|
Визуальный анализ деталей ШПГ
Опубликовано: 21.12.2007 21:00
 Объект анализа
· Клиентом «Авто-Маркет» (г. Краснодар) передано три шатунно-поршневых комплекта диаметром 82,5 мм (поршни в сборе с кольцами, поршневыми пальцами и Н-образными шатунами) а также нижняя часть 4-го шатуна из указанного мотокомплекта, разрушенного по стержню в зоне перехода к нижней головке. При этом сообщено, что разрушение наступило при обкатке на оборотах не более 3000 мин-1, т.е. наработка составила всего несколько часов.
· Необходимо отметить отсутствие ряда деталей, необходимых для более точного определения первопричины возникших проблем: вкладыши шатунных подшипников и элементы всех разрушенных деталей 4-го шатунно-поршневого комплекта: верхняя часть шатуна, поршень, палец, кольца. Не обязательно, но весьма полезно иметь вырезки поверхностей цилиндра(ов), тем более, что характер следов разрушения шатуна практически не оставляет сомнений в том, что блок цилиндров данного двигателя нельзя использовать в дальнейшем.
PS
Наш опыт доводочных работ показывает, что при разрушении деталей ШПГ или клапанов даже на максимальных оборотах (до 10000 мин-1) в двигателе и в мотоотсеке можно найти очень большое количество элементов, которые, как правило, позволяют с очень высокой степенью вероятности определить первичную причину, вызвавшую все последующие сложные разрушения.
Тем не менее, несмотря на отсутствие ряда важных элементов, мы провели возможный визуальный анализ переданных деталей. Для наглядности наши рассуждения сопровождаются сделанными фотографиями.
Кроме этого, для того чтобы показать, как должны выглядеть поршни и кольца после нескольких переборок и после наработки более 500 час при полной нагрузке, мы привели ряд фотографий деталей серийного двигателя ВАЗ 1,6 л, ок. 100 лс.
При визуальном осмотре определены следующие дефекты и изменения:
Фото: «шатун-бок» и «шатун-перед»
· На имеющемся элементе разрушенного шатуна явно отсутствуют следы деформации типа растяжения (заужение сечения при удлинении за пределом текучести) и типа изгиба (видимые следы обработки - прямолинейны). Следы деформации носят характер смятия и среза при соударении с другими деталями. Направление соударений, - тангенциально к оси нижней головки шатуна.
· Болты шатуна имеют аналогичные следы соударений на шляпках, а также следы механической доработки, выполненной, по-видимому, для осуществления разборки после разрушения. Стержни болтов без деформации и следов вытяжки.
· Поверхности стыка шатуна с крышкой и центрирующие штифты, - без следов смятия и относительного движения.
· Твердость элемента шатуна, - в пределах заданной чертежом: 34 HRC.
Фото: «днище-1» и «днище-2»
· На днищах двух поршней нагар имеет нормальную рыхлую структуру, характерную для мощностных составов топливовоздушной смеси. Нагар на третьем поршне имеет плотную вязкую структуру, возникающую обычно при наличии большого количества смолистых отложений при сгорании масел.
Фото: «уплот-1», «уплотнит-2», «поршень в сб-1», «поршень в сб-2», «юбка-1», «юбка-2»
· На перемычках между поршневыми кольцами цвет лаковых отложений на одном поршне светло-коричневый, а на двух других при светлой перемычке между 2-м и 3-м кольцами, перемычка между 1-м и 2-м кольцами – темно-коричневая.
· Огневые пояса поршней имеют нормальные сажевые отложения без следов касания поверхностей цилиндров.
· Юбки поршней имеют очень большое количество следов задиров (продольных рисок) вызванных наличием мелких инородных тел, т.е. грязи. Также большое количество инородных тел, внедрившихся в юбки поршней (черные точки и каверны).
· Пятна контактов на юбках имеют как нормальную форму, так и форму с боковым смещением.
Фото: «кольцо-к1», «кольцо-к2», «кольцо-мс», «поршень в сб-1», «поршень в сб-2»
· Ширина зона приработки поршневых колец составляет 90…100% общей ширины для 1-х и 2-х компрессионных колец и около 70…80% общей ширины рабочих выступов маслосъемных колец.
· Ввиду практически предельной ширины зоны приработки колец оценить неравномерность их износа у замков и в средней части колец не представляется возможным.
Фото: «лунки-вп», «лунка-вп»
· На всех поршнях лунки впускных и выпускных клапанов механически доработаны. На приведенных фотографиях показаны только лунки впускных клапанов т.к. они наиболее критичны с точки зрения прочности и возможных зон перегрева (тонких протяженных стенок).
· Края лунок имеют весьма неравномерный контур, что указывает на ручной характер доработки, без применения направляющих приспособлений. Упрочняющая галтель (радиус 1,5…2,0 по чертежу) в зоне перехода от цилиндрической к плоской поверхности лунок отсутствует, т.е. удалена при доработке лунок.
· В зоне наименьшего расстояния между лункой впускного клапана и канавкой первого поршневого кольца была проверена толщина стенки. Она составила около 0,5 мм.
На основании видимых следов износа, разрушения и деформации можно сделать следующие выводы и заключения:
1. Из характера деформаций тела шатуна можно с очень высокой степенью вероятности утверждать, что разрушение шатуна не могло быть первичным дефектом, а скорее всего, стало следствием разрушения(й) других деталей. Этот вывод также подтверждается тем, что при разрыве наиболее слабым местом являются болты шатуна, а не его стержень. Суммарное сечение 2-х болтов шатуна не больше, чем сечение стержня, в отличие от которого они имеют предварительные напряжения от затяжки. Кроме этого Н-образный спортивный шатун изготавливается из такой же высоколегированной стали, что и болты, поэтому предельные допускаемые напряжения для этих деталей одинаковы.
PS. Следует отметить, что за 30 лет работы с серийными и спортивными двигателями ВАЗ мы ни разу не сталкивались с первичным разрывом шатуна, который начинался не с болтов, а со стержня. И причина тому, - их более высокая нагрузка при разрыве. С уверенностью можно сказать, что если найти и рассмотреть элементы других разрушенных деталей из этого цилиндра, то можно будет найти ещё ряд подтверждений сказанному.
2. Состояние нагара на днищах поршней показывает, что в одном из цилиндров в камере сгорания присутствовало (и сгорало) слишком много масла. Состояние уплотнительного пояса поршней следует признать критичным, но не катастрофичным. Поэтому причина повышенного содержания масла в камере сгорания может быть либо в поступлении его через вентиляцию картера, либо через клапанный механизм (сальники клапанов, направляющая втулка клапанов). Судя по тому, что проблема наблюдается только в одном цилиндре, причина, скорее всего, в клапанном механизме со стороны впуска.
3. Юбки всех поршней имеют множественные продольные риски, как мелкие, так и глубокие. Также много мелких каверн, как светлых, так и темных (внедрения). Все это указывает на наличие в двигателе большого количества мелких инородных тел, т.е. грязи. Мое мнение – сборка двигателя недопустимо грязна даже для серийного, нефорсированного двигателя.
Чтобы это утверждение не показалось кому-то голословным, специально привожу фотографию поршня из своих старых архивов – «ВАЗ-540 час ГОСТ-поршень.jpg». Здесь поршень двигателя 1,6 л, отработавший около 540 моточасов на испытаниях на надежность. В основном (~95%) – это режимы полной нагрузки при оборотах максимального момента и максимальной мощности. Чтобы понять, насколько велика наработка в 540 часов, замечу лишь, что для получения одобрения при сертификации двигателя серийного производства по ГОСТ требуется пройти 300 часов без потери работоспособности деталей и систем. Кроме этого надо иметь ввиду, что двигатель, поршень которого сфотографирован, помимо первичной сборки еще перебирался не менее 3-х раз в течение испытаний для контроля состояния и износов. Пожалуйста, рассмотрите внимательно эту фотографию и попытайтесь найти там следы грязи, внесенной при сборке двигателя. Их там просто нет, и это после 4-х сборок!!!
Следует также сказать, что если бы клиент прислал вкладыши шатуна, то по их состоянию можно было бы разделить проблемы первичной грязи и системы смазки в целом.
4. Состояние поршневых колец по внешнему виду рабочих поверхностей следует оценить как «предельно изношенные». Для пояснения этого утверждения, на ряду с фотографиями рабочих поверхностей колец из двигателя клиента привожу аналогичные фотографии из того-же двигателя ВАЗ 1,6 л после 540 час. Ширина рабочей поверхности (зоны приработки) после обкатки обычно составляет 10…15% от высоты кольца. Предельный износ кольца, - это когда ширина рабочей зоны равна высоте кольца (100%). При этом рабочая кромка кольца полностью потеряло исходную форму и его удельное давление на цилиндр стало минимальным. Через какое-то непродолжительное время будет падать компрессия, и расти расход масла. По моему опыту, чтобы через 5…10 тыс. км не перебирать двигатель вновь, но уже вынужденно, такие кольца лучше заменить.
Следует обратить внимание на приведенные фотографии колец двигателя ВАЗ. Оцените износ по соотношению ширины рабочей поверхности и высоты кольца: 1-е около 90%, 2-е около 40%, 3-е около 75%. И это после 540 часов, а не после обкатки!!!
Закономерен вопрос – в чем причина такого сильного износа за время обкатки? Возможных причин несколько: неправильное хонингование цилиндров, низкое качество масла и качество самих колец. Из того, что получено от клиента можно с некоторой долей сомнения отбросить лишь версию некачественного масла т.к. в таких случаях обычно увеличенные лаковые отложения и, иногда, прижоги на рабочих поверхностях.
Качество колец, - это вопрос выбора поставщика. По качеству хонингования могу лишь отметить, что современные низкие кольца требуют специальных видов микропрофиля цилиндров. (Для специалистов: Rpk≤0,3 мкм, Rk=0,2…0,8 мкм, Rvk=0,8…2,0 мкм).
5. Лунки впускных клапанов имеют недопустимую доработку. Они увеличены вручную (а значит бесконтрольно) как по глубине, так и по радиусу. Но самое опасное, - устранен радиус перехода 1,5…2,0 мм между цилиндрической и плоской поверхностями лунок, т.е. введен концентратор напряжений! Проверка минимальной толщины стенки между лункой и канавкой 1-го кольца показала около 0,5 мм! Совершенно недопустимо!!!
Приложение:
· Фотографии деталей, присланных клиентом – 15 шт;
· Фотографии поршня и поршневых колец двигателя 1,6 л серийного производства ВАЗ после испытаний на надежность – 4 шт.
В. Жмиевский
1.12.2007 |
