Технические требования на дефектацию и ремонт вкладыша подшипника

2.2 Технические требования на дефектацию и ремонт вкладыша подшипника

Таблица 2 – Размеры и допуски вкладыша подшипника согласно техническим условиям [см. прил.1(рис. 1)]

2.3 Дефекты вкладыша подшипника и причины их возникновения

При установлении неисправности подшипника следует иметь в виду, что при конструировании двигателя любая дизелестроительная фирма исходит из основного правила, по которому при возможном возникновении дефекта он должен быть устранен как можно быстрее и с наименьшими трудозатратами, а дефект должен проявляться на менее дорогостоящей детали. В отношении подшипников скольжения это означает, что из строя должен выходить вкладыш подшипника, как более дешевая деталь, а не корпус подшипника или коленчатый вал. И, следовательно, дефекты вкладыша подшипника в большинстве случаев указывают на наличие каких-либо неисправностей в двигателе или нарушении правил его технической эксплуатации, а не на плохое качество самого вкладыша, и задача эксплуатационника - выявить и устранить эту неисправность, основываясь на характере дефекта вкладыша.

С определенной степенью точности дефекты, возникающие на вкладышах подшипника, можно систематизировать, классифицировав их на группы. Разумеется, зачастую на вкладышах присутствуют признаки дефектов различных групп, особенно когда вкладыш проработал уже значительное время. Однако в начальной стадии развития дефекта он проявляется, как правило, в «чистом виде». Можно различить следующие группы:

-  износ;

-  царапины;

-  усталостные повреждения;

-  коррозионные повреждения;

-  эрозионные повреждения и вымывание участков антифрикционного слоя; фреттинг-коррозия и питтинг посадочной поверхности;

-  полное разрушение вкладыша (задир, расплавлении антифрикционного слоя).

Эти дефекты вызываются целым рядом причин, которые также можно классифицировать. Ниже приведены различные проявления дефектов и наиболее вероятные причины их возникновения. Однако следует иметь в виду, что эти причины у различных двигателей при различных условиях эксплуатации проявляются по разному и приведенный анализ является приблизительным.

Износ. Под износом понимается результат изнашивания поверхности трения в процессе эксплуатации (в результате механических воздействий), который можно оценить в единицах длины. Однако в данном случае под износом необходимо понимать только такой износ, при котором рабочие поверхности остаются гладкими и не происходит увеличение параметров их шероховатости.

Ранее указывалось, что 90 % заменяемых тонкостенных вкладышей рамовых и мотылевых подшипников СОД имеют износ антифрикционного слоя. У каждого подшипника двигателя имеются такие определенные участки рабочей поверхности, которые подвержены наиболее сильному изнашиванию, обусловленному разницей в толщине смазочной пленки. Такие участки считаются зоной основной нагрузки и расположены на верхнем (опорном) вкладыше подшипника шатуна и на нижнем (опорном) вкладыше рамового подшипника.

В соответствии с требованиями инструкции по эксплуатации вкладыши подшипников с износом никелевого подслоя необходимо заменить. Однако на практике это требование часто не выполняется, и после износа антифрикционного слоя металла и никеля подшипники продолжают эксплуатироваться на среднем слое. При достаточной смазке и хорошей фильтрации и сепарации масла эксплуатация подшипников на среднем слое из алюминиевого сплава в общем случае не является опасной в отличие от среднего слоя из бронзы. Однако такое состояние вкладышей с гальваническими антифрикционными покрытиями является предельным, и требуется их незамедлительная замена.

Как уже указывалось, в подшипниках дизелей, у которых на установившихся режимах обеспечивается трение при гидродинамической смазке, ресурс деталей определяется, главным образом, абразивным изнашиванием шеек коленчатого вала и поверхности трения вкладышей.

Царапины являются одним из наиболее часто встречающихся повреждений поверхности трения вкладышей и располагаются в направлении враще- ния вала. В подавляющем большинстве случаев причиной их образования является загрязненное масло. В зависимости от размера и твердости частиц абразива их влияние на подшипник различно. Частицы с размерами, меньшими, чем расстояние между поверхностями трения, и твердостью, меньшей, чем твердость металла вкладыша, потоком масла проносятся через зазор и не оказывают заметного воздействия на вкладыш. В том случае, если размер абразивных частиц больше расстояния между поверхностями трения и твердость их равна или больше твердости подшипникового материала, эти частицы продвигаются по зазору в направлении вращения вала, попеременно закрепляясь то на одной, то на другой поверхности. В зависимости от глубины внедрения частицы происходит либо пластическое передеформирование поверхности с последующим отделением деформированного объема, либо микрорезание. В свою очередь, глубина внедрения зависит от расстояния между поверхностями трения. Для каждой точки поверхностей вала и вкладыша изменение расстояния между поверхностями различно и определяется характером движения вала в подшипнике.

Хрупкие частицы обычно не образуют царапин, а оставляют только следы внедрения.

Царапины могут образоваться также от воздействия шейки вала с повышенной величиной шероховатости. Так, например, при попадании воды в масло при длительной стоянке двигателя может возникнуть коррозионное повреждение шейки в виде язвин с острыми кромками, которые затем могут стать причиной образования царапин.

Усталостные разрушения. Под усталостным разрушением антифрикционного слоя вкладыша понимается возникновение в нем трещин под воздействием длительных механических циклически действующих нагрузок. Хотя природа возникновения трещин различна и разнообразны причины, их вызывающие, характер трещин, в общем, одинаков при всех причинах. Первоначально отдельные мелкие, хаотично расположенные трещины (рис. 1.9а) при сохранении условий, их вызывающих, увеличиваются в количестве и протяженности, образуя сетку на поверхности вкладыша. По этой ассоциации это повреждение в зарубежной литературе называют эффектом «булыжника» (рис. 1.96). При дальнейшем развитии происходит выкрашивание отдельных отставших кусочков металла (рис. 1.9в), эрозионное расширение трещин и на поверхности образуются каналы (рис. 1.9г), напоминающие следы жука- короеда на поверхности дерева (эффект «короеда»). Небольшое количество трещин в зоне нагрузки вкладыша не опасно и подшипник можно продолжать эксплуатировать. Если же образовался «булыжник» или тем более «короед», вкладыш необходимо заменить. Причинами возникновения усталостных повреждений следует считать циклическое изменение напряжений в антифрикционном слое в процессе работы двигателя. Развитие усталостных повреждений ускоряется вследствие Деформации деталей узла, наличия отклонений в его геометрии и других факторов. При анализе напряженного состояния антифрикционного слоя можно выделить три составляющие напряжений: сжимающие статические напряжения, возникающие при установке и затяжке вкладыша в корпус; статические термические напряжения от перепада температур вкладыша по толщине и разности коэффициентов линейного расширения материалов корпуса и вкладыша; динамические напряжения, определяемые переменными силами, действующими на подшипник.

Рис. 1.9. Стадии усталостного разрушения подшипникового материала

Статическая составляющая напряжений зависит от параметров посадки сопряжения «вкладыш - корпус». Во время работы двигателя под действием переменных сил происходит изгиб корпуса и подшипника, приводящий к циклическому изменению напряжений сжатия на поверхности трения вкладыша. О величине и характере изменения напряжений во время работы дизеля можно судить по представленным результатам измерения напряжений на посадочной поверхности шестого рамового стале-алюминиевого вкладыша подшипника нижнего коленчатого вала дизеля 1 ОД 100 с помощью датчиков, измеряющих напряжения в окружном направлении и вдоль образующей вкладыша.

На зарождение усталостных трещин могут влиять дефекты микроструктуры или микротрещины, возникающие в районе максимальных напряжений при нарушении режима трения при жидкостной смазке, например, при пуске или остановке дизеля.

Наиболее часто трещины возникают в баббитах, которые характеризуются наименьшим пределом выносливости среди антифрикционных материалов. 11оскольку появление усталостных трещин обусловливается свойствами материала и нагрузкой, действующей на него, то предотвратить их возникновение или снизить скорость их распространения в условиях судна можно лишь снижением нагрузки на подшипник, т. е. снижением мощности двигателя, что весьма нерентабельно.

Для усталостной прочности вкладышей с антифрикционным слоем баббита большое значение имеет его толщина. Наиболее высокая усталостная прочность реализуется у слоев толщиной в несколько сотых миллиметра. При нанесении тонкого слоя баббита на прочный металл он чаще выходит из строя по износу, чем из-за усталостных повреждений. С увеличением толщины баббитового слоя более 0,1 мм происходит образование усталостных трещин и выкрашивание уже через 8-10 тыс. ч.

В том случае, когда на вкладыше имеется мягкое приработочное покрытие значительной толщины 0,04-0,06 мм, может происходить усталостное изнашивание этого покрытия.

На практике встречаются также выкрашивание и отслаивание гальванического слоя у многослойных вкладышей. Для определения истинных причин этого дефекта необходимо произвести металлографические исследования, так как причиной могут быть и усталостные разрушения, и образование медно-оловянных кристаллов из-за диффузии олова из гальванического слоя в бронзу, которые снижают прочность сцепления гальванического слоя с бронзой. С повышением температуры вкладыша скорость диффузии значительно возрастает. Для ее предотвращения у большинства вкладышей между слоем бронзы и свинцово-оловянным сплавом наносится тонкий слой никеля (барьерный). Однако при высоких температурах запирающие свойства никелевого слоя снижаются и возможна диффузия металлов в зоне соединения, которая затем станет причиной отслоения гальванического слоя. Вкладыши подшипников с подобным дефектом должны быть заменены.

Коррозионные повреждения. Свинцовистые бронзы и баббиты подвержены химической коррозии. Коррозионные повреждения вызываются наличием в смазочном масле кислот, щелочей, воды и солей. Характер развития коррозионных разрушений у баббита и бронзы отличен. Окисление и вымывание свинца из баббита превращает структуру его поверхностного слоя в рыхлую и пористую. Резко снижается несущая способность подшипника и возрастает износ. Поверхностный слой корродированного баббита легко снимается ногтем пальца. При коррозионном разрушении бронзы окисленный свинец вымывается и остаются кристаллы меди. Структура становится похожей на ту, которая получается при усталостном разрушении вкладыша, и отличить одно явление от другого без специальных металлографических исследований практически невозможно.

Трехслойные вкладыши с гальваническим антифрикционным слоем защищены от коррозии добавлением олова или индия в сплав. При нормальных условиях они крайне редко подвергаются коррозионным разрушениям. Но если температура масла высока, то гальванический слой может разрушиться вследствие коррозии. Темные пятна по краям зоны износа, где температура наиболее высока, - это проявление коррозионного изнашивания. Поверхность этих пятен характеризуется повышенной шероховатостью или пористостью, которая снимается благодаря изнашиванию, и в результате появляется блестящий слой. В этом случае будет наблюдаться, на первый взгляд, обычный повышенный износ, хотя первопричиной являются коррозионные повреждения. В случае применения тяжелого высокосернистого топлива вероятность коррозионного изнашивания значительно возрастает.

На основании вышесказанного следует, что для избежания коррозионных повреждений необходим постоянный и тщательный контроль масла.

Гидроэрозионные, гидроабразивные и кавитационные повреждения довольно часто наблюдаются у вкладышей подшипников. Гидроэрозионные и гидроабразивные повреждения образуются из-за высокой скорости масла и наличия в нем мельчайших твердых частиц, которые вполне свободно проходят с потоком масла через диаметральный зазор подшипника. Эти частицы, обладая большой энергией, ударяются о поверхность трения (в местах изменения направления движения масла), выкрашивают (откалывают) частицы металла этого слоя. Возникновению и развитию эрозии способствует корро- зия, ослабляющая поверхность антифрикционного слоя и делающая ее структуры рыхлой. Коррозия и эрозия зачастую воздействуют одновременно, взаимно дополняя и стимулируя друг друга.

Явление кавитации связано с возникновением и развитием в жидкости паро- или газовоздушных пузырьков. В подшипнике скольжения насыщение слоя смазки происходит в результате особенностей течения масла в зазоре подшипника, приводящих к появлению в жидкости зон неустойчивого течения; попадания в масло воды и создания газо-водомасляных эмульсий при обтекании им различных препятствий; захватывания воздуха и пузырьков масла извне в процессе вращения вала.

В зоне повышенных давлений пузырьки, содержащиеся в смазке, захлопываются. Скорость движения потока жидкости при захлопывании пузырьков достигает 30 м/с. При захлопывании пузырьков выделяется энергия, которая ведет к разрушению материала поверхностного слоя, а при определенной величине этих разрушений - к отказу вкладыша.

Попадание в масло воды ведет к снижению его вязкости и значительному увеличению скорости кавитационного изнашивания, что влечет за собой рост зазоров в подшипнике за счет износа сопряженных поверхностей шейки и вкладыша вследствие увеличения шероховатости, вызванной кавитационным изнашиванием.

Эрозионное и кавитационное изнашивание часто возникают совместно, и поэтому бывает трудно определить, какой из процессов привел к разрушению поверхности вкладыша подшипника.

Фреттинг-коррозия и питтинг. Если две металлические поверхности прижаты одна к другой и одновременно имеют незначительное взаимное перемещение, то в их материале возникают знакопеременные напряжения сдвига (в дополнение к напряжениям сжатия), и при достижении ими предельных значений происходит перенос частиц более мягкого металла с одной поверхности на другую - более твердую. Изнашивание вследствие фреттинг-коррозии посадочных поверхностей происходит при ослаблении или недостаточной затяжке болтов, пластических деформаций поверхностей разъема вкладышей и других нарушений их посадки. Главным следствием этого процесса является ослабление посадки и проворачивание вкладыша, что, в свою очередь, влечет за собой задир шейки вала, полностью нарушает подачу смазки к поршню с последующим задиром поршня и втулки цилиндра.

Явление питтинга подобно фреттинг-коррозии. В этом случае две поверхности находятся под воздействием переменной нагрузки сжатия, например, под воздействием вибрации. При питтинге на посадочной поверхности появляются оспины из-за отделения материала.

Фреттинг-коррозия и питтинг в подшипниках скольжения могут возникать как в результате ошибок монтажа, дефекта вкладышей, так и в результате недостатков всей конструкции подшипника.

Слой свинцово-оловянного сплава или олова, нанесенного на поверхности вкладыша для предохранения от коррозии при хранении, оказывает одновременно благоприятное влияние на уменьшение фреттинг-коррозии.

Расплавление вкладышей подшипников. В тяжелонагруженных подшипниках ВОД и СОД возникновение режима трения при граничной смазке вызывает перегрев, схватывание, заедание и расплавление антифрикционного слоя. Расплавление подшипниковых сплавов вкладышей подшипников при их перегреве приводит к повреждениям шеек коленчатых валов. Контакт расплавленных баббитов и бронз со стальными деталями в напряженном состоянии приводит к образованию трещин и надрывов, становящихся очагами усталостного разрушения. Если расплавленный металл смачивает сталь, то он проникает в раскрытые под действием растягивающих напряжений микротрещины поверхности стальной детали и, адсорбируясь на стенках трещины, уменьшает поверхностную энергию основного материала и, тем самым, снижает его прочность. Из практики эксплуатации известны случаи поломок и задиров шеек коленчатых валов в результате расплавления антифрикционного слоя при нарушении режима смазки подшипника. Существенное влияние на образование таких дефектов имеет высокотемпературный нагрев поверхностного слоя металла вала и связанное с этим снижение пределов текучести и прочности.

Наиболее характерные причины повреждения вкладышей. Причины, приводящие к повреждениям вкладышей, различны. В принципе их можно разделить на причины, определяемые условиями работы подшипника, и причины не зависящие от этих условий. К причинам, зависящим от условий работы подшипникового узла, можно отнести неправильно выбранный запас несушей способности подшипника, неправильно принятые макро- и микрогеометрические соотношения в подшипниковом узле, отсутствие или неверный выбор противовесов, неоптимальные зазоры, неправильно подобранная пара трения «вал - антифрикционный материал», неверный выбор места подвода смазки, сорта смазки и др.