1.2 Виды повреждений и причины отказов и дефекты коленчатых валов судовых дизелей

Виды повреждений
Разрушение				Износ
Усталост- ное	Плас-тичное	Хруп-кое	Абра-зивный		Адге-зионный	Фреттинг коррозия	Контактные нагрузки

Износам подвержены шейки валов, работающие в подшипниках. Абразивный износ чаще всего является следствием попадания грязи при небрежно проведенных работах по очистке двигателя после его переборки и ремонта. К другой причине относится попадание в циркулирующее в подшипниках масло твердых частиц кокса и продуктов износа, под воздействием которых на шейках и рабочей поверхности вкладышей подшипников появляются риски, арапины, а иногда и глубокие борозды (см.рис. 1.5). В последнем случае поверхности выглядят так, как это происходит при задирах из-за недостатка масла, чрезмерно высоких нагрузок и перегрева. Появление в масле абразивных частиц обусловливается прорывом из цилиндров газов, несущих в себе сажу и отколовшиеся частицы нагара (более мелкие частицы вдавливаются в мягкий поверхностный слой подшипника и благодаря этому не приводят к

заметному повреждению шеек). Большая часть механических примесей должна задерживаться в сепараторе и фильтре, но при неудовлетворительной работе сепаратора и фильтра этого не происходит; Следует помнить, что при загрязнении фильтра открывается байпасный клапан и в двигатель поступает нефильтрованное масло, несущее в себе Рис. 1.5. Абразивный износ шейки.

крупные частицы. Аналогичные явления наблюдаются при прорыве фильтрующих элементов

Адгезионный износ возникает при недостаточном поступлении масла в подшипники, чаще всего возникающем при загрязнении масляных каналов. Причинами также могут быть падение давления масла и существенное снижение несущей способности масляного клина из-за разжижения масла топливом или образования водомасляной эмульсии, а также увеличение масляного зазора при большом износе или подплавке подшипника.

Отмеченные явления приводят к контактному изнашиванию «металл по металлу», при котором сначала происходит заполировывание поверхностного слоя, сопровождающееся ростом температур в зоне трения, затем размягчение антифрикционных сплавов, их утонение вследствие выдавливания, их оплавление и наволакивание на шейки вала.

Рис. 1.6. Адгезионный износ.

Фреттинг-коррозия выражается в выкрашивании частиц металла в зоне контакта под действием усталостных разрушений, вызываемых вибрациями и микроперемещениями контактирующих поверхностей. Одновременно с фреттингом возникает коррозия. Фретгинг происходит при достаточно малых скоростях скольжения, когда элементы длительное

время находятся в контакте, что затрудняет унос продуктов износа из зоны

Рис. 1.7. Внешний вид фреттинг-коррозии

контакта и, тем самым, способствует абразивному изнашиванию. Рост амплитуд микроперемещений сопровождается повышением интенсивности разрушения контактирующих поверхностей. Процесс фретгинг-коррозии можно условно разделить на следующие три этапа.

Первый этап характеризуется пластическими деформациями и упрочнением верхнего слоя в зоне контакта. Под действием колебательных нагрузок и микроперемещений в этом слое возникают усталостные напряжения. На глубине под поверхностью образуются зоны разрыхленного материала, затем происходит диспергирование верхнего слоя с образованием продуктов изнашивания.

Второй этап характеризуется дальнейшим и более активным процессом усталостного разрушения, сопровождаемого окислением продуктов изнашивания и образованием мелких каверн, в которых они концентрируются и, окисляясь, увеличиваются в объеме. Это приводит к росту внутреннего давления, под действием которого в поверхностном слое образуются микротрещины.

Третий этап завершает усталостные разрушения корродированных поверхностей. Отдельные каверны соединяются между собой и образуют в зонах контакта относительно обширные поврежденные площади, на которых отмечаются следы микросварки, точечного питтинга и коррозии. Эти явления были типичны для узлов сопряжения фланца втулки с блоком (старые модели 2-х тактных двигателей B&W, MAN), в ряде случаев происходил обрыв втулок цилиндров. В современных 4-х тактных двигателях питтинг происходит при ослаблении посадки тонкостенных вкладышей рамовых подшипников.

Характерными дефектами коленчатых валов двигателей являются износ и задиры шеек, деформации, трещины и поломки. Трещины и поломки валов возникают как в шейках в области галтелей, так и в щеках. Причиной трещин и поломок являются циклические напряжения, приводящие к возникновению усталостных трещин. В процессе эксплуатации предел выносливости коленчатых валов снижается на 25–30 %. Ресурс работы коленчатого вала зависит от его предела выносливости и износостойкости рабочих поверхностей [4, 39, 150].

Основной причиной отказов коленчатых валов большинства двигателей является износ шеек, который неравномерен как по окружности, так и по длине шейки. В результате изнашивания зазоры в паре трения «вкладыш – шейка коленчатого вала» и параметры шероховатости шеек возрастают, что приводит к разрыву смазочной пленки и задирам рабочих поверхностей. Задир шеек в свою очередь приводит к проворачиванию вкладышей, деформации вала и подплавлению антифрикционного слоя вкладышей.

Следует отметить, что скорость и коэффициент неравномерности изнашивания рамовых шеек больше, чем скорость и коэффициент неравномерности изнашивания вкладышей [88].

Преждевременный износ рабочих поверхностей коленчатых валов выше предельных значений ведет, как правило, не только к значительным затратам на ремонт или замену валов, но и к убыткам из-за простоя судна в ремонте, а выход из строя главного двигателя при поломке коленчатого вала может привести к аварии судна. Из-за повышенных скоростей изнашивания рабочих поверхностей коленчатые валы часто эксплуатируются шлифованными в последний ремонтный размер, или выбраковываются из-за износа выше предельных значений, не выработав при этом назначенного ресурса.

Выводы по теоретической части исследования

Обобщение и анализ исследований по проблеме отказов и дефектов коленчатых валов судовых дизелей позволяет сделать следующие выводы.

1. Основными причинами отказов коленчатых валов являются износ и задир шеек, а также деформации, трещины и поломки.

2. Нарушения технологии ковки и термической обработки являются причиной поломки коленчатых валов.

3. Также причиной поломки является усталость металла, объясняется образованием в наиболее «слабом» месте микроскопической трещины.

4. Происходящие в эксплуатации повреждения валов могут быть приведены к следующим видам: Усталостное, пластичное, хрупкое, абразивное, адегиозные, фреттингкорозия, контактные нагрузки.

5. В процессе эксплуатации предел выносливости коленчатых валов снижается на 25–30 %.

6. Следует отметить, что скорость и коэффициент не равномерности изнашивания рамовых шеек больше, чем скорость и коэффициент неравномерности изнашивания вкладышей.

7. Преждевременный износ рабочих поверхностей коленчатых валов выше предельных значений ведет, как правило, не только к значительным затратам на ремонт или замену валов, но и к убыткам из-за простоя судна в ремонте, а выход из строя главного двигателя при поломке коленчатого вала может привести к аварии судна.