Критична точка кипіння
Про важливість системи охолодження двигунів внутрішнього згорання багато розповідати не потрібно — це цілком зрозуміло навіть дилетанту. А от причин, унаслідок яких охолоджувальна рідина може досягти точки кипіння і призвести до виходу з ладу сам двигун, може бути безліч. Тому саме на їхньому розгляді слід зупинитися детальніше. Цього разу в центрі нашої уваги став легендарний John Deere
серії 8530.
Про важливість системи охолодження двигунів внутрішнього згорання багато розповідати не потрібно — це цілком зрозуміло навіть дилетанту. А от причин, унаслідок яких охолоджувальна рідина може досягти точки кипіння і призвести до виходу з ладу сам двигун, може бути безліч. Тому саме на їхньому розгляді слід зупинитися детальніше. Цього разу в центрі нашої уваги став легендарний John Deere
серії 8530.
Г. Жолобецький
g.zholobetskiy@univest-media.com
Один із господарів, який у 2008 р. придбав новий трактор John Deere серії 8530 (наразі його наробіток - близько 8 тис. мотогодин), був і донині залишається задоволеним своїм вибором, проте у цієї вдалої покупки, за його словами, є своє досить «вузьке» місце, і, не повірите, - це система охолодження самого двигуна внутрішнього згорання, через проблеми з якою він ледь не «вклав» повністю трактора.
Про систему Vari-Cool
Компанія John Deere розпочала встановлювати систему охолодження Vari-Cool на тракторах восьмої серії задля дотримання оптимального теплового режиму роботи двигуна. Також система дає змогу економити дизельне паливо та зберегти номінальну потужність двигуна. Адже за мінімальних обертів вентилятора двигун віддає системі охолодження 2 к. с., за максимальних обертів кулера потужність двигуна може зменшуватися на 30 к. с. Таким чином система Vari-Cool приводу вентилятора точно контролює оберти самого вентилятора залежно від потреби охолодження для забезпечення максимальної ефективності роботи двигуна.
Система охолодження Vari-Cool складається із радіатора, в якому міститься охолоджувальна рідина, водяної помпи, гідравлічного варіатора (шків якого є ведучим і має дві складові) та механічного варіатора (його шків - ведений і також складається із двох частин), на останньому безпосередньо розміщений вентилятор (кулер) для створення потоку повітря, що проходить через радіатор.
Система Vari-Cool є ефективною завдяки двом основним чинникам:
пасова передача, що використовується в системі Vari-Cool, передає 100% потужності від двигуна до вентилятора;
пасовий привід шківа вентилятора з електронним керуванням працює лише на потрібну швидкість для охолодження двигуна та інших допоміжних компонентів.
Також система охолодження Vari-Cool є невід'ємною частиною конструкції капота. Повітряні потоки, що йдуть від двигуна, проходять через спеціальні направляючі отвори, які спрямовують тепле повітря у протилежному від грунту напрямі для зменшення непотрібного впливу на нього та рослини. Повітряні потоки також направлені у протилежний бік і від кабіни, що дає змогу уникнути прямої дії тепла від працюючого двигуна на скло кабіни і цим самим запобігти зниженню ефективності системи кондиціювання повітря.
Принцип роботи
Наприклад, температура охолоджувальної рідини (її контролює термодатчик, який постійно передає сигнал на електронний блок керування ECU трактора) у радіаторі становить 90°С. Масляний насос, який подає оливу із двигуна до гідравлічного варіатора, створює в ньому постійний тиск. Аналізуючи температуру охолоджувальної рідини, електронний блок керування ECU подає сигнал на поступальний клапан, який міститься у гідравлічному варіаторі. Поступальний клапан відкриває отвір для подавання оливи під тиском на поршень, який, своєю чергою, штовхає рухому половину ведучого шківа, зменшуючи зазор між його рухомою та нерухомою половинами (заглиблення шківів у обох варіаторів мають клиноподібну форму, пас, відповідно, - також). Водночас діаметр проходження паса ведучим шківом збільшується, і відбувається сильніше натягування паса між гідравлічним варіатором та шківом механічного варіатора. Зазор між рухомою та нерухомою половинами шківа механічного варіатора, своєю чергою, розширюється, зменшуючи діаметр проходження паса. Рухома частина механічного варіатора тисне на пружинний механізм. Відповідно, за більшого діаметра проходження паса ведучим шківом гідравлічного варіатора і за зменшеного діаметра проходження паса веденим шківом механічного варіатора збільшуються оберти самого вентилятора, і таким чином збільшується потік повітря, що й сприяє зниженню температури охолоджувальної рідини.
За часткового зниження температури охолоджувальної рідини система Vari-Cool працює у зворотному напрямі (рис.- схема: напрямок руху рухомої частини шківа 1 - гідравлічного варіатора, 2 - механічного). Знову ж таки електронний блок керування ECU (який аналізує сигнал термодатчика) подає сигнал на клапан скидання тиску оливи, який також міститься на гідравлічному варіаторі. За часткового зниження тиску оливи у гідравлічному варіаторі відбуваються збільшення зазору між рухомою та нерухомою частинами його шківа та зменшення діаметра проходження паса. Водночас пружинний механізм механічного варіатора тисне на рухому частину шківа, зменшуючи зазор між рухомою та нерухомою частинами та збільшуючи діаметр проходження паса (не допускаючи його послаблення). Таким чином, за проходження меншого діаметра паса ведучого шківа гідравлічного варіатора і більшого діаметра - веденого шківа механічного варіатора знижуються оберти вентилятора.
Основною проблемою в цій конструкції було те, що приблизно після 200 мотогодин роботи двигуна внутрішнього згорання спрацьована (яка втратила частково свої фізико-хімічні властивості) олива, що подається із двигуна на гідравлічний варіатор, призводить до зменшення ущільнення сальників, унаслідок чого відбувається підтікання гідравлічного варіатора. За словами господаря трактора, проблем із підтіканням варіатора за такої схеми подавання оливи у нього не виникало впродовж усього експлуатаційного періоду і навіть понині.
Проте відтепер компанія John Deere вирішила цю проблему шляхом подавання оливи на гідравлічний варіатор не із двигуна внутрішнього згорання, а із системи мащення коробки передач, де олива довше зберігає свої фізико-хімічні властивості, а також удосконалила конструкцію гідравлічного варіатора.
Але ж повернімося до основного: який саме збій у даному разі дала система охолодження Vari-Cool, через що господар майже повністю не вивів двигун з ладу?! Трактор працював у полі в літній період. Оператор періодично відслідковував показники тиску оливи в системі, робочу температуру охолоджувальної рідини двигуна (яка була у нормальному робочому діапазоні) і т. п. Раптом невідомо з яких причин температура охолоджувальної рідини почала виходити за межі допустимих показників і перейшла через позначку 100°С. Через декілька хвилин оператор, помічаючи, що система охолодження двигуна не в змозі охолодити рідину до робочої температури, своєчасно прийняв рішення зупинити двигун. Після цього було перевірено рівень охолоджувальної рідини у відповідних бачках (вони показували норму). Довелося тривалий час простояти без роботи, доки температура охолоджувальної рідини самостійно знизилася до допустимих меж, і оператор знову запустив двигун у роботу. Через декілька хвилин температура охолоджувальної рідини знову перетнула позначку 100°С і система Vari-Cool не охолоджувала рідину. Відповідно, продовжувати польові роботи трактором, у якого «здала» система охолодження, вже не можна.
Техніку відбуксирували до ангара для проведення непланового ремонту. Для цього було запрошено головного інженера господарства, який мав визначити причину несправності системи охолодження.
Відкривши капот і запустивши двигун, головний інженер виявив, що за підвищення температури охолоджувальної рідини гідравлічний варіатор працював у робочому режимі, але вентилятор, закріплений на механічному варіаторі, працював лише на 20-25% заданої продуктивності. Із цього було зроблено висновок, що причина мінімальної продуктивності вентилятора ховалася у механічному варіаторі.
Далі розбираємо детальніше будову механічного варіатора
Механічний варіатор складається із: основного вала, на якому закріплено нерухому частину шківа. Рухома ж його частина ходить шліцами вала в бік зближення чи віддалення відносно нерухомої частини. В передній торцевій частині вала угвинчується шайба великого діаметра. До шайби кріпиться сам вентилятор. Між шайбою вентилятора та рухомою частиною шківа стоїть пружина, яка виконує функцію зміни діаметра шківа в цілому.
Яку несправність було виявлено
Знявши механічний варіатор і розібравши його повністю, головний інженер господарства виявив, що шліци у рухомій частині шківа, які виконують функцію фіксації (запобігаючи самостійному прокручуванню навколо вала), було обірвано. За обірваних шліців рухома частина шківа почала обертатися навколо вала. Тобто пас, який передавав крутний момент від гідравлічного варіатора на механічний, одним боком обертав рухому частину шківа та пробуксовував по нерухомій частині шківа, яка забезпечувала обертання вала із закріпленим на ньому вентилятором. Відповідно, вентилятор не набирав обертів, потрібних для оптимального охолодження рідини.
У чому криються прорахунки
За версією головного інженера господарства, було допущено конструкційні прорахунки:
Не було враховано, що техніка експлуатуватиметься лише для проведення сезонних польових робіт, коли температура повітря значно підвищується і варіатор постійно має працювати на 80-90% своєї повної продуктивності.
Шліци на валу механічного варіатора і в рухомій частині шківа розміщуються таким чином: рухома частина шківа максимально наближена до нерухомої (що спричинює рух пасової передачі за великим діаметром). За такого положення шліци вала та рухомої частини шківа забезпечували 100%-ву площу зчеплення між собою і фіксували рухому частину шківа проти обертання незалежно від вала (ширина шліців на валу дорівнювала ширині шліців у рухомій частині шківа). Ми пам'ятаємо, що за підвищеної температури повітря пас у механічному варіаторі для збільшення обертів вентилятора має рухатися за малим діаметром. За проходження паса малим діаметром відбувається віддалення рухомої частини шківа від нерухомої, водночас шліци на рухомій частині варіатора та відповідні їм шліци вала зміщуються на 50% відносно один одного, що спричинює зменшення площі зчеплення рухомої частини шківа із валом. Унаслідок цього після напрацювання 2 тис. мотогодин відбулося обривання шліців у рухомій частині шківа.
Незрозуміло, чому конструктори не зробили більшу ширину шліців на валу, аби навіть за максимального віддалення рухомої частини шківа від нерухомої забезпечувалося б 100%-ве зчеплення.
У який спосіб було вирішено проблему?
Після обривання шліців рухома частина шківа оберталася навколо вала, що призвело до нерівномірного спрацювання її отвору валом. Відповідно, це збільшило зазор між валом та отвором, і щоб його компенсувати, довелося розточити отвір у рухомій частині шківа та запресувати бронзову втулку, внутрішній діаметр якої із мінімальним зазором находив на вал (шліци) механічного варіатора. Після цього рухому частину шківа потрібно було відбалансувати на відповідність отвору щодо ваги та на виключення еліптичності. Ви задастеся питанням: хіба достатньо однієї бронзової втулки для вирішення проблеми зчеплення рухомої частини шківа із валом? Відповідь: не достатньо! Тому для убезпечення від прокручування рухомої частини шківа навколо вала цю функцію виконуватимуть три пальці, які закріплюють на нерухому частину шківа.
Перед тим, як закріпити три пальці на нерухомій частині шківа, нам необхідно правильно їх розмістити. Для цього беремо вал механічного варіатора із нерухомою частиною шківа, затискаємо його у барабані токарного верстата і центруємо з допомогою рухомої бабки. Розточувальною бабкою підводимо прохідний різець до нерухомої частини шківа і наносимо лінію (синя стрілка), на якій робитимемо отвори для пальців. Візьміть до уваги: отвори, в яких будуть закріплені пальці (червона стрілка), мають бути наближені до робочої зони шківа (зелена стрілка), але жодним чином не повинні попадати у неї, оскільки пас, попадаючи на пальці, постійно рватиметься. Відмітивши різцем позначку, відводимо його назад від нерухомої частини шківа, не змінюючи положення до чи від центра верстата. Виймаємо вал з нерухомою частиною шківа із барабана верстата. Далі затискаємо у барабані рухому частину шківа і також центруємо рухомою бабкою. Підводимо різець і також наносимо лінію, на якій робитимемо отвори для цих самих пальців. Маючи лінію на обох частинах шківа, ми через однакову відстань по довжині кола наносимо керном три мітки, де будемо робити отвори. Після цього свердлильним верстатом робимо отвори діаметром 10 мм (12 мм) під кутом 90° до площини рухомої та нерухомої частин шківа.
Для виготовлення пальців потрібна сталь із невисоким вмістом вуглецю - така сталь міцніша, тріщиностійкіша, краще зварюється. Тому в якості пальців можна використати клапани газорозподільного механізму відповідного діаметра та довжини. Далі вставляємо пальці в отвори нерухомої частини шківа (обов'язкова умова - кут між пальцем та площиною шківа має бути 90°!) та з тильного боку заварюємо місця стику. Довжина пальців має бути дещо більшою, ніж відстань між рухомою та нерухомою половинками шківа за максимального їхнього віддалення під час експлуатації.
Відремонтований у такий спосіб механічний варіатор прослужив безперебійно чотири роки!!!
Взимку, коли проводили плановий ремонт, механічний варіатор вирішили розібрати та подивитися, як він себе «почуває». Виявилося, що під час експлуатації, коли рухома частина шківа наближалася та віддалялася від нерухомої, це спричинило спрацювання пальців, а також, внаслідок динамічного навантаження нерухомої частини, пальцями у рухомій частині шківа було розбито отвори.
Реставрацію зробили шляхом заміни пальців, а також розточили отвори рухомої частини шківа і запресували в них бронзові втулки під пальці.
Під час проведення першого ремонту шківа механічного варіатора рекомендовано у його рухомій частині розточити (розсвердлити) отвори і також виточити та запресувати під пальці бронзові втулки, які сприятимуть меншому спрацюванню пальців (у разі часткового спрацювання самих бронзових втулок достатньо лише замінити їх).