Шатунная группа передает усилие, испытываемое поршнем на коленчатый вал, в крутящий момент, и в то же время изменяет возвратно-поступательное движение поршня на вращательное движение коленчатого вала.
Шатунная группа состоит из корпуса шатуна (шатун малая головка, вал, шатун большая головка), крышки шатуна, болтов шатуна и шатунных подшипников.
Шатунный подшипник подвергается воздействию динамической нагрузки давления сгорания ударного цилиндра и силы инерции поршневой шатунной группы в работе, а относительная скорость скольжения высока, поэтому он должен обладать высокой механической прочностью (усталостная прочность) и термостойкостью (термическая твердость, термическая прочность), а также обладать достаточными характеристиками снижения трения.
К распространенным видам разрушения относятся отколы, плавление, склеивание, разрыв, эксцентриковый износ и растрескивание.
Вообще говоря, существует две основные причины поломки шатунного подшипника.
Во-первых, дефект качества шатунного подшипника:
Шатунный подшипник обычно имеет принудительную смазку, и смазочное масло под давлением образует клиновидную масляную пленку высокого давления при относительном движении шейки и подшипника, которая передает давление и оказывает поперечную силу на слой подшипникового сплава, и эти внешние силы периодически чередуются с работой дизельного двигателя.
Во-вторых, усталость при изгибе приводит к образованию трещин в слое сплава подшипников:
Если слой сплава плохо связан с черепицей обратно, образуя сэндвич, слой сплава будет подвергаться сильному воздействию периодических переменных нагрузок, и из-за чрезмерного сжимающего напряжения, напряжения изгиба и усталости будут образовываться микротрещины, а затем микротрещины постепенно перерастут в макроскопические трещины.
Однако не все шатунные подшипники вызваны вышеуказанными причинами, и последующий анализ трещин шатунных подшипников определенного типа среднеоборотного дизеля и выдвигают меры по улучшению.
1. Описание неисправности
В 2018 году у определенного типа среднеоборотного дизельного двигателя были обнаружены трещины и обрушения на некоторых шатунных плитках во время технического обслуживания и демонтажа, а также были вмятины и обрушения вокруг масляных отверстий и масляных канавок на корпусе шатуна.
Срок службы данной партии дизельных двигателей составляет около 6000ч, причем поверхность черепицы на не подвергшейся дроблению шатунной также имеет яркие полосы локального контактного износа, а обратная сторона черепицы имеет следы изгиба и деформации.
Также в 2018 году были обнаружены трещины на стальной обратной стороне черепицы на заднем шатуне среднеоборотного дизельного двигателя, который был возвращен с рынка примерно за 6200ч, и были следы деформации изгиба и износа возле масляного отверстия и масляной канавки на обратной стороне черепицы;
Износ поверхности плитки неравномерный, особенно соответствующие части масляной канавки и масляного отверстия не изнашиваются из-за деформации задней части плитки, в то время как износ масляной канавки и наружной части масляного отверстия относительно тяжелый, см. рисунок 2 и рисунок 3.
2. Анализ причины сбоя
(1). Connecting rod oil groove and oil hole structure
Поршень данного типа среднеоборотистой машины имеет охлаждение со свободным впрыском, и охлаждающее масло направляется из масляного отверстия главной шейки коленчатого вала в масляную канавку втулки малой головки шатуна и сопла малой головки шатуна, а затем сопло малой головки распыляется в полость охлаждающего масла поршня соплом малой головки, как показано на рисунке 4, а красная линия на рисунке — это траектория потока охлаждающего масла.
Для того, чтобы ввести масло из масляного отверстия шейки шатуна коленчатого вала в масляное отверстие вала шатуна, масляные отверстия устроены в нижнем подшипнике шатуна, части верхнего подшипника шатуна и валу шатуна, а в большом отверстии головки шатуна устроена кольцевая масляная канавка.
Масляное отверстие вала шатуна и кольцевая структура масляной канавки большого отверстия головки шатуна показаны на Иллюстрации 5.
В соответствии с руководством по проектированию продукта, с точки зрения силы, шатунная черепица несет основную рабочую нагрузку, поэтому шатунная черепица не должна располагаться с масляными канавками и масляными отверстиями;
Некоторые испытания показывают, что при одинаковой площади подшипниковой площадки несущая способность подшипниковой прокладки после установки масляной канавки и масляного отверстия составляет всего 1/4 от несущей способности без прорезей, а несущая способность подшипниковой прокладки значительно снижается.
В зависимости от распределения давления масляной пленки и осевой траектории подшипника скольжения положение масляного отверстия и масляной канавки должно быть разумно расположено, чтобы подача масла была плавной.
Масляные отверстия и пазы должны быть открыты в области, где нагрузка на подшипник низкая, чтобы не влиять на несущую способность.
То есть, шатунный подшипник должен быть прорезан и открыт в нижнем подшипнике, и если действительно необходимо сделать канавку на шатунной плитке, следует по возможности избегать зоны высокой нагрузки.
Корпус шатуна и крышка шатуна, прикрепленные к отверстию подшипника шатуна, играют роль опоры на прокладку подшипника для отверстия в корпусе подшипника, а также следует избегать масляного отверстия и масляной канавки, соответствующих зоне высокой нагрузки подшипника.
При наличии масляной канавки или большого отверстия на поверхности отверстия корпуса, под действием нагрузки подшипника поверхность стенки будет вогнута вниз из-за потери опоры за ней, что приведет к неблагоприятному изгибающему напряжению на задней части колодки.
В то же время стенка на краю углубления будет выпячиваться вверх, что приведет к раннему износу слоя сплава здесь.
На рисунке 6 показана осевая траектория шатунной шейки, а красная линия траектории — осевая траектория шатунной шейки;
Синяя линия — это покрытие масляной пленки, в котором левый столбец — это диапазон масляной пленки шатунной прокладки, а правый столбец — диапазон масляной пленки шейки шатуна, то есть диапазон масляной пленки кривошипного пальца, показанный на рисунке.
Этот тип шатунного подшипника дизельного двигателя несет максимальную нагрузку вблизи верхней мертвой точки шатуна.
На рисунке 7 показан конгломерат распределения давления масляной пленки на колодках шатунов, а область с наибольшим давлением масляной пленки вблизи верхней мертвой точки также является областью, что еще раз иллюстрирует, что масляные канавки и масляные отверстия не должны располагаться в этой области, независимо от колодок шатунов или отверстий в корпусе подшипника.
Напряжение сцепления вблизи верхней мертвой точки моделируется и рассчитывается, как показано на рисунке 8.
Большое отверстие головки шатуна, соответствующее спинке черепицы на шатуне, устроено с масляной канавкой и масляным отверстием, а максимальное напряжение основной опорной зоны, соответствующей положению масляной канавки и масляного отверстия, достигает 535. 11 МПа, материал шатуна 42CrMoA, допустимое напряжение 600 МПа, но материал задней части подшипника — сталь 10 #, допустимое напряжение всего 250 МПа, фактическое напряжение намного превышает предел напряжения материала, легко вызвать деформацию подшипника, растрескивание.
Это еще раз доказывает, что первопричиной поломки является нерациональное расположение масляных канавок и масляных отверстий в области основного подшипника корпуса шатуна.
(2). Bearing thickness
В больших низкоскоростных дизельных двигателях отношение толщины подшипника t к диаметру подшипника D обычно составляет более 0,10, что делает жесткость подложки большой, а точность отверстия в корпусе низкой, но слой сплава обычно толще, так что слой сплава может быть дополнительно очищен для достижения равномерной посадки после сборки, но это может привести к снижению несущей способности слоя сплава, что не удобно для взаимозаменяемости.
В настоящее время тонкостенные подшипники обычно используются в средних и высокоскоростных дизельных двигателях, а исходное значение конструкции т / д составляет 0,02 ~ 0,05, т составляет 1,5 ~ 7,0 мм, а толщина слоя сплава составляет 0,2 ~ 0,7 мм.
T/D неисправного шатунного подшипника дизельного двигателя составляет 0,0173, что ниже нижнего предела тонкостенного подшипника, а толщина стенки подшипника тонкая.
Как уже упоминалось выше, этот тип дизельного двигателя устраивает масляные канавки и масляные отверстия в зоне максимального напряжения отверстия седла подшипника, что приводит к большой деформации подшипника после воздействия изгибающего напряжения, а тонкая толщина стенок подшипника еще больше усугубляет деформацию подшипника.
Таким образом, толщина стенки шатунной черепицы не соответствует требованиям дизайна, а толщина шатунной черепицы тонкая, что является важной причиной разрыва шатунной плитки.
Край области депрессии трескается из-за концентрации напряжения, а область депрессии больше не подвергается напряжению, и трещина больше не расширяется.
В наиболее тяжелых случаях задняя часть подшипника в области депрессии отваливается, раздавливает отверстие шатунного подшипника и блокирует масляное отверстие и масляный проход, вызывая большие механические аварии [6].
Таким образом, толщина стенки шатунной черепицы не соответствует требованиям дизайна, а толщина шатунной черепицы тонкая, что является важной причиной разрыва шатунной плитки.
