CC BY
6УДК 621.436.12:621.43.038.3
ПРИЧИНА ПОВРЕЖДЕНИЯ ПОРШНЯ ГАЗОДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ КАРЬЕРНОГО САМОСВАЛА ПОСЛЕ КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА
Татьяна Евгеньевна Лихачева, канд. техн. наук, t5329022@yandex.ru, Лариса Павловна Шестопалова, канд. техн. наук, доц., ntibr@ mail.ru, Ирина Станиславовна Белашова, д-р техн. наук, проф., irina455@inbox.ru, Лариса Георгиевна Петрова, д-р техн. наук, проф., petrova_madi@mail.ru, МАДИ, Россия, 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64
Аннотация. В статье показан пример исследования причины отказа двигателя карьерного самосвала после его капитального ремонта. Как показало проведённое исследование, причина отказа двигателя связана с некачественно выполненным восстановительным ремонтом его топливной аппаратуры. Проверка ремонтной организацией топливных насос-форсунок после произведённого восстановительного ремонта также не соответствовала требованиям ГОСТ 10579-2017 «Форсунки дизелей. Технические требования и методы испытаний». В результате этого были допущены отклонения в параметрах работы топливной форсунки, что и вызвало оплавление поршня второго цилиндра исследуемого двигателя.
Ключевые слова: газодизельный двигатель, карьерный самосвал, поршень двигателя, насос-форсунка, топливная аппаратура.
THE CAUSE OF DAMAGE TO THE PISTON OF THE GAS DIESEL ENGINE OF A DUMP
TRUCK AFTER MAJOR REPAIRS
Tatyana E. Likhacheva, Ph.D., 15329022@ yandex.ru, Larisa P. Shestopalova, Ph.D., associate professor, ntibr@mail.ru, Irina S. Belashova, Dr.Sc., professor, irina455@inbox.ru, Larisa G. Petrova, Dr.Sc., professor, petrova_madi@mail.ru, MADI, 64, Leningradsky Prosp., Moscow, 125319, Russia
Abstract: The article shows an example of a study of the cause of an engine failure of a dump truck after its capital repairs. As the conducted research has shown, the cause of engine failure is associated with poorly performed restorative repairs of its fuel equipment. The inspection by the repair organization of fuel pump injectors after the restoration repair also did not meet the requirements of GOST10579-2017 "Diesel injectors. Technical requirements and test methods". As a result, deviations were made in the parameters of the fuel injector, which caused the piston of the second cylinder of the engine under study to melt.
Keywords:gas diesel engine, quarry dump truck, engine piston, pump-injector, fuel equipment.
Введение
Одной из разновидностей систем питания дизельного двигателя являются конструкции, в которых полностью отсутствует ТНВД (топливный насос высокого давления). За создание высокого давления впрыска отвечают так называемые дизельные насос-форсунки. За подачу топлива и его распределение отвечает единое центральное устройство - насос-форсунка. При этом каждый цилиндр двигателя оснащен своей собственной насос-форсункой [1]. Одной из наиболее изнашиваемых пар сопрягаемых деталей в насос-форсунках являются запорные игольчатые клапаны (иглы) и распылители. Распылители во время работы форсунок на двигателе подвергаются механическим и тепловым нагрузкам. Механические нагрузки приводят к резким ударам запорного конуса иглы об уплотняющий поясок внутри корпуса распылителя с частотой до 10 000 раз в минуту. Поэтому, корпуса распылителей изготавливаются из стальных сплавов легированных хромом, никелем, молибденом, с обработкой поверхности азотированием (азотирование стали - химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхности стали азотом (N). В результате на поверхности осей крестовины сателлитов дифференциала сформировался тонкий высокопрочный, износостойкий азотированный слой нитридов [2]) или
цементацией (цементация стали - это химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхности стали углеродом (С) до концентрации около 1 %. Насыщение стали углеродом, приводит к значительному упрочнению обогащенного поверхностного слоя [2]). Износостойкость и высокая контактная выносливость в эксплуатации распылителя форсунки зависит от толщины его упрочнённого поверхностного слоя. Если упрочнённый слой тонкий или вообще отсутствует, то износостойкость и контактная выносливость поверхности распылителя будут низкими. Цементация даёт слой с большей толщиной, но с меньшей твёрдостью по сравнению с азотированием, обеспечивающим тонкий, но более твёрдый нитридный слой. Твёрдость после химико-термической обработки корпуса распылителя на поверхности уплотнительного конуса составляет не менее 60 HRC [2].
Исследовательская часть
В статье показан пример производства некачественного восстановительного ремонта топливной аппаратуры, что стало причиной оплавления поршня второго цилиндра двигателя Cummins K2000E карьерного самосвала Komatsu 730E при его эксплуатации (рис. 1). Оплавление поршней дизелей может происходить по множеству причин, которые достаточно хорошо изучены [3, 4]. Тепловое повреждение поршня произошло после проведения капитального ремонта двигателя, включавшего, в том числе и ремонт топливной аппаратуры. Особенностью двигателя Cummins K2000E с карьерного самосвала Komatsu 730E является наличие двухтопливной системы питания двигателя EVO 7300, которая была установлена за 1376 моточасов до направления самосвала в ремонт. После ремонта и 86 моточасов работы двигателя произошло оплавление поршня только во втором цилиндре из шестнадцати (рис. 3). Поверхность металла зеркала второго цилиндра имеет повреждения в виде задиров (рис. 2). Часть металла поршня, в результате его заедания в цилиндре, перенеслась на стенку зеркала цилиндра (рис. 2, 3).
Рис. 1. Внешний вид двигателя Cummins K2000E, демонтированного с карьерного самосвала
Komatsu 730E
Рис. 2. Зеркало второго цилиндра с задирами Рис. 3. Оплавленный поршень второго цилиндра и перенесённым на его поверхность двигателя
материалом поршня
Состояние днища поршня в третьем цилиндре показано на рис. 4 и отражает его штатное эксплуатационное состояние. На днище поршня видны следы от факелов распыла дизельного топлива в виде десятиконечной звездочки. Для представления о том, как образуются такие следы на днище камеры сгорания поршня показан рис. 5, на котором показано формирование и горение факелов дизельного топлива в момент его впрыска в цилиндр.
Рис. 4. Пример состояния поршня третьего Рис. 5. Иллюстрация, как происходит подача
цилиндра со следами от топливных факелов на дизельного топлива в цилиндр
днище его камеры сгорания
Для работы исследуемого двигателя в него заправляется 2,7 тонны дизельного топлива и 900 литров (или 400 кг) метана на 24 часа работы. Таким образом, основным топливом, на котором работает исследуемый двигатель, является дизельное. Преимущественно на работу только на газе двигатель не переходит.
Если принять, что основная часть работы происходит в режиме газодизеля, то приблизительно можно принять, что всего расходуется 3100 кг топлива. В процентах 400 кг газа от общего количества топлива 3100 кг составляет 12,9%. В цилиндре двигателя может находиться смесь метана с воздухом, которая теоретически способна к взрывному сгоранию.
На практике эта смесь воздуха с газом воспламеняется после короткой задержки воспламенения факелами дизельного топлива, которое поступает из насос-форсунки. Принципиальная схема смесеобразования в таком газодизеле приведена на рис. 6.
Условий для создания взрывного горения только в одном из шестнадцати цилиндров двигателя при подаче вместе с воздухом в цилиндры газа (газовоздушной смеси) быть не может. Возможность применения газа метана «низкого качества» может отрицательно влиять на газовое оборудование автомобиля. Примеров оплавления только одного отдельно взятого поршня в двигателе из-за некачественного метана в технической литературе не приводится. Общеизвестно, что преимущественно в зимний период, в баллонах для метана происходит оседание нелетучей фракции газа - прозрачной жидкости (конденсата). Для работы ДВС используется только паровая фракция содержимого баллона. Теоретически невозможно предположить, что нелетучая фракция газа заполнит весь баллон и в жидком виде попадёт на поршень только одного из цилиндров двигателя. Вне баллона эта жидкая фракция хорошо испаряется, а при условии прохождения через турбокомпрессор двигателя, однозначно образует однородную с воздухом смесь. Отсутствие каких-либо повреждений в 15-ти из 16-ти цилиндров двигателя позволяет заключить, что тепловое воздействие на поршень второго цилиндра не связано с подачей газовоздушной смеси при работе в режиме газодизеля.
Не могла быть причиной оплавления поршня только в одном (втором) цилиндре также и ограниченная подача воздуха (например, из-за засорённого воздушного фильтра), так как воздух через фильтр поступает практически одинаково (равномерно) во все цилиндры двигателя.
Один из двух турбокомпрессоров двигателя имел признаки выделения моторного масла в сторону выпуска. Была проконтролирована поверхность впускного тракта за турбокомпрессором на впуске в двигатель, которая оказалась совершенно сухой, без признаков попадания моторного масла (рис. 7). Таким образом, тепловое повреждение поршня второго цилиндра не связано с попаданием в камеру сгорания избыточного количества моторного масла и его сгоранием вместе с топливом.
Рис. 7. Отсутствие следов моторного масла на впуске за турбокомпрессором
Проконтролировано состояние клапана подачи масла для охлаждения поршня -он работоспособен. Форсунки, подающие масло на поршень снизу для охлаждения также работоспособны (рис. 8).
Шатунные вкладыши и вкладыши коренных опор коленчатого вала двигателя без признаков работы в режиме масляного голодания (острой нехватки моторного масла). Можно сделать заключение о том, что тепловое повреждение поршня не связано с недостатком его смазки или недостатком его охлаждения моторным маслом со стороны масляной форсунки.
Рис. 8. Форсунки, подающие моторное масло для охлаждения поршня
При цетановом числе (далее - ЦЧ) топлива меньше 40 резко возрастает задержка горения (время между началом впрыскивания и воспламенением топлива) и скорость нарастания давления в камере сгорания. Существует вероятность того, что топливный факел при низком ЦЧ успеет до его воспламенения достичь поверхности поршня. Это создаст нештатную тепловую нагрузку на металл поршня и его оплавление. Качество пробы топлива, отобранного из топливного фильтра двигателя карьерного самосвала, было исследовано в химической лаборатории МАДИ-ХИМ. Результаты исследования не выявили отклонений в качестве топлива по значению ЦЧ, которое составило 54,0 (табл. 1).
Таблица 1
Физико-химические показатели пробы дизельного топлива, отобранной _из топливного фильтра карьерного экскаватора _
№ п/п Наименование показателей Метод испытания Результат испытаний ГОСТ 32511-2013, ДТ-З-К5
1. Цетановое число ГОСТ 3122 54,0 не менее 49,0
2. Температура вспышки в закрытом тигле, оС ГОСТ 6356 55 не ниже 55
3. Массовая доля воды, мг/кг EN ISO 12937 34,8 не более 200
4. Общее загрязнение, мг/кг EN 12662 3,4 не более 24
5. Фракционный состав: ГОСТ 2177
до температуры 180 оС перегоняется, % 4 не более 10
до температуры 360 оС перегоняется, % 97 не менее 95
Температура вспышки в открытом тигле и фракционный состав, при их несоответствии, могли бы указать на наличие в дизельном топливе керосина или бензина. Это, в свою очередь, могло бы иметь последствия в виде нарушения процесса сгорания. Температура вспышки в открытом тигле и фракционный состав у исследуемой пробы топлива надлежащие (табл. 1).
Наличие воды нарушает смазку трущихся поверхностей деталей топливной аппаратуры, вызывает их коррозию и может быть причиной нарушения работы двигателя. В исследуемой пробе топлива содержится очень маленькое количество (следы) воды (табл. 1). Вода в дизельном топливе образуется из-за конденсации влаги из воздуха, что является нормальным, допустимым процессом. Абсолютного отсутствия следов воды в дизельном топливе достичь невозможно.
Загрязнения в дизельном топливе, включая механические примеси, неприемлемы для работы прецизионной топливной аппаратуры. Учитывая, что топливо было отобрано из корпуса фильтра, можно было бы ожидать повышенное содержание в нём загрязнений, но и по этому показателю исследованное топливо оказалось надлежащего качества. Дизельное топливо, отобранное из топливного фильтра двигателя, по своим физико-химическим показателям соответствует требованиям нормативных стандартов и не мог-
ло быть причиной нарушения работы топливной аппаратуры или же нарушения процесса сгорания в цилиндре(рах) двигателя.
Для полноты исследования был проведён химический анализ состава материала оплавленного поршня. Ближайшим по химическому составу к материалу исследуемого поршня является алюминиевый сплав марки АК12ММгН (АЛ 30) по ГОСТ 1583-93 [6] системы Al-Si-Cu, с повышенным содержанием кремния, легированный никелем и медью для повышения жаропрочности. Повышенная жаропрочность поршня положительно влияет на его свойства, но только при штатном режиме работы двигателя. Материал исследуемого поршня соответствует практике машиностроения и широко используется для изготовления подобных деталей.
Если топливо, подаваемое насос-форсункой, будет сгорать не так, как показано на приведённом рис. 6, а, например, на поверхности камеры сгорания, то поршень будет объективно плавиться.
В приведённом для сравнения третьем цилиндре двигателя, следы на поршне указывают на штатную подачу насос-форсункой топливных факелов распыла. Принципиальная схема организации подачи топлива на двигателе Cummins K2000E насос-форсункой приведена на рис. 9. Внешний вид самой насос-форсунки (далее - форсунка) из второго цилиндра показана на рис. 10.
Cummíris РТ fuel injection system
б
Рис. 9. Принципиальная схема организации подачи топлива в цилиндр двигателя насос-форсункой
[7]: а - форсунка открыта; б - форсунка закрыта
Рис. 10. Внешний вид насос-форсунки из второго цилиндра двигателя
В соответствии с «Ведомостью установки запасных частей на двигатель Cummins K2000E карьерного самосвала Komatsu 730E», представленной ремонтной организацией, производившей капитальный ремонт двигателя, форсунки подвергались восстановительному ремонту путём замены её отдельных элементов (деталей). Плунжеры были за-
а
менены в количестве 16 штук (то есть на всех 16-ти форсунках), а распылителей было заменено только три (то есть только на 3-х форсунках из 16 имеющихся).
Необходимо отметить, что только внешним осмотром, невооружённым взглядом, износы поверхности деталей топливной аппаратуры могут быть и не установлены надлежащим образом. Наиболее правильным, при выполнении качественного капитального ремонта такого двигателя Cummins K2000E с карьерного самосвала Komatsu 730E, является замена на новые, если не форсунок, то хотя бы их распылителей в сборе с запирающей иглой (игольчатым клапаном).
Специализированные ремонтные организации, занимающиеся восстановительным ремонтом форсунок, в процессе обработки поверхностей распылителя и запирающего его конуса клапана (иглы), добиваются идеального их уплотнения по узкому посадочному пояску, как это показано на рис. 11. Совершенно недопустимо увеличение зоны контакта уплотнительного посадочного пояска, как это показано на рис. 12 (2) [8].
Рис. 11. Схема распылителя форсунки: 1 - запирающий элемент (игла); 2 - распылитель; 3 - запирающий конус; 4 - притирочный поясок; 5 - сопловые отверстия
Зона контакта i ¡глы с корпусом распылителя
Рис. 12. Вид уплотнения посадочного конуса нового (1), изношенного (2) и восстановленного (3) распылителя [8]
Также совершенно недопустимо, чтобы притирочных поясков (уплотнения между иглой и конусным отверстием в распылителе) образовывалось несколько. В противном случае игла будет в зависимости от теплового состояния двигателя уплотняться то по одному, то по другому пояску, образовывая не герметичность распылителя.
Топливная форсунка второго цилиндра двигателя была разобрана. Поверхность запорного конуса иглы форсунки, а также посадочная поверхность иглы внутри распылителя были детально исследованы при увеличениях с применением цифрового микроскопа.
Было установлено, что поверхность запорного конуса новой иглы (заменённой при ремонте форсунки), имеет множественные повреждения, которые образовались в
результате прирабатываемости поверхности в процессе работы форсунки ко множественным выступам, которые имелись на дефектной посадочной поверхности иглы внутри старого распылителя (который не был заменён при ремонте форсунки) (рис. 13).
Внутренняя поверхность распылителя форсунки второго цилиндра, в месте посадки иглы, кроме предусмотренной конусности, имеет ступенчатость, выступы и чёрные отложения нагара (рис. 14).
Рис. 13. Поверхность запорного конуса новой иглы (заменённой при ремонте форсунки). Увеличение в 48 раз под цифровым микроскопом
Рис. 14. Внутренняя поверхность распылителя форсунки второго цилиндра, в месте посадки иглы. Увеличение в 48 раз под цифровым микроскопом
При изучении представленной документации по проведённому капитальному ремонту двигателя было установлено, что проверка насос-форсунок после выполненного восстановительного ремонта не соответствовала требованиям ГОСТ 10579-2017 «Форсунки дизелей. Технические требования и методы испытаний» [9]. После восстановительного ремонта не произведена проверка топливных форсунок по следующим контролируемым параметрам:
- отклонение струй топлива из распыляющих отверстий;
- проверка герметичности форсунок и распылителей по запирающему конусу;
- проверка пропускной способности распылителей форсунок.
Можно сделать заключение, что служба технического контроля на ремонтном предприятии, выполнявшем капитальный ремонт, не провела надлежащих мероприятий по предотвращению выпуска продукции, неудовлетворяющей установленным требованиям. На службу технического контроля ремонтной организации должны быть возложены следующие функции:
- приемочный контроль качества отремонтированных деталей, агрегатов и машин;
- анализ дефектов продукции обнаруженных на различных стадиях ее производства в процессе испытания и эксплуатации;
- участие в работе по анализу причин брака и разработке мероприятий по его устранению;
- организационно-исследовательская работа по управлению качеством продукции.
Заключение
Выход из строя исследуемого двигателя Cummins K2000E карьерного самосвала Komatsu 730E произошёл в результате оплавления поршня второго цилиндра с переносом оплавленного металла на зеркало цилиндра и образованием задиров рабочей поверхности. Причина данного отказа двигателя связана с некачественно произведённым восстановительным ремонтом топливной аппаратуры в организации, выполнившей капитальный ремонт. Проверка ремонтной организацией топливных насос-форсунок после произведённого восстановительного ремонта также не соответствовала требованиям ГОСТ 10579-2017 «Форсунки дизелей. Технические требования и методы испытаний». В
результате этого были допущены отклонения в параметрах работы топливной форсунки, что и вызвало оплавление поршня второго цилиндра исследуемого двигателя.
Материал подготовлен в рамках научных исследований по проекту № FSFM-2020-0011 (2019-1342), экспериментальные исследования проведены с использованием оборудования центра коллективного пользования МАДИ.
Список литературы
1. Программа самообучения 352. Насос-форсунка с пьезоэлектрическим клапаном [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://chip-tuning58.ru/publ/vag_programmy_samoobuchenija/352_nasos_forsunka_s_pezoehl_klap/2-1-0-12 (дата обращения: 15.02.2022).
2. Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: учебник для вузов / Ю.М. Лахтин. - 5-е изд. - М.: ООО «ТИД «Аз-book», 2009. - 448 с. - ISBN 978-5-904034-04-7.
3. Повреждения поршней - как выявить и устранить их: брошюра. - 4-е изд. - Neuenstadt: MS Motor Service International GmbH, 2014. - 91 с. - ISBN 978-3-86522-495-8.
4. Дроздовский, В.Б. Экспертиза технического состояния и причины неисправностей автомобильной техники / В.Б. Дроздовский, С.К. Лосавио, А.Э. Хрулев. - М.: Издательство АБС, 2019. - 966 с. -ISBN 978-5-00155-048-3.
5. Технические особенности газодизелей и анализ экспериментально-теоретических исследований газодизельного процесса [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://studref.com/510278/tehnika/tehnicheskie_osobennosti_gazo_dizeley_analiz_eksperimentalno _teoreticheskih_issledovaniy_gazodizelno (дата обращения: 15.02.2022).
6. ГОСТ 1583-93. Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2000. - 24 с.
7. Hako-Lehrmittel. Cummins PT fuel injection system [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://hako-lehrmittel.de/en/produktkatalog/cummins-pt-fuel-injection-system/ (дата обращения: 17.02.2022).
8. Стенд и методика восстановления герметичности посадочного конуса иглы форсунки распылителя [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://studopedia.su/21_52764_posadochnogo-konusa-igli-forsunki-raspilitelya.html (дата обращения: 17.02.2022).
9. ГОСТ 10579-2017. Форсунки дизелей. Технические требования и методы испытаний. - М.: ФГУП «Стандартинформ», 2018. - 8 с.
References
1. Programma samoobucheniya 352. Nasos-forsunka s p'ezoelektricheskim klapanom, available at: http://chip-tuning58.ru/publ/vag_programmy_samoobuchenija/352_nasos_forsunka_s_pezoehl_klap/2-1-0-12 (15.02.2022).
2. Lakhtin Yu. M. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov (Metal Science and Heat Treatment of Metals), Мoscow, OOO «TID «Az-book», 2009, 448 p.
3. Povrezhdeniya porshnej - kak vyyavit' i ustranit' ih: broshyura (Piston damage - how to identify and eliminate them: brochure), Neuenstadt, MS Motor Service International GmbH, 2014, 91 p.
4. Drozdovskiy V.B., Losavio S.K., Hrulev A.E. Ekspertiza tekhnicheskogo sostoyaniya i prichiny neis-pravnostej avtomobil'noj tekhniki (Examination of the technical condition and causes of malfunctions of automotive equipment), Мoscow, Izdatelstvo ABS, 2019, 966 p.
5. Tekhnicheskie osobennosti gazodizelej i analiz eksperimentalno-teoreticheskih issledovanij gazo-dizelnogo processa, available at: https: / / studref.com/510278/tehnika / tehnicheskie_osobennosti_gazo_dizeley_analiz_eksperimentalno _teoreticheskih_issledovaniy_gazodizelno (15.02.2022).
6. Splavy alyuminievye litejnye. Tekhnicheskie usloviya, GOST1583-93 (Aluminum casting alloys. Technical conditions, State Standart 1583-93), IPK IZDATELSTVO STANDARTOV, 2000, 24 p.
7. Hako-Lehrmittel. Cummins PT fuel injection system, available at: https://hako-lehrmittel.de/en/produktkatalog/cummins-pt-fuel-injection-system/ (17.02.2022).
8. Stend i metodika vosstanovleniya germetichnosti posadochnogo konusa igly forsunki raspylitelya, available at: https://studopedia.su/21_52764_posadochnogo-konusa-igli-forsunki-raspilitelya .html (17.02.2022).
9. Forsunki dizelej. Tekhnicheskie trebovaniya i metody ispytanij, GOST 10579-2017 (Diesel injectors. Technical requirements and test methods, State Standart 10579-2017), FGUP STANDARTINFORM, 2018, 8 p.
Рецензент: А.Ю. Малахов, канд. техн наук, доц. МАДИ, начальник отдела экспертизы ЦАДИ МАДИ
Статья поступила 04.03.2022
