче, затратить мощность, чтобы преодолеть силы трения.

Можно ли бороться с описанным явлением? Да, борются, как могут — к примеру, смещают ось пальца на поршне от оси цилиндра в сторону, противоположную движению нижней головки шатуна. В этом случае появляется компенсирующий разворачивающий момент: сила давления газов действует на плечо, равное смещению оси пальца, и стремится развернуть поршень в направлении, противоположном «перекладке», тем самым уменьшая давление юбки на стенку цилиндра.

И все бы хорошо, если бы не вмешивались силы инерции: поворот шатуна на шатунной шейке при опоре на палец приводит к появлению на поршне дополнительной боковой силы. Не отстает и сам поршень — его торможение и ускорение вблизи мертвых точек также вызывает дополнительную нагрузку на палец (и, соответственно, на юбку). Причем все эти нагрузки повышаются с ростом частоты вращения.

Дальнейшие действия конструкторов понятны: если снизить массу вращающихся и поступательно движущихся деталей, можно уменьшить силы инерции и связанную с ними силу давления юбки на стенку цилиндра. Это особенно важно для современных высокооборотных двигателей. И именно это обстоятельство заставило в конечном счете перейти от традиционных еще в 70-х годах тяжелых и высоких поршней и шатунов к легким ажурным конструкциям конца 90-х — волна всеобщего укорочения юбок поршней, уменьшения длины и диаметра пальцев, длины и сечений стержня шатунов прокатилась от Японии через Европу в Америку. Конечно, не обошлось без «жертв» — для воплощения этих идей потребовалось улучшить и материалы, и технологию производства. Однако «игра стоила свеч».

Еще один относительно новый способ снижения трения — нанесение на юбку поршня специального антифрикционного покрытия (чаще используют графит, реже — дисульфид молибдена). Такое покрытие хорошо работает в режиме так называемого полужидкостного трения, когда происходит соприкосновение поверхностей по вершинам микронеровностей.

При движении поршня с большой скоростью снижению трения способствует и другое решение — специальный гидродинамический микропрофиль юбки в виде микрорезьбы с шагом 0,2-0,5 мм, глубиной впадин 0,005-0,01 мм и углом профиля 165-170о. Именно так удается добиться «всплытия» юбки на масляной пленке.

Возможность снижения потерь на трение заложена и в поршневых кольцах. Опыт показывает, что переход на тонкие поршневые кольца малой высоты позволяет у высокооборотных двигателей снизить не только трение, но и такие параметры, как прорыв газов и расход масла. Именно эти преимущества обусловили за последние 10-15 лет постепенное уменьшение высоты колец: до 1,0-1,2 мм у компрессионных и до 2,0-2,5 у маслосъемных.

Но вернемся к трению в других узлах движения. Еще одна заметная составляющая потерь находится в газораспределительном механизме. В самом деле, жесткие пружины клапанов нелегко продавить, и чем больше усилия, тем выше потери мощности на привод ГРМ. Выход один — уменьшение жесткости пружин. Но само по себе это невозможно — на высоких частотах вращения клапаны будут «зависать» в открытом положении. Остается уменьшить массу клапанов и толкателей.

Именно этот путь снижения потерь постепенно реализуется с конца 80-х годов. Так, диаметр стержней клапанов в «двухклапанных» головках уменьшился с 8-11 мм до 6,5-8 мм, а в многоклапанных — до 5,5-6 мм и даже до 5 мм. Кстати, переход на многоклапанные головки, как известно, позволил значительно улучшить очистку и наполнение цилиндров, снизив тем самым насосные потери.

Конструкторы не обошли вниманием и подшипники. На смену широким шейкам и таким же вкладышам коленчатого вала пришли узкие — ширина подшипников на некоторых двигателях уменьшилась до 15-17 мм, что заметно снизило потери на трение.

Однако конструктивными мероприятиями способы снижения потерь в двигателях не исчерпываются. Немало можно добиться правильным выбором технологии производства, кое-что можно сделать в эксплуатации, а выполняя ремонт, важно не превысить тот уровень потерь, который был задан производителем. Кроме того, в борьбе за снижение трения нельзя забывать и об износе деталей, чтобы не потерять ресурс.

Энергосбережение при эксплуатации электродвигателей

В соответствии с Федеральным законом РФ «Об энергосбережении» на промышленном предприятии должны быть разработаны мероприятия по экономии электроэнергии применительно к каждой электроустановке. В первую очередь это относится к электромеханическим устройствам с электрическим приводом, основной элемент которого электродвигатель. Известно, что более половины всей производимой в мире электроэнергии потребляется электродвигателями в электроприводах рабочих машин, механизмов, транспортных средств. Поэтому меры по экономии электроэнергии в электроприводах наиболее актуальны.

Задачи энергосбережения требуют оптимального решения не только в процессе эксплуатации электрических машин, но и при их проектировании. В процессе эксплуатации двигателя значительные потери энергии наблюдаются в переходных режимах и в первую очередь при его пуске.

Потери энергии в переходных режимах могут быть заметно снижены за счет применения двигателей с меньшими значениями моментов инерции ротора, что достигается уменьшением диаметра ротора при одновременном увеличении его длины, так как мощность двигателя при этом должна оставаться неизменной. Например, так сделано в двигателях краново-металлургических серий, предназначенных для работы в повторно-кратковременном режиме, с большим числом включений в час.

Эффективным средством снижения потерь при пуске двигателей является пуск при постепенном повышении напряжения, подводимого к обмотке статора. Энергия, расходуемая при торможении двигателя, равна кинетической энергии, запасенной в движущихся частях электропривода при его пуске. Энергосберегающий эффект при торможении зависит от способа торможения. Наибольший энергосберегающий эффект происходит при генераторном рекуперативном торможении с отдачей энергии в сеть. При динамическом торможении двигатель отключается от сети, запасенная энергия рассеивается в двигателе и расхода энергии из сети не происходит.

Наибольшие потери энергии наблюдаются при торможении противовключением, когда расход электроэнергии равен трехкратному значению энергии, рассеиваемой в двигателе при динамическом торможении. При установившемся режиме работы двигателя с номинальной нагрузкой потери энергии определяются номинальным значением КПД. Но если электропривод работает с переменной нагрузкой, то в периоды спада нагрузки КПД двигателя понижается, что ведет к росту потерь. Эффективным средством энергосбережения в этом случае является снижение напряжения, подводимого к двигателю в периоды его работы с недогрузкой. Этот способ энергосбережения возможно реализовать при работе двигателя в системе с регулируемым преобразователем при наличии в нем обратной связи по току нагрузки. Сигнал обратной связи по току корректирует сигнал управления преобразователем, вызывая уменьшение напряжения, подводимого к двигателю в периоды снижения нагрузки.

Если же приводным является асинхронный двигатель, работающий при соединении обмоток статора «треугольником», то снижение подводимого к фазным обмоткам напряжения можно легко реализовать путем переключения этих обмоток на соединение «звездой», так как в этом случае фазное напряжение понижается в 1,73 раза. Этот метод целесообразен еще и потому, что при таком переключении повышается коэффициент мощности двигателя, что также способствует энергосбережению.

При проектировании электропривода важным является правильный выбор мощности двигателя. Так, выбор двигателя завышенной номинальной мощности ведет к снижению его технико-экономических показателей (КПД и коэффициента мощности), вызванных недогрузкой двигателя. Такое решение при выборе двигателя ведет как к росту капитальных вложений (с ростом мощности увеличивается стоимость двигателя), так и эксплуатационных расходов, поскольку с уменьшением КПД и коэффициента мощности растут потери, а, следовательно, растет непроизводительный расход электроэнергии. Применение двигателей заниженной номинальной мощности вызывает их перегрузку при эксплуатации. Вследствие этого растет температура перегрева обмоток, что способствует росту потерь и вызывает сокращение срока службы двигателя. В конечном счете возникают аварии и непредвиденные остановки электропривода и, следовательно, растут эксплуатационные расходы. В наибольшей степени это относится к двигателям постоянного тока из-за наличия у них щеточно-коллекторного узла, чувствительного к перегрузке.

Большое значение имеет рациональный выбор пускорегулирующей аппаратуры. С одной стороны, желательно, чтобы процессы пуска, торможения реверса и регулирования частоты вращения не сопровождались значительными потерями электроэнергии, так как это ведет к удорожанию эксплуатации электропривода. Но, с другой стороны, желательно, чтобы стоимость пускорегулирующих устройств не была бы чрезвычайно высокой, что привело бы к росту капитальных вложений. Обычно эти требования находятся в противоречии. Например, применение тиристорных пускорегулирующих устройств обеспечивает наиболее экономичное протекание процессов пуска и регулирования двигателя, но стоимость этих устройств пока еще остается достаточно высокой. Поэтому при решении вопроса целесообразности применения тиристорных устройств следует обратиться к графику работы проектируемого электропривода. Если электропривод не подвержен значительным регулировкам частоты вращения, частым пускам, реверсам и т.п., то повышенные затраты на тиристорное либо другое дорогостоящее оборудование могут оказаться неоправданными, а расходы, связанные с потерями энергии, — незначительными. И наоборот, при интенсивной эксплуатации электропривода в переходных режимах применение электронных пускорегулирующих устройств становится целесообразным. К тому же следует иметь в виду, что эти устройства практически не нуждаются в уходе и их технико-экономические показатели, включая надежность, достаточно высоки. Необходимо, чтобы решение по применению дорогостоящих устройств электропривода подтверждалось технико-экономическими расчетами.

Решению проблемы энергосбережения способствует применение синхронных двигателей, создающих в питающей сети реактивные токи, опережающие по фазе напряжение. В итоге сеть разгружается от реактивной (индуктивной) составляющей тока, повышается коэффициент мощности на данном участке сети, что ведет к уменьшению тока в этой сети и, как следствие, к энергосбережению. Эти же цели преследует включение в сеть синхронных компенсаторов. Примером целесообразного применения синхронных двигателей является электропривод компрессорных установок, снабжающих предприятие сжатым воздухом. Для этого электропривода характерен пуск при небольшой нагрузке на валу, продолжительный режим работы при стабильной нагрузке, отсутствие торможений и реверсов. Такой режим работы вполне соответствует свойствам синхронных двигателей.

Используя в синхронном двигателе режим перевозбуждения, можно достичь значительного энергосбережения в масштабе всего предприятия. С аналогичной целью применяют силовые конденсаторные установки («косинусные» конденсаторы). Создавая в сети ток, опережающий по фазе напряжение, эти установки частично компенсируют индуктивные (отстающие по фазе) токи, что ведет к повышению коэффициента мощности сети, а следовательно, к энергосбережению. Наиболее эффективным является применение конденсаторных установок типа УКМ 58 с автоматическим поддержанием заданного значения коэффициента мощности и со ступенчатым изменением реактивной мощности в диапазоне от 20 до 603 квар при напряжении 400 В.

Необходимо помнить, что энергосбережение направлено на решение не только экономических, но и экологических проблем, связанных с производством электроэнергии.

Потери энергии и кпд асинхронных двигателей

В электрическом двигателе при преобразовании одного вида энергии в другой часть энергии теряется в виде теплоты, рассеиваемой в различных частях двигателя. В электрических двигателях имеются потери энергии трех видов: потери в обмотках , потери в стали и механические потери . Кроме того, имеются незначительные добавочные потери .

Потери энергии в асинхронном двигателе рассмотрим при помощи его энергетической диаграммы (рис. 1). На диаграмме Р1 — мощность, подводимая к статору двигателя из сети. Основная часть Рэм этой мощности, за вычетом потерь в статоре, передается электромагнитным путем на ротор через зазор. Рэм называется электромагнитной мощностью.

Рис. 1. Энергетическая диаграмма двигателя

Потери мощности в статоре складываются из потерь мощности в его обмотке P об1 = m1 х r1 х I1 2 и потерь в стали P с1 . Мощность P с1 является потерями на вихревые токи и на перемагничивание сердечника статора.

Потери в стали имеются и в сердечнике ротора асинхронного двигателя, но они невелики и могут не приниматься во внимание. Это объясняется тем, что скорость вращения магнитного потока относительно статора n0 во много раз больше скорости вращения магнитного потока относительно ротора n0 — n , если скорость вращения ротора а синхронного двигателя n соответствует устойчивой части естественной механической характеристики.

Механическая мощность асинхронного двигателя Рмх, развиваемая на валу ротора, меньше электромагнитной мощности Рэм на значение мощности P об2 потерь в обмотке ротора:

Рмх = Рэм — P об2

Мощность на валу двигателя:

где p мх — мощность механических потерь, равная сумме потерь на трение в подшипниках, на трение вращающихся частей о воздух (вентиляционные потери) и на трение щеток о кольца (для двигателей с фазным ротором).

Электромагнитная и механическая мощности равны:

Рэм = ω0 M , Рмх = ω M ,

где ω0 и ω — синхронная скорость и скорость вращения ротора двигателя; М — момент, развиваемый двигателем, т. е. момент, с которым вращающееся магнитное поле действует на ротор.

Из этих выражений следует, что мощность потерь в обмотке ротора:

или P об2 = s х P эм

В случаях, когда известно активное сопротивление г2 фазы обмотки ротора, потери в этой обмотке могут быть найдены также из выражения P об2 = m 2 х r 2 х I2 2 .

В асинхронных электродвигателях имеются также добавочные потери, обусловленные зубчатостью ротора и статора, вихревыми токами в различных конструктивных узлах двигателя и другими причинами. При полной нагрузке двигателя потери P д принимаются равными 0,5% его номинальной мощности.

Коэффициент полезного действия (КПД) асинхронного двигателя:

η = P2 / P1 = (P1 — (P об — P с — P мх — P д) ) / P1,

где Роб = P об 1 + Роб2 — суммарная мощность потерь в обмотках статора и ротора асинхронного двигателя.

Поскольку общие потери зависят от нагрузки, то и КПД асинхронного двигателя является функцией нагрузки.

На рис. 2, а дана кривая η = f (Р/Рном), где Р/Рном — относительная мощность.

Рис. 2. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Асинхронный электродвигатель конструируется так, чтобы максимум ее коэффициента полезного действия η max имел место при нагрузке, несколько меньшей номинальной. КПД двигателя достаточно высок и в широком диапазоне нагрузок (рис. 2, а). Для большинства современных асинхронных двигателей КПД имеет значение 80 — 90%, а для мощных двигателей 90 — 96%.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Что такое относительные потери в двигателе

Механический коэффициент полезного действия, равный отношению среднего эффективного давления к среднему индикаторному, оценивает механические потери в двигателе:

Механический к. п. д. можно выразить и через мощности двигателя:

Таким образом, механический к. п. д. показывает в долях единицы или в процентах ту часть индикатор­ной мощности, которая передается на фланец коленчатого вала.

Анализ механических потерь в двигателе, выполненный нами ранее, позволяет сделать заключение, что значение механического к. п. д. двига­теля зависит: от степени быстроходности двигателя, от величины давления газов цикла и динамики его изменения, от качества изготовления и сборки деталей двигателя, от качества смазочного масла, от теплового состояния двигателя и режима загрузки его, от мощности навешенных вспомогатель­ных механизмов и от сопротивлений во впускной и выпускной системах двигателя.

При прочих равных условиях механический к. п. д. двигателя является функцией отношения среднего эффективного давления к максимальному давлению цикла; чем больше это отношение, тем выше механический к. п. д.

При уменьшении нагрузки на двигатель (сохраняя при этом число оборотов вала неизменным) мощность механических потерь N _mex примерно остается постоянной, а потому относительное ее значение возрастает и ме­ханический к. п. д. падает.

На рис. 105 приведены кривые изменения механического к. п. д. ? _т при полной нагрузке (сплошные кривые) и при 30 % нагрузки (пунктирные кри­вые) двигателя с воспламенением от сжатия (кривая В; ? = 16) и двигателя с воспламенением от искры (кривая А; ? = 6). Данные кривые показывают, что при уменьшении нагрузки на двигатель при неизменном числе оборотов ? _т значительно падает. Следует заметить, что при холостом ходе двигателя N _e == 0) из формулы (139а)

Таким образом, режим работы холостого хода можно охарактеризовать как режим, при котором механический к. п. д. равен нулю.

При одном и том же р _е (как это видно из рис. 105) с увеличением числа оборотов двигателя (скоростная характеристика) ? _т падает, что объясняется более интенсивным относительным ростом мощности механических потерь N _мех , чем эффективной мощности двигателя.

При работе двигателя с наддувом значение ? _т изменяется в зависимо­сти от системы и степени наддува. Если двигатель переводится на работу с газотурбинным наддувом, то, как показывают опытные данные, мощность механических потерь N _мех при этом остается неизменной. Обозначим отно­шение ? _н = p _{? н} / p _? , (степень наддува), где р _а — давление в цилиндре в начале сжатия без наддува, а р _?н —с наддувом. Можно принять, что отношение N _in / N _i также равно ? _н , где N _in — индикаторная мощность двигателя с наддувом, а N _i — без наддува.

Если двигатель имел до наддува механический к. п. д. т. ? _m , то при газо­турбинном наддуве он будет иметь:

Полученная формула показывает, что с повышением степени наддува при газотурбинном наддуве механический к. п. д. двигателя возрастает.

В том случае, когда газотурбонагнетатель кинематически связан с валом самого двигателя, отношение ? _К = N _к / N _i может быть больше, меньше или равно отношению ? _T = N _T / N _i в зависимости от степени использования энергии отработавших газов двигателя. Здесь N _к — мощность, потребляе­мая наддувочным компрессором, а N _T —мощность, развиваемая турбиной.

В этом случае, т. е. когда газотурбонагнетатель связан кинематически : валом двигателя, условный механический к. п. д. будет равен

где ? _т д —механический к. п. д. собственно двигателя.

При ? _T > ? _К разность (? _Т — ? _К ) называется положительным небалансом, а при ? _{т к} (? _к — ? _Т ) называется отрицательным небалансом.

Судовые дизели имеют следующие значения механического к. п. д.