Опис основних дефектів деталі та аналіз причин їх виникнення

В процесі експлуатації машин зміна характеру навантаження, температури, агресивності середовища і наявності абразивів, а також різна міцність деталей двигунів призводить до великих труднощів при оптимальному плануванні технічних обслуговувань і ремонтів, а також призводить до передчасних капітальних ремонтів, тобто відмов техніки.

Деталі двигунів працюють в особливо складних умовах (температурний режим, відносна швидкість переміщення деталей, взаємодія з агресивним середовищем, режими недостатнього мащення), у безпосередньому зіткненні з агресивним середовищем робочих газів, які утворюються при згоранні палива.

Технічний стан ДВЗ залежить від багатьох структурних параметрів її деталей: гільз циліндрів (спрацювання, зміна геометричної форми), поршневих кілець (спрацювання, поломка, втрата пружності, закоксовування), поршня (спрацювання).

В умовах зворотно-поступального руху найбільш несприятливі умови роботи деталей виникають в місцях реверсування, тобто в зонах мінімальних швидкостей руху поршня і особливо у камери стиснення, де найбільш високі температури на поверхнях тертя циліндра, кілець і максимальні тиски.

Товщина оливної плівки змінюється при русі поршня. В період всмоктування виконується розжиження оливної плівки на дзеркалі циліндра робочою сумішшю. Плівка видувається з-під перших кілець в момент такту стиснення і вигоряє під час вибуху. Це призводить практично до знищення оливної плівки чи втрати змащувальної здібності. Тиск на тонку оливну плівку між стінкою циліндра і поршневими кільцями різко змінюється в межах 0,15…0,3 МПа в зоні компресійного кільця і 0,5…1,3 МПа в зоні оливо з’ємного кільця. При цьому швидкість поршня змінюється від нульової в мертвої точки до 15м/сек, і за певних умов тиск може досягати 2,0 МПа. Температура цієї плівки теж різко варіюється. Верхня поршнева канавка в сучасних двигунах нагрівається до 270…280°С, а за наявності наддуву - до 300…350°С. А коли на такті стиснення з камери згорання в картер через плівку прориваються гази (це відбувається у всіх двигунах, і чим більше зношений двигун, тим газів більше), температура в зоні поршня може досягати 550...700°С у дизелів. Крім того, моторна олива піддається хімічній дії - кисню повітря, інших газів, продуктів неповного згоряє палива, та ін. самого палива, яке неминуче потрапляє в оливу, хоча і в дуже малих кількостях.

Ударний характер взаємодії, вібрації поверхонь тертя поршня, пальця, кілець і стінки циліндра, які збільшуються в залежності від зносу спряжених деталей, надзвичайно ускладнюють умови роботи вузла. В області мертвих точок завжди здійснюється більш чи менш повне руйнування оливної плівки. В області підвищених швидкостей ковзання поршня несуча спроможність оливної плівки підвищується і може досягнути режимів напіврідинного тертя. При малих обертах зона напівсухого тертя розповсюджується на більшу частину циліндра, ніж при високих обертах. В циліндрі ДВЗ, навіть при максимальній швидкості ковзання поршня відсутній гідродинамічний режим мащення. З підвищенням тиску на поршневі кільця і температури спряжених поверхонь область сухого тертя в циліндрі збільшується.

Коефіцієнт тертя і знос в діапазоні малих швидкостей поршня з нарощуванням чисел обертів спочатку зменшується, а потім, із збільшенням частоти обертання валу та збільшенням навантаження знос підвищується.

Ближче до середньої частини гільз циліндрів або циліндрової втулки (в залежності від конструкції) режим роботи покращується. Сила тертя, яка виникає під час руху кілець по дзеркалу циліндрової втулки, знаходиться в залежності від величини нормального тиску, швидкості, умов мащення та властивостей поверхневих шарів, яка досягає максимальної величини в момент зміни напряму руху. Коефіцієнт тертя при цьому змінюється в межах 0,02…0,20.

Серед складних процесів руйнування поверхневих шарів гільз циліндрів та поршневих кілець можна чітко, розрізнити молекулярне схоплення, втомні і абразивні пошкодження. Ці види зносу тісно зв’язані між собою і в залежності від температурного та силового режимів, якості мащення, властивостей матеріалів деталей та поверхневих шарів, які виникають при терті та мають різноманітну інтенсивність.

Суттєвий вплив на знос здійснюють продукти згорання, особливо сполука сірки і ванадію. Посилення агресивності циліндрового середовища може прискорити втомно-корозійні явища. Це призводить до послаблення поверхневих об’ємів металу, їх крихкості та відділенню при фрикційній взаємодії, що підвищить концентрацію абразивних часток в зоні тертя. Збільшення складу сірки в паливі призведе до різкого посилення нагароутворення на головках і канавках поршнів, що погіршить теплообмін та сприяє накопиченню твердих часток в змащувальному шарі. Абразиви в більшому ступені інтенсифікують знос за рахунок мікроконтактного схоплення.

Одним із джерел абразивних часток є повітря. З підвищенням форсажу поршневої машини зростає кількість повітря, яке надходить до циліндра, тим самим зростає абсолютна кількість пилу. З підвищенням розміру часток, пилу зростає знос циліндрових втулок і поршневих кілець. Знос спряжених поверхонь в циліндрі збільшується прямо пропорційно запиленості повітря і кількості абразивів, що підводяться в зону тертя. Між зносом деталей циліндро - поршневої групи і розміром частинок встановлена складна залежність.

Найбільш сильно прискорюють знос абразивні частинки розміром в поперечному перерізі 35 мкм. Продукти зносу у вигляді неокислених твердих металічних часток стають найбільш руйнівними абразивами. Вони здатні мігрувати між спряженими поверхнями, не завжди зменшуються в розмірах, як це буває з мінеральними абразивами, і можуть взаємодіяти з металічними поверхнями, збільшуватися у результаті нарощування у багато раз, тим самим здійснюючи сильну руйнівну дію.

Знос поршнів виникає по канавках, юбці і отворам під палець в бобишках. Монометалічні поршні з алюмінієвих сплавів частіше за все виходять з ладу через знос двох верхніх канавок. Крім зносу, поршні пошкоджуються задирами, та втомно-корозійними тріщинами. У випадку сильного порушення роботи двигунів іноді виникає прогар головок поршнів. Цей дефект характерний для поршнів з алюмінієвих сплавів.

Багатократні радіальні переміщення кілець у зв’язку з ударною дією викликають об’ємну пластичну деформацію у грані канавок і течію тонких шарів металу у напрямку бічної поверхні поршня.

Взаємодія поверхонь кілець і канавок може проходити при підвищеній температурі (200…250ºС), наявності твердих продуктів коксування і абразивних часток, що потрапляють в ззовні.

В більшому ступені зношуються нижні поверхні канавок від дії тиску газів на такті розширення.

Головний фактор який викликає зміну форми канавок кілець алюмінієвих поршнів - це об’ємна деформація, яка збільшується при нагріванні поршнів до робочої температури.

Юбка поршня зношується нерівномірно, головним чином в зонах найбільших тисків. Але інтенсивність зношування юбки значно менше, ніж верхніх канавок. Інтенсивність зношування юбок алюмінієвих поршнів менше, ніж чавунних, що звичайно зв’язують з великими інерційними силами і питомими навантаженнями, які виникають при взаємодії поршнів із дзеркалом циліндра.

Зміна форми поверхонь тертя деталей циліндро-поршневої групи залежить від міри їх зносу на першій стадії. Після припрацювання покращується робота вузла, особливо його ущільнюючі функції. Цей період машина працює з найвищим ККД.

Збільшення зазорів викликає порушення оптимального спряження деталей вузла. Виникає ударний характер взаємодії поршня з дзеркалом циліндрової втулки, підвищується вібрації і вільні коливання кілець зношених канавках.

Розробка канавок верхніх компресійних кілець призводить до збільшення інтенсивності зношування спряжених тертьових поверхонь і зниженню ущільнюючих функції поршня і ККД машини.

Пальці мають рухомі спряження з бобишками і з головкою шатуна. Плаваючі пальці працюють в кращих умовах тертя, ніж закріплені; їх знос і спряжених з ними поверхнями протікає менш інтенсивніше, як по колу, так і довжині. Вони більш надійні у роботі, так як у випадку заїдання бобишках чи втулці кочення шатуна не перерветься.

Знос поверхонь поршневого пальця при взаємодії з поверхнями бобишок поршня і втулкою верхньої головки шатуна перетікає за рахунок молекулярного схоплення в момент пориву оливної плівки при миттєвому локальному перегріві, вібрація, абразивної дії твердих часток, які застрягли у м’якому металі бобишок, втулках шатуна і незворотних явищ, які перетікають вторинних шарах робочої поверхні пальця.

Значний вплив на знос пальця і спряжених з ним поверхонь роблять макрогеометричні похибки. Знос пальців спряжених з ним шатунних втулок зростає при збільшенні висоти хвилі.