CC BY
564
КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ
УДК 621.436
Л.Б. Леонтьев, А.Г. Токликишвили
ЛЕОНТЬЕВ ЛЕВ БОРИСОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: [email protected]
ТОКЛИКИШВИЛИ АНТОНИНА ГРИГОРЬЕВНА - магистрант кафедры сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: [email protected]
ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ИХ НАДЕЖНОСТИ
Рассмотрены причины отказов коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей. Установлено, что основными причинами этого являются износ и задир шеек. Задир шеек и расплавление антифрикционного слоя вкладышей часто приводят к деформации коленчатых валов, реже - к поломке вала. Для повышения надежности коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей предлагается модифицирование шеек валов минеральными и органоминеральными материалами, позволяющими уменьшить коэффициент трения и повысить износо- и задиростойкость сопряжения «шейка вала-вкладыш подшипника».
Ключевые слова: коленчатый вал, дизель, дефект, отказ.
Causes of failure crankshafts marine medium-speed diesel engines and ways of increasing their reliability. Lev B. Leontyev, Antonina G. Toklikishvili - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
Reasons for of failures of crankshafts marine medium-speed diesel engines. It is established that the main causes of failures of crankshafts are the wear and scoring of main-journal and crank-pin. Scoring of shaft journal and breakdown of the bearing antifriction layer often lead to deformation and damage of the crankshaft. To improve the reliability of crankshafts of marine medium-speed diesel engines offered modification of shaft journals of mineral materials, which allow to reduce friction and wear of friction pair "shaft journal - bearing liner."
Key words: crankshaft, diesel, defect, failure.
© Леонтьев Л.Б., Токликишвили А.Г.
Цель данной работы - исследование и анализ причин отказов коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей (СОД) и определение путей повышения их надежности. Приведенные нами данные основаны на результатах обработки дефектовочных и сдаточных актов фирм, занимающихся ремонтом коленчатых валов, а также донесений об аварийных случаях и заключений о причинах аварий на судах Дальневосточного морского пароходства и других судоходных фирм и кампаний Дальневосточного региона.
Техническое состояние коленчатых валов оценивается визуально (наличие рисок и царапин на шейках), по результатам измерений рабочих поверхностей для определения их геометрических параметров, отклонений формы рамовых и мотылевых шеек, величины биения рамовых шеек и дефектации с помощью технических средств (преимущественно магнитной дефектоскопии) для выявления наличия трещин.
Анализ геометрических параметров основан на результатах дефектации и ремонта 22 коленчатых валов 9 типов среднеоборотных дизелей (главных и вспомогательных) различных фирм-изготовителей (161 рамовая и 139 мотылевых шейки). На исследуемых двигателях шейки коленчатых валов имеют твердость в интервале от 164 НВ до 58 HRC, т.е. были проанализированы износы закаленных и незакаленных коленчатых валов. Кроме того, проанализированы причины аварийных ситуаций на 20 двигателях, а также причины отказов 4 коленчатых валов, восстановленных наплавкой фирмой «Handok Crankshaft Industrial Co., LTD», Южная Корея (твердость шеек 48-50 HRC).
Установлено, что основными причинами отказов коленчатых валов являются износ и задир шеек. Задир шеек и расплавление антифрикционного слоя вкладышей, как правило, приводят к деформации коленчатых валов, реже — к поломке вала.
Наиболее распространенными дефектами шеек коленчатого вала являются износы, характеризующиеся появлением отклонений формы и изменением размеров, а также и образованием круговых рисок и царапин глубиной до 0,05 мм (рис. 1, а и б), реже встречаются задиры (рис. 1, в, г, и д), трещины и точечная коррозия (рис. 1, е).
Установлено, что у 67,6% коленчатых валов, поступающих на восстановление, величины износов и отклонений формы шеек значительно меньше допускаемых (рис. 2) (табл. 1, 2). Однако риски и круговые царапины на шейках характерных для 100% коленчатых валов. Задиры шеек имеют до 33% валов (от 1 до 8 шеек, в среднем 2-3 шейки), расплавление вкладышей и наволакивание металла на шейки — менее 5% валов, пятна коррозии на шейках — до 10% валов, деформацию — до 24% валов.
Износ рамовых шеек коленчатых валов, поступающих на восстановление, значительно меньше предельно допустимого: так, 93,8% имеют величину износа не более 0,10 мм (рис. 2). Среднее значение износа рамовых шеек - 0,052 мм. Мотылевые шейки подвержены более интенсивному износу, только 79,1% имеют величину износа не более 0,10 мм, при этом среднее значение износа шеек 0,077 мм, что в 1,5 раз больше износа рамовых шеек.
Наибольшая величина износа рамовых шеек наблюдалась на коленчатых валах дизелей ЧН 18/22 (максимальная - 0,14 мм, средняя - 0,067 мм, средняя твердость шеек -48 HRC), мотылевых шеек — на коленчатых валах дизелей TS 24 (максимальная - 0,43 мм, средняя - 0,09 мм, средняя твердость шеек - 201 НВ) и ASL 25/30 (максимальная - 0,27 мм, средняя - 0,20 мм, средняя твердость шеек - 214 HB).
Рис. 1. Дефекты шеек коленчатого вала: риски и царапины на рамовой а и мотылевой б шейках; в - начальная стадия задира; г - задир с наволакиванием металла на шейку; д - задир (х 27); е - пятна точечной коррозии (х 27)
О о
. 1
Л
0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18
Величина износа шеек, мм Рис. 2. Распределение величин износа шеек коленчатого вала: 1 - рамовых, 2 - мотылевых
В результате изнашивания шеек образуются отклонения формы (овальность и конусо-образность, реже — бочкообразность или седлообразность), причем мотылевые шейки подвержены более интенсивному изнашиванию (табл. 1).
Мотылевые шейки, как правило, имеют отклонения формы от цилиндричности, им присуща конусообразность, которая может достигать 0,10 мм; реже - седлообразность или бочкообразность, а по окружности они принимают овальную форму. Рамовые шейки в результате износа приобретают овальную форму.
Максимальные отклонения формы наблюдались на мотылевых шейках двигателей ТБ 24 (величина овальности при среднем ее значении 0,08 мм доходила до 0,21 мм, а конусо-образности - соответственно 0,063 и до 0,10 мм) и ЛБЬ 25/30 (овальность 0,07 и до 0,08 мм; конусообразность - 0,075 и до 0,09 мм). Часть коленчатых валов данной марки дизелей имеют наработку 81-84 тыс. ч, при этом износы шеек оставались в допустимых пределах; при наработке 92 042 ч мотылевые шейки имеют предельную конусообразность, однако вал номинального размера, но планируется на замену.
Величины биения рамовых шеек у 76,2% коленчатых валов, поступающих в ремонт, находятся в допустимых пределах.
Таким образом, при отсутствии задиров, рисок и царапин на шейках 66,7% коленчатых валов могли бы еще эксплуатироваться. Для уменьшения вероятности образования зади-ров, рисок и царапин на шейках и снижения скорости изнашивания необходимо увеличить твердость и износостойкость поверхностного слоя шеек валов.
Износы коленчатых валов оказывают существенное влияние на скорости изнашивания других деталей дизеля. Конусообразность мотылевой шейки приводит к перекосу шатуна и повышенному износу втулки цилиндра. Увеличение диаметрального зазора между шейками коленчатого вала и вкладышами подшипников происходит преимущественно из-за износа шеек, так как они, как правило, изнашиваются в два и более раз быстрее, чем антифрикционный слой вкладышей, который в большинстве случаев имеет толщину 0,02 мм. Увеличение диаметрального зазора приводит к уменьшению давления масла, возрастанию динамических нагрузок и скоростей изнашивания мотылевых шеек и вкладышей, а также поршня и втулки цилиндра [2].
При репри
Таблица 1
Величины пзносов. отклонения формы (мм) и твердости шеек коленчатых валов судовых СОД
Тип двигателя Н омин альный диаметр шейки Величины износов шеек. Отклонения формы шеек Биение Твердость шеек
рамовая мотылевая рамовых
рамовая моты- левая рамовая мотылевая овальность нецилин- дричность оваль- ность нецилин- дричность шеек
Ч 18/22 135 120 0.01-0.14 0,067 0.01-0.10 0,055 0.01-0.07 0,034 0.01-0.05 0,020 0.01-0.03 0,020 0.01-0.02 0,018 0.02-0.67 0,060 43-53 47 НЯС
64 23/30 160 155 0.03-0.05 0,039 0.03-0.11 0,065 0.01-0.03 0,017 0.01-0.02 0,013 0.01-0.03 0,021 0.01-0.03 0,018 0.02-0.06 0,034 51-57 54 НЯС
тт> 36А 160 155 0.03-0.11 0,060 0.02-0.09 0,058 0.02-0.03 0,027 0,020 0.01-0.04 0,025 0.01-0.02 0,018 0.02-0.06 0,030 196-224 212 НВ
АЬ 20/24 165 155 0.03-0.07 0,054 0.15-0.20 0,180 0,020 0,020 0.04-0.10 0,065 0.03-0.06 0,045 0.02-0.07 0,049 230-274 250 НВ
\Т> 26/20 АЬ-2 180 150 0.01-0.06 0,041 0.02-0.35 0,086 0,010 0,001 0.01-0.09 0,040 0.01-0.05 0,025 0,010 213-247 230 НВ
ТБ 24 185 175 0.01-0.11 0,042 0.03-0.43 0,090 0.01-0.04 0,024 0.01-0.03 0,018 0.03-0.21 0,080 0.01-0.10 0,063 0.02-0.50 0,130 164-232 201 НВ
АБЬ 25/30 200 195 0.02-0.08 0,045 0.17-0.27 0,204 0,04 0,030 0.06-0.08 0,070 0.06-0.09 0,075 0.01-0.06 0,022 195-232 214 НВ
48-2и 215 215 0.03-0.12 0,059 0.04-0.09 0,058 0.02-0.08 0,050 0.01-0.03 0,020 0.01-0.02 0,015 0,01 0.01-0.38 0,110 203-244 222 НВ
ЧН 25/34 230 180 0.01-0.06 0,036 0.01-0.19 0,098 0.01-0.02 0,015 0,010 0.01-0.02 0,015 0.01-0.08 0,035 0.02-0.04 0,030 199-235 217 НВ
Примечание. В числителе приведен интервал значении величины, в знаменателе — средняя величина.
При ремонте коленчатого вала устранение дефектов возможно двумя путями: 1) переход на ремонтный размер; 2) восстановление наплавкой или напылением с последующей механической обработкой на номинальный размер.
Таблица 2
Допускаемые отклонения размеров шеек валов и диаметральных зазоров в рамовых и мотылевых подшипниках коленчатых валов судовых СОД, мм
Диаметр шейки вала Наименование параметра
овальность нецилин- дричность биение зазор
До 150 0,02/0,10 0,02/0,10 0,02/0,10 0,05-0,20 / 0,25
151-200 0,02/0,10 0,02/0,10 0,02/0,10 0,09-0,24 / 0,30
201-250 0,02/0,12 0,02/0,12 0,02/0,12 0,10-0,24 / 0,35
251-300 0,02/0,12 0,02/0,12 0,02/0,12 0,19-0,34 / 0,50
301-350 0,02/0,12 0,02/0,12 0,02/0,12 0,19-0,34 / 0,55
Примечание. В числителе приведена номинальная величина параметра, в знаменателе - предельная при эксплуатации.
Увеличение диаметрального зазора, наиболее допустимого в рамовых и мотылевых подшипниках (табл. 2), очень часто приводит к авариям вследствие перехода трибоузла от режима трения гидродинамического к граничному, что вызывает повышенный износ вкладыша и шейки, снижение давления смазки, повышение температуры в зоне трения, затем ведет к задиру или расплавлению антифрикционного слоя вкладыша.
Установлено, что при задирах шеек коленчатые валы деформируются и появляются большие значения биения на рамовых шейках (до 0,5-0,7 мм) при допустимых 0,10-0,12 мм. При расплавлении антифрикционного слоя на вкладышах коленчатые валы деформируются и значения биения рамовых шейках могут достигать 2 мм и более. Величина деформации зависит от жесткости вала и объема задира или расплавления вкладышей. При расплавлении медных антифрикицонных материалов на шейках часто образуются трещины глубиной до 2 мм, а иногда и больше.
Задиры шеек часто возникают из-за попадания продуктов износа и абразива в зону трения, а также увеличения коэффициента трения вследствие ухудшения условий работы подшипников при переходе дизеля на более форсированный режим работы. При эксплуатации дизелей установлено, что после увеличения частоты вращения коленчатого вала давление подачи масла в подшипники заметно снижается и только через некоторое время начинает медленно повышаться до величины, соответствующей скоростному режиму работы двигателя. Рабочее состояние характеризуется гидродинамическим режимом трения, при котором имеют место механические и коррозионно-механические виды изнашивания, имеющие максимальную величину в зоне с минимальной толщиной масляной пленки. Однако при нагрузках, превышающих рабочее давление на подшипник, недостатке масла или его высокой температуре, повышенной шероховатости шейки вала происходит нарушение гидродинамической масляной пленки, и работа узла трения проходит в условиях трения при граничной смазке, что при кратковременном нарушении масляной пленки приводит к повышенному износу вкладышей и шеек вала, а при длительном - к задирам вкладышей и шеек вала [2].
45
Следует отметить, что часть коленчатых валов имеет наработку перед их заменой из-за появления усталостных трещин от 90 до 100 тыс. ч, а иногда и более, при этом твердость шеек может быть довольно низкой (214 НВ).
Коленчатые валы, восстановленные наплавкой фирмой «Handok Crankshaft Industrial Co., LTD», несмотря на высокую твердость шеек (48-50 HRC), также подвержены задирам и повышенному изнашиванию. Например, на т/х «Василий Бурханов» на ВДГ № 4 через 25 407 ч после восстановления наплавкой конусообразность рамовой шейки опорного подшипника достигла 0,075 мм. Однако основной причиной отказа восстановленных валов является образование трещин на шейках вала на всю глубину наплавленного слоя.
Анализ аварий и внезапных отказов судовых СОД из-за повреждения коленчатых валов позволил установить, что они распределяются по видам отказов следующим образом: 60% - эксплуатационные, 25% - производственные, 15% - ресурсные. Аварии и отказы возникают чаще всего после ремонта двигателей с заменой вкладышей или протачиванием шеек, при наличии механических примесей в смазке и из-за падения давления в системе смазки.
Например, авария произошла во время ходовых испытаний после капитального ремонта двигателя 6ТМ410 т/х «Палана» на Находкинском судоремонтном заводе. При ремонте дизеля была произведена замена вкладышей мотылевых и рамовых подшипников и шлифование мотылевой шейки № 2 на ремонтный размер. Последствия аварии:
- расплавление вкладышей и разрушение стальной основы верхнего вкладыша моты-левого подшипника № 2;
- повышенный износ вкладышей рамовых подшипников № 2 и 3;
- сетка трещин на поверхности мотылевой шейки № 2 и биение рамовых шеек № 1, 2, 3 коленчатого вала больше предельно допустимой величины.
Трибосистема «вкладыш-шейка вала» находилась в стадии приработки. Авария произошла при переходе с режима 60% от номинальной мощности при частоте вращения вала 480 мин-1 на режим 70% мощности от номинальной при частоте вращения 570 мин-1 после 7 мин работы на данном режиме. При переходе на новый режим обкатки в период приработки сопряженных поверхностей коэффициент трения увеличивается, что иногда приводит к схватыванию сопряженных поверхностей трения и резкому возрастанию силы трения. Таким образом, увеличение силы трения привело к проворачиванию вкладышей моты-левого подшипника цилиндра № 2. Причиной аварии явилось проворачивание вкладышей, которое привело к перекрытию отверстия подачи смазки и вследствие этого к перегреву и расплавлению вкладышей, а также повреждению коленчатого вала.
Таким образом, в случае нештатной ситуации на двигателе или в трибосопряжении «шейка вала-вкладыш» твердость, износо- и задиростойкость шеек явно недостаточна для того, чтобы избежать повышенного износа или задира.
Для повышения триботехнических свойств сопряжения «шейка вала-вкладыш» наиболее рационально проводить модифицирование шеек вала природными силикатами, имеющими слоистую структуру со слабой связью между слоями, которая облегчает сдвиг между ними, а также позволяет избежать схватывания металлов вала и вкладыша в условиях трения при граничной смазке.
Модифицирование поверхности шеек валов можно осуществлять минеральными и органоминеральными материалами фрикционным методом. Модифицирующий состав, со-
стоящий из минерального или органоминерального материала и смазки, наносится на упрочняемую поверхность. Проведенные ранее исследования [1] позволили установить, что наилучшими триботехническими свойствами обладают следующие композиции: серпентинит + силикат природного происхождения и серпентинит + силикат природного происхождения, модифицированный полисахаридом природного происхождения.
В результате модифицирования минеральными и органоминеральными материалами на поверхности шеек коленчатых валов образуется металлокерамический слой, который обладает повышенной твердостью и задиростойкостью, позволяет снизить параметры шероховатости шейки, коэффициент трения и величину температуры в зоне трибоконтакта в условиях трения при граничной смазке. В результате происходит снижение энергетического уровня контактного взаимодействия трущихся поверхностей и величины износа трибосо-пряжения. Таким образом, все эти положительные изменения триботехнических характеристик сопряжения позволяют говорить о перспективности использования технологии модифицирования минеральными и органоминеральными материалами поверхностей шеек коленчатых валов для повышения надежности и уменьшения вероятности аварий судовых СОД.
Итак, на основании выполненных исследований можно утверждать, что основными причинами отказов коленчатых валов являются износ и задир шеек, которые наблюдаются на всех типах дизелей независимо от твердости шеек. Задир шеек и расплавление антифрикционного слоя вкладышей приводят к деформации коленчатых валов, реже - к поломке вала: 67,6% коленчатых валов, поступающих на восстановление, имеют величины износов и отклонений формы шеек значительно меньше допускаемых. Однако риски и круговые царапины на шейках имеют 100% коленчатых валов.
Коленчатые валы, восстановленные фирмой «Handok Crankshaft Industrial Co., LTD», несмотря на высокую твердость шеек (48-50 HRC), также подвержены задирам и повышенному изнашиванию. Основной причиной отказа валов, восстановленных наплавкой, является образование трещин на шейках вала на всю глубину наплавленного слоя..
Для повышения надежности и уменьшения вероятности аварий судовых СОД наиболее рационально проводить модифицирование шеек вала природными силикатами для получения металлокерамического покрытия, позволяющего избежать задира, снизить энергетический уровень контактного взаимодействия трущихся поверхностей и величину износа трибо-сопряжения «шейка вала-вкладыш».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Леонтьев Л.Б., Шапкин Н.П., Леонтьев А.Л., Токликишвили А.Г. Повышение триботехнических свойств сопряжения нанесением композиционных покрытий // Perspektywiczne opracowania s^ nauk^ i technikami: Materially VII Mi^dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji. Techniczne nauki 2011. Vol. 55. Przemysl: Nauka i studia, 2011. S. 31-34.
2. Леонтьев, Л.Б., Юзов А.Д. Подшипники коленчатых валов судовых дизелей. Владивосток: ДВГМА, 2000. 173 с.
