1.6 Виды повреждений подшипников коленчатого вала

1.6.1 Классификация повреждений вкладышей подшипников

Анализ состояния замененных подшипников позволили классифицировать повреждения следующим образом: задир подшипника, повышенное или неравномерное изнашивание вкладышей, усталостное изнашивание антифрикционного слоя, коррозионное изнашивание, фретинг-коррозия посадочной поверхности, кавитационное изнашивание, потеря натяга.

Характер распределения этих видов повреждений зависит от различных факторов, в том числе и от типа двигателя, применяемых материалов пар трения, типа смазок и топлив, условий эксплуатации. Так, для вкладышей подшипников, изготовленных из бронзы с заливкой баббитом БК2, больше всего заменяется вкладышей по усталостному изнашиванию антифрикционного слоя. В то же время для подшипников с вкладышами, изготовленными из стали с заливкой свинцовистой бронзой БрСЗО, обладающей более высокой, чем баббит, усталостной прочностью, больше всего заменяются вкладыши по задиру и коррозионному изнашиванию антифрикционного слоя (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Классификация повреждений вкладышей подшипников

Существенная разница в количестве заменяемых по задиру шатунных вкладышей по сравнению с коренными уже зависит от различия конструкции, условий нагружения и в конечном счете от режима трения этих подшипников.

Среди всех видов повреждений подшипников наиболее серьезные последствия имеет задир, вызывающий в ряде случаев поломку коленчатого вала, перегрев и задир поршня, разрушение втулки цилиндра, шатуна, а иногда и блока цилиндров. Задир связан с нарушением режима жидкостного трения и повышенным тепловыделением пары трения.

В начальной стадии — это так называемый «прижог», а в развитой—сопровождается расплавлением антифрикционного материала и разрушением вкладышей. Характерным признаком перегрева вкладышей при «прижоге», особенно тех, антифрикционный материал и основа которых имеют значительную разницу в коэффициентах линейного расширения (например, сталь—свинцовистая бронза), является уменьшение диаметра вкладыша в свободном состоянии.

Задир может происходить как на одном-двух вкладышах данного дизеля, так и сразу на всех или многих подшипниках. В последнем случае он связан с нарушениями в системе смазки: выходом из строя масляного насоса, повреждением маслоподводящих трубок, а также при обводнении смазки. Причинами задира отдельных подшипников могут служить недостатки сборки, попадание грязи и крупных частиц, наличие дефектов вкладыша. Однако при систематически возникающих задирах их причиной является недостаточная несущая способность подшипника. Типичный вид вкладыша после задира приведен на рисунке 1.23 а.

Известно, что задир чаще происходит в подшипниках, для которых используются твердые антифрикционные материалы: свинцовистая бронза, алюминиево-оловянные. При этом подмечено, что наиболее тяжелые последствия задира в тех случаях, когда применяются вкладыши, залитые свинцовистой бронзой. Уже в начальной стадии задира поверхность шейки покрывается сеткой термических трещин, которые могут являться причиной поломки коленчатого вала. Известны случаи, когда поломка вала происходила как раз по тем шейкам, на которых вкладыши были заменены из-за задира.

При задире подшипников, вкладыши которых имеют алюминиево-оловянный слой, до тех пор, пока слой сохраняется, происходит перенос олова на шейку вала и тем самым обеспечивается защита шейки от более серьезных повреждений.

Задир может происходить и при работе подшипников с вкладышами, имеющими заливку из мягких антифрикционных материалов типа баббита.

Как видно из таблицы 1.1, одной из причин браковки вкладышей подшипников коленчатых валов является усталостное изнашивание. Усталостное изнашивание вкладышей подшипников тепловозных дизелей проявляется в виде выкрашивания антифрикционного слоя.

Наиболее сильно усталостному изнашиванию подвержены вкладыши, имеющие антифрикционный слой из баббита. Типичный вид усталостного повреждения баббита БК2 на вкладышах показан на рисунке 1.23 б. Имеются случаи появления усталостного изнашивания подшипников с более прочными материалами (свинцовистая бронза, алюминиево-оловянные сплавы).

В том случае, если на вкладыше имеется мягкое приработочное покрытие значительной толщины 0,04—0,06 мм, может происходить усталостное изнашивание этого покрытия (рисунок 1.23 в). Причинами возникновения усталостных повреждений следует считать циклическое изменение напряжений в антифрикционном слое в процессе работы двигателя. Развитие усталостных повреждений ускоряется вследствие деформации деталей узла, наличия отклонений в его геометрии и других факторов.

При анализе напряженного состояния антифрикционного слоя можно выделить три составляющие напряжений: сжимающие статические напряжения, возникающие при установке и затяжке вкладышей в опоры; статические термические напряжения от перепада температур вкладыша по толщине и разности коэффициентов линейного расширения материалов корпуса и вкладыша, динамические напряжения, определяемые переменными силами, действующими на подшипник. Статическая составляющая напряжений зависит от параметров посадки подшипника. Во время работы двигателя под действием переменных сил происходит изгиб корпуса и подшипника, приводящий к циклическому изменению напряжений сжатия на рабочей поверхности.

На зарождение усталостных трещин могут влиять микроструктурные дефекты или микротрещины, возникающие в районе максимальных напряжений при нарушении режима жидкостного трения, например, при пуске или остановке дизеля. В дальнейшем трещины развиваются в глубину антифрикционного слоя и, дойдя до более прочного материала основания вкладыша, распространяются вдоль него. Выкрашивание участка антифрикционного слоя происходит при встрече с другой трещиной, развивающейся с поверхности.

На возникновение и развитие усталостных повреждений оказывает влияние смазка. Агрессивное воздействие масла снижает усталостную прочность подшипников.

Большое влияние на долговечность вкладышей подшипников оказывает химический состав баббита. Например, отклонение от оптимального содержания натрия в баббите БК2 (свыше 0,4%) увеличивает выход из строя вкладышей. Долговечность подшипников со слоем баббита во многом зависит и от качества заливки. Часто встречающимися дефектами заливки являются рыхлоты, пористость и невысокая прочность сцепления антифрикционного слоя с основанием вкладыша. Усадочные рыхлоты при этом могут быть достаточно мелкими и оказывают влияние лишь после длительного хранения вкладышей.

Как видно из данных таблицы 1.1, значительная часть вкладышей заменяется из-за коррозионного изнашивания. Этому виду износа подвержены вкладыши, антифрикционный материал которых имеет основой свинец, например свинцовистая бронза. Коррозия вызывается продуктами окисления масла из-за попадания в него воды, топлива и некоторых присадок к маслу.

Эрозионный износ вкладышей может происходить вследствие воздействия электрического тока. Наибольший эрозионный износ отмечается на вкладышах, близко расположенных к генератору. По мере удаления опор от генератора износ вкладышей уменьшался.

Рабочая поверхность вкладышей, подвергшихся действию электроэрозии, покрывается мелкой сыпью (рисунок 1.23 д), приводящей к высокой интенсивности изнашивания отдельных вкладышей.

Изнашивание вследствие фретинг-коррозии происходит из-за микроперемещений поверхностей. Значительные следы изнашивания от фретинг-коррозии возникают при ослаблении недостаточной затяжки болтов, пластических деформаций торцов вкладышей и других нарушений их посадки. В этом случае возможны микросхватывания, перегрев, ухудшение прилегания и изменение геометрии рабочей поверхности. Вид вкладышей со следами фретинг-коррозии приведен на рисунке 1.23 е.

Главным следствием этого процесса является ослабление посадки и проворот вкладыша, что в свою очередь влечет за собой задир шейки вала, полностью нарушает подачу смазки к поршню с последующим задиром поршня и втулки цилиндра.

Причины, приводящие к повреждению вкладышей, различны, в целом их можно разделить на определяемые условиями работы подшипника и причины, не зависящие от этих условий. К причинам, зависящим от условий работы подшипникового узла, можно отнести неправильно выбранный запас несущей способности подшипников, неправильно принятые макро- и микрогеометрические соотношения в подшипниковом узле, отсутствие или неверный выбор противовесов, неоптимальные зазоры, неудачно подобранная пара трения вал—подшипник, неверный выбор места подвода смазки, сорта смазки и др.

К причинам, не зависящим от конструкции подшипникового узла, можно отнести выход из строя поршня, шатуна, обрыв болтов, повреждение в блоке, поломка коленчатого вала, попадание воды и других посторонних примесей в смазку, прекращение подачи смазки (поломка насоса или иные неисправности системы смазки), недостаточная фильтрация смазки; неверный режим обкатки дизеля или нарушение правил эксплуатации (особенно нарушение температурного режима: запуск—работа—остановка); неправильная регулировка или выход из строя аварийной защиты дизеля; нарушение технологии сборки и разборки подшипникового узла; неоправданно частая разборка подшипникового узла, воздействие электрического потенциала, вибрации; использование вкладышей с просроченным сроком хранения и др.

Рисунок 1.22 –Характерные повреждения подшипников коленчатого вала

Рисунок 1.23 – Характерные повреждения подшипников коленчатого вала