Study of the process of connecting rod liners’ shape changing in the pre-failure operation period of transport and technological machines and equipment

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

При эксплуатации автомобилей и других наземных транспортно-технологических средств, в том числе узлов и агрегатов, одним из которых является двигатель внутреннего сгорания, неизбежно и закономерно происходит ухудшение их технического состояния. Причинами, приводящие к отказам, снижению мощности, ухудшению топливно-экономических и экологических показателей, называют: изнашивание, усталостное разрушение, пластические деформации, коррозия и другие факторы.

Одним из опасных по последствиям и трудно предсказуемых в эксплуатации отказов является такой дефект, как проворачивание шатунных вкладышей коленчатого вала. Проворачивание вкладышей приводит к выходу двигателей из строя и последующему дорогостоящему ремонту [1–5].

До настоящего времени проблема проворачивания шатунных вкладышей полностью не решена, несмотря на то, что в области повышения надежности двигателей как отечественного, так и зарубежного производства проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Постоянное проявления отказа, а также наличие научных исследований доказывают, что недостаточно раскрыта физическая сущность проворачивания вкладышей. Нет четкой картины причинно-следственных связей, показывающих механизм развития отказа и возможность его исключения в эксплуатации.

Отказ шатунных вкладышей может наступить у относительно новых двигателей, то есть при исправно работающей системе смазки, при отсутствии износов в сопряжении (при полностью сохранившемся свинцовистом покрытии вкладыша). Например, в работах [6, 7] анализ отказов шатунных подшипников у 518 двигателей КАМАЗ показал, что вероятность проворачивания вкладышей выше в начальный период эксплуатации двигателя, то есть при малых износах подшипников, нормальном давлении масла в системе смазки.

Поэтому исследование процессов, приводящих к проворачиванию шатунных вкладышей у современных двигателей семейства КАМАЗ-740, актуально в настоящее время.

Анализ причин отказов шатунных подшипников

Исследованию причин проворачивания вкладышей шатунных подшипников посвящен многочисленные работы (см., например, [6, 7]). Разработаны способы их диагностирования, обоснованы и внедряются различные конструктивные, технологические и эксплуатационные решения повышения надежности.

На самом деле причин, по которым проворачиваются вкладыши достаточно много. Однако, считается, что наиболее вероятная — отсутствие в шатунных подшипниках масла или недостаточное его количество. Поэтому, этот отказ относится к категории эксплуатационных. Причем, он может внезапно появится как на новых двигателях, так и после капитального ремонта.

В качестве основной причины проворачивания шатунных вкладышей на дизельных двигателях ЯМЗ-238, -240; КАМАЗ-740 специалистами заводов КАМАЗ [6] и ЯМЗ [4, 10] считалось попадание в подшипники с маслом абразивных загрязняющих примесей. Длительный период разрабатывались способы по исключению абразива в системе смазки. В конструкцию коленчатого вала были внедрены специальные грязеулавливающие канавки, которые должны были задерживать абразив. Была улучшена система фильтрации масла и воздуха. Эксплуатирующими предприятиями предпринимались определенные меры по выполнению требований завода-изготовителя, касающихся организации технического обслуживания, применяемых масел, защиты двигателя от попадания пыли. Проведенные мероприятия, однако, не исключили отказов двигателей из-за проворачивания шатунных вкладышей.

В исследованиях причин отказов тепловозных дизелей [8, 9] отмечено значительное влияние напряжений в антифрикционном слое вкладыша на стабильность его формы. Однако, авторами сделано предположение на основании изучения эксплуатационных отказов и особенно предотказных состояний по дизелю КАМАЗ-740, что напряженное состояние самой стальной основы является определяющим фактором формоизменений вкладыша. Уже на этапе их изготовления происходит формирование напряжений, к которым затем добавляются напряжения при формировании напряженно-деформированного состояния стальной основы вкладыша от монтажа и условий работы.

Результаты исследований формоизменения и геометрических параметров шатунных вкладышей двигателей камаз-740

Для установления изменения напряженного и деформированного состояния стальной основы шатунных вкладышей были проведены стендовые испытания. Испытанию на безотказность подверглись двигатели КамАЗ-740. Общая продолжительность испытания 1000 ч.

Для исследования было использовано три комплекта шатунных вкладышей (48 штук), у которых были различные исходные значения диаметра в свободном состоянии Dсв от 85,4 до 86,0 мм и выступания t от 50 до 130 мкм. Определение размеров осуществлялось с помощью контрольного приспособления под нагрузкой 6,1 кН (норматив конструкторской документации по двигателям КАМАЗ-740). Таким образом, был исследован весь диапазон размеров вкладышей, устанавливаемых в двигателе.

На один шатун устанавливали вкладыши с одинаковыми или близкими параметрами. Изменения в стальной основе вкладыша определяли по напряженному состоянию σ и геометрическим параметрам — выступание t и распрямление δ. Измерения проводились после первых 50 ч работы двигателя и далее каждые следующие 200 ч по одинаковой программе (продолжительность каждого этапа, режимы и параметры работы двигателя).

По результатам испытаний установлено (рис. 1), что в основном за первые 200 часов работы двигателя вкладыши изменяют свое напряженное состояние и геометрические параметры. После чего напряжение, выступание и распрямление стабилизируются и вкладыши практически не изменяются.

 

Рис. 1. Изменение выступания t и распрямления δ от наработки двигателя КамАЗ-740 в стендовых условиях, снижение монтажных напряжений в стальной основе шатунных вкладышей σ со стороны рабочей поверхности.

Fig. 1. Change of protrusion t, and straightening δ from of the KAMAZ-740 engine runtime in bench conditions, reduction of mounting stresses in the steel base of connecting rod liners σ at the side of the working surface.

 

Величина установившихся значений выступания и распрямления у отдельных вкладышей различна, а уровень установившихся напряжений на рабочей поверхности у всех вкладышей оказался один и тот же, около 200 МПа, что соответствует допустимой величине суммарных монтажных напряжений.

При исходных монтажных напряжениях σ₀ ≥ 200 МПа происходят большие деформации; при монтажных напряжениях σ₀ ≤ 200 МПа деформация практически отсутствует на этапах работы дизеля.

Анализ полученных данных позволил сделать вывод, что в начальный период работы двигателя происходит деформация вкладышей до тех пор, пока в рабочем состоянии стальной основы напряжение по всему поперечному сечению вкладыша не станет ниже предела текучести на сжатие. Исследованиями определено значение предела текучести на сжатие стальной основы вкладыша Ст08кп σ_Т = 500 МПа. При значениях выше предела текучести неизбежны пластические деформации, которые выражаются в изменении геометрических параметров, заданных чертежом.

 

Рис. 2. Граница устойчивого состояния вкладышей через 200 ч работы на двигателе при исходных значениях выступания t и диаметра D_св: А–Б — линия устойчивых состояний вкладышей; зона «Х» — зона нежелательных исходных параметров; зона «У» — зона предпочтительных значений исходных параметров.

Fig. 2. Boundary of the stable state of the liners after 200 hours of operation in the engine at the initial values of the protrusion t and diameter D_cv: А–Б — line of stable states of the liners; zone “X” — zone of undesired initial parameters; zone “Y” — zone of preferable values of initial parameters.

 

На рис. 2 показано изменение геометрических размеров верхних шатунных вкладышей до устойчивого состояния за 200 ч работы на двигателе при исходных значениях выступания t и диаметра Dсв. Две точки, относящиеся к одному и тому же вкладышу, обозначены одинаковыми цифрами. Точки, характеризующие геометрию вкладыша после 200 ч работы, расположились в зоне, ограниченной линией А–Б. Поскольку вкладыши находятся в устойчивом состоянии, то линия А–Б характеризует границу устойчивых параметров. Выше линии А–Б расположена зона неустойчивых параметров, ниже — устойчивых.

Из рис. 2 следует, что чем больше величина исходных параметров D_св и t, тем на большую величину снизится диаметр и натяг вкладыша в процессе работы. Наиболее интенсивно деформация происходит у вкладышей с большим выступанием (натягом).

Зона «Х» на графике представляет область опасных значений выступания и диаметра в свободном состоянии (D_св и t). На вкладышах из этой области при испытании образовался натир в средней части рабочей поверхности (рис. 3), что является началом проворачивания вкладышей.

 

Рис. 3. Вид шатунных вкладышей после испытаний с характерными натирами в средней части по 3 и 6 цилиндрам (слева 1, справа 8 цилиндр).

Fig. 3. View of connecting rod liners after tests with specific rubbing in the middle on cylinders #3 and #6 (left-to-right — from the cylinder #1 to the cylinder #8).

 

Что же отличает состояние вкладышей 3 и 6 цилиндров? Изменение геометрических параметров вкладышей приводит к его деформации и формоизменениям, приводящим к образованию прогиба. На рис. 4 показано формоизменение вкладыша и образования прогиба ∆, который эквивалентно снижает фактический зазор S в подшипнике. Как результат, шатунные подшипники работают в условиях уменьшенного зазора, так как вкладыш фактически утолщается, и с седлообразной поверхностью.

 

Рис. 4. Схема поперечной деформации вкладыша 2 с образованием прогиба ∆: 1 — шатун; 2 — вкладыш; 3 — шейка вала; S — зазор в подшипнике.

Fig. 4. Diagram of transverse deformation of a liner 2 with formation of deflection ∆: 1 — a connecting rod; 2 — a liuner; 3 — a shaft pin; S — bearing clearance.

 

Возникший на первом этапе первичный прогиб вкладыша снижает фактическую площадь контакта вкладыша с шатуном, что ухудшает теплоотдачу вкладыша к шатуну, что вызывает его перегрев, возрастание напряжений и деформации на втором этапе [11, 12].

Для подтверждения аналитических предпосылок развития прогиба во втором этапе по зависимостям были измерены уцелевшие вкладыши 45 двигателей, имеющих проворачивание шатунных вкладышей на одном цилиндре и поступивших в ремонт с различной наработкой, на наличие прогиба. По полученным данным были определены параметры зависимости прогиба от наработки ∆ = 8,7· e0,00614·l (рис. 5).

 

Рис. 5. Нарастание среднего остаточного прогиба вкладышей ∆ от наработки.

Fig. 5. Increase of average residual deflection of liners ∆ with operating time.

 

Эта осредненная зависимость показывает нарастание прогиба и соответственно уменьшение фактического зазора, из которой по осредненной интенсивности можно определить предельный пробег, при котором прогиб достигнет величины зазора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изменение геометрических параметров шатунных вкладышей из-за напряженного состояния стальной основы указывает на развитие отказа.

Отказ появляется не внезапно, а развивается в течение довольно длительного времени. Этот процесс проходит по определенной закономерности в три этапа. Первый этап характеризуется появлением деформации вкладыша по причине избыточного напряженного состояния. Второй этап обусловлен развитием полученных деформаций до критических значений. Третий этап сопровождается проворачивание шатунного вкладыша из-за полученных деформаций и нарушений условий гидродинамики подшипника.

Чтобы обеспечить стабильность геометрических размеров и форму шатунных вкладышей необходимо выбирать их таким образом, чтобы исходные напряжения в сумме с напряжениями от монтажа и температурных условий в поперечном сечении стальной основы не превышали предел текучести для материала Ст08кп, что является предпосылкой и направлением для практических рекомендаций по оптимизации параметров вкладышей.

Дополнительно

Вклад авторов. А.Т. Кулаков ― обзор литературы, сбор и анализ данных, планирование экспериментальных исследований, разработка теоретических предпосылок; О.А. Кулаков ― проведение экспериментальных исследований, разработка методик испытаний, подготовка отчета по испытаниям, первичная обработка данных экспериментов; Р.Ф. Калимуллин ― обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, написание текста и редактирование статьи; Е.П. Барыльникова ― правка текста и редактирование статьи, изготовление рисунков и графиков, доработка под требования оригинальности и издательства. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

Additional information

Authors’ contribution. A.T. Kulakov — literature review, data collection and analysis, experimental study planning, development of theoretical assumptions; O.A. Kulakov — carrying out experimental studies, development of test procedures, preparation of test reports, primary processing of experimental data; R.F. Kalimullin — literature review, collection and analysis of literary sources, writing the text and editing the article; E.P. Barylnikova — text revision and editing the article, creating figures and graphs, adaptation to the requirements of originality and publishing house. The authors attest that they meet the ICMJE international criteria for authorship (all authors made substantial contributions to the conceptualization, research, and preparation of the article, and read and approved the final version before publication).

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Alexander T. Kulakov

KAMAZ-Autosport

Email: alttrak09@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6443-0136
SPIN-code: 6745-0764

Dr. Sci. (Tech.), Professor of the Automobile Transport Operation Department

Russian Federation, Naberezhnye Chelny

Oleg A. Kulakov

KAMAZ-Autosport

Email: kulakov.o@mail.ru
ORCID iD: 0009-0003-0102-4856
SPIN-code: 8504-0605

Chief Mechanic KAMAZ-Autosport

Russian Federation, Naberezhnye Chelny

Ruslan F. Kalimullin

Naberezhnye Chelny Institute (Branch) of Kazan Federal University

Email: rkalimullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4016-2381
SPIN-code: 3492-4311

Dr. Sci. (Tech.), Professor of the Automobile Transport Operation Department

Russian Federation, 18A Shamilya Usmanova street, 423813 Naberezhnye Chelny

Elena P. Barylnikova

Naberezhnye Chelny Institute (Branch) of Kazan Federal University

Author for correspondence.
Email: 692401@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1457-1598
SPIN-code: 8003-0262

Associate Professor, Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Automobile Transport Operation Department

Russian Federation, 18A Shamilya Usmanova street, 423813 Naberezhnye Chelny

References

Supplementary files