Оценка работоспособности и остаточного ресурса поршневых колец двигателей КамАЗ, бывших в эксплуатации

К настоящему времени по двигателям КамАЗ накоплено достаточно данных о дефектах, износах и технических ресурсах гильз цилиндров и поршней и значительно меньше – по поршневым кольцам, хотя именно кольца – наиболее слабое место любого ДВС. Ведь известно, что при капитальном ремонте двигателей часть гильз и поршней восстанавливаются и используются повторно, а поршневые кольца всегда выбраковываются полностью.

Двигатели КамАЗ в этом смысле не исключение: при их ремонте все поршневые кольца тоже меняют. Однако исследования показывают, что 100%-я выбраковка поршневых колец на двигателях КамАЗ не более чем дань сложившейся традиции. Совершенствование конструкции, материалов и технологии изготовления поршневых колец привело их в разряд ремонтопригодных и даже годных к повторному использованию.

Этот вывод – результат тщательных исследований, проведенных Научно-техническим Центром (НТЦ) АО ''КамАЗ'' в период 1990…1991 гг.

Исследования включали общую оценку состояния поршневых колец, бывших в эксплуатации, по таким параметрам, которые наиболее полно характеризуют состояние деталей. Это радикальная толщина колец, их высота, тепловой зазор в стыке в рабочем состоянии, коробление и собственная упругость. При этом исследования исходили из предпосылки, что кольца, бывшие в эксплуатации, можно считать имеющими остаточный ресурс, если они сохранили свои свойства достаточно близкими к требованиям на кольца новые. В том числе по прирабатываемости и износостойкости, геометрическим параметрам, толщине защитного слоя (хрома, молибдена) на рабочей поверхности; физико-механическим свойствам материала (собственной упругости (Q), условному модулю упругости (E), пределу прочности при изгибе).

Исследованиями установлено, что износы поршневых колец в эксплуатации зависят не только от наработки (пробега) двигателя, но и от многих других факторов: номера цилиндра, в котором кольцо работало; его место расположения на поршне; вида защитного слоя (хром, молибден) на рабочей поверхности и т. д.

Так, кольца в промежуточных (второй, третий, шестой, седьмой) цилиндрах изнашиваются меньше, чем в крайних (первый, четвертый, пятый, восьмой). Если для первого (хромированного) кольца основной выбраковочный дефект – его радиальный износ, то для второго (молибденового) – износ по высоте. Наименьшему износу, как по высоте, так и по радиальной толщине подвергается хромированное кольцо, устанавливаемое в качестве нижнего компрессионного кольца. Маслосъемные же кольца изнашиваются в основном по радиальной толщине и весьма незначительно - по высоте.

Другими словами, поршневые кольца двигателя КамАЗ вырабатывают свой ресурс крайне неравномерно.

Установлено, далее, что при оценки эксплуатационного состояния поршневых колец исключительно важную роль необходимо придавать защитному слою на их рабочей поверхности: от него на прямую зависят геометрические (радиальная толщина, тепловой зазор), триботехнические (износостойкость, прирабатываемость), физико-механические (собственная упругость) параметры.

Исходя из этого все поршневые кольца, бывшие в эксплуатации, можно разделить на три группы.

Первая: с полностью сохранившимся защитным слоем по всему периметру и высоте кольца.

Вторая: с изнашиванием второго защитного слоя до основания на части периметра кольца (прежде всего в районе теплового зазора).

Третья: с полным изнашиванием защитного слоя по всему периметру кольца и частичным изнашиванием основания.

Очевидно, что об остаточном ресурсе можно вести речь только в отношении поршневых колец первой группы. И действительно, у колец этой группы радиальная толщина, ее колебания по периметру кольца, коробление кольца по периметру, собственная его упругость находится в пределах, установленных техническими условиями чертежа для новых поршневых колец, тепловой зазор не превышает 1 мм, а предел прочности при изгибе составляет 78…150% от минимального выпускаемого для новых колец. Причем цифра 78% не должна смущать: исследование новых колец производства завода запасных частей КамАЗ показало: практически такой же (70…170% от минимально допускаемого по ТУ предела) разброс прочности характерен и для них. Это говорит о том, что отклонение предела прочности за нижний допускаемый предел не связано с эксплутационными причинами.

Средние значение остаточной толщины защитного слоя поршневых колец первой группы, измеренные в зоне теплого зазора (сечение 1,5), на спинке (сечение 3), между тепловым зазором и спинкой (сечение 2,4), приведены таблично (Таблица 2.7).

Таблица 2.7.

Из таблицы видно, что остаточная толщина слоя на работавших кольцах первой группы остается достаточно близкой к толщине исходной. Это объясняется тем, что большое их количество (~ 65%) используется в качестве нижних компрессионных колец, которые изнашиваются меньше, чем другие по расположению на поршне кольца.

Таким образом, проведенные исследования показали, что значительная часть поршневых колец, бывших в эксплуатации, остается в работоспособном состоянии. Подтвердили это и стендовые моторные испытания двигателей КамАЗ, полностью или частично укомплектованных такими кольцами. (Например, в сочетаниях: поршневые кольца, бывшие в эксплуатации – поршни новые – гильзы цилиндров новые; поршневые кольца, бывшие в эксплуатации – поршни новые – гильзы цилиндров, бывшие в эксплуатации, восстановленные хонингованием рабочей поверхности на размер 120,1^+0,03мм.) Во всех сочетаниях показатели двигателей были в пределах ТУ 37.001.1032-88, в том числе и такой показатель, как расход масла ''на угар'', наиболее полно характеризующий состояние ЦПГ.

Какой же показатель колец первой группы должен быть принят в качестве оценочного для прогнозирования остаточного ресурса? Как следует из всего сказанного выше, - остаточная толщина защитного слоя на их рабочих поверхностях, поскольку именно от нее зависят другие геометрические и физико-механические параметры колец, а также изнашивание ЦПГ двигателя в целом. Тем более, что такой выбор допускается ГОСТ 23.224-86.

Таблица 2.8

Остаточный ресурс, как записано в ГОСТ 27.302-86, определяют расчетом. Исходные данные для такого приближенного расчета приведены выше (Таблица 2.8). (В нее вошли минимальные из приведенных таблице 2.7 средние остаточные толщины защитного слоя. И это не случайно: именно здесь происходят, в конечном итоге, полное, до основания, изнашивание и последующая интенсификация изнашивания всей цилиндропоршневой группы.)

Результаты расчета остаточного ресурса для двух вариантов условий трения (ГОСТ 27.302-86) и варианта по ГОСТ 23.224-86 приведены ниже (Таблица 2.9).

Таблица 2.9.

Из таблицы следует, что поршневые кольца, бывшие в эксплуатации и сохранившие защитный слой по всему периметру, обладают еще достаточным ресурсом для их повторного использования в эксплуатации. Количество таких колец составляет: верхних хромированных – 36%, нижних с молибденовым покрытием – 75%, нижних хромированных – 83% и маслосъемных – 45%.

И в заключении несколько рекомендаций.

1. Для повторного использования в эксплуатации пригодны только поршневые кольца, сохранившие защитный слой по всему периметру и высоте кольца без каких либо повреждений. При этом необходимо учесть, что компрессионные кольца по высоте изнашиваются в основном со стороны нижнего торца, в результате чего на наружной кромке нижнего торца образуется характерный выступ, и кольцо приобретает неплоскостность в радиальном направлении. Потому эти кольца нужно не только очищать от нагара и ржавчины, но и шлифовать их нижний торец на глубину до 0,05 мм (данный размер выбран в качестве предельного, исходя из того, что РКД двигателя КАМАЗ допускает повторное использование деталей ЦПГ с увеличенным торцевым зазором между компрессионными кольцами и канавками поршня на 0,05 мм).

2. Повторное использование молибденовых колец, несмотря на удовлетворительное состояние защитного слоя и наличие остаточного ресурса, весьма ограничено из-за значительного износа по высоте. Причем надо иметь ввиду, что нижние молибденовые кольца изнашиваются примерно в 2,5 раза сильнее верхних хромированных колец.

3. Поршневые кольца можно использовать повторно при двух комплектациях: с поршнями новыми, так как поршни бывшие в эксплуатации, всегда имеют значительный износ и неплоскостность торцев канавок; с гильзами цилиндров как новыми, так и бывшими в эксплуатации, но с обязательным хонингованием рабочей поверхности в размер до диаметра 120,1 мм.