CC BY
20
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИИ ПРОГРЕСС
УДК 620.1 ГРНТИ 73.34.17
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ ПРИЧИН АВАРИЙНЫХ РАЗРУШЕНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ МАРКИ TD226B-3CD
И. Г. Мироненко, А.О. Токарев
Сибирский государственный университет водного транспорта Россия, 630099, г. Новосибирск, ул. Щетинкина, 33
Автор поднимает вопрос обновления парка речных судов и пишет о причинах разрушения шатун-но-поршневой группы двигателя TD226B-3CD. Проведены конструктивно-технологические, микро- и макроструктурные исследования материала деталей шатунно-поршневой группы судового двигателя TD226B-3CD, потерпевшего аварию. Показано, что причиной аварии кривошипно-шатунного механизма 2-го рабочего цилиндра послужило нарушение технологии сборки нижней головки шатуна, выразившееся в недотягивании резьбового соединения до требуемого усилия, которое, в свою очередь, привело к самопроизвольному вывинчиванию шатунного болта и раскрытию нижней головки шатуна при работе двигателя. Отмечается, что Правила Российского Речного Регистра не имеют жёстких требований к наличию приспособлений или соответствующих деталей, не допускающих самопроизвольного ослабления и/или отдачи шатунных болтов для двигателей мощностью менее 55 кВт. Рекомендовано компании-судовладельцу и компании поставщику двигателей обратиться в Главное управление Российского Речного Регистра с ходатайством (на основании п. 2.1.2 ПСВП) об ужесточении требований к конструкции нижней головки шатуна двигателей TD226B-3CD с целью предотвращения самопроизвольного отвинчивания шатунных болтов.
Ключевые слова: дизельный двигатель, авария, Российский Речной Регистр, шатунный болт, речной транспорт, требования.
ANALYSIS OF THE POSSIBLE REASONS OF EMERGENCY DESTRUCTION OF THE BRAND TD226B-3CD ENGINES
I.G. Mironenko, A.O. Tokarev
Siberian State University of Water Transport
Russia, 630099, Novosibirsk, ul. Schetinkina, 33
The article considers constructive-technological, micro- and macro-structural research of the material of the parts of a connecting rod and piston group of the ship engine brand TD226B-3CD, which crashed. The research states:
• the reason of the breakup is violation of technology assembly of the lower crosshead;
• Rules of the Russian River Register do not have strict requirements to the presence of devices not allowing spontaneous unscrewing of connecting rod bolts for engines with a capacity of less than 55 kW.
The authors give recommendations for the company-ship-owner and the company-supplier of engines to address to Central administrative board of the Russian River Register with the petition to toughen requirements to the design of the lower head of the connecting rod of the engine TD226B-3CD to prevent spontaneous unscrewing of the connecting rod bolts.
Keywords: a diesel engine, a breakup, the Russian River Register, a connecting rod bolt, river transport, requirements.
На внутреннем водном транспорте существует тревожная ситуация, связанная с состоянием основного парка судовых дизельных двигателей. По данным журнала «Речной транспорт» дизельный парк пароходств морально и физически стареет [1, 2]. По данным Главного управления Российского Речного Регистра средний возраст судов транспортного флота превышает 25 лет [3]. Главные двигатели теплоходов выработали ресурс и по этому признаку нуждаются в капитальном ремонте или замене. В настоящее время процесс обновления дизельного парка идёт достаточно активно по двум направлениям: капитально-восстановительный ремонт и замена устаревших двигателей новыми двигателями китайского производства. Однако назвать радужной складывающуюся ситуацию ещё рано.
Дело в том, что освоение новых моделей дизельных двигателей, поступающих на Российский речной флот из Китая, их адаптация к условиям эксплуатации на российских судах таит в себе ещё очень много подводных камней, проявляющихся в аварийном разрушении основных деталей двигателей, ещё не отработавших назначенные ресурсы. Так, осенью 2012 года вышел из строя двигатель марки TD226B-3CD, установленный на одном из судов ОАО «Обь-Иртышское речное пароходство» (ОАО «ОИРП»), вследствие обрыва шатунного болта. Аналогичный случай произошёл в начале навигации 2012 года на одном из судов в Новосибирске. Известны случаи проворачивания коренных подшипников коленчатого вала и разрушение редукторной передачи у судовых двигателей, эксплуатирующихся в Казахстане. Невольно возникает вопрос: в чём причина этих аварий? Не являются ли эти аварии следствием каких-либо конструктивных недостатков двигателей, несоответствием материалов деталей требованиям российских ГОСТов или нарушением технологии сборки двигателей?
Настоящая работа выполнена специалистами научно-исследовательской лаборатории технической диагностики и кафедры технологии металлов и судостроения ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта» (ФГБОУ ВО «СГУВТ») и призвана восполнить недостающую информацию о причинах разрушения шатунно-поршневой группы двигателя TD226B-3CD ОАО «ОИРП».
Краткая характеристика объекта исследования.
Высокооборотные судовые дизели серии 226В производятся в Китае по лицензии компании «Deutz» (Германия) и могут использоваться на судах в качестве главного или вспомогательного двигателя. Характеристика двигателя марки TD226B-3CD: с наддувом; водяное охлаждение, 2 контура; цилиндр с рубашкой охлаждения; 3 рабочих цилиндра; судовой; для привода генератора.
Номинальная мощность, кВт......................30
Номинальная частота вращения, мин-1 ... 1500 Обозначение двигателя
по ГОСТ 10150....................................3 ЧН 10.5/12
Исходные данные для анализа Исследованию подверглись следующие детали: коленчатый вал, шатун, шатунные болты, поршень рабочего цилиндра и поршневой палец. Втулки рабочих цилиндров осматривались будучи установленными на штатные места.
Вторая шатунная шейка коленчатого вала двигателя и прилегающие к ней участки щек покрыты глубокой окалиной черного цвета (рис.1).
Рис. 1. Коленчатый вал двигателя TD226B-3CD, потерпевшего аварию при эксплуатации
На поверхности второй шатунной шейки имеется глубокая вмятина со смещением слоя металла. Ширина вмятины совпадает с шириной стержня шатуна. Кроме указанной вмятины на поверхности шейки имеются многочисленные задиры и забоины. Остальные шейки коленчатого вала имеют поверхности без каких-либо заметных дефектов.
Стержень шатуна (рис. 2) изогнут вследствие ударов о шатунную шейку, которые произошли, очевидно, после полного отрыва крышки шатуна. Шатун со стороны нижней головки покрыт окалиной. Причём цвета побежалости распространяются вплоть до середины стержня.
Рис. 2. Внешний вид шатуна второго рабочего цилиндра
Ложе подшипника нижней головки шатуна деформировано. На поверхности ложемента имеются многочисленные разрывы (рис. 3).
Рис. 3. Внешний вид нижней головки шатуна: разрывы поверхности ложемента вкладыша
Шлицы замка нижней головки шатуна со стороны вывернувшегося болта смяты (рис. 3). Аналогичное смятие имеют ответные шлицы нижней крышки шатуна. Наружная поверхность крышки так же, как и шатун, покрыта окалиной. Штифт фиксатора вкладыша шатуна смят и расклёпан.
Один из шатунных болтов разорван (см. рис. 2 и 4). Причём, часть стержня, примыкающая к головке болта, выпала и попала в поддон картера, а резьбовой конец болта остался в резьбовом отверстии шатуна (рис. 3). Другой болт был извлечён из картера с поврежденной (помятой) резьбой (рис. 4).
А #
Рис. 4. Шатунные болты двигателя: сверху вниз: болт с повреждённой резьбой, извлечённый из картера двигателя; сменно-запасный болт, оборванная часть болта (ответная, резьбовая часть осталась в резьбовом отверстии шатуна)
Вид поверхности разрыва разрушившегося болта свидетельствует о действии напряжений растяжения с изгибом. Верхний болт (см. рис. 4) имеет минимальные повреждения: смята резьба (в радиальном направлении); стержень слегка изогнут; удлинения стержня практически не наблюдается.
Вкладыши шатунного подшипника второго рабочего цилиндра представлены в виде отдельных, весьма деформированных, смятых обрывков (рис. 5).
Рис. 5. Фрагменты вкладышей шатунного подшипника второго рабочего цилиндра: бронзовые фрагменты выделены рамкой
Следует отметить, что вкладыши других шатунных подшипников - в рабочем состоянии.
Поршень второго рабочего цилиндра покрыт нагаром, однако, находится в удовлетворительном состоянии: каких-либо дефектов, говорящих о нарушениях правил технической эксплуатации двигателя на поршне не наблюдается. Все поршневые кольца двигаются в поршневых канавках свободно, без заедания. Юбка поршня в плоскости качания шатуна повреждена ударом: от неё отколот фрагмент размером около 20-10 мм.
Поршневой палец второго рабочего цилиндра и втулка верхней головки шатуна - в удовлетворительном состоянии. Сопрягаемые поверхности отполированы. Каких-либо дефектов на поверхности не обнаружено.
Результаты анализа
Конструктивно-технологический анализ шатунных болтов, имеющих маркировку [4] М12-1,5-12.9, выполненный в работе [5], позволил установить следующее:
1. Геометрические параметры резьбы шатунных болтов не противоречат требованиям ГОСТ 16093-2004 и ГОСТ 24705-2004;
2. Резьба М12-1,5 имеет наименьший запас самоторможения из всего ряда мелких шагов, предусмотренных ГОСТ 24705-2004;
3. Конструкция нижней головки шатуна не предусматривает приспособлений или соответствующих деталей, не допускающих самопроизвольного ослабления и/или отдачи шатунных болтов;
4. Правила Российского Речного Регистра [6] не имеют жёстких требований к наличию приспособлений или соответствующих деталей, не допускающих самопроизвольного ослабления и/или отдачи шатунных болтов для двигателей мощностью менее 55 кВт;
5. Технология сборки [4] нижней головки шатуна не позволяет обеспечить 100 %-й контроль качества затяжки шатунных болтов.
Микроструктурные исследования производили на микроскопе МИМ-8М. Образцы для микроструктурных исследований и измерения твёрдости вырезались из деталей двигателя с помощью абразивного инструмента при охлаждении зоны резания водой.
Проведённый микроструктурный анализ [5] показал:
1. При аварии имело место локальное (у второй шатунной шейки коленчатого вала) увеличение температуры сопряжённых деталей, превышающее температуру полной фазовой перекристаллизации углеродистой стали (более 820-850 0С);
2. В результате такого перегрева произошла полная фазовая перекристаллизация поверхностных слоёв материала коленчатого вала и шатуна и неполная фазовая перекристаллизация более глубинных слоёв материала указанных деталей, а также вызванное этими процессами уменьшение твёрдости деталей;
3. В результате температурного воздействия произошло изменение структуры материала шатунных болтов и почти полное расплавление антифрикционного слоя вкладышей шатунного подшипника;
4. Изменением структуры материала и уменьшением его твёрдости, произошедшими в результате перегрева, обусловлено образование глубокой вмятины со смещением слоя металла на поверхности второй шатунной шейки коленчатого вала (рис. 1) при ударе шатуном.
Таким образом, в результате анализа исходных данных, микро- и макроструктурного, конструктивно-технологического анализов было показано, что у кривошипно-шатунного механизма, находящегося в исправном состоянии, не противоречащего требованиям ГОСТ и Правилам Речного Регистра, в процессе эксплуатации внезапно увеличилась температура в зоне трения шатунного подшипника и шейки коленчатого вала 2-го рабочего цилиндра, которая превысила температуру полной фазовой перекристаллизации конструкционной стали. Такое повышение температуры носило локальный характер и проявилось
только в кривошипно-шатунном сопряжении 2-го рабочего цилиндра. У остальных трибосопряже-ний двигателя внешних проявлений существенного нарушения температурного режима обнаружено не было.
Что могло послужить причиной внезапного локального возрастания температуры в трибо-сопряжении? Одна из причин - несоответствие свойств смазочного материала требованиям ГОСТ или внезапное нарушение свойств смазочного материала в результате увеличения содержания водной фазы или механических примесей, или др. - исключается. При изменении свойств смазочного материала изменение температурного режима коснулось бы всех трибосопряжений. Однако это не подтверждается результатами исследования.
Другой причиной локального нарушения температурного режима работы трибосопряже-ния могло стать изменение режима смазывания шатунного подшипника от гидродинамического - к граничному и, далее, к сухому трению. Такая причина выглядит весьма правдоподобно, так как не противоречит результатам исследования. Изменение режима смазывания могло произойти в результате локального падения давления смазочного материала, коснувшегося только данного трибосопряжения. Одной из причин локального падения давления масла могло стать засорение масляных каналов. Однако и эта версия не подтверждается результатами исследования: масляные каналы шатуна и коленчатого вала чисты и не содержат никаких элементов, способствовавших их засорению или закупориванию.
Другой причиной локального падения давления смазочного материала в трибосопряжении могло стать раскрытие нижней головки шатуна в результате самопроизвольного отвинчивания шатунных болтов. Рассмотрим эту версию более подробно.
В процессе эксплуатации двигателя от действия вибрации началось самопроизвольное отвинчивание одного шатунного болта. Для этого процесса есть все предпосылки: резьба имеет минимальный запас самоторможения; посадка резьбового соединения, в соответствии с требованиями ГОСТ, выполняется с гарантированным зазором; устройств, предотвращающих самопроизвольное отвинчивание болтов, нет; проконтролировать качество сборки 100 % шатунов невозможно. Отвинчивание шатунного болта приводит к раскрытию нижней головки шатуна и увеличению проходного сечения смазочной магистрали в данном конкретном локальном трибосопряжении.
В результате происходит падение давления смазочного материала и режим трения переходит от гидродинамического к граничному. Дальнейшее вывинчивание шатунного болта приводит к увеличению зазора в шатунном подшипнике. В результате под действием вибрации и из-за уменьшения сил зажима вкладыши шатунного подшипника смещаются со своего штатного места и сминают стопорный штифт. Происходит расклинивание вкладышей подшипника между постелью нижней головки шатуна и вращающейся шейкой коленчатого вала. Режим смазывания переходит в сухое трение.
Начиная с перехода к граничному смазыванию, температура в зоне трения начинает расти. При переходе к сухому трению температура в зоне контакта достигает своей максимальной величины, превышающей температуру перекристаллизации стали. Твёрдость материалов трибосопря-жения, в том числе и шатунных болтов, при этом существенно уменьшается. Антифрикционный слой подшипника полностью выплавляется.
Взаимное смещение друг относительно друга нижней крышки шатуна и его нижней головки привело (в пределах зазора между шлицами) к деформированию резьбы шатунного болта в направлении, перпендикулярном расположению его оси (в радиальном направлении), а также к смятию шлицев. После полного вывинчивания резьбовой части болта последний выпал в поддон картера. В дальнейшем произошло полное раскрытие нижней головки шатуна с загибанием стержня оставшегося шатунного болта и его разрыв. Освободившийся шатун ударил по вращающейся шатунной шейке и, в результате того, что твёрдость материала последней уже была существенно ниже нормы, оставил на ней глубокую забоину с вытеснением части материала (см. рис. 1 и 6).
Рис. 6. Имитация расположения стержня шатуна при ударе о шатунную шейку
Данная гипотеза выглядит более правдоподобной и обоснованной. Для проверки правильности рассуждений зададим контрольный вопрос, сформулировав его следующим образом: в результате какого события один шатунный болт практически не повреждён (имеет лишь незначительное смятие витков резьбы в радиальном направлении), а второй болт разорван с изгибом? Ответ очевиден и «лежит на поверхности»: первый болт самопроизвольно вывернулся и упал в поддон, а второй не выдержал «свалившейся на него» нагрузки и разорвался. Отсюда следуют и все те последствия, о которых речь шла выше.
В чём же причина самопроизвольного вывинчивания шатунного болта? Возможными представляются две версии: превышение момента затяжки болта и недостаточный момент затяжки. При превышении момента затяжки резьбового соединения происходит смещение витков резьбы (ниток) в осевом направлении и даже их отрыв от материала основы. Данная версия не подтверждается результатами исследования: смещения ниток резьбы в осевом направлении у шатунного болта нет (см. рис. 4). При недотягивании резьбового соединения запас самоторможения резьбы ещё более уменьшается и вполне может привести к самопроизвольному отвинчиванию.
Таким образом, методом исключения приходим к следующему выводу: авария кривошипно-шатунного механизма 2-го рабочего цилиндра произошла в результате нарушения технологии сборки нижней головки шатуна, выразившемся в недотягивании резьбового соединения до требуемого усилия, которое, в свою очередь, привело к самопроизвольному вывинчиванию шатунного болта и раскрытию нижней головки шатуна в процессе эксплуатации.
Выводы и рекомендации
1. Причиной аварии кривошипно-шатунного механизма 2-го рабочего цилиндра послужило нарушение технологии сборки нижней головки шатуна, выразившееся в недотягивании резьбового соединения до требуемого усилия, которое, в свою очередь, привело к самопроизвольному вывинчиванию шатунного болта и раскрытию нижней головки шатуна при работе двигателя.
2. На основании проведённого исследования рекомендуется компании-судовладельцу и компании поставщику двигателей обратиться в Главное Управление Российского Речного Регистра с ходатайством (на основании п. 2.1.2 ПСВП) об ужесточении требований к конструкции нижней головки шатуна двигателей ТБ226Б-3СБ с целью предотвращения самопроизвольного отвинчивания шатунных болтов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Алипа В.Л. Флот нуждается в государственной поддержке // Речной транспорт. - 2004. - № 3.
2. Вставский Г. Обновление флота на Енисее // Речной транспорт. - 2004. - № 3.
3. Ефремов Н.А. Перспективное направление обновления флота // Речной транспорт. - 2003. - № 1.
4. Судовые дизельные двигатели серии 226В: техническое описание и инструкция по эксплуатации:
офиц. текст. - 50 с.
5. Проведение экспертизы вышедшего из строя двигателя марки TD226B-3CD: отчет о НИР / НГАВТ; руководитель И.Г. Мироненко. - № 97/13. - Новосибирск, 2013. - 37 с.
6. Российский Речной Регистр. Правила: в 4-х томах. Т. 3. Правила классификации и постройки судов внутреннего плавания. - М.: По Волге, 2008. - 433 с.
REFERENCE LIST
1. Alipa V.L. Flot nushdaetsya v gosudarstvennoy poddershke // Rechnoy transport. - 2004. - № 3.
2. Vstavsky G. Obnovlenie flota na Enisee // Rechnoy transport. - 2004. - № 3.
3. Efremov N.A. Perspektivnoe napravlenie obnovleniya flota // Rechnoy transport. - 2003. - № 1.
4. Sudovye diselnye dvigateli serii 226B. Tekhnicheskoe opisanie i instruktsiya po ekspluatatsii:
ofits. tekst. - 50 s.
5. Provedenie ekspertisy, vyshedshego iz stroya dvigatelya marki TD226B-3CD: Otchet o NIR / NGAVT; rukovoditel' I.G. Mironenko. - № 97/13. - Novosibirsk, 2013. - 37 s.
6. Rossiyskiy Rechnoy Registr. Pravila: v 4-h tomakh. T. 3. Pravila klassifikatsii i postroyki sudov vnutrennego plavaniya. - M.: Po Volge, 2008. - 433 s.
Мироненко игорь Геннадьевич - доктор технических наук профессор Статья поступила в редакцию
кафедры технологии металлов и судостроения Сибирского государственно- 14 марта 2015 г.
го университета водного транспорта.
Токарев Александр Олегович - доктор технических наук профессор, заведующий кафедрой технологии металлов и судостроения Сибирского государственного университета водного транспорта.
Научная специальность 05.08.05 - «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)»
© И.Г. Мироненко, А.О. Токарев, 2015
Читаем книги
Чуркин, В. М. Кинематика. Теоретическая механика в решениях задач из сборника и.В. Мещерского [Текст] / В.М. Чуркин; изд.стереотип. - М., 2014. - 388 с.
Пособие содержит решения более двухсот задач отдела «Кинематика» из «Сборника задач по теоретической механике» И.В. Мещерского и предназначено для самостоятельной работы над курсом теоретической механики. Подробное изложение решения задач предваряют краткие сведения из теории, которые можно использовать в качестве дополнительного справочного материала.
Книга может быть полезна преподавателям и студентам университетов и технических вузов, а также школьникам старших классов.
