Детонация от поршневых колец на плоскости ГБЦ
Эта публикация без предисловий посвящена главной нашей теме – повреждениям ДВС. Каковы же их причины? Далее нам понадобятся термины и определения.
В специальной литературе мы встретим контекстные формулировки, например, такие: «функциональное и материальное повреждение вещи в результате негативного воздействия, неблагоприятных обстоятельств, событий и, как результат, снижения ее ценности».
Кроме контекстных, есть и прямые определения: «Повреждение – потеря функциональных возможностей и необходимых или желаемых свойств. Повреждение является результатом процесса причинения вреда».
Да, канцелярит. Да, читается тяжело. Но у формального технического и юридического языка свои правила. Главное, что в этих определениях прослеживается причинно-следственная связь.
Повреждения, вызванные механическими нагрузками, самые распространенные. В числе причин превышение допустимой нагрузки, ударная нагрузка, знакопеременная нагрузка (в частности, с изломом или остаточной деформацией), вибрационные и резонансные перегрузки. Перечислено не все, но для примеров достаточно.
Поломка двигателя произошла вследствие обрыва поршня, механического повреждения блока цилиндров и столкновения клапанов с головкой блока цилиндров
Теперь о причинах повреждений, вызванных коррозией. Сюда относится коррозия на плоскостях деталей (как правило, равномерная), коррозия в углублениях, раковинах, трещинах. Добавим в этот список контактную коррозию – например, из-за разности потенциалов различных металлов, коррозию, вызванную отложениями, кислотную коррозию, спровоцированную электролитами и т.д.
Коррозию усугубляют механические нагрузки – например, вибрационные. А также остаточные напряжения, вызванные технологическими ошибками – например, при штамповке деталей. А еще бывают экзотические виды коррозии – водородная, микробиологическая при доступе воздуха, микробиологическая без доступа воздуха (анаэробная) и прочие.
Переходим к повреждениям в результате теплового воздействия. Здесь причины следующие: нарушение теплового баланса, резкие колебания температуры при переменном механическом воздействии и повышенной температуре, растрескивание под воздействием температуры.
Про трещины надо сказать особо. Они образуются от сварочных напряжений, «усталости» материала, изменений температуры, шлифовки, нарушения режимов термообработки, тепловых деформаций и т.д.
Скол на посадочном месте для рассухаривания клапанов
Отдельно оговариваются термические повреждения поверхности: окалина, коррозия от воздействия пара и горячей воды, воздействия открытого пламени, посторонних включений в сплаве (дефекты конструкционных материалов) и прочее. Опять же это не полный список, а примеры.
Далее перечислим еще ряд важных причин повреждений. Это повреждения из-за отложений накипи, засоление, кремнеземный налет, повреждения в результате диффузии.
Далее следуют повреждения, вызванные трибологическими нагрузками, вибрационный износ, абразивный износ, эрозия, где надо особо выделить кавитацию – процесс в технике весьма распространенный.
Процесс образования повреждения может протекать с разной скоростью. Различают четыре типа такого процесса: взрывоопасный, ударный, развивающийся постепенно (например, по экспоненте) и длительный.
Детонация от поршневых колец на днище поршня
Знание и оценка скорости развития повреждения очень важны для своевременного выявления губительных процессов, а также для предотвращения поломки.
При оценке повреждений двигателя необходимо учитывать особенности производства и эксплуатации двигателя и его компонентов. В частности, в автомобилестроении был в ходу термин «автомобиль понедельника» – когда сборка проходила в понедельник, после выходных.
Но причиной образования повреждений могут быть и системные недостатки, например, в результате конструктивных ошибок или при слишком малом объеме испытаний.
Корытообразная кривая
Нормальное поведение двигателя при эксплуатации определяется так называемой «корытообразной» кривой, изображенной на рисунке.
Первая часть кривой плавно снижается. Это период обкатки, со случайными отказами, например, из-за дефектов в материалах, а также ошибках при изготовлении деталей или сборке.
Далее – эксплуатационная фаза, с постоянной частотой появления отказов, вызванных, например, эксплуатационными ошибками.
Затем кривая переходит в третью область с прогрессивно растущей частотой повреждений. Причины – износ, старение или вибрационное разрушение. Своевременное техническое обслуживание может сместить эту часть кривой вправо, что приведет к отсрочке возникновения аварийных ситуаций и снижению их числа.
Износ – неизбежное явление при эксплуатации любого механического устройства или машины. Поэтому для снижения последствий износа конструкторы закладывают так называемый «запас износа», не влияющий на функционирование и надежность детали.
Например, если номинальный зазор в подшипнике составляет 0,20–0,25 мм, то назначение предельно допустимого зазора в 0,30 мм учитывает «запас износа» величиной 0,05–0,10 мм.
Предельно допустимые размеры деталей двигателя
Последствия недопустимого износа – перебои в работе двигателя и повреждения его компонентов. В процессе эксплуатации эти неисправности могут накапливаться.
А теперь поговорим об истоках перечисленных выше причин неполадок и поломок. Начнем с конструктивных ошибок. Их зачастую можно избежать. Сегодня в основном выпускаются ДВС с кривошипно-шатунным механизмом и клапанной системой, работающие по 4-тактному или 2-тактному циклу. Конструкции эти можно считать устоявшимися.
Тем не менее, при проектировании некоторых деталей и узлов ошибки все же возникают – например, при определении допустимой нагрузки, при работе с нестандартной конструкцией, из-за неверно рассчитанных размеров и допусков, неправильно выбранных конструкционных материалов и т.д.
Двигатели должны соответствовать техническим требованиям – это аксиома. Слишком слабые двигатели работают с перегрузкой, чересчур слишком мощные – с нагрузкой частичной, но они крайне неэкономичны. Многие поломки и повреждения ДВС являются результатом ошибок в проектировании технологического оборудования для производства автокомпонентов.
Поэтому производители двигателей выпускают тома проектной документации и мануалов, охватывающих практически все системы двигателей.
Важнейший вопрос – планирование технического обслуживания. Если ТО затруднено из-за конструктивных особенностей или условий монтажа, его будут выполнять спустя рукава, а то и вовсе игнорировать. Результат легко предугадать – это рост вероятности отказов.
Вот пример: у одного легкого грузовика неудачно расположили масляный щуп. Для проверки уровня масла необходимо было поднимать водительское сиденье. Молодые водители сочли это большим неудобством с риском испачкать сиденье. Поэтому уровень масла проверялся нерегулярно, и грузовик «украсил» собой статистику повреждений.
Теперь о дефектах конструкционных материалов. Они могут возникать на всех этапах производственного процесса. Вот несколько причин: загрязнения сырья, посторонние включения, пузырьки газа и усадка при литье, дефекты металлопроката, трещины и складки при ковке, дефекты при нанесении покрытий на детали (подшипники, поршневые кольца).
Важно знать, что дешевизна запчастей на «сером» рынке нередко обусловлена использованием некачественных материалов.
Контрафактные запчасти (взято из открытых источников)
Скажем и о производственных дефектах. Они возникают вследствие несоблюдения требований к размерам и допускам деталей, а также механических повреждениях при токарных операциях, фрезеровании, сверлении и т.д.
Нередки ошибки при нарезке зубьев на шестернях, дефекты при горячей штамповке или разрывы металла при штамповке холодной. Встречаются вкрапления абразивных частиц в поверхность гильз блока цилиндров. Возникают ошибки при обработке деталей с концентраторами напряжений – например, с галтелями и периферийными отверстиями.
Возникают повреждения и при сборке – в частности, из-за отклонений формы сопрягаемых поверхностей или вследствие неправильной затяжки резьбовых соединений.
Важнейший раздел – эксплуатационное повреждения. И на первом месте здесь стоит перегрузка. В соответствии с физикой процесса различают механические, термические, химические, коррозионные и трибологические перегрузки.
Износ цилиндров
Двигатели перегружаются, когда их форсируют. Или, когда они работают в неблагоприятных условиях, таких как высокая температура всасываемого воздуха, высокая температура охлаждающей жидкости и моторного масла. Хороший пример перегрузки – движение тяжелого грузового поезда на подъем с характерным черным дымом из выхлопных труб.
Перегрузка двигателя может быть не только «от педали», но и от других причин – в частности, при холодном пуске с задержкой воспламенения, при детонации в бензиновых двигателях и при засоренных фильтрах и теплообменниках.
Кратко скажем и об изменениях условий эксплуатации. Загрязненные воздушные фильтры увеличивают сопротивление на впуске. Пагубную роль играет топливо, если его качество не соответствует требованиям нормативной документации.
Одной из причин повреждений ДВС является гидроудар. Если в цилиндр попадет большое количество воды, топлива или моторного масла и поршень сталкивается с практически несжимаемой жидкостью, то ударные нагрузки приводят к деформации и поломке шатуна, так как коленчатый вал продолжает вращаться. В таких случаях шатун нередко пробивает стенку блока насквозь.
Пробитый насквозь блок
Скажем и об ошибках эксплуатационников, в частности, водителей. Необходимо правильно проводить обкатку нового или прошедшего капитальный ремонт двигателя, по возможности сокращать холодные пуски, избегать длительной работы на холостом ходу.
Циркуляция моторного масла и охлаждающей жидкости, а также их температура, контролируются измерительными приборами – манометрами и термометрами. Многих повреждений можно избежать, если к оптическим индикаторам подключить звуковую сигнализацию, предупреждающую водителей о критической ситуации – но это уже задача конструкторов…
Что касается механиков-мотористов, им необходимо требовать от начальства только высококачественных эксплуатационных материалов – моторного масла, топлива, охлаждающей жидкости. Стремление любой ценой снизить эксплуатационные расходы является причиной многих поломок двигателя.
Неисправности возникают и от внешних воздействий. Замерзание воды или некачественного антифриза в системе охлаждения может привести к образованию трещин в блоке цилиндров. Отсутствие воздушного фильтра или плохая фильтрация воздуха приводит к загрязнению деталей и последующему износу. Засорение или полная закупорка трубопроводов системы охлаждения неизбежно приводит к перегреву двигателя. А негерметичные топливопроводы могут вызвать пожар в автомобиле.
Не забудем и о техническом прогрессе. Чтобы соответствовать новым требованиям, высококачественных материалов уже недостаточно. С распространением электроники появляются новые виды повреждений, причина которых заключается не только в оборудовании (hardware), но и в программном обеспечении (software).
И, наконец, о человеческом факторе. Человеческие ошибки затрагивают все области моторной техники: проектирование, производство, эксплуатацию и ремонт. Но условия работы в этих областях значительно различаются. Отсюда и разная вероятность совершения ошибок.
Анализ этой темы – задача для профессиональных психологов. Мы же укажем лишь общие причины. Применительно к двигателю они таковы: сложные и неясные ситуации, недостаток опыта, а также физическая и психологическая перегрузка в результате неблагоприятных условий труда.
Профилометр для измерения шероховатостей на поверхности цилиндров