Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (1)

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.

Фреттинг происходит при достаточно малых скоростях скольже­ ния, когда элементы длительное время находятся в контакте, что за­ трудняет унос продуктов износа из зоны контакта и тем самым спо­ собствует абразивному изнашиванию.

§ 10.3*2. Усталостные разрушения

Большинство аварийных повреждений двигателей вызывается потерей прочности деталей или узлов и их поломкой. При этом в ряде случаев видимых причин поломки не обнаруживается, а действовав­ шие в поврежденной детали напряжения обычно значительно ниже напряжений, при которых в данном металле происходит разрушение или появляется остаточная деформация. В подобных случаях обычно утверждают, что поломка вызвана «усталостью металла». Объясняется это часто бытующим неправильным представлением о природе «уста­ лого металла». Одни полагают, что металл, длительное время находив­ шийся в напряженном состоянии, будто бы изменяет свои свойства. Другие считают, что под действием большого числа переменных на­ грузок во всей массе металла он становится слабым и хрупким. Оба представления неверны. Только в результате нахождения металла под нагрузкой свойства его не меняются, сколько бы времени оно ни про­ должалось, если нагрузка не превышает предела упругости материала (не вызывает остаточной деформации).

Усталость металла объясняется образованием в наиболее «сла­ бом» месте микроскопической трещины, которая под действием знако­ переменной нагрузки растет и достигает видимых простым глазом раз­ меров. В вершине трещины резко повышаются напряжения. Это вызы­ вает ее дальнейшее распространение и прогрессирующий рост напря­ жений. В конечном итоге, когда напряжения превысят предел прочно­ сти металла, деталь быстро разрушается. Появлению усталостной тре­ щины предшествует накопление сдвигов в структуре металла, вызван­ ных действием циклической нагрузки. В дальнейшем развитие и рас­ пространение линий сдвига в детали приостанавливаются, за исклю­ чением одного наиболее слабого места, где действующие напряжения достигают определенного значения. Здесь линии сдвига непрерывно множатся, растут и, наконец, сливаются в трещину. Вся энергия внеш­

ней силы устремляется в это место, вследствие чего остальная масса металла остается в неизменном состоянии. Чтобы в наиболее слабом месте детали образовалась трещина, действующие в нем напряжения должны достигнуть или превысить предел усталости металла.

Под пределом усталости подразумевается то максимальное напря­ жение, при котором образец не разрушается под воздействием очень большого числа циклов нагружения (10-20 миллионов).

Следовательно, если напряжения, возникающие в образце метал­ ла при циклической нагрузке, не превышают предела усталости, то этот образец может выдержать бесконечно большое число циклов на­ гружения. Это в полной мере оправдывается для лабораторного образ­ ца. В действительности детали машин редко служат в таких идеаль­ ных условиях. Обычно в деталях имеются понизители циклической прочности, значительно снижающие их предел усталости. К таким понизителям относятся различные концентраторы напряжения и в пер­ вую очередь всевозможные резкие изменения формы. Известно, что в местах перелома поверхности (на дне входящих углов галтелей, по краям отверстий) местные напряжения в несколько раз превышают средние расчетные напряжения. Не менее опасны разного рода случай­ ные повреждения поверхностей детали, возникшие при ее изготовле­ нии или при сборке (риски, царапины, надрезы).

Причинами могут быть также наличие флокенов, неметалличес­ ких включений в стали, микротрещины, образовавшиеся при терми­ ческой обработке, коррозионные повреждения при эксплуатации и т.д.

Поэтому при среднем напряжении, не превышающем предела ус­ талости, в месте расположения понизителя прочности напряжение может оказаться весьма большим и с течением времени под влиянием циклической нагрузки деталь разрушится.

В условиях эксплуатации усталостные поломки деталей двигате­ лей чаще всего происходят при изменении условий работы, когда воз­ никающие дополнительные напряжения в сумме с номинальными пре­ вышают предел усталости материала детали. Такими дополнительны­ ми напряжениями могут быть напряжения крутильных резонансных колебаний (работа двигателя в зоне критических оборотов), напряже­ ния изгиба коленчатого вала при неравномерном износе или непра­ вильной укладке вала на рамовых подшипниках, деформация корпуса судна и фундаментной рамы, напряжения изгиба в стержне шатуна при заклинивании головного соединения и пр.

Практика показывает, что во всех случаях усталостное разруше­ ние деталей двигателей вызывается действием одного из перечислен­

142 Судовые двигатели внутреннего сгорания

ных выше факторов. При определении причины поломки большую помощь может оказать изучение структуры поверхности излома, обра­ щая внимание на следующие признаки:

►характер излома; ►глубина развития усталостной трещины;

►степень и характер наклепа поверхности излома; ►число очагов, в которых началось развитие трещины; ►характер линии фронта.

Место возникновения усталостной трещины (рис. 10.6) обычно удается определить легко и безошибочно, около него видны расходя­ щиеся в различных направлениях линии.

Для этой стадии усталостного излома (зона 1) характерно нали­ чие волнообразных полос, представляющих собой ряд границ ее пос­ ледовательного распространения.

Геометрические оси этих полос направлены к месту возникнове­ ния трещины. По мере^распространения трещины по поперечному се­ чению ее поверхности становятся все менее и менее гладкими, что является признаком перехода ко второй фазе развития (см. зону 2). В этой стадии поломки наступает момент, когда оставшееся сечение детали не может более противостоять действующим повторяющимся нагрузкам и деталь разрушается. Поверхность разрыва остаточного се­ чения имеет вид типичной поломки от приложенной нагрузки и в про­ тивоположность первой фазе характеризуется признаками хрупкого из­ лома. Скорость развития усталостной трещины определяется величи­ ной действующего в детали напряжения. Чем меньше действующее

напряжение, тем дальше будет разви­ ваться усталостная трещина (рис. 10.76) и тем меньшей будет площадь зоны статического напряжения. На поверх­ ности зоны усталостного излома обра­ зуется наклеп.

нальное напряже­ ние; б) - умеренное номинальное напря­ жение

Рис. 10.8. Пример поломки мотылевой шейки вала от больших циклических изгибных напряжений, очаги зарождения трещины лежат на галтели

На рис. 10.7 ли­ нии b—c—d определя­ ют фронт развития ус­ талостной трещины. Их характер зависит от того, с какой скоро­ стью отдельные учас­ тки трещины прони­ кают в глубь сечения. По характеру линии фронта можно опре­ делить условия роста трещины; последние зависят от величины номинального напря­ жения, характера дей­

ствующих сил и концентрации напряжения в детали. При растяжении - сжатии линия фронта располагается так, как показано на рис. 10.7. При умеренном номинальном напряжении фланги (точки Ъ и d) про­ двигаются несколько медленнее центра (точка с). В случае изгиба ли­ ния фронта приближается к прямой. При симметричном изгибе (вра­ щении) усталостная трещина развивается не только в радиальном на­

правлении, но и по окружности. Поэтому фланговые точки движутся с большой скоростью, и линия фронта может перейти из вогнутой в вы­ пуклую. В некоторых случаях следы линии фронта трудно обнаружить. Это объясняется тем, что трещина продвигалась без остановок и де­ таль испытывала большую перегрузку.

§ 10.3*3* Примеры поломок

Поломка щеки коленчатого вала.

Гладкая поверхность излома (зона усталостного разрушения) рас­ полагается вблизи галтели рамовой шейки. Границы последовательно­ го развития трещины переходят к зоне хрупкого излома, оканчиваю­ щегося у галтели мотылевой шейки. В этой зоне отмечается наличие перегрева, сопровождаемого цветами побежалости. Перегрев произо­ шел в ходе развития трёщины, когда поступление масла к мотылевому подшипнику нарушилось, масляное отверстие попало в зону разрыва,

ив нем появился адгезионный износ, сопровождаемый сильным на­ гревом. Наличие красно-коричневых отложений окислов металла сви­ детельствует о появлении фреттинг-коррозии вследствие трения кон­ тактирующих поверхностей излома в процессе его развития.

Направление границ усталостного разрушения от галтели рамо­ вой шейки к галтели мотылевой шейки свидетельствует о том, что по­ ломка вала произошла под воздействием изгибных нагрузок цикличес­ кого характера. Предполагать, что возникавшие в валу напряжения были чрезмерно высокими, нет оснований, так как зона усталостного разру­ шения достаточно большая. Вероятнее всего, причина кроется в де­ фекте поковки вала. Как видно из фотографии, границы усталостной зоны сходятся в расположенном вверху белом пятне.

На рис. 10.10 это пятно показано в увеличенном виде. Здесь в его центре видно скрытое под галтелью постороннее включение, которое

иявилось концентратором напряжений. Излом проходит по щеке. Зона хрупкого разрыва располагается посередине, а по сторонам находятся гладкие поверхности излома. Зубцы обрыва идут из зоны хрупкого разрыва к поверхности щеки. Это свидетельствует о том, что трещинообразование носит усталостный характер и произошло под действием циклических напряжений изгиба.

Структура излома (рис. 10.11) носит усталостный характер с явно выраженными зонами усталостного и статического разрушения, ли­ нии фронта сходятся в углу шпоночной канавки (на фотографии она находится в верхней части вала и почти не видна).

Глава 11

МЕХАНИЗМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Механизм газораспределения служит для управления процессами впуска воздуха в цилиндр и выпуска отработавших газов. Состоит из впускных и выпускных органов газораспределения и их приводов.

Вчетырехтактном двигателе выпускной клапан открывается с опережением до прихода поршня в НМТ (см. § 1.3, рис. 1.4). Это необ­ ходимо, чтобы с целью улучшения очистки цилиндра начать ее рань­ ше, используя перепад давления между цилиндром и выпускным тру­ бопроводом, и обеспечить полное открытие клапана к моменту начала хода выталкивания газов поршнем (в НМТ). Закрывается клапан с за­ паздыванием, чтобы создать продувку цилиндра поступающим в него воздухом (фаза перекрытия клапанов называется продувкой).

Опережение открытия впускного клапана служит целям обеспе­ чения продувки и полного открытия в ВМТ (свести к минимуму дрос­ селирование воздуха под клапаном). Запаздывание закрытия впускно­ го клапана служит цели улучшения наполнения цилиндра воздухом путем использования эффекта инерции движения массы воздуха во впускной, системе.

Вчетырехтактных дизелях применяют клапанное газораспреде­ ление (рис. 11.1а). Органами газораспределения являются впускные и выпускные клапаны 10 с клапанными пружинами 9, а привод включа­ ет в себя клапанные рычаги 8, сидящие на осях 6 кронштейнов 7, штан­ ги 4, толкатель 5 с роликами 2, кулачковые шайбы 1 распределитель­ ного вала и привод от коленчатого вала к распределительному. Для обеспечения плотной посадки клапана на седло в приводе клапана пре­ дусматривают зазор В (во время работы дизеля вследствие нагревания шток клапана удлиняется и зазор должен исчезать). Если зазор выбран неправильно, то клапан будет находиться в приоткрытом положении и

§ 11.1. Условия работы клапанного механизма

Механические нагрузки вызываются силами давления газов Рг на тарелку клапана 11 (см. рис. 11.1а), силами инерции движущихся час-

Рис. 11.1. Механизм газораспределения:

а) - привод клапана; 1- кулак; 2 - ролик; 3 - толкатель; 4 -

штанга; 5 - винт регулировки теплового зазора; 6 - под­ шипник; 7 - кронштейн; 8 - коромысло; 9 - пружина; 10 - клапан; 8 - тепловой зазор.

б) - выпускной клапан: 1 - тарелка клапана; 2 - седло; 3 - стопорное кольцо; 4 - шток клапана; 5 - втулка; 6 - крыш­ ка цилиндра; 7, 11 - тарелки; 10 - конус; 12, 14 - сухари.

тей Р упругости клапанных пружин (10) Рп и усилием со стороны толкателя-штанги (3) Р , яв­ ляющимся нормальной составляющей от силы давления кулака (1) на толкатель.

В момент начала открытия клапана его ско­ рость возрастает от нуля до максимума. Силы инерции клапанного механизма направлены в сто­ рону, противоположную движению толкателя (к распределительному валу), и будут прижимать ролик толкателя (2) к кулачной шайбе (1). К мо-

менту полного открытия клапана его скорость уменьшается от макси­ мума до нуля, силы инерции имеют противоположное направление (от распределительного вала) и стремятся оторвать ролик толкателя от кулачной шайбы, но этому препятствуют клапанные пружины. В пери­ од закрытия клапана действия сил инерции и клапанных пружин будут аналогичными. Отрыв ролика толкателя от кулачной шайбы приводит к повреждению их рабочих поверхностей, ударам в клапанном меха­ низме, разбиванию фасок клапана и седла, нарушению фаз газораспре­ деления. Поэтому сила упругости пружин должна быть всегда больше сил инерции клапанного механизма.

Клапанные пружины испытывают знакопеременную нагрузку, и их материал работает на усталость. Во время работы пружины ее тем­ пература возрастает на 40-50°С, а при совпадении частоты собствен­ ных колебаний с частотой возмущающей силы может возникать резо­ нанс, приводящий к ее поломке. Клапанные пружины выполняют с разным направлением витков для предотвращения попадания витков одной пружины между витками другой в случае поломки одной из них.

Установка нескольких пружин на один клапан (две, три или четы­ ре) позволяет устранить их резонанс; каждая пружина имеет свой пе­ риод колебаний и при попадании в резонанс одной из них другие явля­ ются гасителями колебаний. При установке нескольких пружин одно­ временно уменьшаются их размеры, снижаются напряжения в витках, повышается частота собственных колебаний и устойчивость пружин во время работы, повышается надежность работы клапана.

Для уменьшения амплитуды собственных колебаний пружин при­ меняют неравномерный шаг навивки, демпферы колебаний в виде пла­ стинчатых пружин, конические пружины.

Концевые (опорные) витки пружины для образования кольцевой опорной поверхности сближают до соприкосновения и сошлифовывают по плоскости, перпендикулярной к оси пружины.

Клапанные рычаги 8 (см. рис. 11.1а) для обеспечения необходи­ мой жесткости и прочности при возможно меньшей массе изготавли­ вают ковкой или штамповкой и придают им таврдвую или двутавро­ вую форму, а штанги 4 выполняют в виде стальных труб с наконечни­ ками различной конструкции.

Высокие термические нагрузки газораспределительных клапанов обусловлены и соприкосновением с горячими газами. Наиболее напря­ женным является выхлопной клапан. Он воспринимает теплоту через плоскость тарелки от газов в цилиндре (около 80%) и через поверх­ ность перехода от тарелки к штоку от выпускных газов (15%).