3-2009 T R I B O L O G I A 239 Lech STARCZEWSKI *, Jerzy SZUMNIAK * ANALIZA PRZYCZYN AWARYJNEGO ZUŻYWANIA PANEWEK UKŁADU KORBOWEGO TRAKCYJNEGO SILNIKA WYSOKOPRĘŻNEGO O PODWYŻSZONEJ MOCY THE ANALYSIS OF REASONS FOR DAMAGE WEAR OF BEARING BRASS ON THE CRANK SHAFT OF DIESEL ENGINE S OF HEIGHTENED POWER Słowa kluczowe: panewki, zużywanie awaryjne, silnik wysokoprężny, podwyższona moc Key-words: bearing brass, damage wear, crank shaft, diesel engine, heightened power Streszczenie Od wielu lat producenci podnoszą moc silników trakcyjnych bez wprowadzania zasadniczych zmian konstrukcyjno-technologicznych ich elementów. Prowadzi to często do przedwczesnego zużywania się niezmienionych jego elementów. W opracowaniu przeanalizowano przyczyny * Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej, ul. Okuniewska 1, 05-070 Sulejówek.
240 T R I B O L O G I A 3-2009 patologicznej postaci zużywania panewek układu korbowego silnika wysokoprężnego ze zwiększoną mocą oraz przedstawiono przedsięwzięcia zapobiegające. WPROWADZENIE Podwyższenie mocy istniejących konstrukcji silników spalinowych poprzez zmianę: stopnia sprężania, obrotów, systemu zasilania może prowadzić do nadmiernego zużywania i niszczenia elementów konstrukcyjnie lub materiałowo niezmienionych, szczególnie w układzie korbowym. Panewki układu korbowego należą do najbardziej obciążonych elementów silnika. Pracują one w zaledwie dostatecznych warunkach smarowania, pełne smarowanie hydrodynamiczne występuje jedynie przy optymalnych warunkach pracy silnika (obrotów, obciążenia). W większości czasu pracy silnika występuje smarowanie mieszane i graniczne, a nawet bezpośredni styk metaliczny materiałów czopa i panewki. Stop łożyskowy (CuPb30 gatunku MB10) o wysokiej wytrzymałości i bardzo dobrych własnościach ślizgowych jest naniesioną, na podłoże stalowe, na powierzchni roboczej specjalną powłoką. Materiał panewki charakteryzują określone właściwości, między innymi: wysoka odporność na zużycie, zmęczenie i zacieranie, zdolność do wchłaniania zanieczyszczeń i odkształceń plastycznych (kompensujących niedokładności geometryczne skojarzenia). W oparciu o informacje statystyczne producentów łożysk i silników [L. 1] wymienia się sześć podstawowych przyczyn przedwczesnego niszczenia panewek układu korbowego, w kolejności częstości ich występowania: zanieczyszczenia, niedokładność montażu, niewspółosiowość, niedostateczne smarowanie przeciążenie, korozja. Tak więc mogą to być przyczyny technologiczne i eksploatacyjne. W powyższym aspekcie, rozpatrywany przypadek analizowano w następującej kolejności: mechanizmu niszczenia, czynników sprzyjających niszczeniu oraz środków pozwalających na ich eliminację. CHARAKTERYSTYKA EKSPLOATACYJNEGO NISZCZENIA PANEWEK Patologiczne niszczenie materiału łożyskowego stwierdzono na 1., 3. i 5. panewce korbowodowej. Największy stopień zniszczenia wystąpił na 3. i 5. panewce w obszarze kąta 10 do +15 od osi otworu smarowego na obydwu krawędziach Rys. 1 i 2 W obszarze tym występują: wybłysz-
3-2009 TRIBOLOGIA 241 czenia krawędzi, plastyczne odkształcenia stopu łożyskowego o różnym stopniu zaawansowania, liczne makro i mikropęknięcia. Na części zewnętrznej powierzchni panewki (stalowej) obserwuje się wybłyszczenia i ślady zużywania charakterystyczne dla procesu frettingowego Rys. 3. Rys. 1. Uszkodzenia trzeciej panewki korbowodowej, wykruszenia na obydwu krawędziach (w obszarze otworu smarowego i krawędzi podziału) Fig. 1. Damage of the third bearing brass of crankshaft. The crumble out of the edge near oil hole and parting edge Rys. 2. Uszkodzenia piątej panewki korbowodowej, wykruszenia na obydwu krawędziach Fig. 2. Damage of the fifth bearing brass of crankshaft. The crumble out of the two edges a) b)
242 TRIBOLOGIA 3-2009 Rys. 3. Obszary zniszczeń obserwowane z pomocą mikroskopu skaningowego, liczne mikropęknięcia, wykruszenia o różnej powierzchni i głębokości (niekiedy sięgające do podłoża stalowego): a) stadium początkowe, b) obszary silnego zniszczenia stopu łożyskowego) Fig. 3. Area of damage observed by scanning microscopy. Visible many cracks and crumbles: a stage of damage process, b damage area of bearing metal Rys. 4. Wyraźne ślady zużycia przez Fetting na powierzchni zewnętrznej (stalowej) panewki Fig. 4. The traces of fretting wear on outside bearing brass on surface of steel
3-2009 T R I B O L O G I A 243 ANALIZA CZYNNIKÓW NISZCZENIA PANEWEK Silne obciążenie pulsujące wywołane przez ruch posuwisto-zwrotny tłoka i drgania (giętne) wału korbowego mogą, na skutek miejscowego przeciążenia stopu łożyskowego, powodować jego odkształcenie plastyczne, a także pęknięcia o charakterze zmęczeniowym, prowadzące do wykruszeń stopu Rys. 1 4. Takie przeciążenie występuje w eksploatacji silnika przy stosowaniu zbyt wysokich obrotów na jałowym biegu silnika oraz przy stosowaniu wysokich przełożeń przy niskich jego obrotach. Zużycie na przeciwległych krawędziach panewki wskazuje na nadmierne uginanie się czopów wału Rys. 5, które mogły pojawić się przy błędach w użytkowaniu silnika, nadmiernego zwiększenia jego mocy, a także błędów technologicznych, np. w wyniku wklęsłości powierzchni czopa niewłaściwie szlifowanego. Aby wykluczyć wpływ błędów technologicznych analizie poddano panewki silnika po próbie gwarancyjnej na hamowni, do której silnik jest bardzo starannie przygotowany, a parametry jego pracy ściśle przestrzegane. Na panewkach, po próbie gwarancyjnej, stwierdzono początkowe stadium nadmiernego zużywania w tych samych obszarach, co stwierdzone po eksploatacji Rys. 6. Pozwala to na stwierdzenie przyczyny zużywania zwiększenie mocy silnika bez odpowiedniego przystosowania ułożyskowania korbowego, a ewentualne błędy w eksploatacji mogły pogłębić i przyspieszyć proces zużywania. Rys. 5. Schemat obciążeń powierzchni materiału łożyskowego w sytuacji symetrycznego odkształcania (zginania) czopa wału Fig. 5. Scheme of loading the surface bearing of crankshaft in bending process of crankpin
244 TRIBOLOGIA 3-2009 Rys. 6. Zużycie krawędzi panewki po próbie gwarancyjnej (na hamowni). Zużycie przez ścieranie i odkształcenie plastyczne Fig. 6. Wear edge bearing brass after the engine tests. Visible effects of the abrasive wear and plastic strain PODSUMOWANIE Obok czynników eksploatacyjnych, konstrukcyjnych i technologicznych innymi przyczynami patologicznych postaci zużywania panewek mogą być: dla B/D = 0,7 istnieje już znacząca podatność panewki do odkształceń (dla B/D = 0,3 0,4 odkształcenia panewki wg [L. 2] można pominąć); obniżona lepkość oleju w wyniku wzrostu temperatury przeciążonych węzłów; obniżona lepkość oleju rozcieńczanego paliwem; drgania wału korbowego; niewłaściwie dobrany, do wartości obciążeń, materiał łożyskowy panwi.
3-2009 T R I B O L O G I A 245 Ponieważ w istniejącej konstrukcji nie można zwiększyć sztywności układu lub wprowadzić innych zmian konstrukcyjno-technologicznych, ograniczenie patologicznego zużywania można, zdaniem autorów, osiągnąć poprzez: zwiększenie intensywności chłodzenia oleju; podwyższenia ciśnienia oleju doprowadzanego do panewki; zastosowanie oleju o lepszych własnościach smarnych; wprowadzenie stopu łożyskowego o wyższej nośności, mniej podatnego do niszczenia zmęczeniowego np. miejsce stopu CuPb30 MB- 10 stop CuPb22Sn3 gatunku MB-11; zmiany kształtu powierzchni łożyskowej panewki zukosowanie powierzchni przylegania przy jej krawędziach (zmiana ta wymaga podwyższenia ciśnienia oleju); sprawdzania, w eksploatacji, stopnia rozcieńczania oleju paliwem, a także poprawy wyszkolenia kierowców. LITERATURA 1. Materiały firm BIMET i GLACIER Metal Co England: Uszkodzenia panewek silników spalinowych. 2. Włodarski J. K.: Tłokowe silniki spalinowe, procesy tribologiczne. WKŁ, Warszawa, 1982. 3. Starczewski L. Szumniak J.: Występowanie i możliwość eliminacji zużywania przez fretting korozję elementów silnika wysokoprężnego. ZN. Pol. Rzesz. z. 15, 1987. Recenzent: Stanisław KOZIOŁ Summary The manufacturers have been increasing the power of crankshaft engines without introducing any major structural and technological changes of its parts for a long time. It often leads to premature wear of the unchanged elements. The paper includes an analysis of the reasons for the pathological damage wear process of bearing brass of the crank shafts of diesel engines of a heightened power and the propositions for preventive measures.
246 T R I B O L O G I A 3-2009