11. Интенсивность износа неазотированных и азотированных коленчатых валов

Износ коренных и шатунных шеек коленчатых валов ряд­ных и V-образных тепловозных дизелей имеет различный ха­рактер и интенсивность. Интенсивность износа зависит от сос­тояния трущихся поверхностей шеек, т. е. от шероховатости поверхности и ее твердости, а характер износа — от угла за­клинивания шатунных шеек, от их взаиморасположения и по­рядка вспышки в цилиндрах дизеля.

Дизели 2Д100 первого выпуска имели коленчатые валы, изготовленные из хромоникелемолибденового чугуна. Для этих валов характерна высокая интенсивность нарастания износа. К пробегу тепловоза 380 тыс. км (10 тыс. мото-ч) средний диаметральный износ первой, наиболее изнашиваемой корен­ной шейки нижиего коленчатого вала достигал 230 мкм при наибольшем радиальном износе 210 мкм и овальности 180 мкм (рис. 27, а).

Такая интенсивность износа происходила по всем корен­ным шейкам нижнего и верхнего валов с некоторой неравно­мерностью по окружности. Это приводило к беспрерывному увеличению ступенчатости между рабочими поверхностями ко­ренных шеек.

Усовершенствование дизелей и, в частности, модернизация масляной системы (повышение подачи масляного насоса, раз­дельный подвод смазки к верхнему и нижнему валам) значи-

в} нкп

Рис. 27. Интенсив­ность износа первой коренной шейки ко­ленчатого вала ди­зеля типа Д100:

а — хромоннкелемолиб- деновый чугун; 6 — вы­сокопрочный чугун; 1 — диаметральный износ; 2 — овальность; 3 — радиальный износ

	1 г з
			.... _..

100 200 300 Тыс. кн

тельно уменьшили износ всех шеек коленчатого вала. Средний износ первой коренной шейки того же вала хромоникелемо- либденового чугуна уменьшился соответственно до 110, 80, 55 мкм. Применение для этих же валов высокопрочного чугуна позволило в дальнейшем еще больше снизить средний износ шеек. Так, для той же первой коренной шейки нижнего ко­ленчатого вала при работе дизеля примерно в одинаковых условиях износ соответственно составил 65, 50, 35 мкм (рис. 27, б).

Внедрение некоторых конструктивных и технологических усовершенствований значительно снизило износ шеек вала, тогда как характер износа, зависящий от тактности дизеля, конструкции вала, т. е. угла заклинивания шатунных шеек, порядка вспышки в цилиндрах, частоты вращения вала и дру­гих конструктивных факторов, остался без изменения. Устано­влено также, что большинство коренных шеек этого вала изна­шивается по окружности неравномерно. На рис. 28 показан характер износа большинства коренных шеек вала. Наиболь­ший радиальный износ а совпадает с биссектрисой угла, обра­зованного плоскостями 1 к 2, прилегающих к этой шейке кри­вошипов. На различных коренных шейках одного и того же вала этот износ различен. На первой коренной шейке наи­больший износ наблюдается со стороны первой шатунной шейки. Характер износа коренных шеек и его наибольшая ве­личина зависят не от цилиндровой силы, а от сил инерции, вращающихся неуравновешенных масс. Это означает, что из­нос коренных шеек у коленчатых валов, имеющих противо­весы, будет более равномерным.

Анализ данных, накопленных в эксплуатации, позволил до­статочно точно выяснить степень неравномерности износа ко­ренных шеек по длине вала. Приведенные на рис. 29 графики радиального износа коренных шеек, измеренные в восьми

плоскостях, т. е. через 45° поворота вала, характеризуют не­равномерность износа на любой стадии работы дизеля. За первую плоскость вала принята плоскость, проходящая через ось щеки первой шатунной шейки, которая находится в это время в верхней мертвой точке. Эти графики также показыва­ют, что наибольшие диаметральный и радиальный износы име­ет первая коренная шейка, причем ее износ в среднем на 30% выше остальных коренных шеек. Второй шейкой по абсолют­ной величине износа является четвертая коренная шейка, а затем восьмая.

Показанная неравномерность износа шеек приводит к бес­прерывному интенсивному увеличению суммарной ступенчатос­ти между смежными опорами вала.

На интенсивность нарастания суммарной ступенчатости между смежными коренными шейками влияет также деформа­ция блока цилиндров дизеля, происходящая в эксплуатации, которая для тепловозов ТЭЗ имеет определенную закономер­ность, выявленную при измерении большого количества бло­ков, находящихся в эксплуатации на тепловозах, имеющих пробег от 500 до 600 тыс. км. Эти измерения позволили устано­вить, что все блоки деформируются с искривлением оси посте­лей коленчатого вала выпуклостью вверх. Такое искривление за указанный период работы тепловоза достигает 100 мкм по верхнему валу и 60 мкм по нижнему валу, а ступенчатость по отдельным смежным постелям при этом достигает 60—70 мкм (при допуске 30 мкм). Такие величины ступенчатости на от­дельных участках по длине блока возможны также в резуль­тате несоблюдения технических требований при изготовлении новых блоков, или при их капитальном ремонте.

Ступенчатость между рабочими поверхностями шеек по длине вала в различных его плоскостях также различна. Она возрастает в процессе эксплуатации дизеля. Наибольшая сту­пенчатость у верхнего вала при радиальном износе первой ко­ренной шейки, равном 150 мкм, возникает между первой и вто­рой шейками и равна 98 мкм, а у нижнего вала между вось­мой и девятой шейками и равна 99 мкм.

Рис. 28. Распределение износа по сечению коренной шейки коленчатого вала дизеля типа ДЮО (7-я шейка)

а) мкм

\ 100
	"V5 10		7(L 65
		10 5/		15 Ю 10 I T I -Г-7-1

г) мкм 70

ю ₅

130 130

20 10 10 20 10 п ю

д)тм

е)мкм

1 2 3 4 5 В 7 8 3 10 11 72

Номера коренных шеек

Рис. 29. Графики величин радиального износа коренных шеек колен­чатого вала дизеля типа Д100 в восьми плоскостях: а _ о»; б — 45»; « — 90°; г — 135*? д — 180^е; в — 225”; ж — 270°; з — 315*

ж) мкм

з)мнм

Приведенные данные свидетельствуют о том, что радиаль­ный износ коренной первой шейки характеризует ступенчатость между всеми коренными шейками по длине вала и, таким об­разом, может быть принят как критерий оценки пригодности коленчатого вала к дальнейшей его эксплуатации. Следова­тельно, чтобы продлить срок службы вала, необходимо стре­миться к уменьшению износа первой коренной шейки, т. е. к устранению причин, вызывающих такой износ.

Установлено, что значительный радиальный (односторон­ний) износ первой коренной шейки зависит от взаиморасполо­жения шатунных шеек I, II, III, IV и V. При существующем порядке вспышек в цилиндрах (1—6—10—2—4—9—5—3—7— 8) дизеля типа ДЮО, шатунная шейка I располагается в од­ной полуокружности, а II, III, IV и V — во второй. При та­ком взаиморасположении рядом стоящих шатунных шеек пер­вая коренная шейка с большей части одного полного оборота вала прижимается к вкладышам одной и той же поверхностью, расположенной в противоположной стороне смежной шатун­ной шейки, что и вызывает односторонний радиальный износ. Избежать этого явления можно, очевидно, только путем изме­нения порядка вспышки в цилиндрах, а следовательно, более рационального расположения по окружности шатунных шеек. Наилучшим вариантом в этом случае является заклинивание шатунных шеек через 72°, т. е. при порядке вспышек 1—9—2— 10—3—6—4—7—5—8. Это приведет также к улучшению усло­вий работы коренных шеек 7 и 8, так как нагрузка на указан­ные две шейки рассредоточена и значительно уменьшится.

Таким образом, при равномерном распределении порядка вспышки в цилиндрах можно значительно снизить суммарную нагрузку на первую коренную шейку и более правильно рас­пределить нагрузки по всем коренным шейкам вала, улучшив условия работы пар трения, и снизить интенсивность их износа.

Наибольшая ступенчатость между смежными коренными шейками существующей конструкции коленчатого вала распо­лагается в следующих плоскостях: в нулевой плоскости она

образуется между первой и второй шейками, в плоскости 45° — между второй и третьей шейками, а в плоскости 90° — между девятой и десятой и т. д. Такой разнообразный характер расположения наибольшего износа коренных шеек вала, их овальности и ступенчатости приводит к тому, что изгиб вала при его вращении происходит в различных плоскостях. Таким образом, вал при вращении работает со знакопеременным из­гибом, приводящим к возникновению и развитию усталостных трещин. Компенсация такого износа коренных шеек вала пу­тем постановки рабочих вкладышей различной толщины для сохранения прямолинейности его геометрической оси не пред­ставляется возможной. В силу этого в период эксплуатации ко­ленчатого вала его относительная надежность гарантируется

лишь принятой предельным значением овальности коренных шеек. Рабочие вкладыши при этом должны сохраняться одина­ковой толщины (в пределах допуска).

Кроме овальности, трущиеся поверхности коренных шеек приобретают также некоторую конусность. Эта конусность не превышает 0,02—0,03 мм на длине шейки и поэтому такое на­рушение макрогеометрии вала заметного ухудшения условий работы пары трения шейка—подшипник практически не вызы­вает. Овальность шейки оказывает существенное влияние на интенсивность износа подшипника и приводит также к его ча­стичному разрушению в виде отслоения баббитового (анти­фрикционного) слоя. Вместе с тем повышенная овальность шей­ки ускоряет общий износ самой шейки. Причиной более интен­сивного износа овальной шейки является разрыв масляного слоя, так как часть окружности шейки в процессе ее износа принимает форму дуги, радиус которой больше радиуса под­шипника. Масляный клин такой трущейся пары разрывается или уменьшается его толщина вследствие более низкого дав­ления в масляном слое, что и приводит к ненормальным усло­виям работы трущейся пары (рис. 30). В этом случае жидко­стное трение переходит в полужидкостное или полусухое, при­водящее к более интенсивному износу трущейся пары.

Интенсивный износ поверхности шейки 1 вала, и особенно вкладышей 2 ее подшипников возникает также от повышенной шероховатости рабочей поверхности шейки. Если высота гре­бешков трущейся поверхности больше наименьшей толщины масляного слоя, то такая трущаяся пара будет изнашиваться более интенсивно.

Б)

Рис. 30. Взаимное расположение подшипника и коренной шейки коленчатого вала: а — неизношеиная шейка; б — изношенная шейка

г

г

На дизелях типа ДЮО известны случаи, когда период более интенсивного износа трущейся пары заканчивается полным разрушением ее поверхности. Это происходит потому, что тру­щаяся поверхность шейки коленчатого вала, изготовленного из высокопрочного чугуна, шлифовалась при его вращении в сто­рону, противоположную вращению вала при работе дизеля,

вследствие чего вершины микронеровностей трущейся поверхности шейки вала, воз­никшие как следствие его об­работки и разрывов металли­ческой основы, образующихся в местах выхода на поверх­ность графитовых зерен, име­ют наклон в сторону вращения вала при работе дизеля (рис.

Рис. 31. Схема образования микро­неровностей при шлифовании шеек коленчатого вала:

1 — шлифовальный круг; 2 — шейка ко- ленчатого вала; 3 — зерно графита

31), что и вызывает интенсив­ный износ, а иногда приводит к задирообразованию таких трущихся пар. Следует отме­тить, что тщательное шлифова­ние, а затем полирование шей­ки при вращении вала в направлении вращения его при работе дизеля будут способствовать значительному снижению интен­сивности износа его шеек.

Интенсивный износ шеек вала, как следствие шероховатости трущихся поверхностей, характерен особенно для первого пе­риода работы (приработки) дизеля. Установлено, что абсолют­ный износ вала за первые 20 ч работы дизеля равен или больше того значения, которое возникает за последующие 2500 ч работы [12].

Детальное изучение состояния трущейся пары шейка—под­шипник дизеля 11Д45 позволило установить, что в различные периоды службы коленчатого вала интенсивность износа 1 овализации 2 (рис. 32) коренных шеек различна. Так, в пе­риод приработки коленчатого вала, заканчивающегося после пробега тепловоза 80—100 тыс. км, интенсивность овализации в среднем достигает 0,01 мм за 20 тыс. км пробега. В течение второго периода, соответствующего пробегу тепловоза 550—600 тыс. км, интенсивность овализации в 3 раза меньше и составля­ет не более 0,01 мм за 60 тыс. км и, наконец, в третьем периоде работы вала после пробега 600 тыс. км интенсивность овализа­ции снова возрастает.

цкм 100 160 ПО 80

Рис. 32. Интенсивность износа и овализации первой коренной шей- ''^|7

ки коленчатого вала дизеля типа

ДЮО о 200 Ш 600 Тыс. нм

Рис. 33. Дифференциальные кривые распределения величин диаметров шеек коленчатых валов дизелей 11Д45: