формации частей'крышки и в них возникают напряжения, по знаку противоположные напряжениям от давления газов. Этим обеспечи ваются меньшие рабочие напряжения в крышке.
В процессе эксплуатации дизеля под влиянием остаточной дефор мации установочные зазоры меняются, нарушается плотность сопря жения опорных поверхностей, снижается жесткость конструкции и под давлением газов возникают большие циклические упругие де формации и напряжения в нижней части крышки. Поэтому рекомен дуется раз в год проверять зазоры между опорными кольцевыми по верхностями и доводить их до нормальных значений путем шаб ровки.
Для предотвращения пропуска газов и прогорания опорного бур та крышки красно-медную прокладку необходимо перед установкой отжечь, а для предупреждения ее пригорания и повреждения при по следующем извлечении из кольцевой канавки втулки смазать су хим (без масла) графитом или специальной пастой. При отсутствии прокладки перед установкой крышки притертые сопрягаемые по верхности необходимо «освежить» притирами. Устранять пропуск газов из-под крышки дополнительной затяжкой шпилек недопусти - мо, так как это вызывает чрезмерные напряжения и может привести к обрыву опорного фланца втулки.
15,5. Дефекты и повреждения деталей цилиндропоршневой группы
Цилиндровые втулки. Для втулок характерны следующие по вреждения: естественный или аварийный износ; деформации; за диры, трещины и обрыв опорного фланца втулки; разрушение по верхности охлаждения.
Естественный износ цилиндровых втулок (эксплуатаци онная скорость изнашивания, установившаяся после приработки) опреде ляется многими факторами, из которых наиболее важными являют ся: эксплуатаци онная нагрузка и тепловое состояние деталей ЦПГ; условия смазывания сорта топлива и масла; конструктивные осо бенности дизеля. По высоте втулки изнашиваются неравномерно: наибольший износ в верхней части, что объясняется высоким давле нием поршневого верхнего кольца на стенки цилиндра, неблагопри ятными условиями смазывания из-за коксования масла в области высоких температур и высоким коррозионным действием продуктов сгорания. Характер изнашивания втулки по высоте находится так
же в прямой зависимости от |
равномерности |
распределения |
масла |
по ее зеркалу. |
|
|
|
|
|
При смазывании цилиндров |
разбрызгиванием |
нижняя |
часть |
втулки смазывается обильно, |
а |
верхняя— |
только |
вследствие на |
сосного действия поршневых колец, которое ограничивается масло съемными кольцами.
При лубрикаторном смазывании распределение масла по. зер калу цилиндра зависит от расположения масляных штуцеров и ки нематической схемы привода лубрикатора.
У дизеля с контурной схемой газообмена износ в поясе окон (особенно выпускных) часто оказывается повышенным вследствие деформации втулки, вызванной реакцией жесткой опорной части блока, а также абразивного изнашивания частицами нагара в вы пускных газах и худших условий смазывания. Повышенный износ перемычек и деформация втулки приводят к появлению над поя сом окон наработка в виде ступеньки. Большой наработок у окон вызывает частую поломку колец и необходимость замены втулки независимо от состояния остальной рабочей поверхности.
Износ втулок по ходу и по оси как в тронковом, так и в крейц копфном дизелях не подчиняется никакой закономерности и опреде ляется главным образом перекосами в сочленениях КШМ и соотно шением сил трения на торце поршневого кольца при возвратно-угло вых (паразитных) перемещениях поршня. Паразитные перемеще ния поршня могут прижать кольцо через силы трения на нижнем его торце на любой дуге окружности. Однако на судах с постоянным кор - мовым дифферентом обычно износ по оси оказывается больше, чем по ходу.
Нормальный износ втулки за 1000 ч работы после ее приработки у четырехтактного дизеля составляет 0,01—0,04 мм, у двухтактного 0,02—0,12 мм; допустимый предельный износ втулки 0,5—0,8 % ее диаметра, а эллиптичность — не более 1 % диаметра, после чего втулка подлежит замене.
Интенсивный аварийный износ цилиндровых втулок (и поршне вых колец) обычно возникает внезапно и наиболее часто у дизелей с высокими параметрами индикаторного процесса; при этом скорость изнашивания превышает нормальную в 3—4 раза. Характерные признаки интенсивного изнашивания: появление на зеркале втулки и на кольцах вертикальных темных полос и рисок; срабатывание «тельняшки» на втулке и фасок на кольцах; образование на головке поршня нагара, содержащего много металлических частиц; появле ние металлической пыли в отработавшем цилиндровом масле, сте кающем в подпоршневое пространство. Появление полос и рисок на втулке можно определить при периодических осмотрах цилиндра через окна. Во время работы дизеля можно отбирать пробы отрабо тавшего масла и определять наличие металлических частиц в нем при помощи магнита.
Причины интенсивного изнашивания цилиндровых втулок (и поршневых колец): высокие температуры зеркала цилиндра и голов ки поршня в зоне уплотнительных колец; недостаточная продолжи тельность или неправильно выбранный режим приработки (обкат ки) деталей ЦПГ; радиальная вибрация, потеря подвижности или поломка поршневых колец; неудовлетворител ьн ая центровка порш-
ня, частые пуски и реверсы дизеля; несоответствие между сортами применяемого топлива и цилиндрового масла, недостаточная пода ча и неравномерное распределение масла по окружности цилиндра или переход на другой сорт цилиндрового масла (с лучшими моющи ми и нейтрализующими свойствами) без моточистки цилиндров; нарушение режима охлаждения; несоблюдение монтажных зазоров при установке поршневых колец и при посадке втулки в блок; по ступление в цилиндр влаги с продувочным воздухом при его охлаж дении до «точки росы»; неправильный выбор материала для втулок и колец или чрезмерная чистота обработки их трущихся поверхно стей .
Высокая температура возникает при перегрузке цилиндра (или дизеля), плохом распыливании топлива вследствие подтекания фор сунки, износе или закоксовывании сопловых отверстий, уменьше нии воздушного заряда в цилиндре из-за загрязнения воздушных фильтров, проточных частей ГТК, воздухоохладителя, закоксовывания окон и т.п. Высокая температура зеркала цилиндра и поршне вых колец приводит к испарению масляной пленки, интенсивному окислению масла, нагарообразованию и закоксовыванию поршневых колец, которые теряют подвижность в канавках и перестают выпол нять функцию уплотнения цилиндра. Прорыв газов через неплот ности приводит к местным перегревам, нарушению масляной плен ки и сухому трению. Одновременно увеличивается температурная асимметрия втулки и неравномерность ее радиальных и осевых де формаций, деформируются перемычки поршневых канавок. Дефор мация зеркала втулки способствует усилению прорыва газов через неплотности, полному разрыву масляной пленки; в результате су хого трения поверхности втулки и колец быстро изнашиваются.
В начальный период приработки деталей площадь их контакта небольшая из-за наличия микр онеровн остей (шероховатости) на трущихся поверхностях. Кроме того, у новых втулок в начальный период работы обычно наблюдается деформация (может достигать 0,5 мм в верхней части), обусловленная остаточными напряжения ми в процессе отливки, обработки и ‘посадки втулки в блок (эти на пряжения у МОД обычно исчезают только через 700— 1000 ч работы), а также дополнительные деформации во время работы вследствие асимметрии температурного поля втулки. В зонах контакта рабо чих поверхностей кольца и втулки резко возрастают давления и силы трения, а на участках неплотного прилегания кольца прорываются горячие газы. Это приводит к разрушению масляной пленки на уча стках высокого давления и выгоранию масла на участках пропуска газов. При постепенном увеличении нагрузки перегруженные участ ки снимаются и сглаживаются вследствие пластической деформа ции металла, обусловленной тепловыделением и ростом температур в поверхностных слоях. При этом из-за уплотнения металла на тру щихся поверхностях образуются износостойкие слои, хорошо ад сорбирующие смазку и восстанавливающиеся при трении.
При быстром увеличении нагрузки на неприработанные детали интенсивность тепловыделения в зонах контакта трудящихся по верхностей резко возрастает,' что вызывает мгновенное повышение температуры микроплощадок до 1000—2000 °С и их микросхваты вание (сварку) с последующим отрывом одной из них. Высокая темпер атура сваривания и последующее быстрое охлаждение вызывают образование в местах схватывания тонкого закаленного слоя метал» ла, твердость которого в 4—5 раз превышает твердость неповрежден ной поверхности. Вследствие большой хрупкости и слабой связи с ос новным металлом частицы закаленного слоя выкрошиваются, чем вызывают интенсивное аварийное изнашивание.
Общая деформация (эллиптичность, бочкообразность, конус» ность) наблюдается почти у всех цилиндровых втулок в начальный период работы. Деформация зеркала втулки в поясе уплотнения и по перемычкам выпускных окон обычно возникает при плотной посадке втулки в блок, быстрой нагрузке непрогретого дизеля, перегрузке цилиндра или всего дизеля, ухудшении охлаждения втулки или перемычек окон (при загрязнении водяных каналов), что является результатом неравномерного расширения втулки вследствие ее тем,- пер атурн ой асимметрии по окружности и длине. Деформация в поя се окон может стать причиной задира втулки.
Задиры цилиндровых втулок (следовательно, задиры или заедания поршней) чаще всего наблюдаются в двухтактных дизелях. Во время работы дизеля задир можно обнаружить по повышению тем пературы охлаждающей воды цилиндра и охлаждающей воды (или масла) поршня, глухим стукам в цилиндре, снижению частоты вра щения или перемещению указателя нагрузки регулятора, наруше нию уплотнения втулки в блоке.
Возможными причинами задиров втулок могут быть: наруше ние программы обкатки после установки новой втулки или поршня; длительная перегрузка цилиндра или всего дизеля; деформация втулки, нарушение режима ее смазывания, охлаждения; малые зазоры между втулкой и направляющей частью поршня или в зам ках поршневых колец, их чрезмерный износ, закоксовывание или поломка; загрязнение цилиндра абразивными частицами; быстрая нагрузка непрогретого дизеля или резкое охлаждение перегретого дизеля; неудовлетворительная центровка поршня или его перегрев из-за нарушения режима охлаждения; воспламенение отработав шего масла в подпоршневой полости вследствие неправильной дози ровки цилиндрового масла, нарушения синхронизации поршня и привода лубрикаторов (у дизелей Бурмейстер и Вайн), прорыва га зов через кольца, заброса газов в цилиндр при неудовлетворительном газообмене из-за закоксовывания окон, чрезмерного загрязне ния подпоршневой полости; «рост» металла поршня; перегрев порш невого подшипника, осевое смещение поршневого пальца (в тронковом дизеле) или ослабление посадки и разворот вытеснителя в пальце.
К полному заклиниванию поршня и возникновению трещин во втулке всегда приводят тяжелые задиры. Признаками появления водотечной трещины во втулке являются: поступление воды в ци линдр, обводнение масла, повышение температуры выходящей ох лаждающей воды из поврежденного цилиндра, резкие колебания давления охлаждающей воды, появление пузырьков газов в смотро вом стекле трубопровода охлаждающей воды.
Трещины 1 (рис. 15.6, а) на развертке втулки вызваны заклини ванием поршня вследствие воспламенения масляных отложений в поясе продувочных окон, перегрева и деформации втулки.
Поперечные трещины 5 (рис. 15.6, б) возникают в перемычках окон при заклинивании поршня.
Результатом задира поршня вследствие быстрой нагрузки пере гретого дизеля и нарушения режима охлаждения (вначале недоста точного, а затем резкого охлаждения перегретого дизеля) являются трещины 6 во втулке (рис. 15.6, в). Зона расположения трещин (верхняя I и нижняя II границы посадочного пояса в блоке) явля ются типичными при быстрой нагрузке и нарушении режима охлаж-
Рис. 15.6. Дефекты и повреждения цилиндровых втулок дизелей:
а — Зульцер RD76; б, в — МАН KZ70/120; г — Бурмейстер и Вайн 74VTBF160
дения, так как свободное радиальное расширение втулки в поясе окон ограничено блоком. В результате подобной деформации на гра ницах посадочного пояса в слоях металла, расположенных ближе к зеркалу втулки, возникают напряжения растяжения, которые и при водят к появлению трещин.
Продольные трещины 2 (см. рис. 15.6, б) в верхней части цилинд ровой втулки после относительно небольшого времени работы воз никают при ее перегреве, недостаточной эффективности системы ох лаждения, недостаточной смазке и плохом распыливании топлива. После длительной эксплуатации дизеля (около 30 тыс. ч) такие трещины являются результатом термической усталости, вызванной продолжительной работой ЦПГ при повышенной температуре.
Трещины 3 возникают из-за усталостных напряжений материа ла втулки (характерны для дизелей Зульцер типа RD) при большом или недостаточном зазоре между ребрами втулки и силовым коль цом. При увеличенном зазоре силовое кольцо не выполняет своих функций укрепления втулки и она испытывает значительные упру гие деформации в момент сгорания топлива. При малом зазоре на внутренней стенке втулки создаются чрезмерные окружные сжи мающие напряжения и предел усталости материала втулки умень шается.
Трещины 4 в районе установки масляных штуцеров возникают в результате местного перегрева втулки при прорыве газов в полость охлаждения через неплотности в местах уплотнения штуцеров и втулки.
Трещины 7 под опорным фланцем втулки (рис. 15.6, г) и его об рыв чаще всего являются следствием неравномерной или чрезмер ной затяжки шпилек крепления цилиндровой крышки; неудачной конструкции фланцевой части втулки (большой изгибающий мо мент); коррозионного и эрозионного повреждения опорного бурта блока и фланца втулки; применения уплотнительной прокладки уве личенной ширины между втулкой и цилиндровой крышкой; вибра ции втулки из-за большого зазора в нижнем посадочном поясе; зае дания поршня; неплотной посадки фланца втулки на опорный бурт блока вследствие неточности изготовления, повреждения или кор розии сопрягаемых поверхностей; быстрой нагрузки непрогретого дизеля или его резкого охлаждения.
Разрушение поверхности охлаждения втулок является результа том действия электрохимической коррозии и кавитационной эрозии. Коррозионно-кавитационные повреждения втулок устраняют раз личными способами; снижением энергии ударов поршня о стенки втулки (в тронковом дизеле) путем установки возможно меньшего зазора между тронком поршня и втулкой; поддержанием постоян ной температуры охлаждающей воды на всех режимах работы дизеля (наиболее благоприятной температурой для предотвращения кави» тационной эрозии считается 70—80 °С, наиболее интенсивная эро-
зия наблюдается при температуре воды 50—60 °С); применением при садок к охлаждающей воды; хромированием втулок.
Поршни, Для поршня характерны следующие повреждения: обгорание (прогорание) и трещины (поверхностные или сквозные)' в головке; износ, прогары и деформации перемычек (кепов) между поршневыми кольцами; задиры и трещины в направляющей части.
Обгорание головок поршней и трещины в них возможны по при чинам: длительной перегрузки дизеля; нарушения формы топлив ной струи (угла распыливания и длины) из-за неудовлетворитель ной работы форсунок (зависание иглы, износ или закоксовывание сопловых отверстий распылителя, неправильная установка сопла или самой форсунки); нарушения режима охлаждения (недостаточ ное поступление, прекращение или резкое увеличение подачи охла дителя); отложения кокса, накипи или анти коррозионного масла в полости охлаждения поршня); частых пусков и реверсов дизеля;; гидравлического удара или попадания постороннего предмета в ци линдр; дефектов конструкции, литья или термической обработки;, термической усталости материала головки поршня*
Обгорание головки поршня обнаруживают визуально или шаб лоном, снятым с новой головки или изготовленным по чертежу.
Наличие основной трещины в головке поршня обнаруживают по повышению температуры и прерывистой струе охладителя, выходя щего из головки поршня, «стрельбе» предохрани тел ьного клапана (при масляном охлаждении) и стуку в цилиндре, прорыву газов в картер (в трон ковом дизеле).
Снижение термических напряжений, постепенное прогревание всех сопрягаемых деталей и сохранение между ними соответствую щих зазоров в МОД обеспечивается предварительным подогревом перед пуском от работающего дизель-генератора или подогревателя,, выводом на полную мощность в течение 2-—4 ч, постепенным сниже нием нагрузки перед началом маневров до нагрузки малого хода за 0,5—1 ч.
Износ, прогары и деформации перемычек между канавками для поршневых колец наблюдаются главным образом у дизелей с контур ной продувкой. Прогары имеют вид сквозных трещин в перемычках со стороны выпускных окон и часто сопровождаются оплавлением и сильной деформацией первой перемычки. Основная причина дефек та •— перегрузка дизеля, усугубляемая следующими факторами; увеличением торцового зазора между верхним компрессорным коль цом и полкой канавки; износом цилиндровой втулки; неправильной центровкой поршня (зазор между поршнем и втулкой со стороны выпуска должен быть меньше зазора со стороны продувочных окон примерно в два раза, т. е. поршень должен быть прижат к стороне выпуска).
Задиры и трещины в направляющей части поршня возникают при его заедании» которое может привести к отрыву головки, обры ву или трещинам в цилиндровой втулке, обрыву шатунных болтов,
Рис. 15.7. Форма профи
ля поршневого кольца после приработки и эпю ра радиального давления
взрыву в картере и другим тяжелым последствиям. Заедания порш ня вызываются теми же причинами, что и задиры цилиндровых вту лок. Признаками заедания поршня при разборке дизеля являются: глубокие продольные риски и борозды на поршне, местные на плывы и вздутия металла, трещины, следы нагрева до цветов побежа лости, потемнение направляющей части поршня.
Поршневые уплотнительные и маслосъемные кольца* Для колец характерны следующие повреждения: повышенный износ, загора ние в канавке, поломка (обнаруживают по снижению мощности ди зеля, давления в конце сжатия, повышению давления и температуры наддувочного воздуха, повышенному выделению дыма из картера, затрудненному пуску дизеля).
Износ уплотнительных колец определяется их тепловым состоя нием, формой поверхностей трения, радиальным давлением колец на втулку, дозировкой и качеством цилиндрового масла и другими факторами.
Прорывы газов между кольцом и втулкой отсутствуют только при зазоре между ними менее 0,01 мм, а при зазоре 0,02 мм они неизбеж ны и ухудшают условия смазывания трущихся поверхностей. Такая высокая точность прилегания рабочих поверхностей втулки и колец достигается только в процессе их приработки. При этом кромки ко лец срабатываются и их рабочая поверхность становится выпуклой {рис. 15.7, а, б).
• При оценке технического состояния поршневых колец в эксплу атации (характер прилегания их к стенке цилиндра, сила собствен - ной упругости, зазор в замке) необходимо учитывать следующие факторы:
добиться идеального прилегания кольца к стенке втулки и к ниж ней полке канавки невозможно, поэтому некоторая утечка газов и воздуха из цилиндра неизбежна;
силы собственной упругости кольца относительно небольшие и по окружности кольца распределяются неравномерно (в районе замка они выше). На некоторых дизелях применяют кольца с отрица тельной овальностью, т. е. их концы несколько загнуты внутрь; давление газов в закольцевом пространстве по окружности кольца распределяется неравномерно (рис. 35.7, в); наибольшее зна чение в зонах, ближайших к замку, постепенно убывают к зоне, про
тиволежащей замку;
температура нагрева по окружности распределяется неравномерно (наибольшее значение в районе замка), разница температур по окружности кольца может достигать 100 °С;
вследствие большего давления газов в закольцевом пространстве в районе замка, силы упругости и температуры оконечности кольца изнашиваются быстрее всего;
образующая рабочей поверхности приработанного кольца имеет выпуклость (высотой несколько микрон), способствующую образо ванию масляного клина между рабочими поверхностями кольца и втулки;
во время работы дизеля кольцо медленно вращается в канавке вокруг своей оси; вследствие малой частоты вращения температура стенки втулки в месте прохода замка кольца повышается (может превышать среднюю температуру стенки на 60 °С и более).
При нормальной работе нижняя часть кольца имеет блестящую поверхность; если кольцо было зажато в канавке (вследствие де формации головки и недостаточного торцового зазора), то блестя щую поверхность имеют обе плоскости кольца. Торцовый зазор увеличивается при эксплуатации обычно из-за износа канавок, кото рые принимают трапецеидальную форму. Установленное в такую канавку кольцо испытывает повышенные механические напряже ния, а теплопередача между поршнем и кольцом ухудшается.
Загорание колец является следствием недостаточного торцового зазора в канавках, чрезмерной или недостаточной подачи смазоч ного масла или низкого его качества, высокого температурного уров ня головки поршня в зоне расположения колец. Основная причина загорания колец — окисляемость и термический крекинг смазочного масла при высокой температуре.
Основные причины поломок поршневых колец: периодически пов торяющаяся упругая деформация кольца при большой конусности цилиндровой втулки; чрезмерный износ кольца и цилиндровой втул ки; недостаточный зазор в замке кольца или в канавке; наработок в канавке или на зеркале цилиндровой втулки; загорание кольца; де монтаж поршня без предварительной очистки от нагара верхней ча сти цилиндровой втулки; радиальная вибрация кольца; остаточная деформация кольца и микротрещины.
Основной дефект маслосъемных {маслорегул ирующих) колец сра батывание цилиндрического пояска, Признаки плохой работы масло съемных колец: синяя и темная окраска выпускных газов, интенсивное нагарообразование в цилиндре, повышенный расход циркуляци онного масла (в трон ковом дизеле).
Поршневые пальцы. Для пальцев характерны такие поврежде ния, как задиры, трещины и отслаивание цементированного слоя, Причины повреждений: перегрузка или быстрая нагрузка непрогре того дизеля; недостаточный или чрезмерный зазор в поршневом под шипнике; перекос движения вследствие плохой центровки; пуск ди зеля без предварительного прокачивания его маслом; отсутствие или
недостаток смазочного масла в поршневом подшипнике; некачест венная цементация или термообработка пальца.
Ослабление пальца в бобышках поршня обычно является резуль татом заедания или заклинивания поршня. Палец в поршень необ ходимо запрессовывать только с помощью специального приспособ ления; использовать для этого кувалду запрещается. Запрессовка значительно облегчается после нагрева поршня в масле до темпера» туры 60—80 °С.
15.6. Дефекты и повреждения кривошипно-шатунного механизма
Общие сведения. Для подшипников характерны следующие де» фекты: интенсивный износ, подплавка или полное выплавление, от ставание, растрескивание и выкрошивание антифрикционного слоя.
Признаками повреждения подшипников являются: повышение температуры смазочного масла, появление стука, снижение частоты вращения вала, повышение температуры выпускных газов. Несво евременное обнаружение повреждений подшипников может приве сти к задиру шеек и поломке коленчатого вала, обрыву рамовых шпи лек и шатунных болтов, заклиниванию и разрыву поршня и другим тяжелым последствиям.
Рамовые и шатунные г.одшигшики. Причины повреждений рамо вых подшипников: недостаточное поступление масла в подшипник вследствие малого давления в системе, засорения масляного трубо провода или каналов в подшипнике; попадание в подшипник грязи или абразивных частиц; обводнение масла или снижение его вязко сти вследствие высокой температуры или разжижения топливом; пуск дизеля без предварительного прокачивания маслом; чрезмерно малый или большой масляный зазор; недостаточный осевой зазор между торцами подшипников и щеками кривошипов; некачествен ная подгонка вкладышей по шейке вала или по постели; неравномер ная, слабая или чрезмерная затяжка шпилек крепления крышки под шипника; большая овальность, конусность или бочкообразность шейки вала или ее дефектная поверхность (забоины, риски и т. п.); неблагоприятное положение оси коленчатого вала, вызывающее чрезмерные местные контактные напряжения на поверхности анти фрикционного слоя; недостаточная жесткость коленчатого вала или постелей подшипников; перегрузка подшипников вследствие небла гоприятного порядка работы цилиндров или высокого давления сго рания в смежных цилиндрах; общесудовая и местная вибрация кор пуса судна; осевые, крутильные и поперечные колебания коленча того вала; нарушение режима обкатки после ремонта; нарушение сроков профилактических осмотров или правил ухода за дизелем во время длительной стоянки.
Повреждения шатунных подшипников обусловлены теми же при чинами, что и рамовых подшипников, и, кроме того, непараллель-
