ZESZYTY NAUKOWE WSOWL Nr 3 (169) 2013 ISSN 1731-8157 BADANIA MATERIAŁOWE ELEMENTÓW TURBOSPRĘŻARKI POD KĄTEM ELIMINOWANIA PRZYCZYN USZKODZEŃ EKSPLOATACYJNYCH Kazimierz DROZD, Krzysztof OLEJNIK Katedra Inżynierii Materiałowej, Politechnika Lubelska e-mail: k.drozd@pollub.pl Instytut Transportu Samochodowego, Warszawa e-mail: krzysztof.olejnik@its.waw.pl Artykuł wpłynął do redakcji 09.12.2012 r. Zweryfikowaną i poprawioną wersję po recenzjach i korekcie otrzymano w maju 2013 r. W niektórych typach pojazdów samochodowych obserwuje się relatywnie częste występowanie uszkodzeń turbosprężarek. W pracy zawarto wyniki podstawowych badań materiału wałków turbosprężarek wybranego silnika spalinowego ZS. Celem było określenie czy przyczyny uszkodzenia jednej z turbosprężarek mogą być związane z ukrytymi wadami materiałowymi. Program badań obejmował badanie przełomów, oraz porównanie mikrostruktury i mikrotwardości materiału wałka uszkodzonej turbosprężarki i wałka drugiej, nieuszkodzonej turbosprężarki, wymontowanej z tego samego pojazdu. W wyniku badań nie wyeliminowano materiałowej przyczyny uszkodzenia, w szczególności stwierdzono, że badane elementy wykazują ukryte wady materiałowe. Z materiałowego punktu widzenia, obydwa badane wałki nie mogłyby zostać zakwalifikowane jako zdatne do dalszej eksploatacji. Słowa kluczowe: turbosprężarka, badania materiałowe, uszkodzenie eksploatacyjne WSTĘP Eksploatacyjne uszkodzenia systemów technicznych w ich cyklu życia zdarzają się jest ryzyko ich wystąpienia. Powodują wyłączenie z użytkowania urządzenia i zakłócenie osiągania, realizowanych przy jego pomocy, celów. Badanie uszkodzonych elementów umożliwia określenie przyczyny tych uszkodzeń [1]. Wnioski z tych badań są wykorzystywane w modyfikacji procedur diagnostyki technicznej zarówno na etapie użytkowania systemu technicznego, jak też podczas jego konstruowania i wytwarzania. Podstawową cechą turbosprężarek jest brak bezpośredniego wpływu prędkości obrotowej wału korbowego silnika spalinowego na efektywność doładowania. Ciśnienie doładowania zależy od natężenia przepływu oraz temperatury gazów w układzie wylotowym. Powszechnie stosuje się turbosprężarki z elementami o stałej geometrii. Jeśli turbosprężarka zapewnia regulację parametrów doładowania, to jest częścią złożonego układu regulacji.
Kazimierz DROZD, Krzysztof OLEJNIK W niniejszej pracy poddano badaniu turbosprężarki silnika pojazdu samochodowego. Uszkodzenie jednej z nich spowodowało wyłączenie pojazdu z użytkowania w związku z koniecznością naprawy silnika. Producenci silników powszechnie stosują urządzenia doładowujące powietrze do silnika w celu zwiększenia mocy jednostkowej. W niektórych typach pojazdów obserwuje się relatywnie częste występowanie uszkodzeń tych turbosprężarek. Pomimo, że budowa turbosprężarki pojazdu samochodowego nie jest skomplikowana, to warunki pracy wymuszają dokładne wykonanie elementów, ciągłe smarowanie i skuteczne chłodzenie. W literaturze opisującej uszkodzenia eksploatacyjne [2, 3] podaje się, że zbyt duża (o kilkanaście procent) wartość prędkości obrotowej wirnika turbosprężarki może istotnie zwiększać siły odśrodkowe działające na elementy. Występująca przez długi czas, wysoka temperatura gazów doprowadzanych do turbiny może powodować pełzanie materiału łopatek wirnika, przy naprężeniach nieprzekraczających wartości dopuszczalnych. Jednoczesne oddziaływanie dwóch opisanych czynników może skutkować przekroczeniem wartości naprężeń niszczących dla materiału wirnika turbiny. W każdym z tych przypadków wystąpi zmiana geometrii turbiny i parametrów przepływu spalin powodująca dodatkowe obciążenie elementów spowodowane brakiem wyrównoważenia wirnika. Przy maksymalnych wartościach prędkości obrotowych przekraczających 12000 rad/s, czas pracy tak niewyrównoważonego zespołu może być liczony w sekundach [4, 5]. Resurs turbosprężarki trudno jest z góry określić. W praktyce inżynierskiej znane są przypadki turbosprężarek silników pojazdów samochodowych ciężarowych, lokomotyw, a także silników okrętowych, które - bez objawów zużycia - pracowały przez czas odpowiadający przebiegowi 1 mln km. Zdarza się też, że do zużycia lub zniszczenia elementów turbosprężarki dochodzi podczas pierwszego uruchomienia silnika, np. po jej naprawie. Przyczyny awaryjnego uszkodzenia turbosprężarki dzieli się na konstrukcyjne i eksploatacyjne. Jednym z decydujących czynników eksploatacyjnych jest jakość oleju smarującego elementy turbosprężarki, która zmienia się w czasie pracy. Smarowanie olejem niedostatecznej jakości bezpośrednio wpływa na pracę łożysk turbosprężarki oraz może powodować zmniejszanie czynnych przekrojów otworów smarujących. Zmniejszanie strumienia oleju przepływającego przez zespół prowadzi do zmniejszania skuteczności chłodzenia i przegrzewania jego elementów. Elementy turbosprężarki zniszczonej w warunkach nieprawidłowego smarowania są zużyte w charakterystyczny sposób: występują rysy na czopach wałka i współpracujących z nimi powierzchniach łożysk; widoczne jest zużycie otworów ustalających łożyska, a pierścienie uszczelniające są unieruchomione w rowkach wałka [1, 3, 6, 7]. Producenci turbosprężarek i pojazdów samochodowych zalecają eksploatowanie pojazdów wyposażonych w turbosprężarki w taki sposób, aby podczas pracy turbosprężarki olej był ciągle dostarczany pod odpowiednim ciśnieniem [8]. Służyć ma temu celowi utrzymywanie niezbyt małej prędkości obrotowej silnika, dostosowanej do obciążenia, a także niezatrzymywanie silnika nagle przy pracującej turbosprężarce. Uszkodzenia powstałe przy nieprzestrzeganiu powyższych zaleceń są widoczne, w postaci nalotów oraz rys, na powierzchni czopów wałka i łożysk, a także osadzania się produktów termolizy przegrzanego oleju na korpusie. Jeśli brak oleju utrzymuje się przez dłuższy czas, to dochodzi do zatarcia wałka turbosprężarki, a czasem do jego przełomu oraz unieruchomienia pierścieni uszczelniających w rowkach wału w wyniku wpływu ciepła i cząstek stałych powstających w procesie termolizy [9, 10]. 89
BADANIA MATERIAŁOWE ELEMENTÓW TURBOSPRĘŻARKI POD KĄTEM Przyjmuje się, że temperatura spalin dopływających do turbosprężarki nie powinna przekraczać około 1100 K dla silnika z zapłonem samoczynnym i około 1300 K dla silnika z zapłonem iskrowym. Jeśli te wartości temperatury spalin zostaną przekroczone, to może dojść do zbytniego obciążenia cieplnego turbosprężarki. Podobne zjawisko zachodzi przy nagłym zatrzymaniu silnika po długotrwałej eksploatacji pod dużym obciążeniem. Uszkodzenie turbosprężarki w takich przypadkach ma charakter typowy dla oddziaływania wysokiej temperatury i może skutkować pęknięciem lub odkształceniem korpusu lub innych elementów, z którymi stykają się spaliny oraz unieruchomieniem łopatek kierownicy spalin. Łopatki turbiny, narażone na oddziaływanie wysokiej temperatury, ulegają przyspieszonej korozji i zmienia się ich geometria. Jeżeli w kolektorze wylotowym dojdzie do zapalenia oleju bądź niespalonego w cylindrze paliwa, to może następować erozja łopatek turbiny i topienie lub płynięcie materiału oraz narastanie warstwy nagaru w kanałach turbiny i otworach olejowych [10]. Gazy przepływające przez turbosprężarkę nie powinny zawierać zanieczyszczeń stałych. Takie zanieczyszczenie unoszone w strumieniu gazów powoduje powstawanie uszkodzeń wirników, a pośrednio również innych elementów turbosprężarki. Najczęstszą przyczyną występowania ciała obcego w układzie dolotowym jest nieuważny montaż lub naprawa i pozostawienie w kanale drobnych elementów lub spowodowanie wykruszeń. W układzie wylotowym ciało obce stanowią odłamane fragmenty części silnika lub cząstki nagaru albo produkty korozji. O tym, że ciało obce było przyczyną uszkodzeń elementów świadczy odkształcenie łopatek wirnika sprężarki lub turbiny oraz erozyjne ubytki materiału w kanałach. Niekiedy dochodzi również do uszkodzenia łopatek kierownicy lub zaworu upustowego. Wałki turbosprężarek zużywają się w procesach zmęczenia cieplnego oraz termicznego i chemicznego oddziaływania spalin, a także poprzez ścieranie czopów w węzłach kinematycznych. Zużycie lub uszkodzenie zespołu turbosprężarki jest przyczyną charakterystycznych objawów wibroakustycznych oraz zmniejszenia osiągów silnika. Pomimo możliwości wykrycia większości z opisanych uszkodzeń, szybkość i zakres powstawania uszkodzeń elementów pracującej turbosprężarki są tak duże, że naprawa tych elementów zwykle jest niemożliwa [2]. Publikacje w dobrych czasopismach zagranicznych dotyczą zarówno analizy przyczyn uszkodzeń eksploatacyjnych elementów turbosprężarki, jak i optymalizacji jej konstrukcji, zwłaszcza pod kątem zwiększenia efektywności pracy zespołu. Wiele prac obejmuje również analizę dynamicznych aspektów pracy turbosprężarki i wyniki prób wykorzystania widma drgań pracującego zespołu do oceny jego stanu technicznego. Wśród przyczyn nieprawidłowej pracy turbosprężarek, które można zdiagnozować metodami wibroakustycznymi, wymienia się [11-13]: błędy wyrównoważenia i powstałe podczas montażu; korozję i erozję mogącą powodować zużycie łopatek wirników, zwłaszcza w sposób nierównomierny; występowanie zanieczyszczeń w oleju i ciał obcych; doraźne uszkodzenia łopatek wirników; zmiany kształtu i wymiarów elementów z powodu występowania naprężeń cieplnych lub strukturalnych. 90
Kazimierz DROZD, Krzysztof OLEJNIK 1. MATERIAŁ I METODY BADAŃ 1.1. Materiał badawczy Badania turbosprężarek przeprowadzono po utracie mocy sześciocylindrowego silnika o układzie widlastym i pojemności skokowej 2,72 dm 3, zamontowanego w limuzynie wyższej klasy. Uszkodzenie pojazdu nastąpiło po przebiegu około 60 tys. km. W trakcie demontażu ustalono, że uszkodzenie nastąpiło tylko w przypadku jednej z dwóch zamontowanych na tym silniku turbosprężarek serii GT15. Zdecydowano zatem o przeprowadzeniu badań porównawczych elementów turbosprężarki uszkodzonej i drugiej, która pozostała w stanie nieuszkodzonym. Badania skoncentrowano na aspektach materiałowych, co pozwoliłoby na ujawnienie wad ukrytych. 1.2. Oględziny elementów i badania mikroskopowe Zakres badań obejmował badania metalograficzne makroskopowe elementów, badania mikroskopowe zgładów i badania mikrotwardości. Badaniom makroskopowym poddano wszystkie elementy turbosprężarki uszkodzonej. Badania mikroskopowe przeprowadzono mikroskopem optycznym Nikon MA 200 dla zgładów pobranych z wałków obydwu turbosprężarek. Rys. 1. Badane wałki: 1-3 miejsca pobrania próbek z wałka uszkodzonej turbosprężarki; 4 i 5 miejsca pobrania próbek z wałka sprężarki nieuszkodzonej; 6 i 7 miejsca wystąpienia przełomów uszkodzonego wałka; 8 granica pomiędzy warstwą wierzchnią wałka pokrytą nalotem i powierzchnią niezmienioną w czasie eksploatacji (po lewej). Próbki 1 i 2 są umieszczone w uchwytach w celu ułatwienia ich preparatyki Źródło: Opracowanie własne Próbki do badań metalograficznych pobrano z wałków w pobliżu ich krytycznych przekrojów. Jedno miejsce krytyczne znajduje się w pobliżu wirnika turbiny, gdzie występuje zmiana pola powierzchni przekroju wałka związana z występowaniem podtoczenia pomiędzy czopami łożyskowymi. W tym miejscu pobrano próbki numer 3 i 5 (rys. 1). Drugie miejsce wybrano w taki sposób, aby w wałkach obydwu turbosprężarek struktura była jak najmniej zmieniona w wyniku oddziaływania ciepła spalin oraz w wyniku ścierania warstwy wierzchniej (próbki nr 1 i 4 na rys. 1). Próbki te pobrano 91
BADANIA MATERIAŁOWE ELEMENTÓW TURBOSPRĘŻARKI POD KĄTEM z miejsca, gdzie zamocowane były wirniki sprężarki. Dodatkowo wykonano próbkę (nr 2 na rys. 1) z wałka uszkodzonej turbosprężarki w pobliżu przełomu znajdującego się bezpośrednio przy czopie łożyskowym. Ze wszystkich próbek wykonano zgłady poprzeczne lub pod kątem około 0,79 rad, co odpowiada powiększeniu rzeczywistemu o wartości do około 1,5 razy. Zdjęcia mikroskopowe do badania zgładów metalograficznych wykonano dla stanu nietrawionego oraz po trawieniu odczynnikiem Mi1Fe. Badanie zgładu nietrawionego miało na celu wykrywanie wtrąceń niemetalicznych, w tym ich obecności, ilości i rozmieszczenia określanego mianem segregacji. Odczynnik Mi1Fe jest uniwersalny dla stopów żelaza i służy do ujawniania granic ziaren. Stężenie kwasu azotowego w przygotowanym odczynniku wynosiło 3%, a czas trawienia nie przekraczał wartości 10 s. 1.3. Badania mikrotwardości Ze względu na charakter pracy elementów przeprowadzono badania mikrotwardości powierzchni wałków oraz struktury rdzenia na przygotowanych zgładach metalograficznych. Badania mikrotwardości powierzchni wałków turbosprężarek przeprowadzono w obszarach, z których następnie przygotowano zgłady metalograficzne. Twardość rdzenia badano na przekroju poprzecznym, w odległości nie mniejszej niż 0,2 mm od powierzchni wałków. Mikrotwardość mierzono przy użyciu wgłębnika Vickersa, stosując siłę nacisku na wgłębnik o wartości 0,981 N, co odpowiada skali oznaczanej HV0,1. Wartości obliczono jako średnią z sześciu pomiarów. 2. WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA 2.1. Badania makroskopowe Po demontażu uszkodzonej turbosprężarki stwierdzono, że łopatki wirnika sprężarki były zupełnie zniszczone, co mogłoby świadczyć o dostaniu się ciała obcego do układu dolotowego. Nie było też śladów nakrętki i fragmentu śruby mocującej wirnik sprężarki na wałku. Oznacza to, że zniszczenia charakterystyczne dla wystąpienia ciała obcego mogły być spowodowane również przez te elementy. Jednocześnie wałek tej turbosprężarki był przełamany na karbie spowodowanym końcem gwintu (miejsce oznaczone 6 na rys. 1) oraz na karbie przy czopie łożyskowym (miejsce oznaczone 7 na rys. 1). Przełom 6 miał charakter doraźny. Powierzchnia przełomu 7 była częściowo zniszczona, lecz wiedząc, że w miejscu przełomu występowały naprężenia skręcające wałek, można wnioskować, że przełom ten również był przełomem doraźnym. Gładka, zmęczeniowa część przełomu w takim wypadku powinna znajdować się na obwodzie najbliżej powierzchni wałka. W przypadku przełomu w miejscu oznaczonym 7 nie stwierdzono powierzchni o charakterze przełomu zmęczeniowego. Na wałkach obydwu turbosprężarek, od strony wirnika turbiny stwierdzono występowanie barw nalotowych z powodu wpływu ciepła. Barwa powierzchni wałków zmieniała się od ciemnoniebieskiej na czopie łożyskowym najbliżej wirnika turbiny do niezmienionej (bez śladów wpływu ciepła), w odległości około 25 mm, na drugim czopie łożyskowym. Granica pomiędzy częścią wałka z warstwą pokrytą nalotem a częścią bez widocznego wpływu ciepła jest oznaczona cyfrą 8 na rys. 1. System łożyskowania uszkodzonej turbosprężarki nie był zużyty, dlatego można wykluczyć niewłaściwą eksploatację oraz długotrwały brak smarowania węzłów kine- 92
Kazimierz DROZD, Krzysztof OLEJNIK matycznych. Nie było też śladów, które mogłyby być spowodowane niewyrównoważeniem wałka. Łopatki kierownicy strumienia spalin zostały unieruchomione przez produkty spalania lub termolizy oleju oraz wygięte w wyniku kontaktu z łopatkami wirnika turbiny. Łopatki wirnika turbiny zostały starte w miejscu, gdzie średnica wirnika jest największa (rys. 1) z powodu wzdłużnego ruchu tej części wałka, na której osadzony był wirnik turbiny i ścierania o łopatki kierownicy oraz korpus. 2.2. Badania mikroskopowe Na obrazach mikroskopowych próbek nietrawionych wałka turbosprężarki uszkodzonej (rys. 2) nie stwierdzono występowania wtrąceń oraz mikropęknięć, które mogłyby mieć wpływ na zmniejszenie wytrzymałości materiału w warunkach eksploatacji. W szczególności nie występują wtrącenia pasmowe i łańcuszkowe. Podobną, nie budzącą wątpliwości strukturą, na zgładzie nietrawionym, charakteryzowały się próbki materiału pobrane z wałka turbosprężarki nieuszkodzonej. Rys. 2. Obraz mikroskopowy wałka uszkodzonej turbosprężarki dla próbek nietrawionych o numerach od 1 do 3 obserwowanych w polu ciemnym i w polu jasnym Źródło: Opracowanie własne 93
BADANIA MATERIAŁOWE ELEMENTÓW TURBOSPRĘŻARKI POD KĄTEM Na rys. 3 przedstawiono porównanie mikrostruktury materiału badanych wałków widocznej na próbkach trawionych odczynnikiem Mi1Fe. Obserwując mikrostrukturę najbliżej powierzchni, można zauważyć, że różni się ona nieznacznie wielkością ziaren od struktury widocznej dla warstw materiału położonych głębiej od powierzchni. Mniejsza wielkość ziaren w warstwie wierzchniej o głębokości około 20 mikrometrów jest następstwem procesu wytwarzania i nie powinna mieć niekorzystnego wpływu na właściwości eksploatacyjne elementów. Wniosek ten można poprzeć przykładem turbosprężarki nieuszkodzonej, dla wałka której zaobserwowano podobną strukturę warstwy wierzchniej, a mimo to zespół ten pracował w sposób prawidłowy. Mikrostruktura rdzenia badanych wałków jest zbliżona i charakterystyczna dla stali po hartowaniu i odpuszczaniu. Na obrazach przedstawionych na rys. 3 można wyróżnić martenzyt odpuszczony, przy czym na próbce 4 wydzielenia węglików były nieco większe. Martenzyt odpuszczony częściowo zachował charakter iglasty, zwłaszcza widoczne jest to na próbce 1. Struktura taka powinna charakteryzować się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi, jeśli chodzi o przenoszenie obciążeń zmęczeniowych, które występują podczas eksploatacji wałków turbosprężarek. Zwraca uwagę również jednorodna struktura materiału każdej z próbek. Rys. 3. Porównanie mikrostruktury warstwy wierzchniej i rdzenia wałków badanych turbosprężarek dla próbek pobranych z miejsc oznaczonych 1 i 4 Źródło: Opracowanie własne Rys. 4. Porównanie mikrostruktury wałków badanych turbosprężarek dla próbek pobranych z miejsc oznaczonych 3 i 5. Zgład ukośny z ujawnioną krawędzią w miejscu zmiany przekroju Źródło: Opracowanie własne 94
Kazimierz DROZD, Krzysztof OLEJNIK Z porównania mikrostruktury dla próbek pobranych z miejsc oznaczonych 3 i 5 (wg rys. 1) wynika, że mikrostruktura warstwy wierzchniej (rys. 4) wałków wykazuje dużą jednorodność oraz bardzo duże podobieństwo. Najbliżej powierzchni elementów, szczególnie na krawędzi zmiany wymiarów oraz na części o większej średnicy, można obserwować strefę o mniejszej zawartości węglików. Zalega ona na głębokości nieprzekraczającej około 20 µm i stanowi karb strukturalny. O tym, czy karb ten mógłby mieć wpływ na trwałość badanych wałków powinny zdecydować badania twardości materiału. Rozpatrując strukturę materiału wałków i biorąc pod uwagę, że materiał był w tym przekroju narażony na oddziaływanie podwyższonej temperatury oraz mógł pracować w warunkach niedoboru oleju, można stwierdzić, że elementy te zużywały się w sposób bardzo równomierny. Z analizy struktury przedstawionej na rys. 3 i rys. 4 należy wnioskować, że różnice w mikrostrukturze nie przekraczają 0,01 mm w kierunku prostopadłym do powierzchni materiału. Głębokość (od powierzchni do jakiej występowały różnice mikrostruktury warstwy wierzchniej i rdzenia) była niewielka i w porównaniu z wartością dopuszczalnego luzu promieniowego (dla wałka turbosprężarki) byłaby akceptowalna w tego typu konstrukcjach. W tej sytuacji zdecydowano o przeprowadzeniu badań mikrotwardości struktury materiału wałków. 3. BADANIA MIKROTWARDOŚCI Można zauważyć, że największa zmierzona twardość (tabela 1) wystąpiła w punkcie pomiarowym o numerze 1 (rys. 1). Znajdował się on na powierzchni wałka uszkodzonej turbosprężarki. Różnica (pomiędzy mikrotwardością powierzchni i rdzenia) w tym miejscu wyniosła ponad 50 jednostek. Podobną relację, lecz mniejszą różnicę mikrotwardości, zaobserwowano w punkcie pomiarowym numer 5. Znajdował się on na wałku turbosprężarki nieuszkodzonej. Stąd znacznie zwiększona twardość mogła powodować kruchość materiału i najprawdopodobniej była konsekwencją obróbki cieplnej na etapie produkcji dla obu badanych wałków. Podczas eksploatacji struktura i właściwości wałków w tych miejscach nie mogły ulec zmianie. Nierównomierne nagrzewanie elementu podczas obróbki cieplnej lub chłodzenie w ośrodku o zbyt małej prędkości chłodzenia bądź tworzenie się powłoki parowej ośrodka chłodzącego, przy powierzchni obrabianego elementu, może wywołać podobne skutki. Tabela 1. Porównanie średniej mikrotwardości powierzchni i rdzenia materiału wałków turbosprężarek dla miejsc pomiaru opisanych według rys. 1 Numer miejsca pomiaru Miejsce na wałku turbosprężarki Średnia mikrowardość, HV0,1 powierzchni rdzenia 1 uszkodzonej 573 522 2 uszkodzonej 504 510 3 uszkodzonej 444 525 4 nieuszkodzonej 467 491 5 nieuszkodzonej 467 440 Źródło: Opracowanie własne 95
BADANIA MATERIAŁOWE ELEMENTÓW TURBOSPRĘŻARKI POD KĄTEM Dla wałka turbosprężarki nieuszkodzonej mikrotwardość rdzenia wynosiła 440 i 491 HV0,1. W punkcie pomiarowym 5 mikrotwardość powierzchni była większa niż mikrotwardość rdzenia, ale dla tego wałka wartości zmierzone były zawsze mniejsze niż dla rdzenia drugiego wałka. Wałek turbosprężarki uszkodzonej charakteryzował się mniejszą plastycznością i większą kruchością, ponieważ mikrotwardość rdzenia była większa i wynosiła od 510 do 525 HV0,1. Tym można tłumaczyć fakt, że uległ on uszkodzeniu i nastąpiło to w dwóch miejscach. Patrząc od miejsca oznaczonego 1 (odpowiadającego położeniu wirnika sprężarki na uszkodzonym wałku w kierunku wirnika turbiny), należy stwierdzić, że twardość powierzchni wałka była coraz mniejsza przy niezmieniającej się twardości rdzenia elementu. Mikrotwardość na powierzchni wałka uszkodzonego w miejscu oznaczonym nr 2 (w którym nie stwierdzono wpływu wysokiej temperatury podczas eksploatacji) miała wartość 504 HV0,1. Była porównywalna z tą zmierzoną w rdzeniu elementu. W miejscu najbliższym wirnika turbiny (gdzie zaobserwowano najbardziej intensywny nalot tlenkowy) mikrotwardość powierzchni elementu była mniejsza o około 60 jednostek w porównaniu z sąsiednim punktem pomiarowym. Pomiędzy punktami pomiarowymi odległymi o około 54 mm, na wałku uszkodzonym, wykazano różnice mikrotwardości powierzchni sięgające 130 jednostek. Same różnice w mikrotwardości powierzchni wałka (w punktach 1 i 2), mimo że powodowały występowanie karbu strukturalnego, nie mogły być przyczyną uszkodzenia elementu. Mogły jednak spowodować, że przełom nastąpił w dwóch miejscach, początkowo w miejscu oznaczonym 7 (rys. 1), a następnie w miejscu 6. PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonych badań uzyskano informacje pozwalające na stwierdzenie, że nie można wykluczyć, iż przyczyną uszkodzenia wałka turbosprężarki były ukryte wady materiałowe. Chociaż struktura materiału uszkodzonego wałka nie zawiera zanieczyszczeń, które mogłyby spowodować zmniejszenie wytrzymałości elementu, to martenzyt o strukturze iglastej mógł powodować kruchość. Porównywane wałki charakteryzowały się podobnym wyglądem powierzchni, zwłaszcza w strefie oddziaływania podwyższonej temperatury. Warstwa nalotowa miała barwę o zbliżonym odcieniu. Mikrostruktura wałka uszkodzonego była podobna, pod względem budowy i wielkości ziaren, do mikrostruktury wałka nieuszkodzonego. Wyjątkiem było miejsce w obszarze uszkodzenia na części z gwintem, gdzie ziarna w strukturze wałka uszkodzonego miały mniejszą wielkość. Przełomy doraźne wałka uszkodzonej turbosprężarki powstały prawdopodobnie w efekcie dostania się do sprężarki ciała obcego. Uszkodzenia spowodowane przez ten obiekt zostały spotęgowane po doraźnym przełomie tego wałka, początkowo w jednym, a następnie również w drugim miejscu. Prawdopodobną przyczyną tak rozległych uszkodzeń wałka były duże różnice w mikrotwardości zaobserwowane na jego powierzchni i w rdzeniu oraz patrząc wzdłuż uszkodzonego wałka. Dla oceny wagi problemu należałoby przeprowadzić analizę powodów uszkodzeń innych silników w tym typie pojazdów samochodowych. Szersze, na większą skalę, badania dałyby podstawy do zebrania bardziej miarodajnych informacji o przyczynach podobnych uszkodzeń. Pomimo tego powyższe wnioski, z badania przyczyn konkretnego uszkodzenia, powinny skoncentrować uwagę producenta sprężarki na zwięk- 96
Kazimierz DROZD, Krzysztof OLEJNIK szeniu kontroli podczas fazy obróbki cieplnej w procesie produkcji wałka sprężarki. Takie działanie umożliwiłoby obniżenie kosztów powodowanych przez uszkodzenia w cyklu życia zarówno sprężarki silnika, jak i pojazdu samochodowego jako całości. LITERATURA 1. Stejskal T., Valenčík Š., Technická diagnostika - 1. Vyd, SjF TU, Košice 2009, s. 215, ISBN 978-80-553-0313-0. 2. Idzior M., (et all.), Analiza wpływu warunków eksploatacji na stan techniczny turbosprężarek doładowanych silników spalinowych, [w:] Logistyka, nr 3/2011, Warszawa 2011, s. 1129-1139. 3. Dudziński W., (et all.), Struktura i własności materiałowe łożysk ślizgowych turbosprężarek współpracujących z silnikami spalinowymi, [w:] Tribologia: tarcie, zużycie, smarowanie, nr 4/2002, Radom 2002, s. 1133-1141. 4. Mysłowski J., Doładowanie silników, WKiŁ, Warszawa 2006, ISBN 83-206-1603-4. 5. San Andres L., (et al.), Rotordynamics of small turbochargers supported on floating ring bearings-highlights in bearing analysis and experimental validation, [in:] ASME Journal of Tribology, no. 129/2007, p. 391-397. 6. Danilecki K., Trends in the development of turbocharging systems in automotive vehicles, [in:] Silniki Spalinowe, no. 47/2008, Poznań 2008, p. 61-76. 7. Schweizer B., Oil whirl, oil whip and whirl/whip synchronization occurring in rotor systems with full-floating ring bearings, [in:] Journal of Nonlinear Dynamics, no. 328/2009, p. 156-190. 8. Turbocharger Guide Torrance USA Honywell, [online]. [dostęp 2012-08-21]. Dostępny w Internecie: www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/sites/default/files/ turbotech/garrett _Catalog_V4.pdf. 9. Mysłowski J., Tendencje rozwojowe silników spalinowych o zapłonie samoczynnym, WKiŁ, Warszawa 2006, ISBN 83-920826-8-0. 10. Kowalewicz A., Doładowanie samochodowych silników spalinowych, Wyd. Politechniki Radomskiej, Radom 1998, ISBN 83-906362-9-8. 11. Stejskal T., Meranie zmeny vibrácií vplyvom štrukturálnych zmien (Measurement of the vibration level change with structures variation ), [in:] DIS 2007. konferencia Košice, SjF TU, Košice 2007, ISBN 9788080738723. 12. Jaskólski J., Budzik G., Marciniec A., Balancing of turbocharger rotors, [in] Journal of KONES, no. 14/2007, p. 217-222. 13. Tian L., Wang W.J., Peng Z.J., Effects of bearing outer clearance on the dynamic behaviours of the full floating ring bearing supported turbocharger, [in:] Mechanical Systems and Signal Processing, no. 31/2012, p. 155-175. 97
BADANIA MATERIAŁOWE ELEMENTÓW TURBOSPRĘŻARKI POD KĄTEM MATERIAL TESTS OF TURBOCHARGER COMPONENTS TO ELIMINATE OPERATIONAL DAMAGE CAUSES Summary In some types of cars a relatively high incidence of turbochargers failures are observed. The paper contains the basic tests results of the turbocharger shafts material from the selected combustion engines. The objective was to determine whether the cause of failure of one of the turbochargers can be associated with hidden material defects. The test program included testing fractures, and comparing microstructure and micro hardness of the material of the damaged turbocharger shaft with the second shaft from the undamaged turbocharger, removed from the same vehicle. The results of the tests did not eliminate the material cause of the damage, and it was found in particular that the test pieces had hidden material defects. From the material evaluation point of view, both shafts tested could not be classified as fit for further use. Keywords: turbocharger, material tests, operational damage NOTY BIOGRAFICZNE dr inż. Kazimierz DROZD absolwent Wydziału Mechanicznego Politechniki Lubelskiej. W latach 1994-1999 pracował w przemyśle. W 2005 roku uzyskał stopień dra nauk technicznych w dyscyplinie: Budowa i Eksploatacja Maszyn. Jest długoletnim członkiem Polskiego Naukowo-Technicznego Towarzystwa Eksploatacyjnego. Prowadzi badania trwałości warstwy wierzchniej wytężonych elementów maszyn przy złożonym stanie obciążenia mechanicznego i oddziaływaniu środowiska pracy, w tym badania typu studium przypadku. dr hab. inż. Krzysztof OLEJNIK absolwent Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. W latach 1977-1987 pracował w Instytucie Pojazdów Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. Następnie, ponad 25 lat pracował w Instytucie Transportu Samochodowego w Warszawie, gdzie utworzył Pracownię Badań Widoczności i Ergonomii, a także był jej kierownikiem. Od roku 2004 pracuje w Wydziale Transportu i Informatyki Wyższej Szkoły Ekonomii i Innowacji w Lublinie. Jest członkiem Zespołu Systemów Eksploatacji Sekcji Podstaw Eksploatacji Komitetu Budowy Maszyn Polskiej Akademii Nauk. Zajmuje się zagadnieniami dotyczącymi konstrukcji i eksploatacji środków Transportu, w szczególności elementami systemu bezpieczeństwa czynnego w transporcie. 98