ВЛИЯНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ В СИСТЕМЕ СМАЗКИ НА ХАРАКТЕР ПОВРЕЖДЕНИЯ ПОДШИПНИКОВ ДВС |
---|
|
Хрулев А.Э., Кротов М.В.
(Статья во Всеукраинском научно-техническом журнале "Двигатели внутреннего сгорания" №1/2018 и доклад на ХХIII Международном Конгрессе двигателестроителей в Коблево, Украина 04-08 сентября 2018г.) Краткая аннотация Выполнен анализ состояния подшипников ДВС при различных неисправностях в системе смазки, вызывающих уменьшение или даже полное прекращение подачи масла к подшипникам коленчатого вала. Установлено, что нарушение подачи масла приводит к двум главным видам повреждений подшипников - когда повреждены только коренные подшипники, речь может идти о полном или почти полном прекращении подачи масла, в то время как повреждение только шатунных подшипников возникает при снижении подачи масла. Выявлено, что разница в характере повреждения коренных и шатунных подшипников связана не только с конструктивным различием организации подачи масла, но и с действием центробежных сил от вращения коленвала на столб масла в смазочном отверстии, подающем масло к шатуному подшипнику. Приведены и проанализированы основные признаки рассматриваемых видов повреждений, а путем разделения этих признаков на главные, подтверждающие и уточняющие разработаны простые рекомендации по определению причин неисправности ДВС, связанных с повреждениями подшипников. Постановка задачиМноголетняя практика исследования неисправностей двигателей внутреннего сгорания показывает, что нарушение режима смазки в двигателе является одной из наиболее распространенных причин повреждений подшипников коленчатого вала в эксплуатации. Такое повреждение происходит в условиях граничного или сухого трения при недостаточной подаче масла, вследствие чего данный режим работы подшипников в двигателе получил название "масляное голодание". За более чем 100 лет эксплуатации ДВС различных типов неисправности, повреждения и отказы узлов и деталей достаточно подробно изучены. Так, в известной технической литературе по неисправностям ДВС [1, 9, 10] описаны многочисленные возможные причины повреждения подшипников, связанные с масляным голоданием. В некоторых источниках информации, включая технические каталоги (справочники) повреждений деталей мировых производителей комплектующих - фирм Mahle, Kolbenschmidt, Clevite, King Bearings и др. [9-12], содержатся некоторые сведения, позволяющие даже как-то локализовать повреждение и уточнить его причину. При этом обычно указывается, что если повреждены все подшипники или их большинство, то речь идёт об общей недостаче масла, в том числе, могут иметь место самые разные причины, например:
Если же повреждён только один подшипник, то это считается локальной недостачей масла, для которой источники обычно дают следующие причины:
Очевидно, при анализе повреждения, ограниченного только одним подшипником, определение причины нарушения режима его смазки не вызывет больших трудностей, поскольку повреждение возможно только по весьма ограниченному числу причин, локализованных непосредственно у этого поврежденного подшипника [1, 2-5]. Однако при исследовании причины неисправности ДВС, в котором повреждены большинство или все подшипники коленвала, указанной информации, как правило, недостаточно. Кроме того, для многих практических случаев в литературе отсутствует подробное описание целого ряда наблюдаемых конкретных признаков повреждений, что нередко вызывает у специалистов большие сложности в определении действительных причин повреждения коренных и шатунных подшипников. В соответствии с этим цель данной работы - разработка рекомендаций для определения причин неисправностей подшипников ДВС в зависимости от характера их повреждений. Особенности повреждения подшипников ДВС и их причиныКак известно, коренные и шатунные подшипники в ДВС имеют различное конструктивное устройство подачи масла. Так, смазка коренных подшипников происходит моторным маслом, подаваемым к ним из поддона двигателя масляным насосом под давлением из главной масляной магистрали в блоке цилиндров. В то же время подача масла к шатунным подшипникам происходит от коренных подшипников по радиально-осевым масляным каналам, выполненным в коленчатом вале. В процессе исследований причин неисправностей в системе смазки двигателей обычно выявляются следующие основные и наиболее часто встречающиеся виды повреждений подшипников коленвала [1, 2-5], которые можно разбить на 3 основных вида: 1) повреждены большинство или все шатунные подшипники (рис.1), с образованием следов масляного голодания на шатунных шейках коленвала, на рабочей поверхности подшипников в виде цветов побежалости металла, задиров, плавления и разрушения антифрикционного слоя подшипников, с повреждением кривошипных головок шатунов, при этом коренные подшипники следов повреждения не имеют или они незначительны,
Исходя из различий в условиях смазки шатунных и коренных подшипников, логично предположить, что в случае внезапного и полного прекращения подачи масла к коленчатому валу нарушение смазки возникнет в 1-ю очередь в тех подшипниках, куда смазка непосредственно подается под давлением. Тогда режим масляного голодания при быстром и полном прекращении подачи масла должен возникать, в 1-ю очередь, в коренных подшипниках коленвала. Отсюда также следует, что наблюдаемое повреждение только шатунных подшипников (без повреждения коренных) возможно не только и не столько в случае полного отсутствия масла в смазочных отверстиях коленвала, сколько при снижении подачи масла, но не полного его прекращения (иначе повреждения получили бы и коренные подшипники). Несмотря на эти очевидные особенности повреждения подшипников, практика показывает: некоторые специалисты при определении причины подобных неисправностей не принимают во внимание наблюдаемое различие в степени повреждения коренных и шатунных подшипников и указывают в результате на такие причины возникновения масляного голодания, которые прямо противоречат имеющимся признакам. В то же время наличие одновременного повреждения всех подшипников коленвала вызывает наибольшие трудности при определении достоверной причины повреждения, соответствующей реальной картине выхода двигателя из строя. Влияние конструкции коренных подшипников на смазку шатунныхДля того, чтобы выяснить причину, по которой в некоторых практических случаях повреждается только одна группа подшипников, необходимо еще раз рассмотреть хорошо известную всем конструктивную схему подшипников коленвала ДВС. Действительно, в подавляющем большинстве конструкций автомобильных ДВС коренные подшипники, помимо основной "подшипниковой" функции, выполняют и роль маслораспределителей для подачи масла к шатунным подшипникам. По мере роста удельных нагрузок, что связано с увеличением мощностных показателей, постепенно была выработана единая конструктивная схема коренных подшипников [6, 9-12], имеющая следущие отличительные особенности: 1) нижняя половина коренного вкладыша выполняется без маслосборной канавки, что необходимо из условия максимальной грузоподъемности и минимального эксплуатационного износа подшипника,
Анализ конструкций автомобильных ДВС, выпущенных в конце 20-го и начале 21-го веков показывает, что отверстия в коленчатом валу для подачи масла к шатунным подшипникам выполняются в 2-х вариантах (рис.4): 1) коренная шейка сверлится поперек по ее диаметру насквозь, затем выполняется отвертие в шатунной шейке до его соединения с отверстием в коренной,
Поскольку уменьшение себестоимости производства реализуется, в том числе, и путем сокращения числа производственных операций, наибольшее распространение постепенно получила схема с одним смазочным отверстием. Однако, как нетрудно заметить, установка коленчатого вала, имеющего только по одному отверстию в коренных шейках, в подшипники, у которых маслосборная канавка есть только на верхних половинах вкладышей, приводит к прерывистой подаче масла в смазочное отверстие коленвала, предназначенное для смазки шатунных подшипников. Действительно, при вращении коленчатого вала отверстие подачи масла к шатунным подшипникам открыто только те полоборота, когда оно совпадает с маслосборной канавкой на верхнем вкладыше - остальные полоборота отверстие закрыто нижней половиной вкладыша, и никакой подачи масла в каналы смазки шатунных подшипников не происходит. Возникает вопрос: каким образом шатунный подшипник работает тогда без масла? Ответ заключен в самом различии способов подачи масла к коренным и шатунным подшипникам - к коренным масло поступает непрерывно и непосредственно из системы смазки от маслонасоса, а к шатунным оно идет от маслосборной канавки, причем расположение оси шатунной шейки со смещением на величину радиуса кривошипа (с эксцентриситетом) от оси коренных предполагает, что даже при полном перекрытии смазочного отверстия в коленвалу подача масла к шатунным подшипникам неизбежно продолжится - за счет центробежных сил. Поскольку различается не только способ подачи масла, но и, судя по имеющимся данным [1, 5], сам характер повреждения коренных и шатунных подшипников, вполне допустимо предположить, что эту разницу дает именно влияние центробежных сил. Поэтому рассмотрим более подробно, насколько такое влияние может быть существенным. Оценка влияния центробежных сил на смазку шатунных подшипниковРассмотрим упрощенную схему организации подачи масла от коренной шейки к шатунной (рис.5), приняв следующие допущения:
1) смазочное отверстие просверлено приблизительно по радиусу кривошипа, Очевидно, давление масла Pмц в выходном сечении отверстия (на шатунной шейке) при таких условиях будет равно: Pмц = Fц/f, (1)где Fц = m v2/R - центробежная сила, действующая на столб масла в отверстии, Н, m = ρ f l - масса столба масла, кг, ρ - плотность масла (900 кг/м3), f - площадь проходного сечения отверстия, м2, l - длина столба масла, на который действуют неуравновешенная центробежная сила, м, v = π R n /30 - окружная скорость, м/с, на радиусе кривошипа R, n - частота вращения, мин-1. Подставляя все выражения в формулу (1), получим давление масла от центробежных сил: Pмц = ρ l R n2(π2/900).Как это следует из схемы узла, радиус кривошипа и длина столба масла в отверстии - величины приблизительно равные, поэтому для простоты приравняем их друг другу - тогда формула для расчета давления масла в шатунных подшипниках от центробежных сил получит следующий простой окончательный вид: Pмц = ρ R2 n2(π2/900).Если принять среднюю величину радиуса кривошипа 0,05 м, то простейший расчет даст давление подачи масла Pмц = 2,2 бар. Отсюда прямо следуют, как минимум, три важных вывода: 1) прерывистой подачи масла к шатунным подшипникам нет даже в случае, если каждые полоборота коленвала смазочное отверстие на коренной шейке перекрывается нижним коренным вкладышем без канавки - подача масла обеспечивается непрерывно под действием центробежных сил на столб масла в смазочном отверстии,
Исходя из таких особенностей работы шатунных подшипников, есть все основания полагать, что именно наличием центробежных сил и объясняются отмечаемые в практике исследования причин неисправностей существенные различия в повреждениях коренных и шатунных подшипников. В частности, речь идет о тех случаях, когда заклинивание коленчатого вала в коренных подшипниках не сопровождается каким-либо повреждением шатунных. Тем не менее, объяснить некоторые неисправности данная теория может не всегда, поскольку не учитывает влияния режима работы двигателя на функционирование системы смазки. Влияние режима работы двигателя на повреждения подшипниковХорошо известно, что режим масляного голодания, который приводит к повреждению и последующему разрушению подшипника скольжения, первоначально возникает при недостаточной подаче масла к трущимся поверхностям подшипника, в результате чего при заданной нагрузке масляная пленка становится тоньше [1, 5, 8]. Уменьшение подачи масла в подшипник приводит к ухудшению отвода тепла и повышению температуры масла и самого подшипника, что снижает вязкость масла и еще больше уменьшает толщину его пленки. Это, в свою очередь, вызывает непосредственный контакт и разогрев подшипника от трения контактирующих деталей – вкладыша и шейки коленвала, в соответствии с режимом граничного трения, характеризующимся контактом по микронеровностям как начальной фазе повреждения. Дальнейшее уменьшение подачи масла (и/или рост нагрузки на вал) приводит к расширению зон соприкосновения деталей и дальнейшему разогреву их поверхностей. В определенный момент масло полностью выдавливается из зазора, происходит переход в так называемый режим сухого трения, и начинается плавление рабочего слоя вкладыша. В условиях непосредственного контакта вала со вкладышем это ведет к переносу расплавленного рабочего слоя вкладыша на поверхность шейки вала (задирам), одновременно с этим расплавленный антифрикционный материал вкладыша выжимается под действием рабочей нагрузки к краям вкладыша. При работе двигателя на низких оборотах и нагрузках на данной стадии расплавления подшипника и взаимного переноса материала может произойти заклинивание вала в подшипнике за счет приваривания деталей друг к другу. На высоких оборотах и у мощных двигателей такой эффект наблюдается реже, поскольку при большой развиваемой мощности двигатель преодолевает любую дополнительную силу сопротивления вращению коленчатого вала, сопутствующую разрушению вкладышей. В таких случаях, даже если вкладыши привариваются к валу, они проворачиваются в блоке цилиндров и/или кривошипной головке шатуна. Дальнейшая работа двигателя с данной неисправностью ведет к ее развитию и распространению повреждений на все большее число подшипников, в том числе, за счет вторичного их повреждения продуктами разрушения (рис.6), а также перекрытия каналов, в том числе, при проворачивании вкладышей в коренных постелях. Указанная особенность развития начального повреждения на мощностных режимах, судя по имеющимся экспериментальным данным [1, 5], и является причиной того, что на практике наблюдаются не две характерных картины повреждений (повреждены или только коренные, или только шатунные подшипники), а три - к двум часто встречающимся вариантам добавляется третий, с повреждением и шатунных, и коренных подшипников. Причем, чем больше нагрузка и обороты и длительнее работа двигателя после появления неисправности, тем в целом меньше различия в степени повреждения подшипников - вплоть до полного разрушения двигателя (рис.7). Все указанные данные позволяют собрать вместе все возможные причины повреждения подшипников и характерные признаки нарушения режима смазки, чтобы путем сравнения с имеющимися признаками определить, по какой причине возникло повреждение подшипников коленвала. Для этого целесообразно воспользоваться принципами разделения признаков на главные, подтверждающие и уточняющие. Так, главным признаком неисправности является сам характер повреждения подшипников, а именно, какая группа подшипников повреждена - шатунные, коренные или те и другие. К подтверждающим признакам следует отнести такие особенности повреждения, как наличие или отсутствие заклинивания вала в подшипнике, проворачивания вкладыша в постели, перегрева и разрушения кривошипной головки шатуна. Это позволяет выявить причину неисправности по уточняющим признакам, в том числе, по состоянию маслонасоса, фильтра, сетки маслоприемника, целостности поддона картера, наличию течей и продуктов загрязнения масла, а также качества самого масла и других признаков, характеризующих состояние деталей. Для наглядности все признаки, необходимые для определения состояния подшипников, сгруппированы и сведены в табл.1. Табл. 1. Характер повреждения подшипников коленвала в зависимости от вида неисправности системы смазки и режима работы двигателя.
На практике, помимо крайних ("чистых") случаев повреждения или только коренных, или только шатунных подшипников, исследователь сталкивается и с переходными состояниями, когда, например, повреждены все подшипники, но какие-то в большей степени, а какие-то в меньшей, что нередко связано со вторичными повреждениями деталей при продолжении работы двигателя после возникновения неисправности. Понятно, что прекращение эксплуатации двигателя сразу после появления признаков неисправности дает более четкую картину, в то время как любые вторичные повреждения могут в некоторых случаях "смазать" эту картину и затруднить определение причины неисправности. Тем не менее, сопоставление признаков повреждения подшипников конкретного двигателя с данными табл.1 позволяет достаточно быстро локализовать неисправность и путем ограниченного числа проверок также быстро выявить причину неисправности. При этом важно, что уточняется не только причина, но и в целом режим и длительность работы двигателя после возникновения неисправности, что может иметь решающее значение при некоторых видах исследований (например, для страховых компаний). ЗаключениеНаблюдаемое, согласно имеющимся экспериментальным данным, различие в повреждениях коренных и шатунных подшипников коленчатого вала при неисправностях в системе смазки вызвано различиями в организации подачи масла к подшипникам при влиянии центробежных сил и является ключевым фактором, указывающим на причину неисправности. Так, нарушение режима смазки и повреждение только коренных подшипников связано, главным образом, с быстрым и полным (или почти полным) прекращением подачи к ним масла, в то время как повреждение только шатунных подшипников является, как правило, следствием снижения подачи масла ниже некоего минимального уровня. Возможны и переходные состояния, когда повреждены и коренные, и шатунные подшипники, однако для правильного определения причины наиболее важна разница в степени их повреждения. При этом, если известные признаки повреждений подшипников разбить на главные (какая группа подшипников повреждена), подтверждающие (характер повреждений) и уточняющие (состояние деталей системы смазки), а затем проверять наличие указанных признаков при исследовании причин неисправностей в зависимости от разницы в состоянии коренных и шатунных подшипников, то причины неисправности двигателя, вызвавшие повреждение подшипников, могут быть определены с более высокой достоверностью. Список литературы:1. Greuter E. Engine Failure Analysis [Text] / Greuter E., Zima S. // SAE International, R-320, ISBN 978-0-7680-0885-2. Warrendale, USA. - 2012. - 582 p. 2. Копелиович Д. Как избежать отказов в работе подшипников скольжения [Текст] / Д.Копелиович // Автомобиль и сервис. - 2012. - №10. - С.62-64. 3. Копелиович Д. Вкладыши для двигателя - детали критические [Текст] / Д.Копелиович // Автомобиль и сервис. - 2012. - №8. - С.42-44. 4. Хрулев А.Э. Методика определения причины неисправности ДВС при тяжелых эксплуатационных повреждениях [Текст] / А.Э.Хрулев, Ю.В.Кочуренко // Двигатели внутреннего сгорания. - 2017. - №1. - С.52-59. 5. Хрулев А. Почему застучал вкладыш? [Текст] / А.Хрулев // Автомобиль и сервис. - 2000. - №12. - С.14-16. 6. Хрулев А. Подшипники двигателей [Текст] / А.Хрулев // Автомобиль и сервис. - 1998. - №01. - С.41-44. 7. Чернавский С.А. Подшипники скольжения [Текст] / С.А.Чернавский //М.: Гос. научно-техн. изд. машиностроительной лит. - 1963. – 244 с. 8. Шаповалов В.В. Триботехника [Текст] / В.В.Шаповалов, В.А.Кохановский, А.Ч.Эркенов // Под ред. В.В.Шаповалова. - Ростов н/Д: Феникс, ISBN 978-5-222-25809-5, 2017. - 348 с. 9. Engine Bearings. Failure & Analysis Guide [Text] // Clevite Issue form #CBE-1-1208, Mahle Clevite Inc., Ann Arbor, Mi 48108, USA. - 2008. - 32 p. 10. Engine Bearings: Failure Analysis and Correction [Text] // MAHLE Aftermarket Inc. 23030 MAHLE Drive, Farmington Hills, MI 48335 USA. - 2014. - 39p. 11. GLYCO. Engine Bearings. Catalogue No.CATGY1201 [Text] // Federal-Mogul Global Aftermarket EMEA, Kontich, Belgium - 2013-2014. - 1321 p. 12. King Engine Bearings Catalogue [Text] // King Engine Bearings, Inc., 371 Little Falls Road, Suite 5, Cedar Grove, NJ 07009, USA. - 2016. - 554 p. ВПЛИВ ПОРУШЕНЬ У СИСТЕМІ ЗМАЩЕННЯ НА ХАРАКТЕР ПОШКОДЖЕННЯ ПІДШИПНИКІВ ДВЗ THE INFLUENCE OF FAULTS IN THE LUBRICATION SYSTEM ON THE DAMAGE OF THE ENGINE BEARINGS Другие наши статьи... |
| ||||||||||||||||||||
|
СМЦ "АБ-Инжиниринг"© 2001. Все права защищены
|