МОЖЕТ ЛИ ГИДРОУДАР В ПОРШНЕВОМ ДВИГАТЕЛЕ БЫТЬ «ОТЛОЖЕННЫМ»? Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

Научная статья УДК 621.432.3

МОЖЕТ ЛИ ГИДРОУДАР В ПОРШНЕВОМ ДВИГАТЕЛЕ БЫТЬ

«ОТЛОЖЕННЫМ»?

Анатолий Анатольевич Дьяков 1, Татьяна Евгеньевна Лихачева 2, Лариса Павловна Шестопалова 3

1 2- 3 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), г. Москва, Россия

1 diakov.anatol@ya.ru

2 t5329022@yandex.ru

3 ntibr@mail.ru

Аннотация. В статье кратко затронуты вопросы теории гидроудара и приведены сведения об основоположнике теории - академике Н. Е. Жуковском. Приведены примеры экспертиз по гидроудару, произошедших в двигателях автомобилей. Перечислены характерные следы и признаки повреждений на деталях двигателя, в котором произошёл гидроудар. Дано пояснение бытующих терминов «отложенного» и «замедленного» гидроудара. Приведено сравнение характера излома при использовании для изготовления шатунов легированных конструкционных сталей и сталей, содержащих повышенное содержание серы и фосфора.

Ключевые слова: гидроудар, отложенный и замедленный гидроудар, разрушение

шотлгио пиигтго ттст

ша i у гася ^от а i илл.

Для цитирования: Дьяков А. А., Лихачева Т. Е., Шестопалова Л. П. Может ли гидроудар в поршневом двигателе быть «отложенным»? // Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли. 2023. № 4(9). С. 3-18.

Original article

CAN A HYDRAULIC SHOCK IN A PISTON ENGINE BE

«DELAYED»?

Anatoliy A. Diyakov 1, Tatyana E. Likhacheva 2, Larisa P. Shestopalova 3

i, 2, 3 Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), Moscow, Russia

1 diakov.anatol@ya.ru

2 t5329022@yandex.ru

3 ntibr@mail.ru

Abstract. The article briefly touches upon the issues of the theory of water hammer and provides information about the founder of the theory, academician N. E. Zhukovsky. Examples of examinations on the guide road that occurred in car engines are given. The characteristic traces and signs of damage on the parts of the engine in which the water hammer occurred are listed. An explanation of the existing terms of "delayed" and "delayed" water hammer is given. The na-

© Дьяков А. А., Лихачева Т. Е., Шестопалова Л. П., 2023

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

3

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

ture of the fracture is compared when using alloy structural steels and steels containing high sulfur and phosphorus content for the manufacture of connecting rods.

Keywords: water hammer, delayed and delayed water hammer, destruction of the connecting rod of the engine.

For citation: Diyakov А. A., Likhacheva T. E., Shestopalova L. P. Can a hydraulic shock in a piston engine be «delayed»?. Automotive and Road expert evaluation. 2023;(4):3-18. (in Russ.).

Введение

В поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей встречается явление гидравлического удара (гидроудара). Данное нештатное явление приводит к выходу из строя двигателя и зачастую к его серьёзным повреждениям в виде разрушения стенки блока цилиндров. В рамках данной статьи как раз и пойдёт речь о явлении гидроудара в ДВС.

Явление гидроудара

Явление гидравлического удара впервые количественно описал в 18971899 гг. академик Н. Е. Жуковский. В момент столкновения струи жидкости с преградой в направлении, противоположном ее движению, начинает распространяться волна торможения. По закону Ньютона сила «F» есть произведение массы «m» на ускорение «а», которое является отношением изменения скорости «Dv» ко времени «t», в течение которого оно произошло. Этот закон можно записать в виде формулы:

F-t = m-Dv, (1)

Волна торможения в струе движется со скоростью звука в воде, которая

равна с = 1,5-105 см/сек. Гидравлический удар (гидроудар) - это скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный быстрым изменением скорости потока этой жидкости. Может возникать вследствие резкого закрытия или открытия задвижки на трубопроводе (илл. 1) [1].

Движение жидкости при закрытом кране

Возникновение гидравлического удара!!!

Движение жидкости при открытом кране

Нормальное движение жидкости

Илл. 1. Возникновение гидравлического удара при движении жидкости в трубе

Поясним, о каких именно трубах и задвижках идёт здесь речь. Работа академика Н. Е. Жуковского «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах» [2], была начата как исследование, связанное с авариями на водопроводе, и вылилась в глубокое теоретическое и математическое описание явления гидроудара. Эта работа, впервые напечатанная в «Бюллетенях Политехнического общества» (№ 5 за 1899 год), немедленно была переведена на немецкий, английский и французский языки и создала Н. Е. Жуковскому славу мирового ученого в области гидро-

4

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

механики. Гидроудар, по указанной теории, это волновое явление в системе полностью заполненной жидкостью. Н. Е. Жуковским была получена формула для расчета величины скорости распространения ударной волны в жидкости:

С ударн. = ^ , (2)

Л + ^ . *

V Е t

где Еж и Е - модули упругости жидкости и стенок трубы соответственно; * - диаметр трубы; t - толщина стенок трубы; р - плотность жидкости.

Для предотвращения гидроудара в потоке жидкости при его резкой остановке стали предусматривать ёмкости, заполненные воздухом, в которые жидкость из системы может поступить, если её движение в системе резко остановится. Для бытовых целей подобные компенсаторы волн давления выполнены на пружинной основе (илл. 2).

Илл. 2. Возникновение гидравлического удара при движении жидкости в трубе

Гидроудар в поршневом ДВС и его последствия

Условия прохождения гидроудара в поршневом двигателе следующие:

К

Хотя бы в один из цилиндров ДВС поступила жидкость

Объем жидкости превышает объем камеры сгорания

• Поршни двигателя перемещаются

(двигатель работает или запускается стартером, или иное)

Илл. 3. Необходимые условия, при которых происходит гидроудар в поршневом ДВС

Жидкость может поступить в двигатель из внешней среды или быть одной из технических жидкостей (охлаждающая жидкость, моторное масло), которые

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

используются в самом двигателе. Из внешней среды поступает обычно вода по пути всасываемого воздуха, проделывая весь путь воздуха по впускному тракту или через повреждения (не плотности) впускного тракта, если они имеются. В поршневом двигателе жидкость не заполняет весь объём цилиндра. Достаточно, чтобы объём поступившей жидкости превысил объём камеры сгорания.

В этом случае топливовоздушный заряд цилиндра, который при расчётных значениях степени сжатия, должен уместиться в камере сгорания при приходе поршня к ВМТ (верхней мертвой точке) не может это сделать штатно. Камера сгорания заполняется жидкостью, которую от НМТ (нижней мертвой точки) к ВМТ перемещает поршень (илл. 4). Жидкость практически несжимаема и поэтому поршень не может её сжать в ВМТ.

В.М.Т.

- объем камеры сгорания

- рабочий объем цилиндра

1 в.мт

Движение

5 - ход ,, поршня

Н. VI,Т.

Обратная волна

Илл. 4. Перемещение жидкости под действием поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) (а)

и момент гидроудара в ВМТ (б)

По мере увеличения оборотов двигателя и(или) количества поступившей жидкости, давление на поршень, а от поршня к шатуну всё больше будет превышать расчётные значения прочности шатуна.

Основными конструктивными параметрами стержня шатуна, кроме его длинны, являются размеры его среднего сечения. Стержень шатуна рассчитывается на усталостную прочность в среднем сечении от действия знакопеременных суммарных сил (газовых и инерционных), возникающих при работе двигателя на режимах при оборотах, соответствующих максимальной мощности двигателя, и оборотах, соответствующих максимальному крутящему моменту. Запас прочности среднего сечения определяется в плоскости качания шатуна и в перпендикулярной плоскости. Должно выполнятся условие равнопрочности стержня шатуна в обеих плоскостях. Расчётная сила, сгибающая шатун, достигает максимального значения в начале рабочего хода и определяется либо по результатам динамического расчёта или по формуле:

Рсж = Рг + Р] = - ро) - т;-Д-^2-(соБ ф + А-соб2ф)] -10-6, (3)

6

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

где ту = Шп + 0,275-Шш - масса возвратно движущихся частей кривошипно-шатунного механизма (условно предполагается, что среднее сечение находится в центре тяжести шатуна);

Рг - сила давления газов;

Ру - сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс;

Ип - площадь поршня;

рz - максимальное давление газов;

р0 - начальное давление заряда в цилиндре;

Я - радиус кривошипа;

Ф - угол поворота кривошипа, отсчитываемый от оси цилиндра, в направлении вращения коленчатого вала по часовой стрелке;

А = Я/Ьш - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

^ = п-п/30 - угловая скорость вращения коленчатого вала.

Для справки. Два примера расчёта стержня шатуна для бензинового и дизельного двигателей, с подстановкой реальных числовых значений можно найти в книге А. И. Колчина и В. П. Демидова «Расчёт автомобильных и тракторных двигателей» [3].

Сложность сопоставления расчётной силы, которая прилагается к шатуну в эксплуатации, с силой, приложенной для изгиба шатуна при гидроударе, заключается в том, что точное количество жидкости, поступившей в цилиндр ДВС не поддаётся измерению.

Причины или обстоятельства поступления жидкости во впускной тракт работающего двигателя из внешней срелы могут быть слелуюптие:

Илл. 5. Причины или обстоятельства, по которым жидкость могла попасть в ДВС

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

7

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

В автомобилях, в которых во впускном тракте предусмотрены успокоители волн давления (ресиверы), в них (в ресиверах) при сильном дожде происходит аккумулирование воды. Указанный ресивер служит для успокоения волн давления, лучшего наполнения цилиндров и снижения шума при работе двигателя. Обычно конструкция ресивера предусматривает отверстие для удаления воды, но, если дренажное отверстие такого ресивера не изготовлено (отсутствует) или забито отложениями, то вода начинает скапливаться в нём. При резком торможении эта вода может попасть в двигатель и привести к гидроудару. Это и произошло с автомобилем французского производства в сухой майский день на проспекте Мира в г. Москве. Первоначально, инженер по гарантии сервисного центра, куда сразу после остановки двигателя доставили автомобиль на эвакуаторе, предположил, что произошёл «отложенный гидроудар», но версию «испортил» механик данного сервиса, который, со словами «а я знаю», демонтировал и предъявил присутствующим при осмотре автомобиля лицам почти полную воды пластмассовую ёмкость ресивера.

Из-за применения особых марок сталей с повышенным содержанием серы и фосфора, так называемый «отложенный гидроудар», у автомобилей некоторых марок (например, таких как Рено, Ситроен, Пежо и китайского производства), встречается реже, чем у автомобилей других марок (например, таких как Мерсе-дес-Бенц, Ауди, Фольксваген, Шкода). Поясним, в чём эта особенность и можно ли её считать положительной.

При работе двигателя шатун подвергается воздействию знакопеременных

тли" тилц&гичлч гаг}ппиу тя тяи0птттяпи111~тг гтя п ПптуГ гчя ппплгпяпр гпгэгтзртга ртттр тя

ЦП 11^111 1 и1А Г1 * 1 1 1 Ц 11\-/11111.11Л ^х1|/1| X Г1 А Г!^^ ./ Г~1 Г"! ^ ■ ■ ^ ^ Г1 ^ »_» 1

динамическая ударная нагрузка. В связи с этим, в практике автомобилестроения в качестве материала для изготовления шатунов ДВС применяют углеродистые или легированные стали, обладающие высоким сопротивлением усталости. В соответствии с ГОСТ Р 53813-2010 «Двигатели автомобильные. Шатуны. Технические требования и методы испытаний» пункт 3.2: «Шатуны (и их крышки) изготавливают из сталей марок: 40 (селект), 40Р, 45Р, 45 по ГОСТ 1050; 40Г, 45Г2, 40Х, 40ХН, 40ХФА, 40ХН2МА по ГОСТ 4543. В технически обоснованных случаях допускается применение других марок сталей, по физико-механическим свойствам не уступающих перечисленным» [4] (илл. 6).

3.2 Шатуны (и их крышки) изготавливают из сталей марок: 40 (селект), 40Р, 45Р, 45 по ГОСТ 1050; 40Г, 45Г2, 40Х, 40ХН, 40ХФА, 40ХН2МА по ГОСТ 4543.

В технически обоснованных случаях допускается применение других марок сталей, по физико-механическим свойствам не уступающих перечисленным._

Илл. 6. Выдержка из ГОСТР 53813-2010 «Двигатели автомобильные. Шатуны. Технические

требования и методы испытаний» пункт 3.2

Также в ГОСТ Р 53813-2010 пункт 3.6 указано: «Микроструктура металла шатунов, проверяемая по сечению тавра у поршневой головки шатуна, представляет собой равномерную структуру сорбита без включений феррита» [4] (илл. 7).

Такая микроструктура по ГОСТ Р 53813-2010 предполагает проведение с шатунами типовой термической обработки в виде улучшения (закалка + высокий

8

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

отпуск). При этом включения мягкой фазы феррита должны отсутствовать в структуре.

3.6 Микроструктура металла шатунов, проверяемая по сечению тавра у поршневой головки шату-над представляет собой равномерную структуру сорбита без включений феррита._

Илл. 7. Выдержка из ГОСТР 53813-2010 «Двигатели автомобильные. Шатуны. Технические

требования и методы испытаний» пункт 3.2

Однако не нужно забывать, что согласно статье 26 Федерального закона «О стандартизации в Российской Федерации» от 29.06.2015 №162-ФЗ [5] национальные стандарты в Российской Федерации носят добровольный характер применения (если только изготовитель публично не заявил, что выпускает свою продукцию в соответствии с конкретным ГОСТ). Кроме того, зарубежные производители изготавливают детали автомобилей не по Российским ГОСТ, а по своим стандартам и по своим внутренним конструкторским документам.

Применение сталей, рекомендованных ГОСТ Р 53813-2010 (или близких аналогов) можно встретить на моторах, произведённых в РФ, а также на моторах автомобилей марок Мерседес-Бенц, Ауди, Фольксваген, Шкода. У некоторых моторах автомобилей марок Рено, Ситроен, Пежо и китайского производства встречаются шатуны, которые изготавливаются из специальных марок сталей с повышенным содержанием серы и фосфора. Такие шатуны при гидроударе чаще ломаются, а не деформируются. При этом сломанный шатун пробивает отверстие блока цилиндров двигателя изнутри наружу.

--------1.......-1-11---1-1----------------J - I------Г J ■

В Российской Федерации по химическому составу к таким специальным сталям с повышенным содержанием серы и фосфора наиболее близки автоматные стали по ГОСТ 1414-75 «Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия» [6].

Для справки. Автоматная сталь отличается повышенным содержанием серы (0,08-0,3 %) и фосфора (0,05-0,16 %), что существенно облегчает резание, способствует дроблению и лёгкому отделению стружки и позволяет получать изделия на станках автоматах с высоким качеством поверхности и размерной точностью. Наличие серы и фосфора в повышенных количествах снижает вязкость и пластичность автоматных сталей, поэтому они имеют пониженную прочность и склонны к разрушению. Зарубежные производители для изготовления шатуна могут применять свои стали с повышенным содержанием серы и фосфора, а также с микролегированием другими элементами. Так, например, существует патент Яи2431694С2 «Горячештампованная микролегированная сталь с превосходным разрушением при изломе и обрабатываемостью» [7]. Настоящее изобретение относится к горячештампованной микролегированной стали и горячекатаной стали с превосходным разрушением при изломе и обрабатываемостью, пригодным для стальных деталей, разделяемых разрушением при изломе, и относится к детали, изготовленной из горячештампованной микролегированной стали. Одной из деталей, для изготовления которой широко применялась такая микролегированная сталь, является шатун двигателя. В безштифтовых шатунах крышку и стержень штампуют как единое целое, на внутреннюю часть его головки наносят надрезы

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

9

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

и, применяя ударное растягивающее напряжение в холодном состоянии, крышку и стержень расщепляют при изломе. Шатун соединяют с коленчатым валом, используя расщепленные при изломе поверхности в качестве стыковочных поверхностей в их «расщепленном» состоянии без проведения механической обработки. При этом способе исключается процесс механической обработки стыковочных поверхностей. Этот способ также позволяет исключить обработку штифта, так как, благодаря шероховатости поверхностей, разрушенных при изломе, может быть предотвращена некоаксиальность. Соответственно, снижаются затраты на обработку этих поверхностей. Для изготовления шатунов в патенте ЯУ2431694С2 предлагается использовать горячештампованную микролегированную сталь с превосходным разрушением при изломе и обрабатываемостью, которая содержит: С от 0,35 до 0,60 %, от 0,50 до 2,50 %, Мп от 0,20 до 2,00 %, Р от 0,010 до 0,150 %, 8 от 0,040 до 0,150 %, V от 0,10 до 0,50 %, 2г от 0,0005 до 0,0050 %, Са от 0,0005 до 0,0050 % и N от 0,0020 до 0,0200 %, А1 менее 0,010%, Ре и неизбежные примеси - остальное. При этом авторами патента заявляется, что у деталей, изготовленных из данной, стали обеспечивается хорошая обрабатываемость резанием и разрушение при изломе без снижения производительности и ухудшения механических свойств.

При значительной деформации шатуна, изготовленного из сталей по ГОСТ Р 53813-2010, двигатель может заклинить без поломки шатуна. При сравнительно малой деформации шатуна, если прекратить эксплуатацию, то двигатель может быть ремонтнопригодным. При незначительном изгибе шатуна, если величина

тягзт-тя^я ир ппрпатгтв^/рт пз^птр гтктугг^т'р тта тя авцп ир лтп^м/'^ртга из ргп т^^итдир-

ских характеристиках, эксплуатация автомобиля может продолжаться какое-то время. Однако рано или поздно, такая эксплуатация закончится поломкой шатуна по усталостному механизму разрушения. В литературе такое разрушение шатуна иногда называют «отложенным гидроударом». По сути, это не верно, т.к. откладывается не сам гидроудар, а его последствия. Подробно о таком разрушении шатуна можно прочесть в статье авторов Александра Хрулёва и Сергея Самохина «Гидроудар "замедленного действия"» в журнале «АБ-Инжиниринг» [8].

Приведём в качестве примера несколько случаев из экспертной практики ИНАЭ-МАДИ с двигателями автомобилей, находившихся в гарантийном периоде эксплуатации. Первый случай был связан с тем, что, отъезжая со стоянки, автомобиль плавно въехал в глубокую лужу, где и заглох. Рядом находился дилерский сервис, куда автомобиль и был доставлен для диагностики. Т.к. владелец сообщил обстоятельства, при котором двигатель заглох (автомобиль въехал в глубокую лужу), то сотрудник дилерской станции, ещё не снимая автомобиль с эвакуатора, осмотрел его воздушный фильтр и убедился, что тот был полностью пропитан водой. На автомобиль было поставлено негласное клеймо: гидроудар. Сервис официального дилера принялся искать повреждения от гидроудара, так как мокрый фильтр - это признак возможного гидроудара, но это ещё не повреждение деталей двигателя. Воздушный фильтр сменный при эксплуатации элемент и заменяется по потребности или при техническом обслуживании. Трещин в цилиндрах двигателя установлено не было.

10

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

Деформацию шатуна при наличии, возможно установить, проверив высту-пание поршней над плоскостью блока цилиндров, как это показано на илл. 8 с помощью индикатора часового типа и измерительного моста. В нашем случае, этот метод не выявил наличия деформации какого-либо шатуна двигателя исследуемого автомобиля (все поршни поднимались в верхней мёртвой точке на одинаковую высоту относительно привалочной плоскости блока цилиндров).

Илл. 8. Проверка величины выступания поршня в верхней мёртвой точке (ВМТ) над привалочной плоскостью блока цилиндров двигателя с помощью индикатора часового

типа и измерительного моста

В рассматриваемом случае двигатель заглох, так как работал на малых обо-

ротах в момент заезда автомобиля в лужу. После намокания воздушного фильтра его пропускная способность воздуха резко снизилась и двигатель «задохнулся». Если бы обороты двигателя были выше, то вода через него могла бы попасть в цилиндр(ры) и привести к гидроудару. При этом воздушный фильтр мог деформироваться или разорваться. Необходимо отметить, что деформация фильтровальной бумаги воздушного фильтра при прохождении через неё воды сохраняется, даже после её высыхания (илл. 9).

Помимо этого, на внутренней поверхности корпуса воздушного фильтра после высыхания воды также остаются следы в виде трасс распространяющихся струй и капель жидкости (илл. 10).

Илл. 9. Сохранившаяся деформация фильтровальной бумаги воздушного фильтра после прохождения через него воды и последующего высыхания

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023 11

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

Илл. 10. Следы на внутренней поверхности корпуса воздушного фильтра в виде трасс распространяющихся струй и капель жидкости, оставшиеся после высыхания попавшей

в фильтр воды

Рассмотрим также иные признаки в ДВС, указывающие на возможный гидроудар.

Конечно, явным признаком гидроудара в ДВС является обнаружение самой

ПЛ П¥ Т Г» Т1Л1 ГТТ ГТ1ТТ Г А Л Дч II ПТ ТУЛ Л ТТ 1Л АРЛЛ П1 ITATJ ПЛТТТ/'А 1ГТ ТТАУМУТ Т ТТ А1Л А Г> ТТТ 7 AI/1 Т ТАИЛ Т/1 ТТ

з , сс з с , , с -

лекторе и цилиндрах двигателя. На наличие попадания воды в ДВС также будут указывать коррозионные повреждения его стенок (илл. 11).

Илл. 11. Коррозионные повреждения стенок цилиндров ДВС, образовавшиеся в результате

попадания в них воды при гидроударе

Другим признаком (или уже последствием) гидроудара является различие в слое нагара на стенках цилиндров ДВС над верхней мертвой точкой (ВМТ) поршня. Так как в результате гидроудара шатун деформируется и становится короче, то и положение ВМТ поршня меняется: поршень опускается ниже своего нормального (штатного) положения в ВМТ. В результате ширина кромки нагара в верхней части цилиндра увеличивается ступенчато (илл. 12).

12

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

Цилиндр 1 Цилиндр 2

Илл. 12. Пример различной ширины кромки нагара в верхней части цилиндров № 1 и № 2 в результате деформации шатуна поршня цилиндра № 1 при гидроударе

Деформированный в результате гидроудара шатун зачастую иметь вид «змейки» в плоскости качания (илл. 13). При изгибе шатуна оси его отверстий становятся непараллельными. Величина перекоса, в норме составляющая сотые доли миллиметра, становится видна невооруженным глазом.

Кроме того, при работе ДВС с деформированным шатуном на юбке его поршня образуется характерное диагональное пятно износа (илл. 14). На жаровом (огневом) поясе поршня выше поршневого кольца образуется дополнительный

контактный след, а противоположная зона пояса покрывается обильным нагаром.

Илл. 13. Изгиб шатуна, Илл. 14. Диагональное пятно износа

типа «змейка» на юбке поршня

В верхней части цилиндра (в месте касания поршня) поясок нагара сотрется, его кромка будет неровной, на ней могут быть риски от касания поршня. Ниже на цилиндре иногда можно наблюдать блестящие следы.

При работе ДВС с изгибом шатуна на его вкладышах также образуются следы «диагонального» износа (светлые, блестящие полосы износа) (илл. 15).

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

13

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

Илл. 15. «Диагональный» износ вкладышей вследствие работы ДВС с изгибом шатуна

при гидроударе

Уменьшенная на несколько миллиметров длина шатуна приводит к уменьшению степени сжатия. Вследствие этого в цилиндр поступает меньшее количество воздуха. А так как форсунка продолжает подавать нормативное количество топлива, то нагара на стенках камеры сгорания образуется больше. На внутренней поверхности пострадавшего от гидроудара цилиндра нагар будет темнее, чем в остальных.

Во втором примере неисправность ДВС также возникла в автомобиле, который заехал в лужу и заглох. Дилерская станция проверила в ДВС автомобиля всё, что было доступно в рамках указаний мануалов по ремонту. Никаких признаков неисправностей ДВС диагностикой выявлено не было. В автомобиле произвели замену сальников и выполнили техническое обслуживание, после чего он был выдан владельцу для дальнейшей эксплуатации. При этом дилерская станция указала в заказ-наряде, что в рамках проведённых ремонтных работ установлены признаки гидроудара в двигателе автомобиля, а также в рекомендациях предупредила владельца о том, что скрытые дефекты могут проявиться после проведённых работ при дальнейшей эксплуатации автомобиля. Предвидение не обмануло мастеров дилерской станции - через непродолжительное время эксплуатации автомобиля шатун ДВС сломался по усталостному механизму разрушения и «пробил» блок цилиндров. При этом автомобиль повторно в лужу не въезжал и никаких признаков попадания воды из внешней среды в его двигатель выявлено не было.

Характерные признаки усталости разрушенного шатуна данного автомобиля можно видеть на илл. 16 и 17.

Усталость (fatigue) - процесс изменения механических и физических свойств металла под действием циклически изменяющихся напряжений и деформаций. Усталость ведет к разрушению при воздействии повторяющихся колебаний напряжения, предельное значение которых меньше чем предел прочности при растяжении материала. Происходит это следующим образом: если уровень переменных напряжений превышает некоторый предел, то в материале детали

14

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

происходит процесс постепенного накопления повреждении, который приводит к образованию субмикроскопических трещин. По мере наработки длина этих трещин увеличивается, затем они объединяются, образуя первую микроскопическую трещину, под которой понимается трещина протяженностью 0.1-0.5 мм. У корня этой трещины возникает местное увеличение напряжений, которое облегчает ее дальнейшее развитие. Трещина, постепенно развиваясь и ослабляя сечение, вызывает в некоторый момент времени внезапное разрушение детали.

Изучение фрактографии излома шатуна ДВС исследуемого автомобиля из-за характерных признаков позволило прийти к заключению, что разрушение носило усталостный характер и было не одномоментным по времени.

С технической точки зрения следует отметить, что усталость шатуна развивалась в течение достаточного большого отрезка времени эксплуатации. При своевременной диагностике и замене деформированного шатуна, разрушение стенки блока цилиндров двигателя не произошло бы. При условии качественной диагностики ДВС автомобиля, пострадавшего от гидроудара, сталь, способная определённое время сопротивляться усталости, делает двигатели с шатунами из конструкционной легированной стали ремонтнопригодными.

Задир с нагруженной стороны в месте контакта поршня с цилиндром в момент перекладывания шатуна

■ I ■ я. I. .....I... -

Характерный изгиб шатуна

Илл. 16. Поршень с разрушенным Илл. 17. Характерный усталостный излом

шатуном разрушенного шатуна

В следующем примере, вода прошла через воздушный фильтр автомобиля, оставив характерные следы на воздушном фильтр и поверхности его корпуса, попала в четвертый цилиндр ДВС и вызвала гидроудар. Шатун четвёртого цилиндра разрушился практически моментально. От удара обломком разрушенного шатуна о стенку цилиндра на какое-то мгновение произошло торможение коленчатого вала. При этом вызванный рывок передался приводной цепи ГРМ и порвал ее. Концом разорванной цепи ударило по корпусу масляного насоса, что привело к образованию в нём отверстия.

Изгиб шатуна в месте излома незначительный (илл. 18). Структура металла в изломе равномерная без каких-либо инородных включений и аномалий. Такой излом характеризуется как хрупкий, одномоментный (илл. 19).

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

15

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

Илл. 18. Поршень с разрушенным Илл. 19. Хрупкий излом разрушенного шатуна

шатуном

Металловедческое исследование показало, что твердость шатуна четвертого цилиндра составляет 290 НВ (31 НЯС).

Результаты химического анализа материала разрушенного шатуна представлены в табл. 1.

Таблица 1

Химический анализ материала разрушенного шатуна

Железо Углерод Кремний Марганец Сера | Фосфор Хром Никель Медь

I основа | 0,00"/0 | 0,20"/0 | 0,72"/0 | 0,017"/0 | 0,049"/0 | 0,18"/0 | 0,19"/0 | 0,20"/0 |

По химическому составу ближайшим отечественным аналогом материала разрушенного шатуна является российская сталь марки 60 по ГОСТ 1050-2013 [9]. По отношению к данной марке стали по ГОСТ 1050-2013 содержание фосфора в материале разрушенного шатуна завышенное (по ГОСТ 1050-2013 предельно допустимое значение фосфора - 0,030 %). Как уже было рассказано в рамках данной статьи некоторые производители используют для изготовления «ломаных» безштифтовых шатунов стали с повышенным содержанием серы и фосфора.

Микроструктура разрушенного шатуна представляет из себя пластинчатый перлит 7П балла по шкале 1 ГОСТ 8233-56 [10] + феррит в виде разорванной сетки по границам зерен.

Микроструктура шатуна свидетельствует о том, что он подвергался термической обработке в виде нормализации. Поверхность шатуна подвергалась обработке дробью. Отпечатки от дроби плотные и перекрывают друг-друга.

В исследуемом случае особенности химического состава материала шатуна привели к тому, что он не деформировался в момент гидроудара, как в рассматриваемом выше случае, а сразу же хрупко сломался.

В Руководстве по эксплуатации исследуемого автомобиля написано следующее: «На затопленной дороге двигатель может «хлебнуть воды» (сохранена терминология Руководства), что может привести к необратимым последствиям (поломке двигателя). Если вас застал врасплох паводок, как только вода достигнет уровня порога кузова, остановитесь, выбрав для этого наиболее надежное место». Таким образом, Руководство по эксплуатации автомобиля не запрещает

16

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

движение по дороге, пока вода не достигнет «порога кузова». Между тем, двигатель автомобиля может «хлебнуть воды» при обстоятельствах, о которых пользователь не предупрежден.

Заключение

В статье было показано, что характер последствий для ДВС такого явления, как гидроудар, будет совершенно различным в зависимости от условий его протекания, количества воды, попавшей в цилиндры ДВС, а также свойств материала из которого изготовлены шатуны двигателя. Было пояснено, что шатуны, изготовленные из конструкционных легированных сталей, при гидроударе больше подвержены деформации, чем шатуны, изготовленные из специальных сталей с повышенным содержанием серы и фосфора в своём составе, которые при гидроударе более склонны к хрупкому (одномоментному) разрушению. Шатуны, изготовленные из конструкционных легированных сталей при гидроударе, получают деформацию, которая при дальнейшей эксплуатации автомобиля может привести к усталостному разрушению шатуна, что многими экспертами интерпретируется, как «отложенный гидроудар». На самом же деле «отложенный гидроудар» - это всего лишь последствие в виде усталостного разрушения шатуна, произошедшего через некоторый момент времени после непосредственно самого гидроудара ДВС.

Список источников

1. Гидравлический удар. - URL:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0 %B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%83%D0%B4%D0%B0%D1%80 (дата обращения: 16.10.2023).

2. Жуковский, Н. Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах / Н. Е. Жуковский. - Москва-Ленинград : Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1949. - 103 с.

3. Колчин, А. И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учебное пособие для вузов / А. И. Колчин, В. П. Демидов. - Москва : Высшая школа, 1980. - 400 с.

4. ГОСТ Р 53813-2010. Двигатели автомобильные. Шатуны. Технические требования и методы испытаний. - Москва : ФГУП «Стандартинформ», 2010. - 13 с.

5. Федеральный закон «О стандартизации в Российской Федерации» от 29.06.2015 № 162-ФЗ. - URL: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_181810/?ysclid=ls0s863lo062947115 4 (дата обращения: 25.10.2023).

6. ГОСТ 1414-75. Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия. - Москва: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 16 с.

7. Патент № 2431694 C2 Российская Федерация, МПК C22C 38/60. Горячештампованная микролегированная сталь с превосходным разрушением при изломе и обрабатываемостью : № 2009136184/02 : заявл. 05.11.2008 : опубл. 20.10.2011 / М. Кубота, С. Те-рамото ; заявитель НИППОН СТИЛ КОРПОРЕЙШН. - EDN RSQUYE.

8. Гидроудар "замедленного действия". - URL: https://www.ab-engine.com/abs/01_11_hydro.html (дата обращения: 28.10.2023).

9. ГОСТ 1050-2013. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия. - Москва : ФГУП «Стан-дартинформ», 2014. - 32 с.

10. ГОСТ 8233-56. Сталь. Эталоны микроструктуры. - Москва : ИПК Издательство стандартов, 2004. - 12 с.

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023

17

АВТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА

References

1. Gidravlicheskij udar, available at: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D 0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%83%D0%B4%D0%B0%D1%80 (16.10.2023).

2. Zhukovsky N. E. O gidravlicheskom udare v vodoprovodnyh trubah (About hydraulic shock in water pipes), Moscow-Leningrad, Gosudarstvennoe izdatelstvo tekhniko-teoreticheskoj lit-eratury, 1949, 103 p.

3. Kolchin A. I., Demidov V. P. Raschet avtomobilnyh i traktornyh dvigatelej: uchebnoe posobie dlya vuzov (Calculation of automobile and tractor engines: a textbook for universities), Moscow, Vysshaya shkola, 1980, 400 p.

4. Dvigateli avtomobilnye. Shatuny. Tekhnicheskie trebovaniya i metody ispytanij, GOST R 53813-2010 (The engines are automotive. Connecting rods. Technical requirements and test methods, State Standart R 53813-2010), Moscow, FGUP "Standartinform", 2010, 13 p.

5. Federalnyj zakon «O standartizacii v Rossijskoj Federacii» ot 29.06.2015 N 162-FZ, available at: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_181810/?ysclid=ls0s863lo0629471 154 (25.10.2023).

6. Prokat iz konstrukcionnoj stali vysokoj obrabatyvaemosti rezaniem. Tekhnicheskie usloviya, GOST 1414-75 (Rolled products made of structural steel with high machinability by cutting. Technical conditions, State Standart 1414-75), Moscow, IPK Izdatelstvo standartov, 2004, 16 p.

7. Kubota M., Teramoto S. Patent RU 2431694 C2, 20.10.2011.

8. Gidroudar "zamedlennogo dejstviya", available at: https://www.ab-engine.com/abs/01_11_hydro.html (28.10.2023).

Q AAofnllnrxmrliilsri\jri iV rtninnirrw/nnn\;h bnnctnilsrir\nn\jh bnrhoQf\jonn\7h i Qr\orinln\jh cfnloi flh-

s • letanopr odu ivciya iz n iel eg novai ii iy h konstr ukcionny h kact testvei ii iy h i spectarny h stalej. Ob

shchie tekhnicheskie usloviya, GOST1050-2013 (Metal products made of unalloyed structural high-quality and special steels. General technical conditions, State Standart 1050-2013), Moscow, FGUP "Standartinform", 2014, 32 p. 10. Stal. Etalony mikrostruktury, GOST 8233-56 (Steel. Microstructure standards, State Standart 8233-56), Moscow, IPK Izdatelstvo standartov, 2004, 12 p.

Информация об авторах А. А. Дьяков - кандидат технических наук, доцент, эксперт ИНАЭ-МАДИ. Т. Е. Лихачева - кандидат технических наук, доцент МАДИ, директор ИНАЭ-МАДИ. Л. П. Шестопалова - кандидат технических наук, доцент МАДИ.

Information about the authors А. A. Diyakov - Candidate of Sciences (Technical), Associate Professor, expert INAE-MADI. T. E. Likhacheva - Candidate of Sciences (Technical), Associate Professor MADI, director INAE-MADI.

L. P. Shestopalova - Candidate of Sciences (Technical), Associate Professor MADI.

Рецензент: Б.Ф. Еникеев, кандидат технических наук, доцент, эксперт ИНАЭ-МАДИ.

Статья поступила в редакцию 20.11.2023; одобрена после рецензирования 15.12.2023; принята к публикации 15.12.2023.

The article was submitted 20.11.2023; approved after reviewing 15.12.2023; accepted for publication 15.12.2023.

18

Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли, № 4 (9), 2023