Развитие, структура и последствия отказов подшипников скольжения коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей и пути повышения их надежности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Развитие, структура и последствия отказов подшипников скольжения коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей и пути повышения их надежности

Леонтьев Л.Б.

Леонтьев А.Л.

Макаров В.Н.

В процессе эксплуатации судовых дизелей периодически возникает нарушение их нормального функционирования из-за отказа трибоузла «шейка коленчатого вала - вкладыш подшипника». Причинами отказов являются изнашивание и деградация поверхностей трения вследствие физических и химических процессов, происходящих в трибоузле, а также нарушения правил технической эксплуатации двигателя или отказа фильтров очистки смазки. Принятие обоснованных мер по предотвращению внезапных отказов подшипников коленчатого вала позволяет обеспечить надежность и безопасность дизеля в целом.

Сложность решения данной задачи обусловлена слабой формализацией сведений об отказах подшипников коленчатых валов, закономерностях и зависимостях их происхождения и развития. Знания о развитии деградационных процессов - причины разрушений и повреждений элементов трибоузла, охватывают широкий круг областей знаний (металловедение, триботехника, механика разрушения и т.д.), сведения о повреждениях и авариях носят описательный характер. В связи с этим только специалист, обладающий большим опытом работы в данной области и широким кругозором, может обоснованно установить причину конкретного отказа. Решение данной проблемы возможно на основе анализа видов, причин и последствий отказов подшипников коленчатого вала.

Цель работы - определение видов, причин и последствий отказов подшипников коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей для разработки мероприятий по повышению их надежности.

Износы поверхностей трения трибоузла «шейка коленчатого вала - вкладыш подшипника» оказывают решающее влияние на его долговечность, работоспособность и возникновение аварийных ситуаций на двигателе.

Для выявления причин отказов подшипников коленчатых валов дизелей необходимо проанализировать условия их работы и процессы, происходящие в трибосистеме «шейка коленчатого вала - вкладыш подшипника - смазка». Процессы, происходящие в трибосистеме и схема развития ее отказа (дерево неисправностей), основанная на логической диаграмме, отражающей неисправности системы, приведены на рис. 1.

Рис. 1. Процессы, происходящие в трибосистеме «шейка коленчатого вала - вкладыш подшипника - смазка» и схема развития ее отказа (дерево неисправностей)

Основными видами изнашивания шеек коленчатых валов и вкладышей подшипников являются [1-4]: абразивное, усталостное и окислительное, реже - изнашивание при заедании (адгезионное) и др. Разнообразие видов изнашивания и условий их возникновения и развития определяется параметрами механических воздействий на поверхности трения и триботехническими свойствами сопряжения. К основным факторам, определяющим скорость изнашивания и протекание физико-химических процессов при трении в условиях граничной или смешанной смазок, относятся: величина приложенной нагрузки, скорость взаимного перемещения, минимальная толщина масляного слоя, количество и дисперсность механических примесей в моторном масле, температура в зоне трения и совместимость и свойства материалов трущихся поверхностей.

Наиболее важными факторами процесса трения являются циклические механические и температурное воздействия, связанные с взаимодействием микронеровностей сопряженных поверхностей, а также локальные деформации в поверхностном слое.

Удельная нагрузка при трении оказывает весьма существенное влияние на особенности и интенсивность протекающих физико-химических процессов, происходящих в поверхностных слоях материалов трибосопряжения, так как определяет площадь фактического контакта трущихся поверхностей в условиях трения при граничной смазке. Величина износа пропорциональна нагрузке. Увеличение удельного давления приводит к возрастанию глубины поверхностных слоев, принимающих непосредственное участие в процессе трения, что приводит к возрастанию интенсивности изнашивания трибосопряжения. При достижении критических значений удельной нагрузки происходят качественные изменения процессов взаимодействия контактирующих поверхностей и переход от одних видов изнашивания к доминирующему адгезионному.

Интенсивность изнашивания поверхностей трения зависит от ряда факторов, определяемых особенностями конструкции двигателя, условиями его эксплуатации, техническим состоянием двигателя, качеством применяемого топлива и масла и т. п. На скорость изнашивания трибосопряжения «шейка коленчатого вала - вкладыш подшипника» большое влияние оказывают триботехнические свойства моторного масла: вязкость, концентрация механических примесей, их дисперсный состав, попадание топлива в смазку, угар масла и т. д.

Абразивный износ деталей ДВС происходит вследствие попадания твердых частиц загрязнений в слой жидкой смазки, разделяющей поверхности трения. С увеличением концентрации и размеров частиц в моторном масле растет износ деталей двигателя.

Количество механических примесей и продуктов износа в работающем масле СОД существенно зависит от вида топлива, на котором работает дизель -- тяжелое или дистиллятное. При работе дизелей на тяжелых сортах топлива в моторном масле значительно больше механических примесей (в среднем 0,51-1,0 мг/кг) по сравнению с моторным маслом двигателей, работающих на дистиллятном топливе (среднем 0,10-0,25 мг/кг).

Скорость изнашивания трибоузла также зависит от размера абразивных частиц в моторном масле, размер которых находится в пределах 2,5-20,0 мкм. Причем по мере увеличения их размера до критической величины скорость возрастает, а затем понижается вследствие их интенсивного дробления. Максимальный износ наблюдается когда размер частиц на 7-10 мкм превышает минимальную толщину масляного слоя т. е. составляют 8,5 мкм для дизеля 2ДС4 и 16,8 мкм для 9ZL 40/48 [3].

Максимальный износ в трибосопряжении располагается в зоне минимальной толщины масляного слоя в результате формируется овальность шеек коленчатого вала. С увеличением масляного зазора минимальная толщина масляного слоя снижается и превышает критическую (толщина слоя, при которой поверхности трения сопряженных деталей начинают соприкасаться вершинами микровыступов). Толщина масляного слоя превышает критическую только при величинах, соответствующих установочным зазорам в сопряжении, причем часто только при их минимальных значениях. Например, для двигателя 8ZL 40/48 при зазоре в мотылевом подшипнике 0,2 мм (установочный зазор 0,20-0,34) минимальная величина масляного слоя составляет 8 мкм, а критическая величина масляного слоя всего 6,5 мкм, при увеличении зазора до 0,285 мм минимальная величина масляного слоя составляет всего 3 мкм, которая существенно меньше критической, т.е. в сопряжении высокая вероятность изнашивания при заедании. Следует иметь ввиду, что предельно допустимый зазор в сопряжении составляет 0, 55 мм. Таким образом, нормальные условия работы сопряжения «шейка коленчатого вала - вкладыш подшипника» обеспечиваются при зазорах до 0,22 мм.

Скорости изнашивания шеек коленчатых валов СОД существенно зависит от наработка трибосистемы: максимальная величина для всех типов дизелей наблюдается в течение 1 тыс. ч, т.е. в период приработки и колеблется в интервале 2,9-22,5 мкм/тыс. ч для различных марок двигателей, затем постепенно снижается и стабилизируется при наработке свыше 4 тыс. ч в интервале 1,5-5,2 мкм/тыс. ч [5] для дизелей, работающих на дизельном топливе, и 5,6-9,2 мкм/тыс. ч -- для дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива [3]. Скорости изнашивания шеек коленчатых валов после приработки имеют значительно меньшие величины по сравнению со скоростями изнашивания вкладышей. Значительный период приработки шеек коленчатого вала (около 4 тыс. ч) объясняется тем, что основную часть времени валы работают в условиях трения при гидродинамической смазке.

Следует отметить, что между величиной износа трибоузла и вероятностью возникновения изнашивания при заедании и последующего задира шеек коленчатого вала существует качественная связь в условиях трения полужидкостной и граничной смазок [6]. Анализ аварийных ситуаций показал, что наиболее часто заедание и задир шеек возникает при пуске двигателя на оборотах 50-75 % номинальных, т.е. когда режим трения при смешанной смазке и масляный слой меньше критического или в смазке содержится повышенное количество механических примесей. Высокие скорость скольжения и нагрузка в условиях контакта поверхностей приводит к повышению температуры в зоне трения и к снижению механических свойств поверхностных слоев материалов сопряженных деталей и их триботехнических параметров, а также износу оксидных пленок и схватыванию ювенильных поверхностей.

Таким образом, основной причиной отказов подшипников скольжения коленчатых валов СОД является абразивное изнашивание, в первую очередь мотылевых шеек коленчатого вала и вкладышей с гальваническим антифрикционным слоем, которое обусловлено наличием абразивных частиц в моторном масле, завышенными масляными зазорами в сопряжении, которые в свою очередь приводят к контакту поверхностей деталей в режиме работы дизеля даже на номинальной и близкой к номинальной частотах вращения двигателя.

Кроме того, вследствие увеличения параметров шероховатости шеек из-за абразивного изнашивания (наличия рисок и царапин) возрастает величина критического масляного слоя, необходимая для избежания контактирования поверхностей трения. Контактирование поверхностей трения на частотах вращения двигателя свыше 50% номинальной вследствие высоких скоростей скольжения резко повышает вероятность схватывания и переходу к адгезионному изнашиванию и как следствие -- к задиру шеек, проворачиванию вкладышей, деформации коленчатого вала, реже -- к расплавлению антифрикционного слоя и поломке коленчатого вала.

Для повышения надежности подшипников скольжения коленчатых валов СОД и снижения вероятности аварий двигателя из-за задиров шеек необходимо формировать на их поверхностях металлокерамические покрытия, которые позволяют существенно уменьшить параметры шероховатости и коэффициента трения, и как следствие - к снижению энергетического уровня контактного взаимодействия трущихся поверхностей и величины износа трибосопряжения.

Литература

коленчатый вал покрытие износ

1. Леонтьев Л.Б., Токликишвили А.Г. Исследование причин отказов коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте `2012». - Выпуск 2. Том 2. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. С. 37-39.

2. Леонтьев Л.Б., Юзов А.Д. Подшипники коленчатых валов судовых дизелей. - Владивосток: ДВГМА, 2000. - 173 с.

3. Кича, Г.П. Ресурсосберегающее маслоиспользование в судовых дизелях / Г.П. Кича, Б.Н. Перминов, А.В. Надежкин. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2011. - 372 с.

4. Захаров С.М., Никитин А.П., Загорянский Ю.А. Подшипники коленчатых валов тепловозных дизелей. - М.: Транспорт, 1981. - 181 с.

5. Яхьяев Н.Я. Прогнозирование работоспособности судовых двигателей внутреннего сгорания по износу деталей в узлах трения. Дис. на соиск. д.т.н. ДГТУ, Махачкала, 2003. - 295 с.

6. Захаров С.М., Жаров И.А. Трибологические критерии оценки работоспособности подшипников скольжения коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания // Трение и износ, 1996, Т. 17, № 5. - С. 606-615.

Размещено на Allbest.ru